周嘉玉　李澤　郝萬君

摘 要：本文主要利用自適應(yīng)模糊PID的控制方法設(shè)計(jì)了一個(gè)基于單片機(jī)的機(jī)器人瞬態(tài)平穩(wěn)系統(tǒng)，以智能小車為模型，介紹了系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)，包括中央控制模塊，傳感器模塊，執(zhí)行器驅(qū)動模塊。紅外避障傳感器實(shí)時(shí)檢測路況信息，當(dāng)小車與障礙物的距離小于設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)驅(qū)動電機(jī)動作。自適應(yīng)模糊PID控制比起常規(guī)PID控制能夠更好地控制復(fù)雜的、時(shí)變的非線性控制系統(tǒng)。仿真和實(shí)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有很好的動態(tài)性能，大體實(shí)現(xiàn)了瞬態(tài)平穩(wěn)的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：瞬態(tài)平穩(wěn);STM32;自適應(yīng)模糊PID

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.104

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，智能服務(wù)機(jī)器人在人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ髦邪缪莸慕巧絹碓街匾绕涫窃诋?dāng)今老齡化人口比較多的時(shí)代，它不僅能夠承擔(dān)起照顧老人的責(zé)任，還能不斷滿足現(xiàn)代年輕人多樣化的需求[1]。家居服務(wù)機(jī)器人的重要基礎(chǔ)功能之一是在室內(nèi)環(huán)境下的平穩(wěn)快速移動，例如面向行動不便的老人、臥床休息的病人以及忙碌的主人，提供端茶端水、傳遞藥品、運(yùn)送飯菜等功能。由于機(jī)器人快速移動過程中的急起急停，可能會導(dǎo)致液體灑落、物品滑落等問題，所以研究機(jī)器人的瞬態(tài)穩(wěn)定問題具有重要意義。

2 機(jī)器人瞬態(tài)平穩(wěn)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

2.1 主控芯片

本設(shè)計(jì)采用STM32單片機(jī)作為主控芯片，STM32便于擴(kuò)展同時(shí)外設(shè)和軟件具有高度兼容性[2]。主控芯片接收并處理傳感器采集的信息，根據(jù)周圍的路況來發(fā)出指令到執(zhí)行器件，使之做出相應(yīng)的動作。若傳感器檢測到前方有障礙物，那么主控單元發(fā)出指令，驅(qū)動電機(jī)先減速，再停止，最后左轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)避障的功能。

2.2 障礙物檢測模塊

紅外避障傳感器由一對發(fā)射管和接收管組成，當(dāng)發(fā)射管發(fā)出的紅外信號經(jīng)過障礙物反射回接收管時(shí)，前方無障礙物的話輸出高電平，有障礙物的話則輸出電平會從高電平變成低電平。傳感器檢測到這個(gè)信號就可以判斷出正前方有無障礙物，并把信號傳送給單片機(jī)，單片機(jī)控制小車兩輪工作，從而完成避障的功能[3]。

2.3 步進(jìn)電機(jī)

本設(shè)計(jì)選用前后兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)用做為機(jī)器人的執(zhí)行器件，前一個(gè)電機(jī)控制前輪，用于控制機(jī)器人運(yùn)動的方向;后一個(gè)電機(jī)用于控制后輪，用于提供機(jī)器人運(yùn)動的動力。

3 硬件設(shè)計(jì)

電路按照作用分為中央控制單元電路、傳感器采集單元電路、執(zhí)行器單元電路以及其它相關(guān)功能單元電路。

3.1 中央控制單元電路

本系統(tǒng)采用STM32作為中央控制單元，STM32包括時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、電源電路和下載電路。在晶振兩端分別加上一個(gè)電容，無極性的電容可以濾去晶振兩端的高頻雜波。只有保證晶振電路穩(wěn)定，單片機(jī)才能繼續(xù)工作STM32通常為低電平復(fù)位，通過一個(gè)按鍵及電容電阻所組成，利用按鍵的開關(guān)功能實(shí)現(xiàn)復(fù)位。當(dāng)開關(guān)按下時(shí)，NRST引腳與地導(dǎo)通，即輸入一個(gè)低電平，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)位的功能。采用兩節(jié)3.7V干電池18650供電，STM32的工作電壓為2.0-3.6 V。

3.2 紅外避障模塊

紅外避障傳感器利用了被檢測物對發(fā)射紅外光的反射或遮擋的原理，經(jīng)過光電回路選通電路，從而判斷有沒有障礙物[4]。LM393是雙電壓比較器集成電路，其輸出負(fù)載電阻能連接在可允許電源電壓范圍內(nèi)的任何電源電壓上，而不受 Vcc端電壓值的影響。 紅外發(fā)射信號遇到障礙物后反射， LM393的2、3引腳兩端進(jìn)行電壓比較，從而3引腳收到電壓信號與2號引腳上的電壓比較，所以調(diào)節(jié)電位器的大小可以決定紅外避障模塊的靈敏度。 兩個(gè)端子上的電壓經(jīng)過比較后，小車再決定動作與否。

