模糊控制机器人轨迹纠偏_魏浩良.pdf

74 建设机械技术与管理 2023.01 设计计算1 引 言随着经济飞速发展，人们生活水平日益提升，随之产生的各类垃圾显著增多。目前，我国垃圾处理方式以固体填埋为主，高密度聚乙烯（high density polyethylene，HDPE）膜因其具备化学性质稳定、可渗透性低等优点成为构建防渗层的主要材料。随着检测方法的逐步完善对地下HDPE 膜检测效率和精度也在逐渐提高，而垃圾填埋场的上膜的主要检测还是靠人工居多，而人工耗时太长并且存在误差。巡检机器人的出现大大减少了人工误差和快速采集信息。结合机器人的工作特点和工作环境因素，针对巡检机器人在垃圾填埋场面上进行水平行走时容易出现的位姿偏移问题进行详细分析，设计出一种基于 PID 算法和模糊控制相结合的纠偏控制系统，优化了巡检机器人在填埋场工作过程中的轨迹偏移问题，改善和提高了巡检机器人的工作效率。2 巡检机器人自主纠偏机器人自带纠偏算法主要通过传统 PID 对线性变化进行调节，其传统 PID 控制器的调节过程主要是经过算法计算对各参数进行整合修改从而达到纠偏的目的。但因为填埋场表面并不是真正做到了平面以及表面各类障碍物导致纠偏系统在时效性和准确性上出现问题。本文通过增加模糊模块，利用模糊 PID 控制器的优点，根据误差及误差变化动态调节 PID 的控制系数，提高了控制器的精度和响应速度，同时增加了其对没有精确模型的系统控制能力，模糊控制总过程如图 1 所示：2.1 输入输出变量的模糊子集本文选取二维模糊控制模型搭建控制系统，使用其绝对偏差 e 和绝对偏差变化率 ec 作为模糊控制器得系统输入变量,其论域为-3,-2,-1,0,1,2,3,KP,KI,KD为 PID控制参数 kp,ki,kd的模糊变量，其论域为 0，1，2，3，4，5，6。本控制器输入和输出变量采用七个语言子集：NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB。模糊控制器输入 e、ec和输出变量 kp,ki,kd隶属度函数选用三角和高斯函数。2.2 制定模糊控制规则根据其中模糊控制器的自整定规则，综合巡检机器人GPS 单点定位的轨道跟踪控制特性以及参考权威书籍，最后总结选定模糊控制规则如表 1、2、3 所示2.3 模糊判定和修正选择 Mamdani 推理法，采用极大极小值法算出模糊量的输出矢量。利用MATLAB模糊逻辑工具箱建立模糊推理。解模糊判决利用重心法，即：11()()nikiinkiivvuv=（1）其中：u 为模糊控制器解模糊后的输出值；n 为输出量化级数；v 为模糊控制器论域中的值；k(vi)是 vi的隶属度值。在 MATLAB/Simulink 环境下搭建车辆方向盘转角补模 糊 控 制 机 器人 轨 迹 纠偏Fuzzy Control Robot Trajectory Correction魏浩良 孟彩茹 杜金鹏（河北工程大学，河北 邯郸 056000）摘要：针对填埋场巡检机器人在垃圾填埋场工作中发生位姿偏移从而导致巡检区域重复不能及时获取填埋场 HDPE 膜破损情况而降低了巡检机器人的时效，通过分析填埋场巡检机器人的运动情况，结合巡检机器人的运动特性和动力学模型，提出一种基于模糊基于模糊控制的填埋场巡检机器人自主纠偏控制器，提高填埋场巡检机器人轨迹纠偏和自动调节能力。也提高了填埋场内巡检机器人对数据勘测的实时性。实验仿真结果也表明与传统 PID 控制器相比，巡检机器人轨迹偏移降低提高了日常巡检机器人对 HDPE膜破损情况的检测效率，向智能化转变跨出了一大步。