基于模糊控制的機(jī)器人尋線控制系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

1 引言
    自主式移動(dòng)機(jī)器人集機(jī)械、電子、檢測(cè)技術(shù)與智能控制于一體IlJ。是目前國(guó)際機(jī)器人研究的熱點(diǎn)?；谝苿?dòng)速度和方向易于控制，輪式移動(dòng)機(jī)器人是最為常見的移動(dòng)機(jī)器人。移動(dòng)機(jī)器人研究的重要課題就是：機(jī)器人向目標(biāo)方向移動(dòng)中，能夠自動(dòng)按照地面的導(dǎo)引線到達(dá)某一標(biāo)志物并完成相應(yīng)動(dòng)作。針對(duì)這一課題近年來(lái)電子競(jìng)賽中都有機(jī)器人自動(dòng)尋導(dǎo)引線行走的題目翻。這也是移動(dòng)機(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題之一，是解決移動(dòng)機(jī)器人在自由環(huán)境自主行動(dòng)的基礎(chǔ)。
    以前尋線機(jī)器人設(shè)計(jì)中，其尋線控制系統(tǒng)一般采用如下方式：尋線傳感器信號(hào)直接輸入至控制器判斷是否偏離導(dǎo)引線，通過(guò)控制左右驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速差調(diào)整機(jī)器人在引導(dǎo)線上的位置，這種方法控制實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但機(jī)器人在引導(dǎo)線上將“搖擺”前進(jìn)，針對(duì)傳統(tǒng)尋線系統(tǒng)這一缺點(diǎn)，基于模糊控制思想，這里設(shè)計(jì)一種新型基于多傳感器信息融合的尋線控制系統(tǒng)，使尋線機(jī)器人可以平穩(wěn)地按照引導(dǎo)線行走。

2 傳感器結(jié)構(gòu)
    尋線傳感器技術(shù)主要是利用黑白兩種顏色對(duì)光的反射程度不同，采用發(fā)光二極管和光電三極管組成反射式傳感器檢測(cè)黑色導(dǎo)引線信息。本文用反射式光電傳感器TCRT5000組成尋線傳感器模塊，其應(yīng)用電路如圖1所示。

    改進(jìn)尋線控制系統(tǒng)主要是對(duì)傳感器模塊的結(jié)構(gòu)以及安裝形式相應(yīng)調(diào)整。傳統(tǒng)的尋線傳感器一般由3路或4路反射式光電傳感器組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但對(duì)導(dǎo)引線信息量獲取不足。該尋線傳感器模塊采用8路反射式光電傳感器，車體前端和后端各裝一個(gè)傳感器模塊。

3 模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    模糊推理是對(duì)人腦邏輯推理能力的一種近似模擬，它首先通過(guò)模糊集和隸屬度函數(shù)來(lái)描述某事件或現(xiàn)象的模糊性以及不確定性，然后利用領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)建立模糊規(guī)則，通過(guò)各種模糊算子進(jìn)行模糊運(yùn)算，得出相應(yīng)的模糊結(jié)論，從而實(shí)現(xiàn)模糊推理系統(tǒng)的輸入和輸出之間的非線性映射，所以模糊推理實(shí)際上是一種不確定的近似推理。利用模糊推理多傳感器信息融合的基本步驟如下：
    (1)傳感器選擇根據(jù)實(shí)際需要，選取適當(dāng)傳感器進(jìn)行檢測(cè)，獲取研究對(duì)象的有關(guān)信息，并對(duì)其信息進(jìn)行預(yù)處理。
    (2)模糊推理系統(tǒng)設(shè)計(jì)此環(huán)節(jié)包括模糊隸屬函數(shù)和模糊推理規(guī)則的確定。按照各種隸屬函數(shù)的確定方法，用模糊集和隸屬函數(shù)描述傳感器信息；針對(duì)具體問(wèn)題，利用專家的領(lǐng)域知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)確定模糊推理規(guī)則。
    (3)模糊推理 通過(guò)各種模糊邏輯算子，計(jì)算每一條規(guī)則的結(jié)論，其中每條結(jié)論代表規(guī)則前件對(duì)規(guī)則的滿足程度。
    (4)模糊合成通過(guò)上一步模糊推理，每條模糊規(guī)則都得到一個(gè)模糊結(jié)論，模糊合成是對(duì)模糊結(jié)論的綜合處理，最后得出總的結(jié)論。
    (5)反模糊化通過(guò)各種反模糊化算法，將模糊推理融合的結(jié)果即模糊集隸屬函數(shù)轉(zhuǎn)化為一個(gè)精確值。
    機(jī)器人的自主尋線行走是利用尋線傳感器檢測(cè)機(jī)器人偏離導(dǎo)引線的位置，即利用機(jī)器人的姿態(tài)偏差值調(diào)整左右驅(qū)動(dòng)電機(jī)的行進(jìn)速度，從而調(diào)整尋線機(jī)器人的運(yùn)行軌跡，使其沿著導(dǎo)引線運(yùn)行。此特點(diǎn)恰好符合模糊控制的思想，所以機(jī)器人尋線系統(tǒng)控制器可以采用模糊控制器。
    本模糊控制系統(tǒng)有兩個(gè)輸入變量，分別是前后尋線傳感器模塊檢測(cè)到的引導(dǎo)線信息，即iF，iB。模糊控制系統(tǒng)輸出為左右驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度差，即通過(guò)調(diào)整兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度差來(lái)調(diào)整機(jī)器人在導(dǎo)引線上的轉(zhuǎn)角。
    根據(jù)尋線傳感器的配置方式，對(duì)前后尋線傳感器每一路進(jìn)行編號(hào)，并按照尋線傳感器檢測(cè)到機(jī)器人相對(duì)導(dǎo)引線的姿態(tài)偏差，將傳感器的輸出轉(zhuǎn)換為16進(jìn)制的偏差輸出值，傳感器編號(hào)如表1所示。

