雙輪自平衡機器人行走伺服控制算法研究

1、雙輪自平衡機器人行走伺服控制算法研究 摘 要：為了解決雙輪自平衡機器人行走伺服控制問題，本文設(shè)計了一種基于mamdani型模糊推理規(guī)則的模糊控制器。并且使用這種模糊控制器在雙輪自平衡機器人硬件平臺上完成了兩個實驗。一是以恒定傾斜角行走為控制目標(biāo)的行走伺服控制，二是以恒定速率行走為控制目標(biāo)的行走伺服控制。實驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的模糊控制器可以很好的解決雙輪自平衡機器人行走伺服控制問題。關(guān) 鍵 詞： 雙輪自平衡機器人；行走伺服控制；模糊控制 中圖分類號：tp 文獻標(biāo)識碼：athe motion servo control algorithm research on equilibrate robo

2、t (institution of artificial intelligence and robot, beijing polytechnic university, beijing100022, china)sun liang, wang yi-ran, ruan xiao-gangabstract: in this paper, the dual wheel equilibrate robot motion servo control is our concern. we design the controller which uses the fuzzy mamdani reasoni

3、ng rule table. based on the controller mentioned above, we focus on the constant tilt angle and constant motion speed control. from the results of the experiments, the fuzzy controller shows a good dynamic performance. key words: dual wheel equilibrate robot; motion servo control; fuzzy control51引言移

4、動機器人學(xué)是機器人學(xué)的一個重要分支，主要研究在復(fù)雜環(huán)境下機器人系統(tǒng)的實時控制問題。對移動機器人技術(shù)的研究始于20世紀(jì)六十年代，以斯坦福研究所的自主式移動機器人shakey為標(biāo)志12。目前，移動式機器人技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于城市作戰(zhàn)、排爆、反恐、消防、空間探測等領(lǐng)域。移動機器人運動平衡控制屬于移動機器人本題控制范疇，是足式或者輪式機器人的研究熱點，目的是保持機器人在行走過程中的整體平衡性?；痦椖浚簢易匀豢茖W(xué)基金（60774077）；教育部博士學(xué)科點專項科研基金資助項目(20050005002)作者簡介：孫亮(1951-)，男，北京人，副教授，研究生，主要從事學(xué)習(xí)控制，智能系統(tǒng)等方面的教學(xué)科研工作

5、。 輪式機器人的運動控制主要以雙輪式機器人為研究對象。2002年，瑞士聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)的felix grasser等研制出可遙控的兩輪自平衡機器人joe，其最大運動速度可以達到1.5m/s，超過了人的行走速度。2004年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)成功研制了兩輪自平衡電動代步車free mover。它可以實現(xiàn)零半徑回轉(zhuǎn)，操作者只需要經(jīng)過10分鐘的訓(xùn)練，就可以駕駛其行走。并且，代步車可以隨駕駛者身體姿態(tài)變化而自動加減速，最高時速可達10公里3。由于雙輪式移動機器人的運動平衡控制過程與直線倒立擺的控制過程類似，故又稱倒立擺機器人或者輪式倒立擺4 5。本文結(jié)合自主開發(fā)的雙輪自平衡機器人硬件平臺，設(shè)計了一種基于ma

6、mdani型模糊推理規(guī)則的模糊控制器，并使用嵌入式數(shù)字信號處理器實現(xiàn)。該控制器在自平衡機器人行走伺服控制的實際應(yīng)用中取得了顯著效果。2雙輪自平衡機器人行走控制2.1 雙輪自平衡機器人行走伺服本文的控制任務(wù)是要求雙輪自平衡機器人具備穩(wěn)定行走的能力。根據(jù)上述控制要求本文設(shè)計了兩個實驗，第一個實驗期望自平衡機器人以恒定的身體傾斜角度行走。此時閉環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成角度伺服控制系統(tǒng)。第二個實驗期望自平衡機器人以恒定的速率行走。因此，閉環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成速率伺服系統(tǒng)。兩個實驗所需要的系統(tǒng)給定值不同。其中，以恒定傾斜角行走為控制要求的行走伺服實驗需要的控制系統(tǒng)給定值是自平衡機器人身體的傾斜角度值。而以恒定速率行走為控制要求

