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    嚴(yán)法高（1982-）

    男，江蘇鹽城人，碩士，從事可編程控制器、自動(dòng)化儀表等課程教學(xué)。

    基金項(xiàng)目：揚(yáng)州大學(xué)信息科學(xué)學(xué)科群項(xiàng)目（ISG030604）



    摘  要：本文提出了一種模糊控制算法。利用傳感器采集外部環(huán)境信息，在辨識(shí)獲得精確模型的基礎(chǔ)上，基于模糊推理，使機(jī)器人能夠順利完成火源追蹤等任務(wù)。

    關(guān)鍵詞：機(jī)器人；行為控制；模糊控制

     Abstract: In this paper，a fuzzy control algorithm was applied. With the sensors’ messages, based on precise identification result and fuzzy inference, the robot can track fire successfully.

     Key words: robot; behavior control; fuzzy control

    機(jī)器人控制的研究是當(dāng)今世界的一個(gè)前沿課題。機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用了信息技術(shù)中的感測技術(shù)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)等，是信息技術(shù)課程和相關(guān)科技活動(dòng)的良好載體。一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)看好智能機(jī)器人教育對未來高科技社會(huì)的作用和影響。近年來，我國為了推動(dòng)機(jī)器人及智能控制技術(shù)的發(fā)展，推出了不同類型的機(jī)器人比賽，其中尤以機(jī)器人足球比賽、機(jī)器人滅火比賽最為引人注目。

    在滅火比賽環(huán)境中，追蹤到火源是比賽中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，由于各車輪行走的不均勻性，車輪與地面之間的打滑，以及其它噪聲干擾，在不進(jìn)行控制的情況下，移動(dòng)機(jī)器人很難迅速準(zhǔn)確追蹤到火源。很多研究者提出不同方法實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的追蹤行為。本論文以上海英集斯公司生產(chǎn)的Robot-v200系列機(jī)器人為研究對象，針對比賽環(huán)境，提出了基于模糊推理的控制方法，它模擬駕駛員思想，設(shè)計(jì)追蹤行為，提高了滅火機(jī)器人的自主運(yùn)行能力。機(jī)器人尋找火源過程中的沿墻行走行為也可采用此原理實(shí)現(xiàn)。

    1 競賽要求及機(jī)器人結(jié)構(gòu)

    機(jī)器人在一間平面結(jié)構(gòu)房子模型里運(yùn)動(dòng)，找到一根蠟燭并盡快把它熄滅，這個(gè)工作受多個(gè)因素影響，它模擬了現(xiàn)實(shí)家庭中機(jī)器人模擬火警的過程，蠟燭代表家庭里燃起的火源，機(jī)器人必須找到并熄滅它。 比賽場地采用國際標(biāo)準(zhǔn)比賽場地，其具體情況如圖1所示。

                               圖1   滅火比賽場地結(jié)構(gòu)圖

    如圖2所示的為移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)模型，它是一個(gè)有著四個(gè)輪子的輪式機(jī)器人，它由兩對獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的輪子組合而成的。通過改變左右兩對輪子轉(zhuǎn)速的方式，我們可以方便地實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)、后退、左拐、右拐、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等功能。

                                    

                                      圖2   機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

    2 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參數(shù)辨識(shí)

     Robot-v200系列機(jī)器人采用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，由直流電動(dòng)機(jī)基本知識(shí)我們知道，電機(jī)轉(zhuǎn)速相對于輸入電壓的傳遞函數(shù)為

                                          （1）

      該模型離散化后，再加以處理可變?yōu)槿缦碌男问剑?BR>
                                                （2）

       式中：是過程的輸出量；

        是可觀測的數(shù)據(jù)向量；

        為需辨識(shí)的過程參數(shù)；

        是均值為零的隨機(jī)噪聲。

     準(zhǔn)則函數(shù)取
                                        （3）

     通過極小化該準(zhǔn)則函數(shù)，再經(jīng)一系列變換可得到最小二乘參數(shù)辨識(shí)的遞推公式

                                  （4）

     采集多組電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，利用上述遞推公式，即可辨識(shí)獲得對象參數(shù)。

