基于模糊控制的球型機(jī)器人姿態(tài)研究

巢春波

[摘 要] 通過(guò)控制分析動(dòng)力學(xué)模型的傳遞函數(shù)，找到滿(mǎn)足系統(tǒng)要求的相應(yīng)性能指標(biāo)。依據(jù)在開(kāi)展實(shí)際控制當(dāng)中執(zhí)行機(jī)構(gòu)相應(yīng)特征，將一種經(jīng)過(guò)改進(jìn)的PID控制模糊控制算法予以提出，且對(duì)其開(kāi)展相應(yīng)試驗(yàn)研究。

[關(guān) 鍵 詞] 模糊控制；球型機(jī)器人；姿態(tài)；PID

[中圖分類(lèi)號(hào)] TP242 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 2096-0603（2018）20-0111-01

一、球型機(jī)器人姿態(tài)調(diào)整相應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型

從球型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)實(shí)際而言，如若其受到脈沖方面的干擾（如下圖），其相應(yīng)球殼就會(huì)向右滾動(dòng)，且和地面之間形成相應(yīng)接觸點(diǎn)，自L(fǎng)向M點(diǎn)進(jìn)行移動(dòng)，基于相應(yīng)慣性作用的影響，此球在具體的配重重心，則仍然于OM中心面，且偏向于左側(cè)，致使球殼減速，且向右開(kāi)始加速，當(dāng)球殼于左方向予以滾動(dòng)時(shí)，則與地面接觸點(diǎn)則為N，基于過(guò)程中所存在的配重慣性，其所具有的作用，就會(huì)促使球殼以M點(diǎn)及N點(diǎn)為基礎(chǔ)，在二者之間形成循環(huán)往復(fù)的滾動(dòng)，且在幅度方面隨著時(shí)間推移逐漸衰減，最終停止。

二、球型機(jī)器人姿態(tài)調(diào)整穩(wěn)定性及仿真

（一）PID控制仿真

現(xiàn)針對(duì)球型機(jī)器人姿態(tài)及相應(yīng)穩(wěn)定性，需設(shè)計(jì)一個(gè)PID控制器。針對(duì)姿態(tài)控制動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)其展開(kāi)仿真分析，可首先設(shè)定給定值，然后，再設(shè)定一個(gè)輸出值，最后，則設(shè)置二者之間控制偏差的數(shù)值，然后，運(yùn)用PID算法，將經(jīng)過(guò)計(jì)算所得出的偏差值，針對(duì)被控對(duì)象開(kāi)展相應(yīng)計(jì)算工作，且在此操作上反復(fù)開(kāi)展，直至與系統(tǒng)要求相符。依據(jù)被控過(guò)程所具有的相應(yīng)特性，將PID控制器具體的微分系數(shù)大小及比例等予以確定，然后調(diào)整PID參數(shù)，最終便可獲取所需求且符合系統(tǒng)需要的相應(yīng)指標(biāo)。以MATLAB語(yǔ)言環(huán)境為基礎(chǔ)，在其框架下的Simulink中，建立基于PID姿態(tài)控制的仿真模型。另外，將PID三個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以此為基礎(chǔ)開(kāi)展仿真，直至獲取結(jié)果。從相應(yīng)系統(tǒng)相應(yīng)曲線(xiàn)中可知，如若P=35，D=3及I=20時(shí)，則整個(gè)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，調(diào)節(jié)時(shí)間較短，約2 s。球型機(jī)器人在姿態(tài)方面偏角為10°，其最終響應(yīng)結(jié)果則與系統(tǒng)相應(yīng)要求相符。

（二）模糊PID控制算法仿真操作

本次研究運(yùn)用基于MATLAB框架下的模糊控制工具箱來(lái)開(kāi)展模糊控制器具體的設(shè)計(jì)工作。將其與Simulink充分結(jié)合，最終完成模糊PID控制器設(shè)計(jì)。針對(duì)所設(shè)計(jì)的相應(yīng)控制系統(tǒng)，對(duì)其開(kāi)展仿真分析。

將輸出及輸入模糊論域進(jìn)行設(shè)定，即為：[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6]，而輸出及輸入相對(duì)應(yīng)的7個(gè)語(yǔ)言變量則為：PB（正大）、PM（正中）、PM（正中）、ZO（零）、NS（負(fù)小）、NM（負(fù)中）及NB（負(fù)大）。無(wú)論是輸出量，還是輸入量，與之形成對(duì)應(yīng)關(guān)系的屬度函數(shù)，均乃trimf型，本次研究所采用規(guī)則均為MAMDANl，不僅需要將輸入量進(jìn)行計(jì)算，還要計(jì)算各條規(guī)則。然后，將結(jié)果進(jìn)行合并，針對(duì)模糊規(guī)則最終確定來(lái)講，其實(shí)為細(xì)分過(guò)程，需采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)及常識(shí)等對(duì)各條規(guī)則進(jìn)行確定，現(xiàn)僅以△Kp為例就模糊規(guī)則進(jìn)行分析。

R1：在具體實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，如若所形成的角度誤差乃為相應(yīng)負(fù)大，且誤差變化率也如此，則表明，整個(gè)試驗(yàn)所形成的誤差乃為負(fù)值。此外，誤差有負(fù)方向，與之形成對(duì)應(yīng)關(guān)系的相應(yīng)絕對(duì)值，則存在相應(yīng)增大趨勢(shì)，所以，若系統(tǒng)在比例系數(shù)方面依然存在增大狀況，則系統(tǒng)在調(diào)節(jié)能力方面也會(huì)隨之增加，即△Kp為正大；如若誤差存在較大變化，則△Kp取負(fù)大，R2：…上述總共生成規(guī)則為49條，控制模糊PID球型機(jī)器人姿態(tài)控制模型，而△Kp、△Ki和△Kα乃為輸出量，因此，模糊PID控制器相應(yīng)修正計(jì)算公式為：

Kα=△kα+kα0Ki=△ki+ki0Kp=△Kp+Kp0

而其中的△Kp、△Ki和△Kα均為PID相應(yīng)初值。

（三）實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置：PC上位機(jī)、球型機(jī)器人等。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：針對(duì)球型機(jī)器人在姿態(tài)角度具體的設(shè)計(jì)方面，則采用PC上位機(jī)予以完成。另外，在此過(guò)程中需將控制器相應(yīng)參數(shù)同時(shí)進(jìn)行設(shè)置，針對(duì)球型機(jī)器人具體的姿態(tài)收集方面，則采用陀螺儀予以完成。若完成姿態(tài)角測(cè)量，則可采用控制器算法，將具體的輸出數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，且調(diào)整球型以及姿態(tài)。而針對(duì)球型機(jī)器人而言，則利用其自身的無(wú)線(xiàn)收發(fā)裝置，就球型機(jī)器人相應(yīng)角度等參數(shù)完成發(fā)生。在實(shí)驗(yàn)中，機(jī)器人初始位置及目標(biāo)位置分別為0°、10°，收集數(shù)據(jù)則由陀螺儀完成，最終結(jié)果可知，在初始階段，采用模糊PID控制，無(wú)論是超調(diào)量還是具體的斜率，均與仿真結(jié)果相似，至此可知，其能夠改善控制效果?；谀Σ亮凹庸ぞ确矫娴挠绊懀瑱C(jī)器人達(dá)到相應(yīng)控制時(shí)間則需2～3 s。

參考文獻(xiàn)：

曹宇杰，鄧本再，詹一佳.基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的RoboCup足球機(jī)器人局部路徑規(guī)劃方法研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2015，23（23）：141-144.