機器人瞬態平穩控制系統研究

周嘉玉　李澤　郝萬君

摘 要：本文主要利用自適應模糊PID的控制方法設計了一個基于單片機的機器人瞬態平穩系統，以智能小車為模型，介紹了系統的主要結構，包括中央控制模塊，傳感器模塊，執行器驅動模塊。紅外避障傳感器實時檢測路況信息，當小車與障礙物的距離小于設定值時，單片機驅動電機動作。自適應模糊PID控制比起常規PID控制能夠更好地控制復雜的、時變的非線性控制系統。仿真和實物實驗結果表明，本系統具有很好的動態性能，大體實現了瞬態平穩的目標。

關鍵詞：瞬態平穩;STM32;自適應模糊PID

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.104

1 引言

隨著科學技術的發展和進步，智能服務機器人在人們日常生活和工作中扮演的角色越來越重要，尤其是在當今老齡化人口比較多的時代，它不僅能夠承擔起照顧老人的責任，還能不斷滿足現代年輕人多樣化的需求[1]。家居服務機器人的重要基礎功能之一是在室內環境下的平穩快速移動，例如面向行動不便的老人、臥床休息的病人以及忙碌的主人，提供端茶端水、傳遞藥品、運送飯菜等功能。由于機器人快速移動過程中的急起急停，可能會導致液體灑落、物品滑落等問題，所以研究機器人的瞬態穩定問題具有重要意義。

2 機器人瞬態平穩控制系統總體設計方案

本設計方案如圖1所示。

2.1 主控芯片

本設計采用STM32單片機作為主控芯片，STM32便于擴展同時外設和軟件具有高度兼容性[2]。主控芯片接收并處理傳感器采集的信息，根據周圍的路況來發出指令到執行器件，使之做出相應的動作。若傳感器檢測到前方有障礙物，那么主控單元發出指令，驅動電機先減速，再停止，最后左轉，從而實現避障的功能。

2.2 障礙物檢測模塊

紅外避障傳感器由一對發射管和接收管組成，當發射管發出的紅外信號經過障礙物反射回接收管時，前方無障礙物的話輸出高電平，有障礙物的話則輸出電平會從高電平變成低電平。傳感器檢測到這個信號就可以判斷出正前方有無障礙物，并把信號傳送給單片機，單片機控制小車兩輪工作，從而完成避障的功能[3]。

2.3 步進電機

本設計選用前后兩個步進電機用做為機器人的執行器件，前一個電機控制前輪，用于控制機器人運動的方向;后一個電機用于控制后輪，用于提供機器人運動的動力。

3 硬件設計

電路按照作用分為中央控制單元電路、傳感器采集單元電路、執行器單元電路以及其它相關功能單元電路。

3.1 中央控制單元電路

本系統采用STM32作為中央控制單元，STM32包括時鐘電路、復位電路、電源電路和下載電路。在晶振兩端分別加上一個電容，無極性的電容可以濾去晶振兩端的高頻雜波。只有保證晶振電路穩定，單片機才能繼續工作STM32通常為低電平復位，通過一個按鍵及電容電阻所組成，利用按鍵的開關功能實現復位。當開關按下時，NRST引腳與地導通，即輸入一個低電平，從而實現復位的功能。采用兩節3.7V干電池18650供電，STM32的工作電壓為2.0-3.6 V。

3.2 紅外避障模塊

紅外避障傳感器利用了被檢測物對發射紅外光的反射或遮擋的原理，經過光電回路選通電路，從而判斷有沒有障礙物[4]。LM393是雙電壓比較器集成電路，其輸出負載電阻能連接在可允許電源電壓范圍內的任何電源電壓上，而不受 Vcc端電壓值的影響。 紅外發射信號遇到障礙物后反射， LM393的2、3引腳兩端進行電壓比較，從而3引腳收到電壓信號與2號引腳上的電壓比較，所以調節電位器的大小可以決定紅外避障模塊的靈敏度。 兩個端子上的電壓經過比較后，小車再決定動作與否。