7、的行走伺服實驗需要的控制系統(tǒng)給定值是自平衡機器人驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速。2.2 行走伺服控制原理與實驗智能運動控制技術(shù)是機器人學(xué)中的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。本文設(shè)計的mamdani型模糊控制器在雙輪自平衡機器人硬件平臺上所完成的行走伺服實驗分別滿足了恒定傾斜角度行走伺服控制要求與勻速率行走伺服控制要求。由于控制目標(biāo)不同，實驗使用的反饋控制原理框圖有所差異。在以恒定傾斜角度行走為控制要求的行走伺服實驗中，控制目標(biāo)設(shè)定為自平衡機器人身體傾斜角度，設(shè)計的控制器閉環(huán)輸入為雙輪自平衡機器人身體傾斜角度誤差值及其加速度誤差值，反饋控制原理框圖如圖1所示。在以勻速率行走為控制目標(biāo)的行走伺服實驗中，控制目標(biāo)設(shè)定為雙輪自平衡機器人

8、身體傾斜角度和驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速值，設(shè)計的閉環(huán)控制器輸入為機器人身體傾斜角度誤差值與廣義速率誤差值。這里，廣義速率指的是機器人身體傾斜角速度與驅(qū)動輪速率的線性組合，其反饋控制原理框圖如圖2所示。從上述反饋控制原理框圖可以看出，勻速率行走伺服控制是恒定傾斜角度行走伺服控制的擴展。fuzzy controller為mamdani型的模糊控制器，model為雙輪自平衡機器人實體。其輸出為機器人身體傾斜角度信號、角速度信號和直流驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速信號。在控制框圖中，傾斜角速度信號用角度信號對時間的導(dǎo)數(shù)表示。上述輸出信號分別使用傾斜角傳感器、速率陀螺儀和增量式編碼器測得。2.3 模糊控制器設(shè)計 雙輪自平衡機器人模糊控

9、制器的輸入量為機器人身體傾斜角度誤差與廣義速率誤差。為了方便討論，分別使用符號e1和e2表示。模糊控制器最簡單的實現(xiàn)方法是將一系列模糊控制規(guī)則離線轉(zhuǎn)化為一個查詢表，又稱為控制表。存儲在處理器中供在線查詢使用。這種模糊控制器結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，是最基本的一種形式。以零角度勻速率行走伺服控制器為例說明模糊控制器的設(shè)計方法。首先將模糊控制器的輸入、輸出變量設(shè)計成單位對稱區(qū)間-1,1。在使用過程中，可以通過調(diào)節(jié)相應(yīng)的比例系數(shù)把實際計算得到的對稱論域映射到對單位對稱區(qū)間中。模糊控制器的兩個輸入變量均采用5個劃分（-2，-1，0，1，2）的三角形、均勻分布、全交迭的隸屬函數(shù)。模糊控制器輸出的控制量采用9個

10、劃分（-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4）的三角形、均勻分布、全交迭的隸屬函數(shù)4。模糊推理規(guī)則為表1所示。-2-1012-20-1-2-3-4-110-1-2-30210-1-213210-1243210 表1 mamdani型模糊規(guī)則表tab.1 mamdani fuzzy reasoning rule table上述規(guī)則表在嵌入式16位數(shù)字信號處理器中初始代碼化為：typedef signed int i16;static i16 fuzzytable 55 = 0,-1,-2,-3,-4,1,0,-1,-2,-3,2,1,0,-1,-2,3,2,1,0,-1,4,3,2,1,0;

11、3控制算法的實現(xiàn)3.1 雙輪自平衡機器人運動控制器雙輪自平衡機器人的運動控制使用美國德州儀器（texas instrument）公司生產(chǎn)的32位定點dsp芯片tms320f2818。它既具有數(shù)字信號處理能力，又具有強大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特別適用于有大批量數(shù)據(jù)處理的測控場合，如工業(yè)自動化控制、電力電子技術(shù)應(yīng)用、智能化儀器儀表及電機、馬達伺服控制系統(tǒng)等。處理器芯片的功能框圖如圖3所示。雙輪自平衡機器人使用的外設(shè)資源有ad轉(zhuǎn)換模塊、事件管理模塊和定時器模塊。其中事件管理模塊完成脈寬調(diào)制信號的輸出。此信號作用于直流電機伺服放大器的輸入端。3.2 行走伺服控制流程在雙輪自平衡機器人行走伺服

