海流干擾下網(wǎng)衣清洗機(jī)器人控制方法研究?

宋晨嘉, 劉貴杰, 馬 琪, 王新寶, 田曉潔??

(1.中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院, 山東 青島 266100; 2.中國(guó)人民解放軍海軍潛艇學(xué)院, 山東 青島 266199;3.青島森科特智能儀器有限公司, 山東 青島 266001)

網(wǎng)箱養(yǎng)殖是海洋產(chǎn)業(yè)中的重要產(chǎn)業(yè),是中國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)的重要增長(zhǎng)點(diǎn)[1]。在網(wǎng)箱養(yǎng)殖的過(guò)程中,海洋生物在養(yǎng)殖網(wǎng)箱上的有害附著會(huì)阻礙水體流動(dòng),使養(yǎng)殖網(wǎng)箱內(nèi)水體惡化,進(jìn)而污染養(yǎng)殖環(huán)境,引起魚(yú)病頻發(fā)、養(yǎng)殖魚(yú)類(lèi)品質(zhì)下降,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成網(wǎng)衣破損。因此,對(duì)網(wǎng)箱網(wǎng)衣清理是非常必要的。傳統(tǒng)網(wǎng)箱的網(wǎng)衣清洗主要以人工清除和藥物清洗為主:人工清洗勞動(dòng)強(qiáng)度大,且效率低;藥物清洗價(jià)格昂貴、工序復(fù)雜[2]。隨著漁業(yè)裝備技術(shù)的發(fā)展,網(wǎng)箱網(wǎng)衣清洗設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。現(xiàn)有的網(wǎng)衣清洗機(jī)主要有機(jī)械毛刷網(wǎng)衣清洗機(jī)、射流毛刷組合網(wǎng)衣清洗機(jī)和高壓射流網(wǎng)衣清洗機(jī)。國(guó)內(nèi)、外一些公司、機(jī)構(gòu)通過(guò)水下履帶式機(jī)器人搭載網(wǎng)衣清洗裝置,設(shè)計(jì)了幾款網(wǎng)衣清洗機(jī)器人,如美國(guó)Yammar Marine公司采用高壓水和毛刷結(jié)合的清洗方式,設(shè)計(jì)了履帶式網(wǎng)衣清洗機(jī)器人;挪威AKVA group公司和MPI公司的網(wǎng)衣清洗裝備則是半自動(dòng)的有纜洗網(wǎng)裝置,其洗網(wǎng)作業(yè)是自動(dòng)的,但是洗網(wǎng)裝置的運(yùn)動(dòng)是依靠人工移動(dòng);廣東海洋大學(xué)設(shè)計(jì)一種履帶式深海網(wǎng)箱清洗機(jī)器人,依靠反沖裝置和兩組履帶輪貼附網(wǎng)衣表面行走,同時(shí)以高壓旋轉(zhuǎn)式射流清洗網(wǎng)衣[3]。由于網(wǎng)衣清洗機(jī)器人多是履帶式水下機(jī)器人,只能貼附網(wǎng)衣運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)范圍受限,并且清洗時(shí)間較長(zhǎng),因此筆者所在課題組設(shè)計(jì)了一款新型網(wǎng)衣清洗機(jī)器人,該機(jī)器人可在水中全自由度運(yùn)動(dòng),對(duì)網(wǎng)箱的網(wǎng)衣進(jìn)行清洗。

隨著海洋工程技術(shù)的發(fā)展,開(kāi)發(fā)和使用能夠適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境的水下機(jī)器人的任務(wù)變得尤為重要[4],而水下機(jī)器人的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)控制是網(wǎng)衣清洗機(jī)器人有效工作的關(guān)鍵。水下機(jī)器人的控制方法有比例積分微分(PID)控制、模糊控制和滑模變結(jié)構(gòu)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和模型預(yù)測(cè)控制等。Tehrani等[5]用PID控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字高程模型(DEM)水機(jī)器人的定深控制。Shang等[6]將PID算法和模糊控制算法相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人的航向和速度的控制。Ishii等[7]在完成水下機(jī)器人航向控制、路徑跟蹤的過(guò)程中使用了自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法。Joe等[8]設(shè)計(jì)了一種滑模控制器,可實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人的三維軌跡跟蹤。Sun等[9]通過(guò)使用自適應(yīng)切換項(xiàng)的方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法,解決滑模控制中存在的抖震現(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人的軌跡跟蹤。鄒博[10]在對(duì)水下機(jī)器人姿態(tài)進(jìn)行控制的過(guò)程中,使用新型非奇異滑模控制算法,解決了總段滑模控制器有奇異點(diǎn)的問(wèn)題。

