基于PID控制的跑步機器人控制算法研究與分析＊

茍小平,張萬軍,張 峰,張景軒,張景怡,張景妍

（1.隴東學院體育學院，甘肅 慶陽 745000；2.甘肅澤德電子技術有限公司，甘肅 天水 741003；3.蘭州工業化設備有限公司，甘肅蘭州 730050）

1 問題的提出

如何提高學生參加長跑鍛煉的興趣，有效提高他們的耐力素質，是體育工作者不斷探索的重要問題[1-4]。近年來，有學者茍小平、張萬軍[5-22]等的研究重點集中在體育產品研制及插補曲線的應用上[23-29]。

本文提出了一種基于PID 控制的跑步機器人控制算法，基于關節角度誤差參數及運行誤差的變化機器人。結合實際運行經驗，建立了模糊規則表，PID 參數自整定在線仿真。實驗結果表明：PID 控制方法具有良好的控制效果，能夠使跑步機器人平穩地運動，實現對步態跑步機器人的初始控制。

2 跑步機器人PID 控制算法設計

考慮到機械腿的電機和執行機構在傳遞過程中不可避免的誤差，機器人系統增加了編碼器，實時采集關節的角度信息，并反饋給控制器。通過控制器的計算，可以實時減小誤差引起的實際步態與理論步態的差異。模糊PID 控制系統結構如圖1 所示。

圖1 模糊PID 控制系統結構框圖

3 模糊規則表的建立

模糊控制設計的核心是總結工程設計人員的技術知識和實際操作經驗，建立合適的模糊規則表，得到分別設置KP，Ki和Kd三個參數的模糊規則表[8]，見表1。

表1 KP，Ki 和Kd 模糊控制規則表

4 去模糊

根據e(k)和△e(k)的隸屬函數，當輸入值為常數時，本研究需要找到一個最能代表模糊集的精確量。這里作者用重心法來表示這個精確值[9]：

在公式：Qi-模糊變量值，Ui—模糊變量值對應的隸屬度。

每個PID 參數的精確值可從式（2）中獲得。

5 跑步機器人控制算法測試平臺介紹

跑步機器人控制算法測試的實驗地點為隴東學院體育學院，隴東學院體育學院室內溫度為25～35℃。圖2 為跑步機器人控制算法測試平臺器。

圖2 跑步機器人控制算法測試平臺

6 結果與分析

使用MATLAB 軟件對跑步機器人控制算法進行仿真，分別做出PID 控制、常規PID 控制等試驗模擬圖，如圖3 和圖4 所示。本試驗的目的是驗證上述控制方法的分析誤差。

圖3 試驗模擬圖1

圖4 試驗模擬圖2

從圖3 可以看出：PID 控制方法具有良好的控制效果，能夠使跑步機器人平穩地運動，實現對步態跑步機器人的初始控制。

從圖4 可以看出：PID 控制方法具有良好的控制效果，能夠使跑步機器人平穩地運動，實現對步態跑步機器人的初始控制。