关键词：模糊控制；巡检机器人；PID 控制中图分类号：TH69 文献标识码：A图 3 模糊控制方框图DOI:10.13824/ki.cmtm.2023.01.0302023.01建设机械技术与管理 75设计计算偿式模糊 PID 控制模型，如图 2 所示。在系统运行效率的优化中，增加了零阶保持器，对模糊控制器的输入变量进行离散，以模糊控制器控制转角，确保巡检机器人工作时的侧向偏差在一定的误差范围内。3 仿真分析过指定的模糊规则搭建实物：本试验通过一般路径选择对其行驶距离进行测量并做对比。当设定运行速度设置为1m/s 时，机器人从偏移 50 厘米的地方出发，模糊控制和传统 PID 算法同时给出阶跃信号，两种算法从图 3 可以看出两种算法先后都进行了纠偏控制，但模糊控制的纠偏响应更快到达预定轨迹也更早，证明了模糊控制在轨迹纠偏方面由于传统 PID。车体纵轴线在一定误差线内与预定轨迹渐于趋近，证明了纠偏算法啊的有效性。4 总结分析针对巡检机器人在立面上水平行走时的自动纠偏问题，通过对机器人建立静力学模型进行原因探究和搭建小车的偏差数学模型分析纠偏原理以及设计其纠偏系统，在 PID 纠偏控制系统中加入模糊控制器的设计思路，通过仿真实验其可行性和实效性。其控制思路和方法有一定的借鉴性和现实性。参考文献1 武余利,张心奕,尹中亚,俞宴明,冉海风.基于模糊PID 控制的车辆横向预瞄驾驶员模型 J.机械工程与自动化,2022(01):38-40+43.2 陈业秋,贾茜,张四弟,李耀.Mecanum 轮式全方位移动机器人运动学分析与仿真 J.现代制造技术与装备,2021,57(09):73-75.3 徐伟锋.煤矿巡检机器人自主导航轨迹纠偏控制研究J.煤炭技术,2021,40(05):170-173.4 孙立新,孙志龙,陈帮,王伟.除锈爬壁机器人位姿分析与纠偏技术 J.机械设计与制造,2021(06):193-196.5 毛 竞 航,吕 海 宁,杨 建 民,刘 磊.基 于 模 糊PID 的 深 海 采 矿 机 器 人 路 径 跟 踪 控 制 J.海 洋 工程,2021,39(05):151-161.6 陈业秋,贾茜,张四弟,李耀.Mecanum 轮式全方位移动机器人运动学分析与仿真 J.现代制造技术与装备,2021,57(09):73-75.7 孟文俊,刘忠强.视觉导引 AGV 的路径跟踪控制研究J.控制工程,2014,21(03):321-325.8 付宜利,李寒,徐贺,马玉林.轮式全方位移动机器人几种转向方式的研究 J.制造业自动化,2005(10):36-40.9 施云.基于模糊 PID 控制的直流电机控制算法仿真分析 J.电子制作,2020(13):6-9.收稿日期：2022-09-30作者简介：魏浩良，硕士，主要从事机械设计与制造研究。EECNB NM NSZPSPMPBNBNBNB NM NM NSZNMNM NB NM NSNSNSZNSNSNB NM NSZZPSNSZNM NSNSZPSPBZPSNSNSZPSPMNBZPMNSZPSPMPBNBPMPBZPSPSPBNB NMPB表 1 kI模糊控制规则EECNB NM NSZPSPMPBNBPBPBPMPMPSPSZNMPBPMPMPSZZNSNSPMPMPSPSNSZNMZPMPSPSZNSNS NMPSPSZZNS NM NM NBPMZNSNSNSNBNBPBPBZNS NM NM NBPBPB表 2kP模糊控制规则EECNB NM NSZPSPMPBNBPSNSPBNBNB NMPSNMPSNSPBNM NSNSZNSZNS NM NM NSNSZZZZZNSNSNSZPSZZPSZZZZPMPMPSPMPSPSPSPMPBPBPSPBPMPSPSPB表 3kD模糊控制规则图 2 模糊 PID 控制模型图 3 模糊控制和传统 PID 控制阶跃响应图