在深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖過(guò)程中,魚(yú)類(lèi)生長(zhǎng)與養(yǎng)殖網(wǎng)箱內(nèi)水體流動(dòng)密切相關(guān)。養(yǎng)殖網(wǎng)箱內(nèi)水流的速度決定了養(yǎng)殖網(wǎng)箱內(nèi)部水體的交換速度,對(duì)箱內(nèi)養(yǎng)殖環(huán)境有明顯的影響[1]。同時(shí),養(yǎng)殖網(wǎng)箱內(nèi)水體的流動(dòng)會(huì)影響網(wǎng)衣清洗機(jī)器人的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng),因此,在海流干擾情況下,對(duì)網(wǎng)衣清洗機(jī)器人的穩(wěn)定控制,也是網(wǎng)衣清洗機(jī)器人設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要方面。本文建立了此款網(wǎng)衣清洗機(jī)器人海流干擾下的數(shù)學(xué)模型。針對(duì)網(wǎng)衣清洗機(jī)器人的工作方式和海流干擾,設(shè)計(jì)串級(jí)-前饋PID控制器,取得一定的控制效果。在串級(jí)-前饋PID控制器的基礎(chǔ)上,增加模糊控制器,提高網(wǎng)衣清洗機(jī)器人抗海流干擾能力,并加快響應(yīng)速度,改善控制效果。

1 網(wǎng)衣清洗機(jī)器人模型

對(duì)此款網(wǎng)衣清洗機(jī)器人建立三維模型,并根據(jù)模型進(jìn)行分析后,建立了海流干擾下的網(wǎng)衣清洗機(jī)器人運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型。

1.1 網(wǎng)衣清洗機(jī)器人簡(jiǎn)介

網(wǎng)衣清洗機(jī)器人三維模型如圖1所示,網(wǎng)衣清洗機(jī)器人由8個(gè)推進(jìn)器組成,豎直方向有4個(gè)推進(jìn)器,水平方向布置有4個(gè)推進(jìn)器,可實(shí)現(xiàn)全自由度運(yùn)動(dòng)。在機(jī)器人的兩側(cè)搭載滾輪毛刷。網(wǎng)衣清洗機(jī)器人調(diào)整姿態(tài)使?jié)L輪貼附網(wǎng)衣,滾輪對(duì)向旋轉(zhuǎn),對(duì)網(wǎng)衣進(jìn)行清洗。其工作狀態(tài)如圖2所示。

圖1 網(wǎng)衣清洗機(jī)器人Fig.1 Net clothing cleaning robot

圖2 工作狀態(tài)示意圖Fig.2 Working state diagram

1.2 海流干擾下的網(wǎng)衣清洗機(jī)器人模型

根據(jù)國(guó)際拖曳水池會(huì)議及造船和輪機(jī)工程學(xué)會(huì)推薦的坐標(biāo)系[11-12],建立了地面坐標(biāo)系和機(jī)體坐標(biāo)系兩種右手坐標(biāo)系。水下機(jī)器人在地面坐標(biāo)系和機(jī)體坐標(biāo)系下的速度轉(zhuǎn)換用如下公式表示出來(lái):

(1)

養(yǎng)殖網(wǎng)箱中有海流流動(dòng),網(wǎng)衣清洗機(jī)器人在網(wǎng)箱中工作時(shí)會(huì)受到海流的干擾。為便于網(wǎng)衣清洗機(jī)器人控制器的設(shè)計(jì),本文建立海流干擾下的網(wǎng)衣清洗機(jī)器人模型。

本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)衣清洗機(jī)器人由水下機(jī)器人發(fā)展而來(lái),因此網(wǎng)衣清洗機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型為:

(2)