3.3 電機驅動電路

本部分將使用步進電機作為執行器件，作用是執行主控芯片發送的指令。單片機發送一個電脈沖信號，那么步進電機就轉過一個固定的角度，即一個步距角。因此控制電脈沖的個數就可以控制步進電機的角位移，若控制電脈沖信號的發送頻率的話，就可以控制電機的轉速，而ULN3003是使用非常廣泛的電機驅動芯片。

4 控制方案設計

機器人的運動控制系統很明顯是模型復雜的非線性系統，但是常規PID控制器對于復雜系統的控制效果不好。模糊控制卻能控制復雜的時變非線性系統，但沒有積分環節的原因，系統的穩態誤差不能消除。模糊系統的卓越特性：一方面，模糊系統是由一個實值向量向一個實值標量所作的多輸入單輸出映射;另一方面，模糊系統是由來自于以模糊IF-THEN規則為形式的人類知識所組成的基于知識的系統[5]。所以本設計考慮將常規PID控制器和模糊控制的方法結合起來組成自適應模糊PID控制器應用于本設計的家居服務機器人瞬態平穩控制系統。

自適應模糊PID控制的原理如圖2所示。圖中，輸入變量r（t）為人為的一個預設值，與實際值輸出變量y（t）產生一個偏差，即誤差。誤差及誤差變化率經模糊推理，采用自適應的方法、根據模糊矩陣表，對于PID控制器的三個控制參數進行整定。

通過建立的模糊推理規則實時對Kp，Ki 和Kd 進行整定，設計出模糊自適應PID 控制器[6]。模糊控制器是自適應模糊 PID控制的核心，其原理是把偏差信號 e和偏差變化率 ec送入模糊控制器，模糊控制器進行模糊化、推理，然后求解，把得出的參數Δ kp、Δ ki、Δ kd分別輸入 PID控制器[7]。模糊整定PID控制參數就是利用模糊推理的方法找出PID控制參數與輸入變量之間的關系，根據不斷變化的情況修正控制參數。

解模糊化過程如下：系統根據模糊化輸入激活相應的規則，輸出的模糊語言值的隸屬度是根據規則前件及蘊涵都使用“取小”的操作進行運算，后采用重心法求出模糊控制輸出值。

5 仿真

利用仿真工具對控制系統進行設計與仿真，可以有效地對比各種控制模型與方案，選取并優化相關控制參數，從而對整個控制系統的性能進行優化與提高，尤其是對于一些新型控制理論與算法的研究，進行系統仿真更是必不可少的[8]。系統的仿真與調試主要針對模糊PID控制進行了Simulink仿真，與普通的PID控制方法進行了對比，還進行了實物實驗，組裝了一個基于STM32的紅外避障小車。紅外避障小車可以實現前進、后退、轉彎和避障的功能，然而本設計的最主要的控制要求就是瞬態平穩，智能小車也可以做到，將通過仿真來驗證控制算法的可靠性。

圖3為自適應模糊PID控制系統仿真圖，圖4為階躍響應曲線對比。圖中藍色曲線為階躍信號，紅色曲線為模糊PID控制對單位階躍的響應曲線，橙色曲線為常規PID控制對單位階躍的響應曲線。從圖中可以看出模糊PID控制達到穩態的時間在1秒以內，而常規PID控制的穩態時間大約為5.5秒。由此可見模糊PID控制的控制效果比常規PID控制的控制效果好。其他控制性能由實驗驗證。通過在小車上進行實驗，如圖5所示，智能小車上安裝了紅外避障模塊以及超聲波傳感器，采用干電池供電，小車自由旋轉、前進后退，沒有急停、急走的情況，基本達到預期目標。

6 結論

本設計選取了智能車代替機器人進行實物驗證，從仿真驗證和實物實驗，都基本達到預期目標。然而在實際應用中難免與真實情況有所出入，當今國際上對于科學技術的研究都向精細化發展，所以本設計的應用前景也將十分廣闊。

參考文獻：

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論文受到2019年度蘇州科技大學高水平畢業設計（論文）培育（團隊）項目資助（項目編號2019TGB-02）。

作者簡介：周嘉玉（1997-），女，江蘇鹽城人，本科，研究方向：智能控制、復雜系統控制與濾波。

*為通訊作者