模糊控制的舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制方法

優(yōu)化設(shè)計(jì)控制方法

目前，汽車正向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋線行駛、自實(shí)現(xiàn)路徑變化功能，并在可靠性基礎(chǔ)上快速行駛，在工程及物流等實(shí)際生產(chǎn)中得到越來越多的應(yīng)用。競(jìng)速車模的設(shè)計(jì)開發(fā)，為車輛尋線行駛功能的實(shí)現(xiàn)提供了可借鑒的方案和方法。本文對(duì)競(jìng)速車模舵機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了一種模糊控制的舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制方法。

各種控制方法分析

目前，人們所采用的自動(dòng)控制方法大致分為三種：經(jīng)典控制、現(xiàn)代控制和智能控制。

經(jīng)典控制是人們常用的控制方法，是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的。一般的工業(yè)生產(chǎn)過程較多屬于線性定常系統(tǒng)，故可以用經(jīng)典控制方法來控制，經(jīng)典控制方法最典型的就是pid控制方法[1-3]。其調(diào)節(jié)品質(zhì)取決于pid控制器各個(gè)參數(shù)的整定。但是這種控制方法只能解決線性定常系統(tǒng)的控制問題。

現(xiàn)代控制理論可以解決時(shí)變系統(tǒng)的控制問題，在時(shí)變系統(tǒng)中，輸入量和輸出量的關(guān)系隨時(shí)間的變化而變化。故而現(xiàn)代控制理論在航空航天和軍事上有很大的作用?，F(xiàn)代控制方法以狀態(tài)方程為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)。

智能控制[4-5]是自動(dòng)控制發(fā)展的高級(jí)階段，是人工智能控制論、系統(tǒng)論和信息論的多種學(xué)科的高度綜合與集成，是一門新的交叉前沿學(xué)科。智能控制無需人的干預(yù)就能夠獨(dú)立驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的控制方法。目前，智能控制技術(shù)，如神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，模糊控制技術(shù)，遺傳算法優(yōu)化技術(shù)，專家控制系統(tǒng)，基于規(guī)則的仿人智能控制技術(shù)等已進(jìn)入工程化和實(shí)用化。

控制方案的選取

經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制，要求建立一套精確的數(shù)學(xué)模型，然而在實(shí)際應(yīng)用中，有些復(fù)雜過程難以求取數(shù)學(xué)模型或根本無法求取其數(shù)學(xué)模型。智能控制是利用人的經(jīng)驗(yàn)來控制復(fù)雜過程的一種方法，并不斷完善和發(fā)展。模糊控制[6-8]是智能控制方法中的一種，智能競(jìng)速車采用模糊控制，有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)無需預(yù)先知道被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型。

(2)控制規(guī)則以人的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)表示，容易掌握。

(3)對(duì)被控對(duì)象的參數(shù)變化有較強(qiáng)的魯棒性。

(4)控制知識(shí)是以人的語言形式表示，有利于人機(jī)對(duì)話和系統(tǒng)的知識(shí)處理，從而有利于系統(tǒng)處理的靈活性和機(jī)動(dòng)性。

智能車設(shè)計(jì)方案

智能車前輪轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)要求

智能車模以穩(wěn)、快、準(zhǔn)為目標(biāo)，即要求模型車速度及行駛路線穩(wěn)定，算法反應(yīng)和速度、角度調(diào)節(jié)快，以及速度控制和檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確，所以設(shè)計(jì)過程中，檢測(cè)部分必須選擇性能可靠、反應(yīng)速度快的傳感器，并使用智能算法控制車輛行駛[9-11]。

紅外傳感器的布置

針對(duì)白色底色寬60cm，標(biāo)識(shí)黑線寬2.5cm的道路條件，本設(shè)計(jì)采用7對(duì)紅外傳感器進(jìn)行道路識(shí)別，每個(gè)紅外傳感器間隔2.5cm，成水平直線排列，以保證只有一個(gè)光電管信號(hào)在黑線內(nèi)為穩(wěn)定目標(biāo)。這樣，就可以依據(jù)識(shí)別信號(hào)，將偏轉(zhuǎn)角度劃分為7個(gè)級(jí)別。

舵機(jī)控制模塊

采用hs-925型舵機(jī)來控制智能車前輪的轉(zhuǎn)向，其特點(diǎn)為扭力大，穩(wěn)定性好，控制簡(jiǎn)單，便于和數(shù)字系統(tǒng)接口，控制角度精確。

舵機(jī)工作原理

(1)舵機(jī)結(jié)構(gòu)包括減速齒輪組，位置反饋電位計(jì)，直流電機(jī)和控制電路等。

舵機(jī)工作原理如圖1所示，減速齒輪組由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其輸出軸帶動(dòng)一個(gè)線性的比例電位器作位置檢測(cè)，該電位器把轉(zhuǎn)角線性地轉(zhuǎn)換為電壓并反饋給控制線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號(hào)比較，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)正向或反向轉(zhuǎn)動(dòng)，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，從而達(dá)到使伺服馬達(dá)精確定位的目的[12-13]。

圖1 舵機(jī)工作原理

(2) 舵機(jī)的控制

本系統(tǒng)采用的控制信號(hào)為周期13ms的脈沖信號(hào)，改變脈沖寬度就可以改變舵機(jī)的方向，另外脈沖寬度和轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系[14-16]，其計(jì)算公式為：

a=(l-1.5)×90° (1)

其中a是舵機(jī)的轉(zhuǎn)角，單位是度;l是脈沖寬度，單位是毫秒。其轉(zhuǎn)角和脈沖寬度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

圖2 舵機(jī)的控制

在硬件實(shí)現(xiàn)上，利用了一路16位的pwm來驅(qū)動(dòng)舵機(jī)轉(zhuǎn)向。

模糊控制方案的設(shè)計(jì)

模糊控制器有三個(gè)功能模塊：模糊化，模糊推理，清晰化，如圖3所示。

圖3 模糊控制器

模糊子集和隸屬函數(shù)的建立紅外接收管編碼如圖4所示。

圖4 紅外接受管編碼

本系統(tǒng)模糊控制器采用常規(guī)模糊控制器，其輸入量為當(dāng)前位置偏差e，輸出量為舵機(jī)控制信號(hào)u。

位置偏差e是光電傳感器反饋回的實(shí)際位置與智能車中軸線的偏差。e為零時(shí)，智能車未偏離路徑;e為正數(shù)時(shí)，智能車向左偏離路徑;e為負(fù)數(shù)時(shí)，智能車向右偏離路徑。其偏離范圍e(論域，單位為cm)為[-9，9]，將論域離散化為整數(shù)集e={-9，-6，-3，0，3，6，9}，則量化因子k=n/x=1.0。

將位置偏差e的值模糊化。設(shè)模糊子集e={nb,nm,ns,ze,ps,pm,pb}，其中，nb：[-9，-6]，表示左偏特大;nm：[-9，-3]，表示左偏較大;ns：[-6，0]，表示左偏較小;ze：[-3，3]，表示正中;ps：[0，6]，表示右偏較小;pm：[3，9]，表示右偏較大;pb：[6，9]，表示右偏特大。

e的隸屬函數(shù)為三角形函數(shù)分布，如圖5所示。