12、控制實驗過程中，利用數(shù)字信號處理芯片的a/d轉(zhuǎn)換模塊采集機器人身體的傾斜角和傾斜角速度。采樣頻率設(shè)定為500hz。之后，對上述兩個控制目標(biāo)的誤差值進行模糊化、查詢模糊規(guī)則表、去模糊化計算輸出值三項工作。控制器輸出的控制量改變數(shù)字信號處理芯片內(nèi)置脈寬調(diào)制電路比較寄存器的值，從而改變出波形的占空比，達到直流電機調(diào)速的目的。脈寬調(diào)制電路采用非對稱式脈寬調(diào)制方法。此外，零傾斜角勻速率行走伺服控制實驗與上述實驗的不同點是需要增加直流電動機轉(zhuǎn)速測量環(huán)節(jié)。圖4所示為雙輪自平衡機器人行走伺服實驗所使用的控制流程。其中畫虛線框的部分為勻速率行走伺服控制實驗增加的環(huán)節(jié)。圖 3 tms320f2812功能框圖fig

13、.3 tms320f2812 function diagram圖1 恒定傾斜角行走伺服控制實驗框圖fig.1 constant tilt angle motion servo control diagram圖2 勻速率行走伺服控制實驗框圖fig.2 constant motion velocity control diagram3.3 行走伺服控制軟件 根據(jù)雙輪自平衡機器人行走伺服控制流程編寫控制軟件，流程圖如圖5所示。使用ti公司提供的ccs 2.0（code composer studio 2.0）集成開發(fā)環(huán)境進行控制軟件開發(fā)。軟件采用超循環(huán)（super loop）（也稱為前后臺）的方式進

14、行編寫。輸出物理量的誤差計算、模糊規(guī)則表查詢、去模糊化計算輸出量均在中斷服務(wù)程序中實現(xiàn)。3.4 行走伺服控制實驗結(jié)果圖6表示在以恒傾斜角度行走為控制要求的行走伺服實驗中，dsp讀取傾斜角傳感器輸出信號經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字量。圖7為數(shù)字量曲線。從圖中可以看出，檢測到的數(shù)字量（*表示）與給定值（o表示）基本相同，說明機器人傾斜角恒定。圖8所示為勻速率行走伺服實驗中，設(shè)定不同給定速率時，直流電機編碼器輸出的占空比恒定的圖6 傾斜角傳感器信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量fig.6 the tilt angle sensors output convert to digital signal圖8 增量式編碼器輸出

15、的恒定占空比序列fig.8 the constant duty cycle output 圖5 自平衡機器人行走伺服控制軟件fig.5 equilibrate robot motion servo control software脈沖序列，說明電機轉(zhuǎn)速恒定，達到勻速率跟蹤控制要求。圖7 傾斜角給定值與反饋值fig.7 setting & feedback tilt angle digital value compare圖4 行走伺服實驗所使用的控制流程fig.4 motion servo control diagram4結(jié)論為解決雙輪自平衡機器人行走伺服問題，本文提出的基于嵌入式數(shù)字信號處理器

16、tms320f2812的模糊控制器使用了mamdani模糊控制規(guī)則，在以恒定傾斜角行走為控制目標(biāo)的行走伺服實驗中實現(xiàn)了0.2弧度范圍內(nèi)的角度跟蹤。在以勻速率行走為控制目標(biāo)的行走伺服實驗中實現(xiàn)了恒定速率跟蹤。參考文獻(references):1 nilsson. a mobile automation: an application of artificial intelligence techniques. in proc ijca.2 李磊，葉濤，譚民，陳細(xì)軍.移動機器人技術(shù)研究現(xiàn)狀與未來. 機器人. 2002年，24(5). 475-4803 袁澤睿. 兩輪自平衡機器人控制算法的研究. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文.2006：1-624 張乃堯. 典型模糊控制器的結(jié)構(gòu)分析 j.