式中:M為慣性矩陣;C(v)從為科式力矩陣;D(v)為阻尼矩陣;g(η)為重浮力矩陣;τ為推力矩陣。

本文通過(guò)坐標(biāo)間的變換,將海流干擾施加在網(wǎng)衣清洗機(jī)器人上。首先通過(guò)海流的流速、側(cè)滑角、攻角等參數(shù)將海流分解在地面坐標(biāo)系下,然后通過(guò)地面坐標(biāo)系與機(jī)體坐標(biāo)系間的相互轉(zhuǎn)換,將分解在大地坐標(biāo)系下的海流速度轉(zhuǎn)換到機(jī)體坐標(biāo)系下,與原網(wǎng)衣清洗機(jī)器人速度相比較,得到網(wǎng)衣清洗機(jī)器人相對(duì)于海流的相對(duì)速度,進(jìn)而建立海流干擾下的網(wǎng)衣清洗機(jī)器人模型[13]。

海流在地面坐系下可以如下表達(dá):

(3)

式中:uf、vf和wf分別為海流相對(duì)于地面坐標(biāo)系x、y和z方向的平移速度;U為海流相對(duì)于地面坐標(biāo)系的速度;Rf,E為海流到地面坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣,且

(4)

式中:α為海流相對(duì)于地面的側(cè)滑角;β為海流相對(duì)于地面的攻角。

在得到海流在地面坐標(biāo)系下的表達(dá)后,可以通過(guò)地面坐標(biāo)系和機(jī)體坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,得到海流在機(jī)體坐標(biāo)下的表達(dá):

(5)

式中:uc、vc和wc分別為海流相對(duì)于機(jī)體坐標(biāo)x、y和z方向的平移速度。

在網(wǎng)衣清洗機(jī)器人六自由度方程中,假設(shè)海流無(wú)旋流的情況下,采用相對(duì)運(yùn)動(dòng)的概念將海流的作用考慮進(jìn)去,得

(6)

式中:ur、vr和wr分別為海流作用下機(jī)器人相對(duì)于地面坐標(biāo)x、y和z的平移速度;u、v和w分別為機(jī)體坐標(biāo)x、y和z的平移速度;p、q和r分別為機(jī)體繞坐標(biāo)自由度x、y和z的旋轉(zhuǎn)速度。

因此,海流干擾下的網(wǎng)衣清洗機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程可以寫(xiě)成:

(7)

(8)

2 仿真模型建立

2.1 模型建立

在得到海流干擾下網(wǎng)衣機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程后,在MATLAB中對(duì)海流干擾下的網(wǎng)衣清洗機(jī)器人進(jìn)行模型搭建,其建模流程如圖3所示。

圖3 海流干擾下網(wǎng)衣清洗機(jī)器人建模流程Fig.3 Modeling process of Net clothing cleaning robot under ocean current interference

2.2 模型驗(yàn)證

PID控制是一種基于反饋的控制方式,由于其原理簡(jiǎn)單、參數(shù)調(diào)節(jié)容易、適應(yīng)性較強(qiáng)且控制效果較好[14],因此PID控制是機(jī)器人控制廣泛采用的控制方法。本文采用PID控制方法對(duì)仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證。使網(wǎng)衣清洗機(jī)器人進(jìn)行空間螺旋運(yùn)動(dòng), 其仿真效果如圖4所示。

圖4 模型驗(yàn)證軌跡圖Fig.4 Model validation trajectory diagram

從圖4中可以看出,網(wǎng)衣清洗機(jī)器人可以做空間螺旋運(yùn)動(dòng),但是由于網(wǎng)衣清洗機(jī)器人在進(jìn)行螺旋運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中,受到海流的影響,偏離預(yù)定軌跡。由此可以驗(yàn)證該模型的正確性,另一方面也說(shuō)明了,單PID控制不能很好的滿足網(wǎng)衣清洗機(jī)器人在有海流情況下的控制。

