基于模糊PID 的助老助行機器人控制系統設計?

魏曉娟，王耀武

（1.西北民族大學 電氣工程學院，甘肅 蘭州 730124；2.蘭州供電公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

隨著老齡化社會的到來，老年人的養老護理已經成為一個棘手的社會問題。而助老助行機器人可以有效解決老年人由于體能下降、運動器官功能萎縮等諸多原因導致的行走不便的問題，因此成為近年來備受關注的研究熱點之一。

近幾年，在助行機器人領域，國內外學者投入了大量的時間研究，取得了一定的成果。但對于助行機器人控制方法的研究，大多采用傳統的PID控制方法，雖然PID控制方法在控制助行機器人行走方面具有一定的穩定性和控制精度，但不能適應變化的路況，從而不能達到理想的控制效果。因此，本文提出了基于模糊PID的助老助行機器人運動控制方法，既提高了PID控制的適應能力，又保留了PID控制的優良特性，并滿足了相應助行機器人行走的要求。

1 助老助行機器人控制系統總體結構

本助老助行機器人控制系統分為控制、執行和檢測3個部分。控制系統采用速度環和電流環的雙閉環控制，其結構框圖如圖1所示。控制部分主要包括電機的控制、運動算法；執行部分主要由車體平臺、2個無刷直流輪轂電動機和2個萬向輪組成；檢測部分采用觸滑覺檢測系統來感知使用者施加于助行機器人上的運動意圖［1］，通過控制系統來實現助行機器人相應的控制策略，使機器人按照使用者的行走意圖行進。另外，當使用者行走時間過長或行走不便時，也可以坐在座椅上通過操作桿控制助行機器人的人機接口部分，表達使用者的操縱意圖并顯示各種信息。

1.1 控制系統硬件設計

控制系統硬件由DSP微處理器、直流無刷電機驅動系統、傳感器檢測系統和電源系統等部分組成。其中，DSP微處理器是以TMS320F2812為核心的DSP系統，主要進行觸滑覺行走意圖識別和操作桿控制算法實現，并將計算結果轉化成機器人左、右輪的轉速，發送給電機驅動系統；電機驅動系統采用無刷直流電機，對控制系統發送的電機指令進行功率放大，驅動電機旋轉；傳感器檢測系統包括觸滑覺傳感器和操作桿輸出信號檢測，以及電流、速度檢測及故障檢測電路；電源系統是電源轉換部分，由24V直流蓄電池經過DC/DC轉換為所需的電壓（15V、9V、＋5V、－5V、3.3V、2.2V）。

圖1 助老助行機器人控制系統框圖

助老助行機器人的無刷直流電機驅動方式采用全橋驅動兩兩導通方式，選用美國IR公司的IR2103，其具有驅動能力強以及強大的死區保護功能。正常工作時，DSP輸出6路控制信號，經3個IR2103調制后輸出6路驅動控制信號調制MOSFET導通和關斷。整個驅動控制電路調制采用上管調制下管恒通的方式。

1.2 控制系統軟件設計

控制系統核心為TMS320F2812DSP，其采用C語言編程，使用的編程調試軟件為CCS3.3。控制系統軟件總體結構框圖如圖2所示。

圖2 控制系統軟件總體結構框圖

2 基于模糊PID的雙電機差速驅動控制方法研究

助老助行機器人控制的目標是使機器人能夠按照使用者的行走意圖平穩行走。助行機器人在行走時采用的是差速控制方式，即2個驅動后輪由各自獨立的2個直流無刷電機驅動，所以，助行機器人控制的精確性決定于對2個無刷直流電機協調控制的精確性。考慮到無刷直流電機是一個多變量的、強耦合的、非線性系統，如果工況發生改變，整個系統的參數也會發生改變，很難用精確的數學模型來描述。在此采用模糊PID算法來實現對每個無刷直流電機轉速控制系統進行優化設計，將模糊控制和PID控制兩者結合起來，克服了傳統PID控制的缺點，既具有模糊控制靈活而適應性強的優點，又具有PID控制精度高和易于實現的特點［2］。

整個驅動控制部分采用經典的雙閉環調速系統，內環電流環采用基本的PI控制算法設計，外環速度環采用模糊PID算法設計。控制器用實際反饋的電機速度與控制指令計算出的給定速度值相比較，通過模糊自適應轉速調節器的調節，輸出電流給定值，與檢測到的電流實際值相比較，經過電流PI調節器，輸出得到供給電機的控制電壓。主要是通過改變控制電壓來實現對電機的速度調節，控制電樞電流達到控制電機轉矩的目的。

在模糊PID控制算法設計過程中，通過計算當前系統速度的偏差e和偏差變化率ec，定義輸入輸出變量的模糊集，確定各變量論域，建立模糊變量賦值表。在Δt時間內，將DSP根據控制指令（速度和方向）計算控制量作為模糊控制器的給定目標r，檢測到的實際電機轉速作為反饋輸入b，計算得到轉速偏差和偏差變化率，經量化和模糊化后作為模糊控制器的輸入信號，模糊判決后輸出模糊控制量U，解模糊后作為電機轉速的增量u，與前周期轉速相加后輸出。本文選擇輸入量與輸出量的模糊集合均為7個，即NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB，分別代表負大、負中，負小、零、正小、正中、正大。根據模糊集合的個數以及模糊控制的輸入量與輸出量的實際論域，可以確定輸入量和輸出量模糊集合的論域為｛－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5，6｝；然后根據長期控制實踐和學習積累的經驗歸納出若干條控制規則，根據控制規則進行模糊推理計算得到一張控制查詢表。實時控制時，采用查詢模糊矩陣表法進行PID參數的在線自整定。

3 試驗驗證及結果分析

將助行機器人的運動分為前進、后退、左轉、右轉、停止5種基本狀態及它們的組合。因此，對助行機器人的前進、后退、左轉、右轉等基本行走模式的速度跟隨特性和調速響應時間進行了試驗，同時在試驗中對加速、減速特性進行了研究分析，試驗結果如圖3所示。從試驗數據可以看出，兩電機轉速對于設定的行走速度具有很好的跟隨特性，同時有很好的時間響應特性，在0.5s內基本上實現了轉速的跟隨。在機器人左、右轉試驗中，將兩輪速度差設定為70r/min，在0.7s內基本實現了轉彎。

對于行進中的加速、減速，在45r/min～200r/min范圍內，調節占空比減速或加速，響應時間非常快，在0.5s內實現了穩態的跟隨。以上試驗結果表明運動模塊具有良好的轉速跟隨特性及較短的調節響應時間。

圖3 各個行走模式下的響應特性曲線

4 結論

試驗結果證明，控制系統的軟、硬件可以滿足控制性能的要求，并能夠保證助老助行機器人在助行過程中的舒適性與安全性，能夠快速高效地實施輔助行為，提出的模糊自適應算法具有較好的自適應性，從而驗證了助行機器人的有效性并且能夠實現高精度運行。

［1］Zhang X D，Wei X J，Zhang J J.Detecting system design of tactile sensor for the elderly-assistant ＆walking-assistant robot［J］.Key Engineering Materials，2011，455：37-41.

［2］Gao M Q，He S H.Self-adapting fuzzy-PID control of variable universe in the non-linear system［C］//International Conferenceon Intelligent Computation Technology and Automation.［s.l.］：［s.n.］，2008：473-478.