基于模糊控制的溫室移動機器人控制算法研究

開發溫室移動機器人,改善勞動條件,提高農單個溫室的使用面積很小，一般農業機械無法滿足使用要求。因此，有必要進一步探索溫室的生產潛力，提高經濟效益，改善工作條件，降低工資。由于農業生產環境與工業相比有其特殊性,農業機器人在生產過程中不但應具有定位、導航功能,還應能準確識別農作物的有無及其形狀,以便實現定點均勻作業。目前,國內對農業機器人的研究較少,因此,本文對溫室農業生產機器人的導航和避障控制進行研究。1溫室移動機器人運動控制移動式機器人具有自主運動功能,即避障和導航功能。溫室移動機器人活動場所內的障礙物主要是一些作物、溫室骨架、管道和附屬道路障礙等。溫室移動機器人運動的目的主要是為了完成一定的工作任務,移動是完成生產任務的基礎。因此,溫室移動機器人應具備三大主要功能,即導航→避障→工作。溫室移動式機器人的運動是通過前輪導向、后輪驅動來實現的。其運動的控制如果采用經典控制理論,則需要建立精確的數學模型。由于運動過程中的障礙物具有復雜性,其數學模型難以建立,采用模糊控制技術可以不必建立精確的數學模型,所以在該機器人的控制方式上采用模糊控制技術。2設計模糊裝置的設計2.1控制系統的控制常規的模糊控制器是以某一變量的變化和變化率作為輸入量而構成的二維模糊控制器。在該控制系統中,將傳感器(3組紅外線測距傳感器)所檢測到的障礙物距離變化量和方位角變化量作為輸入量,通過模糊化、模糊推理、反模糊化得到一個角度變化量作為輸出量,再轉變成角速度和控制時間來實現對前輪方向控制電機的控制,以實現對移動機器人前進方向的控制。2.2機器人的運動能力為了實現機器人運動控制的自動性,需要對移動機器人的運動方向進行確定,根據檢測到的障礙物信息自動找出其運動方向。圖1為某溫室移動機器人向目標G運動的示意圖。在該圖中,假設機器人的運動只有前進,其前進速度為定值。由物理學可知,在任意兩個物體之間將產生吸引力,現假設目標G對機器人產生吸引力為Fa,該力很小,對機器人的運動具有引導作用。ωg為機器人前輪轉向的角速度,θg為偏離目標的角度,θ為導向角,D為機器人寬度。當ˉΡG＞DPGˉˉˉˉˉ＞D時,其角速度為ωg=CgΡGD180θg(1)ωg=CgPGD180θg(1)式中Cg——控制轉彎的系數,其選擇參照圖2,為了簡化計算,可以取為1當ˉΡG≤DPGˉˉˉˉˉ≤D時,其角速度為ωg=Cg180θg(2)ωg=Cg180θg(2)2.3模糊控制量的計算移動機器人應根據導航策略確定運動方向,并在前進過程中將獲取的障礙物信息加以處理,以實現避障。這里的移動機器人避障采用模糊控制技術。在模糊控制器設計中,重要的是控制算法的設計,合理的算法有利于模糊控制器的計算,并提高計算速度。在該模糊控制器的算法設計中,以機器人與障礙物的距離ED和前進方向與障礙物之間的角度Eθ(即方位角)作為輸入量,Uθ(即θg的變化量)作為輸出量,采用IF-THEN的形式,如:IFED=SANDEθ=NSTHENUθ=PS歸納總結其控制算法規則為35條,見表1。表中:VS、S、M、L、VL、NL、NS、NZ、Z、PZ、PS、PL含義分別為很小、小、中等、長、很長、負大、負小、負零、零、正零、正小、正大。對溫室移動機器人的運動控制是模仿人對小車的駕駛控制行為,將距離變化范圍和方位變化范圍細分為9個點,它們各自對各模糊子狀態的賦值(即隸屬度)見表2～4。在模糊控制器的設計中,模糊關系為R=35∨i=1[(EDi×Eθi)Τ?Uθi](3)式中i——規則序號再由檢測到的距離變化量ΔED和角度變化量ΔEθ得出角度控制量為U′θ=(ΔED×ΔEθ)T。R(4)由式(4)得出的控制量U′θ是模糊量,還需要進行反模糊化。反模糊化的方法很多,在這里,采用最大隸屬度法。將模糊量進行精確化,所得到的精確量即導向角變化量dθ,通過式(1)或(2)求出角速度ωg就可以求出控制作用時間dt,這樣就可以直接控制電機,實現對導向輪的轉角控制,進而實現對移動機器人的導向控制。3模糊控制器硬件設計該移動機器人為一模型,運動速度很小,為了驗證該模糊控制器的算法,將單片處理機作為控制核心,設計出一種模糊控制器,其模糊控制系統硬件結構如圖3所示。3.1處理控制芯片的選擇由于機器人模型的運動速度較小,只考慮了兩個輸入量,所以其運算速度要求不是很高,選用8031單片處理機作為該系統的處理控制芯片,即可滿足該系統模糊控制的需要。3.2eprom參數由于8031單片機無程序存儲器,須外接EPROM,在這里選用2764。在程序存儲器擴展中,必須將8031的EA接地,使CPU只執行片外程序存儲器中的程序。3.3相檢測原理采用紅外線測距傳感器對輸入變量進行檢測,該傳感器利用移相原理制成,實現對前方障礙物的距離和方位的檢測。由于檢測到的信號很小,需要對其進行放大,采用OP07運放組成低漂移、高精度前置放大器,再由741組成后級放大器。3.4a/d轉換為數字量紅外線測距傳感器所檢測到的距離和方位信號是模擬信號,須進行A/D轉換變為數字量。A/D轉換采用ADC0809,因為它允許8路模擬量分時輸入,共用一個A/D轉換器進行轉換,轉換的數字信號供模糊控制器處理。3.5驅動電路的設計模糊控制器根據輸入信息輸出相應的控制策略,由于該控制量的能量有限,不能直接用于驅動轉向控制電機,因此要采用驅動電路,其中驅動電路采用74LS244。為了消除單片機處理電路和功率輸出電路之間的影響,提高抗干擾能力,采用光電耦合器TIL117,將兩個電路隔離開來。4模糊控制器的避障效果將所研制的模糊控制器安裝在移動式機器人模型上進行運動實驗,實驗結果如圖4、5所示(圖中虛線為軌跡曲線)。實驗表明:機器人模型可以自主地運動,能夠避開障礙物,該模糊控制器中的算法和結構基本能夠