3 串級(jí)-前饋PID控制

3.1 擾動(dòng)機(jī)理

為了保持水下機(jī)器人的橫穩(wěn)性,使水下機(jī)器人的浮心位于重心豎直方向之上,且浮力大于重力。水下機(jī)器人發(fā)生傾斜時(shí),重力和浮力會(huì)產(chǎn)生扶正力矩[15],重力和浮力的合力會(huì)沿著機(jī)體坐標(biāo),分解為沿Y軸和Z軸的2個(gè)力,這兩個(gè)力在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中會(huì)隨著姿態(tài)角度的變化而變化,進(jìn)而對(duì)相關(guān)方向的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生擾動(dòng),影響水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性(見(jiàn)圖5)。

圖5 網(wǎng)衣清洗機(jī)器人擾動(dòng)機(jī)理Fig.5 Disturbance mechanism of net clothing cleaning robot

3.2 串級(jí)-前饋PID控制設(shè)計(jì)

用一個(gè)PID控制器的輸出作為另一個(gè)PID控制器的設(shè)定值,這樣連接起來(lái)的兩個(gè)PID控制器稱(chēng)作是“串級(jí)PID控制”。2個(gè)PID控制器都有各自的測(cè)量輸入,但只有主控PID控制器具有自己獨(dú)立的設(shè)定值,主控PID控制器的輸出值作為副P(pán)ID控制器的設(shè)定值,副P(pán)ID控制器的輸出信號(hào)作用于控制信號(hào)。這樣的組成系統(tǒng)稱(chēng)為串級(jí)PID控制系統(tǒng)。串級(jí)PID控制系統(tǒng)有以下特點(diǎn):(1)具有較強(qiáng)的抗干擾能力;(2)能改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性;(3)能適應(yīng)負(fù)荷和操作條件的劇烈變化[16]。

前饋控制的基本原理就是根據(jù)進(jìn)入系統(tǒng)擾動(dòng)量(包括設(shè)定值變化和外界擾動(dòng))的方向和大小產(chǎn)生合適的控制作用去改變操縱變量,使被控變量維持在設(shè)定值上。前饋控制系統(tǒng)又稱(chēng)“擾動(dòng)補(bǔ)償”系統(tǒng)[17]。

根據(jù)網(wǎng)衣清洗機(jī)器人的擾動(dòng)機(jī)理,結(jié)合串級(jí)PID和前饋控制的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了串級(jí)-前饋PID控制器。其控制框圖如圖6所示,位置姿態(tài)作為串級(jí)PID控制外環(huán),速度環(huán)作為串級(jí)PID控制環(huán)內(nèi)環(huán),并且根據(jù)網(wǎng)衣清洗機(jī)器人的姿態(tài)角,計(jì)算出擾動(dòng)力后,反饋給速度環(huán),完成前饋閉環(huán)控制。

圖6 串級(jí)-前饋PID控制流程Fig.6 Cascade-feed forward PID control flow

3.3 串級(jí)-前饋PID海流控制仿真分析

設(shè)定在養(yǎng)殖網(wǎng)箱中,海流流速為0.2 m/s,側(cè)滑角為30°,攻角為0°。當(dāng)網(wǎng)衣清洗機(jī)器人在養(yǎng)殖網(wǎng)箱中工作時(shí),橫揺角為90°,然后沿Z方向運(yùn)動(dòng)。對(duì)此運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行仿真。其仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 串級(jí)-前饋PID控制仿真圖Fig.7 Model validation trajectory diagram

對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn),網(wǎng)箱中的海流對(duì)網(wǎng)衣清洗機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了干擾。X方向和Y方向響應(yīng)的過(guò)程中產(chǎn)生較大的超調(diào)量,且穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng),同時(shí)對(duì)Z方向的響應(yīng)和橫揺角的響應(yīng)也有一定程度的影響。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后,網(wǎng)衣清洗機(jī)器人達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),說(shuō)明串級(jí)-前饋PID控制器在海流干擾下的控制具備有效性。

