基于模糊PID的全方位移動機器人運動控制

摘要 通過對足球機器人運動學(xué)模型的分析，考慮到系統(tǒng)的時變、非線性和干擾大等特點，以全向移動機器人為研究平臺，提出一種將模糊控制與傳統(tǒng)的PID控制相結(jié)合的方法，應(yīng)用到足球機器人的運動控制系統(tǒng)中。針對足球機器人運動控制中的重點問題，著重提出了基于模糊控制的動態(tài)調(diào)整PID控制器的3個參數(shù)kp、ki、kd的設(shè)計方法。實驗表明，該控制器能較好地改善控制系統(tǒng)對輪速的控制效果。
關(guān)鍵詞 移動機器人；運動控制；四輪全向機器人；模糊PID

移動機器人是一個集環(huán)境感知、動態(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)，其運動控制是移動機器人領(lǐng)域的一個重要研究方向，也是移動機器人軌跡控制、定位和導(dǎo)航的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的運動控制常采用PID控制算法，其特點是算法簡單、魯棒性強、可靠性高，但需要精確的數(shù)學(xué)模型才對線性系統(tǒng)具有較好的控制效果，對非線性系統(tǒng)的控制效果并不理想。模糊控制不要求控制對象的精確數(shù)學(xué)模型，因而靈活、適應(yīng)性強?？墒?，任何一種純模糊控制器本質(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。針對這個問題，結(jié)合運動控制系統(tǒng)的實際運行條件，設(shè)計采用模糊PID控制方法來實現(xiàn)快速移動機器人車輪轉(zhuǎn)速大范圍誤差調(diào)節(jié)，將模糊控制和PID控制結(jié)合起來構(gòu)成參數(shù)模糊自整定PID算法用于伺服電機的控制，使控制器既具有模糊控制靈活而適應(yīng)性強的優(yōu)點，又具有PID控制精度高的特點，使運動控制系統(tǒng)兼顧實時性高、魯棒性強及穩(wěn)定性等設(shè)計要點，并可通過模糊控制規(guī)則庫的擴充，為該運動控制系統(tǒng)方便添加其他功能。

1 全方位移動機器人運動學(xué)分析
研究的是一種全自主移動機器人平臺，該機器人采用了四輪全向移動的運動方式，具有全向運動能力的系統(tǒng)使機器人可以向任意方向做直線運動，而之前不需要做旋轉(zhuǎn)運動，并且這種輪系可滿足一邊做直線運動一邊旋轉(zhuǎn)的要求，達到終狀態(tài)所需的任意姿態(tài)角。全向輪系的應(yīng)用將使足球機器人具有運動快速靈活，控球穩(wěn)定，進攻性強，以及易于控制等優(yōu)點，使機器人在賽場上更具競爭力。
1．1 全向輪
機器人采用的全向輪在大輪的周圍均勻分布著小輪，大輪由電機驅(qū)動，小輪可自由轉(zhuǎn)動。這種全方位輪可有效避免普通輪不能側(cè)滑所帶來的非完整性約束，使機器人具有平面運動的全部3個自由度，機動性增強。基于以上分析，選擇使用這種全向輪。
1．2 運動學(xué)分析
在建立機器人的運動模型前，先做以下假設(shè)：
(1)小車在一個理想的平面上運動，地面的不規(guī)則可以忽略。
(2)小車是一個剛體，形變可以忽略。
(3)輪子和地面之間滿足純滾動的條件，沒有相對滑動。
全方位移動機器人由4個全向輪作為驅(qū)動輪，它們之間間隔90°均勻分布，如圖1所示，其簡化運動學(xué)模型如圖6所示。其中，xw-yw為絕對坐標(biāo)系，xm-ym為固連在機器人車體上的相對坐標(biāo)系，其坐標(biāo)原點與機器人中心重合。θ為xw與xm的夾角，δ為輪子與ym的夾角，L為機器人中心到輪子中心的距離，vi為第i個輪子沿驅(qū)動方向的速度。

這樣，就可以將機器人整體期望速度，解算為到4個輪子分別的速度，把數(shù)據(jù)傳送到控制器中，就可完成對機器人的控制。