    3 滅火機(jī)器人控制系統(tǒng)

    移動(dòng)機(jī)器人采用遠(yuǎn)紅外傳感器來獲取火焰光強(qiáng)信息，信息經(jīng)過處理后，用來控制兩個(gè)輪子的速度的變化來決定機(jī)器人的相應(yīng)運(yùn)動(dòng)，這是移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)追蹤火源的普遍方法。本文要使移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)追蹤火源，于是將傳感器布置為右前側(cè)、前側(cè)、左前側(cè)。各種火源強(qiáng)度的信息均來自布置在車體上的3組遠(yuǎn)紅外傳感器的測量數(shù)據(jù)，即輸入變量分別為傳感器測量數(shù)據(jù)Gl，G，Gr，輸出變量為兩個(gè)輪子的速度Vl和Vr作為系統(tǒng)的輸出，即采用了三輸入兩輸出的模糊控制系統(tǒng)。

    4 模糊推理

    設(shè)Gl(k)，G(k)和Gr(k)為系統(tǒng)k時(shí)刻的三個(gè)遠(yuǎn)紅外傳感器的測量值，即為輸入變量，將Gl(k)，G(k)和Gr(k)劃分為5個(gè)模糊集，設(shè)Vl和Vr為控制器的計(jì)算結(jié)果，即為輸出變量，將Vl和Vr劃分為3個(gè)模糊集。如圖3所示。 

                      

                        圖3   輸入輸出變量的的模糊集

     定義模糊規(guī)則如下：

     If Gl is Ai and G is Bi and is Gr is Ci then Vl is Di and Vr is Ei, i=1，2，…，18。其中Ai，Bi，Ci∈{PB，PS，ZE，NS，NB}，Di，Ei∈{FB，M，B}為模糊集，經(jīng)過模糊推理輸出部分隸屬函數(shù)由對應(yīng)每個(gè)規(guī)則隸屬函數(shù)合成輸出，表示為：
       
 
Vl和Vr可按如下的推理方法計(jì)算：

                                                             （5）


                                                             （6）

    式中：Vl和Vr表示輸出變量即左右輪的速度，i是第i條規(guī)則的輸出量所對應(yīng)面積的重心，Di和Ei為輸出的控制量的隸屬度函數(shù)。

    5 結(jié)論

    本文以Robot-v200系列機(jī)器人為研究對象，針對江蘇省機(jī)器人滅火大賽環(huán)境，研究了基于模糊邏輯控制的機(jī)器人追蹤火源以及繞墻走的行為控制方法，滅火機(jī)器人通過傳感器探測到的信息并結(jié)合移動(dòng)機(jī)器人的外部環(huán)境，并且經(jīng)過模糊化、模糊推理過程,得到機(jī)器人的左、右兩對驅(qū)動(dòng)輪速度，從而控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。通過實(shí)驗(yàn)證明該模糊邏輯系統(tǒng)的具有一定的有效性。相較于傳統(tǒng)的方法，本文將機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制與模糊邏輯結(jié)合用于滅火機(jī)器人導(dǎo)航。

    其它作者：張宏彬（1967-），男，江蘇揚(yáng)州人，碩士，副教授，從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)及人工智能工作；陳虹（1955-），男，江蘇揚(yáng)州人，教授，系主任，從事自動(dòng)控制等課程教學(xué)和計(jì)算機(jī)在工業(yè)自動(dòng)化方面的應(yīng)用研究、設(shè)計(jì)工作。

    參考文獻(xiàn)：

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    [2] J. M. Sousa, R. Babuska and H. B. Verbruggen. Fuzzy predictive control applied to an air-condition system[M]. Control Engineering Practice, Volume 5, Issue 10, October 1997, Pages 1395-1406.

    [3] 陳虹，嚴(yán)法高，史旺旺. 輪式機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)辨識(shí)[J]. 揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007.2，10(1): 28-31.

    [4] 李少遠(yuǎn)，李檸. 復(fù)雜系統(tǒng)的模糊預(yù)測控制及其應(yīng)用[M]. 北京: 科學(xué)出版社，2003.


                                                      ——轉(zhuǎn)自《自動(dòng)化博覽》