3.4 不同海流干擾下的分析

在串級(jí)-前饋PID控制的基礎(chǔ)上,探究不同流速的海流對(duì)網(wǎng)衣清洗機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的干擾。在簡(jiǎn)化模型后,對(duì)不同流速下的海流干擾進(jìn)行仿真。在海流側(cè)滑角和攻角均為0°的情況下(即網(wǎng)衣清洗機(jī)器人的X方向?yàn)楹Ａ鞯挠髅?,在網(wǎng)衣清洗機(jī)器人沿Z方向運(yùn)動(dòng)工作的過(guò)程中,施加不同流速的海流,其仿真結(jié)果如圖8所示。對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析,因X方向?yàn)橛鞣较?隨著海水流速增大,其響應(yīng)過(guò)程中,超調(diào)量增大,說(shuō)明海水流速越大,對(duì)網(wǎng)衣清洗機(jī)器人的影響越大。由于網(wǎng)衣清洗機(jī)器人的非線性運(yùn)動(dòng)耦合作用,Y方向也會(huì)受到海流的影響,隨著海水流速增大,Y方向的超調(diào)量增大,且穩(wěn)定時(shí)間變長(zhǎng)。當(dāng)海水流速達(dá)到0.45 m/s后,網(wǎng)衣清洗機(jī)器人發(fā)生抖動(dòng)失穩(wěn)。說(shuō)明串級(jí)-前饋PID對(duì)海流的干擾有一定的抵抗能力,但是隨著海水流速的增大,其控制效果減弱。

圖8 不同流速海流干擾仿真Fig.8 Simulation of ocean current interference with different velocity

不同側(cè)滑角的海流對(duì)網(wǎng)衣清洗機(jī)器人也會(huì)產(chǎn)生不同的影響。在簡(jiǎn)化模型后,對(duì)工作中橫揺角為90°、沿Z方向運(yùn)動(dòng)的網(wǎng)衣清洗機(jī)器人施加不同側(cè)滑角的海流,然后對(duì)此進(jìn)行仿真(見(jiàn)圖9)。對(duì)X方向和Y方向的響應(yīng)曲線進(jìn)行觀察,可以發(fā)現(xiàn)不同側(cè)滑角的海流根據(jù)側(cè)滑角分解為2個(gè)力,且對(duì)網(wǎng)衣清洗機(jī)器人相應(yīng)的2個(gè)方向的響應(yīng)造成干擾。同時(shí),由于此時(shí)網(wǎng)衣清洗機(jī)器人的橫揺角為90°,還受到重力和浮力的影響,使Y方向的響應(yīng)和穩(wěn)定更加復(fù)雜。

圖9 不同方向海流干擾仿真圖Fig.9 Simulation diagram of current interference in different directions

4 模糊控制

采用PID或者改進(jìn)PID對(duì)網(wǎng)衣清洗機(jī)器人進(jìn)行控制,有較大的局限性,一方面需要長(zhǎng)時(shí)間的進(jìn)行參數(shù)的調(diào)節(jié),另一方面不同的工作情況需要不同的參數(shù)。模糊控制理論具有容易構(gòu)造、魯棒性好的特點(diǎn),并且可以根據(jù)不同的狀態(tài)推斷出較為合適的控制量,另外Y方向的響應(yīng)反應(yīng)的是網(wǎng)衣清洗機(jī)人和網(wǎng)衣的貼合程度,因此本研究采用模糊控制改善網(wǎng)衣清洗機(jī)器人的Y方向運(yùn)動(dòng)。

4.1 模糊控制器設(shè)計(jì)

模糊控制器的基本工作原理是,首先將輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行模糊化(D/F),變成模糊量;然后輸入含有模糊規(guī)則的模糊推理機(jī),經(jīng)過(guò)處理得出模糊集合;最后通過(guò)解模糊化(F/D)變成清晰量,輸出到下一級(jí)去控制被控對(duì)象,實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的控制[18]。本文采用的模糊控制器的原理如圖10所示。

(e:輸入誤差I(lǐng)nput error;Δe:輸入誤差變化率 Input error rate of change;t:響應(yīng)時(shí)間Response time;ke:e對(duì)應(yīng)的比例因子Scale factor; kΔe:Δe對(duì)應(yīng)的比例因子Scale factor;U:控制輸出量 Control output volume;E:誤差值Error values;CE:誤差變化率 Error rate of change。)圖10 模糊控制原理圖Fig.10 Fuzzy control schematic diagram

