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模糊PID的全方位移动机器人运动控制

时间:2011-11-02 来源:www.dqjsw.com.cn 编辑:电气自动化技术网 点击:次 字体设置:

  摘要通过对足球机器人运动学模型的分析,考虑到系统的时变、非线性和干扰大等特点,以全向移动机器人为研究平台,提出一种将模糊控制与传统的PID 控制相结合的方法,应用到足球机器人的运动控制系统中。针对足球机器人运动控制中的重点问题,着重提出了基于模糊控制的动态调整PID 控制器的3 个参数kp、ki、kd的设计方法。实验表明,该控制器能较好地改善控制系统对轮速的控制效果。

  移动机器人是一个集环境感知、动态决策、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统,其运动控制是移动机器人领域的一个重要研究方向,也是移动机器人轨迹控制、定位和导航的基础。传统的运动控制常采用PID 控制算法,其特点是算法简单、鲁棒性强、可靠性高,但需要精确的数学模型才对线性系统具有较好的控制效果,对非线性系统的控制效果并不理想。模糊控制不要求控制对象的精确数学模型,因而灵活、适应性强。可是,任何一种纯模糊控制器本质上是一种非线性PD 控制,不具备积分作用,所以很难在模糊控制系统中消除稳态误差。针对这个问题,结合运动控制系统的实际运行条件,设计采用模糊PID控制方法来实现快速移动机器人车轮转速大范围误差调节,将模糊控制和PID 控制结合起来构成参数模糊自整定PID 算法用于伺服电机的控制,使控制器既具有模糊控制灵活而适应性强的优点,又具有PID 控制精度高的特点,使运动控制系统兼顾实时性高、鲁棒性强及稳定性等设计要点,并可通过模糊控制规则库的扩充,为该运动控制系统方便添加其他功能。

  1 全方位移动机器人运动学分析

  研究的是一种全自主移动机器人平台,该机器人采用了四轮全向移动的运动方式,具有全向运动能力的系统使机器人可以向任意方向做直线运动,而之前不需要做旋转运动,并且这种轮系可满足一边做直线运动一边旋转的要求,达到终状态所需的任意姿态角。全向轮系的应用将使足球机器人具有运动快速灵活,控球稳定,进攻性强,以及易于控制等优点,使机器人在赛场上更具竞争力。

  1. 1 全向轮

  机器人采用的全向轮在大轮的周围均匀分布着小轮,大轮由电机驱动,小轮可自由转动。这种全方位轮可有效避免普通轮不能侧滑所带来的非完整性约束,使机器人具有平面运动的全部3 个自由度,机动性增强。基于以上分析,选择使用这种全向轮。

  1. 2 运动学分析

  在建立机器人的运动模型前,先做以下假设:

  ( 1) 小车在一个理想的平面上运动,地面的不规则可以忽略。

  ( 2) 小车是一个刚体,形变可以忽略。

  ( 3) 轮子和地面之间满足纯滚动的条件,没有相对滑动。

  全方位移动机器人由4 个全向轮作为驱动轮,它们之间间隔90°均匀分布,如图1 所示,其简化运动学模型如图6 所示。其中,xw - yw为绝对坐标系,xm - ym为固连在机器人车体上的相对坐标系,其坐标原点与机器人中心重合。θ 为xw与xm的夹角,δ为轮子与ym的夹角,L 为机器人中心到轮子中心的距离,vi为第i 个轮子沿驱动方向的速度。

图1 机器人的运动模型

图1 机器人的运动模型

  可求出运动学方程如式(1) 所示:

  因为轮子为对称分布,常数δ 为45°,故得到全向移动机器人的运动模型:

  其中, v = [v1 v2 v3 v4]T 为轮子的速度s =为机器人整体期望速度。

  P 为转换矩阵。

  这样,就可以将机器人整体期望速度,解算为到4 个轮子分别的速度,把数据传送到控制器中,就可完成对机器人的控制。

  2 基于模糊PID 的运动控制器设计

  目前,常规PID 控制器已被广泛的应用于自动化领域。但常规PID 控制器不具备在线整定控制参数kp、ki、kd的功能,不能满足系统在不同偏差对e 以及偏差值的变化率ec 对PID 参数的自整定要求,因而不适用于非线性系统控制。

  文中结合本运动控制系统的实际运行条件,设计采用模糊PID 控制方法来实现快速移动机器人车轮转速大范围误差调节,将模糊控制和PID 控制结合起来构成参数模糊自整定PID 算法用于伺服电机的控制,使控制器既具有模糊控制灵活而适应性强的优点,又具有PID 控制精度高的特点,使运动控制系统兼顾了实时性高、鲁棒性强及稳定性等设计要点,并可通过模糊控制规则库的扩充,为该运动控制系统方便添加其他功能。

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