    模糊控制器的輸入量的語(yǔ)言值模糊子集確定為{LB，LS，MD，RS，RB}。其中：LB=左大；LS=左??；MD=中心；RS=有??；RB=右大。設(shè)定模糊控制器輸入量論域?yàn)閧一5，一3，一1，O，1，3，5}，定義前方傳感器模塊(iF)的隸屬度函數(shù)如圖2所示(iB隸屬度函數(shù)與iF相同)。為計(jì)算簡(jiǎn)單，本研究采用線性函數(shù)，從而減少控制器的計(jì)算負(fù)擔(dān)，提高數(shù)據(jù)處理速度。

    輸出量語(yǔ)言值模糊子集選取為：{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。其中：NB=負(fù)大；NM=負(fù)中；NS=負(fù)?。籞0=零；PS=正?。籔M=正中；PB=正大。設(shè)定模糊控制器的輸入量論域?yàn)閇一6，一4，一2，0，2，4，6]，定義輸出變量(OUT)的隸屬度函數(shù)(圖3)。

    由表2得到的輸出結(jié)果是模糊量，模糊量一般不能直接控制被控對(duì)象，所以還需反模糊化。常用反模糊化法有最大隸屬度法、加權(quán)平均法、中位數(shù)法等。由于最大隸屬度法簡(jiǎn)單易行，且算法的實(shí)時(shí)性好，故最后應(yīng)用最大隸屬度法對(duì)控制規(guī)則表進(jìn)行反模糊化處理，即針對(duì)每一個(gè)模糊控制器輸出得到一個(gè)左右驅(qū)動(dòng)輪的速度差。
    反模糊化處理后的數(shù)據(jù)不能直接應(yīng)用于程序中，理論上得到的反模糊化結(jié)果和實(shí)際調(diào)整效果之間還有一定偏差，該偏差需多次試驗(yàn)來(lái)修正，即修正機(jī)器人左右控制輪的速度差，經(jīng)多次試驗(yàn)最后得到控制程序段，其核心程序代碼如下：

    Motor(1,1700,1,1400,1,0)；//電機(jī)驅(qū)動(dòng)函數(shù)(左輪正反轉(zhuǎn)控制，左輪速度，右輪正反轉(zhuǎn)控制，右輪速度，調(diào)整時(shí)間，系統(tǒng)控制)

    case 0x18：
    ……
    case 0x01：
    ……
    case 0x02：
    …… }

4 結(jié)束語(yǔ)
    結(jié)合近年來(lái)電子設(shè)計(jì)大賽作品，深入分析傳統(tǒng)尋線控制系統(tǒng)的不足，在改進(jìn)硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出將模糊控制算法引入移動(dòng)機(jī)器人尋線控制系統(tǒng)的設(shè)想，并在模糊控制理論的基礎(chǔ)上加以實(shí)現(xiàn)，開發(fā)一種新型尋線機(jī)器人模糊控制系統(tǒng)，在由模糊控制得到的相關(guān)控制規(guī)則的基礎(chǔ)上經(jīng)多次試驗(yàn)和修正編寫相應(yīng)程序，實(shí)現(xiàn)了更準(zhǔn)確、更平穩(wěn)的尋線控制，解決了傳統(tǒng)尋線控制的“搖擺”前行問(wèn)題，取得較理想的效果。