全方位移動(dòng)機(jī)器人模糊PID運(yùn)動(dòng)控制研究

摘 要：通過(guò)對(duì)足球機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的分析，考慮到系統(tǒng)的時(shí)變、非線性、干擾大等特點(diǎn)，以全向移動(dòng)機(jī)器人為研究平臺(tái)，提出一種將模糊控制與傳統(tǒng)PID控制相結(jié)合的方法，應(yīng)用到足球機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中。針對(duì)足球機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制中的重點(diǎn)問(wèn)題，著重提出了基于模糊控制的PID控制器中三個(gè)參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整方法。實(shí)驗(yàn)表明，該控制器能夠很好地改善控制系統(tǒng)對(duì)輪速的控制效果。
關(guān)鍵詞：移動(dòng)機(jī)器人；運(yùn)動(dòng)控制：四論全向機(jī)器人：模糊PID

0 引 言
移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)控制是移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向，也是移動(dòng)機(jī)器人軌跡控制、定位和導(dǎo)航的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制常采用PID控制算法，其特點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單，魯棒性強(qiáng)，可靠性高，但需要精確的數(shù)學(xué)模型才對(duì)線性系統(tǒng)具有較好的控制效果，然而它對(duì)非線性系統(tǒng)的控制效果并不非常理想。模糊控制不要求控制對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，因而靈活、適應(yīng)性強(qiáng)?？墒牵魏我环N純模糊控制器本質(zhì)上是一種非線性PD控制，不具備積分作用，所以很難在模糊控制系統(tǒng)中消除穩(wěn)態(tài)誤差。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，采用模糊PID控制方法，將模糊控制器和傳統(tǒng)的PID控制相結(jié)合，使其既具有模糊控制靈活、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又具有PID控制精度高的特點(diǎn)。

1 全方位移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
研究的是由第二炮兵工程學(xué)院自主研制的全自主移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)――東風(fēng)一Ⅱ型足球機(jī)器人。東風(fēng)一Ⅱ型機(jī)器人采用了四輪全向移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方式，具有全向運(yùn)動(dòng)能力的系統(tǒng)使機(jī)器人可以向任意方向做直線運(yùn)動(dòng)，而之前不需要做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并且這種輪系可滿足一邊做直線運(yùn)動(dòng)一邊旋轉(zhuǎn)的要求，以達(dá)到終狀態(tài)所需要的任意姿態(tài)角。全向輪系的應(yīng)用將使足球機(jī)器人具有運(yùn)動(dòng)快速靈活，控球穩(wěn)定，進(jìn)攻性強(qiáng)，以及易于控制等優(yōu)點(diǎn)，使機(jī)器人在賽場(chǎng)上更具競(jìng)爭(zhēng)力。
1．1 全向輪
該機(jī)器人采用在大輪周圍均勻分布小輪子的全向輪，大輪由電機(jī)驅(qū)動(dòng)；小輪可自由轉(zhuǎn)動(dòng)。這種全方位輪可有效避免普通輪子不能側(cè)滑所帶來(lái)的非完整性約束，使機(jī)器人具有平面運(yùn)動(dòng)的全部三個(gè)自由度，機(jī)動(dòng)性增強(qiáng)?；谝陨戏治觯x擇使用這種全向輪。
1．2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
在建立機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模型前，先做以下假設(shè)：
(1)小車是在一個(gè)理想的平面上運(yùn)動(dòng)，地面的不規(guī)則可以忽略。
(2)小車是一個(gè)剛體，形變可以忽略。
(3)輪子和地面之間滿足純滾動(dòng)的條件，沒(méi)有相對(duì)滑動(dòng)。
全方位移動(dòng)機(jī)器人由4個(gè)全向輪作為驅(qū)動(dòng)輪，它們之間間隔90°均勻分布(如圖1所示)，其簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)學(xué)模型如圖6所示。其中，xw-yw為絕對(duì)坐標(biāo)系；xm-ym為固連在機(jī)器人車體上的相對(duì)坐標(biāo)系，其坐標(biāo)原點(diǎn)與機(jī)器人中心重合。θ為xw與xm的夾角；δ為輪子與ym的夾角；L為機(jī)器人中心到輪子中心的距離vi為第i個(gè)輪子的沿驅(qū)動(dòng)方向的速度。

可求出運(yùn)動(dòng)學(xué)方程如下：