該模糊控制器選取網(wǎng)衣清洗機(jī)器人Y方向和目標(biāo)方向間誤差值e和誤差變化率為模糊控制的兩個(gè)輸入變量,取控制網(wǎng)衣清洗機(jī)器人Y方向運(yùn)動(dòng)的信號(hào)U作為輸出變量,依靠推進(jìn)器的推力調(diào)整網(wǎng)衣清洗機(jī)器人的運(yùn)動(dòng),使其回到目標(biāo)位置。采用7個(gè)詞匯對(duì)輸入輸出變量進(jìn)行描述,即NB(負(fù)大)、NM(負(fù)中)、NS(負(fù)小)、ZE(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)。兩個(gè)輸入變量在分別乘以量化因子10和20后,得到誤差值E和誤差變化率CE,其模糊論域分別為[-30,30]和[-60,60],隸屬度函數(shù)均采用雙S隸屬度函數(shù)。輸出變量U的模糊論域?yàn)閇-3.75,0.75],隸屬度函數(shù)采用的是高斯函數(shù)。輸入輸出的隸屬度曲線如圖11所示。

圖11 輸入輸出隸屬度函數(shù)曲線Fig.11 Input/output membership function curve

在模糊控制器中分別用七個(gè)語(yǔ)言模糊集來(lái)描述兩個(gè)輸入變量和一個(gè)輸出變量,根據(jù)網(wǎng)衣清洗機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)行規(guī)律,由49條“IF-THEN”型式的模糊條件構(gòu)建模糊控制規(guī)則(見(jiàn)表1)。

表1 模糊控制規(guī)則Table 1 Fuzzy control rule

在解模糊化時(shí),采用Mamdani類(lèi)型的推理方式,選擇重心法對(duì)輸出量進(jìn)行去模糊化。通過(guò)去模糊化處理得到模糊控制模型輸出曲面(見(jiàn)圖12)。

圖12 模糊控制輸出曲面Fig.12 Fuzzy control output surface

4.2 模糊控制仿真分析

對(duì)前面串級(jí)-前饋PID控制器的效果進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)Y方向的響應(yīng)波動(dòng)較大,且穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)。因此在串級(jí)-前饋PID控制的基礎(chǔ)上,對(duì)Y方向的控制器改進(jìn),用設(shè)計(jì)的模糊控制器代替Y方向位置環(huán)的PID控制器,其控制示意圖如圖13所示。

圖13 模糊控制流程Fig.13 Fuzzy control flow

對(duì)改進(jìn)的控制器進(jìn)行仿真,設(shè)定海流流速為0.2 m/s,側(cè)滑角為30°,攻角為0°。網(wǎng)衣清洗機(jī)器人在橫揺角為90°的情況下,沿Z方向運(yùn)動(dòng)工作。對(duì)此通過(guò)對(duì)工作狀態(tài)進(jìn)行仿真(仿真結(jié)果見(jiàn)圖14)可以發(fā)現(xiàn),Y方向的穩(wěn)定時(shí)間變少,穩(wěn)定速度加快。可以得出模糊控制器的應(yīng)用對(duì)網(wǎng)衣清洗機(jī)器人的控制有改進(jìn)效果,但是由于模糊控制器需要經(jīng)驗(yàn)積累,其控制效果仍有改善的空間。

圖14 模糊控制仿真圖Fig.14 Model validation trajectory diagram

5 結(jié)論

(1)建立海流干擾下的網(wǎng)衣清洗機(jī)器人六自由度模型,通過(guò)MATLAB/SIMULINK搭建仿真模型,并用PID驗(yàn)證模型的正確性。

(2)針對(duì)網(wǎng)衣清洗機(jī)器人的工作情況,采用串級(jí)PID控制,根據(jù)網(wǎng)衣清洗機(jī)器人擾動(dòng)機(jī)理,加入前饋控制,形成串級(jí)-前饋PID,會(huì)有較好的控制效果;在有一定海流干擾的情況下,會(huì)增加網(wǎng)衣清洗機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。

(3)在串級(jí)-前饋PID控制的基礎(chǔ)上,針對(duì)Y方向,設(shè)計(jì)加入了模糊控制器,進(jìn)一步減少穩(wěn)定時(shí)間,并改善了網(wǎng)衣清洗機(jī)器人的控制效果,滿足工作要求。