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(yè)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(zhì)，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(chǎn)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(jié)角度誤差參數(shù)及運行誤差的變化機器人。結合實際運行經(jīng)驗，建立了模糊規(guī)則表，PID 參數(shù)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(wěn)地運動，實現(xiàn)對步態(tài)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(zhí)行機構在傳遞過程中不可避免的誤差，機器人系統(tǒng)增加了編碼器，實時采集關節(jié)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(tài)與理論步態(tài)的差異。模糊PID 控制系統(tǒng)結構如圖1 所示。

圖1 模糊PID 控制系統(tǒng)結構框圖

3 模糊規(guī)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(jīng)驗，建立合適的模糊規(guī)則表，得到分別設置KP，Ki和Kd三個參數(shù)的模糊規(guī)則表[8]，見表1。

表1 KP，Ki 和Kd 模糊控制規(guī)則表

4 去模糊

根據(jù)e(k)和△e(k)的隸屬函數(shù)，當輸入值為常數(shù)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(shù)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(nèi)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(guī)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(wěn)地運動，實現(xiàn)對步態(tài)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(wěn)地運動，實現(xiàn)對步態(tài)跑步機器人的初始控制。