3.3 電機(jī)驅(qū)動電路

本部分將使用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行器件，作用是執(zhí)行主控芯片發(fā)送的指令。單片機(jī)發(fā)送一個(gè)電脈沖信號，那么步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)過一個(gè)固定的角度，即一個(gè)步距角。因此控制電脈沖的個(gè)數(shù)就可以控制步進(jìn)電機(jī)的角位移，若控制電脈沖信號的發(fā)送頻率的話，就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而ULN3003是使用非常廣泛的電機(jī)驅(qū)動芯片。

4 控制方案設(shè)計(jì)

機(jī)器人的運(yùn)動控制系統(tǒng)很明顯是模型復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，但是常規(guī)PID控制器對于復(fù)雜系統(tǒng)的控制效果不好。模糊控制卻能控制復(fù)雜的時(shí)變非線性系統(tǒng)，但沒有積分環(huán)節(jié)的原因，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差不能消除。模糊系統(tǒng)的卓越特性：一方面，模糊系統(tǒng)是由一個(gè)實(shí)值向量向一個(gè)實(shí)值標(biāo)量所作的多輸入單輸出映射;另一方面，模糊系統(tǒng)是由來自于以模糊IF-THEN規(guī)則為形式的人類知識所組成的基于知識的系統(tǒng)[5]。所以本設(shè)計(jì)考慮將常規(guī)PID控制器和模糊控制的方法結(jié)合起來組成自適應(yīng)模糊PID控制器應(yīng)用于本設(shè)計(jì)的家居服務(wù)機(jī)器人瞬態(tài)平穩(wěn)控制系統(tǒng)。

自適應(yīng)模糊PID控制的原理如圖2所示。圖中，輸入變量r（t）為人為的一個(gè)預(yù)設(shè)值，與實(shí)際值輸出變量y（t）產(chǎn)生一個(gè)偏差，即誤差。誤差及誤差變化率經(jīng)模糊推理，采用自適應(yīng)的方法、根據(jù)模糊矩陣表，對于PID控制器的三個(gè)控制參數(shù)進(jìn)行整定。

通過建立的模糊推理規(guī)則實(shí)時(shí)對Kp，Ki 和Kd 進(jìn)行整定，設(shè)計(jì)出模糊自適應(yīng)PID 控制器[6]。模糊控制器是自適應(yīng)模糊 PID控制的核心，其原理是把偏差信號 e和偏差變化率 ec送入模糊控制器，模糊控制器進(jìn)行模糊化、推理，然后求解，把得出的參數(shù)Δ kp、Δ ki、Δ kd分別輸入 PID控制器[7]。模糊整定PID控制參數(shù)就是利用模糊推理的方法找出PID控制參數(shù)與輸入變量之間的關(guān)系，根據(jù)不斷變化的情況修正控制參數(shù)。

解模糊化過程如下：系統(tǒng)根據(jù)模糊化輸入激活相應(yīng)的規(guī)則，輸出的模糊語言值的隸屬度是根據(jù)規(guī)則前件及蘊(yùn)涵都使用“取小”的操作進(jìn)行運(yùn)算，后采用重心法求出模糊控制輸出值。

5 仿真

利用仿真工具對控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真，可以有效地對比各種控制模型與方案，選取并優(yōu)化相關(guān)控制參數(shù)，從而對整個(gè)控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行優(yōu)化與提高，尤其是對于一些新型控制理論與算法的研究，進(jìn)行系統(tǒng)仿真更是必不可少的[8]。系統(tǒng)的仿真與調(diào)試主要針對模糊PID控制進(jìn)行了Simulink仿真，與普通的PID控制方法進(jìn)行了對比，還進(jìn)行了實(shí)物實(shí)驗(yàn)，組裝了一個(gè)基于STM32的紅外避障小車。紅外避障小車可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎和避障的功能，然而本設(shè)計(jì)的最主要的控制要求就是瞬態(tài)平穩(wěn)，智能小車也可以做到，將通過仿真來驗(yàn)證控制算法的可靠性。

圖3為自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)仿真圖，圖4為階躍響應(yīng)曲線對比。圖中藍(lán)色曲線為階躍信號，紅色曲線為模糊PID控制對單位階躍的響應(yīng)曲線，橙色曲線為常規(guī)PID控制對單位階躍的響應(yīng)曲線。從圖中可以看出模糊PID控制達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間在1秒以內(nèi)，而常規(guī)PID控制的穩(wěn)態(tài)時(shí)間大約為5.5秒。由此可見模糊PID控制的控制效果比常規(guī)PID控制的控制效果好。其他控制性能由實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過在小車上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖5所示，智能小車上安裝了紅外避障模塊以及超聲波傳感器，采用干電池供電，小車自由旋轉(zhuǎn)、前進(jìn)后退，沒有急停、急走的情況，基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

6 結(jié)論

本設(shè)計(jì)選取了智能車代替機(jī)器人進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證，從仿真驗(yàn)證和實(shí)物實(shí)驗(yàn)，都基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。然而在實(shí)際應(yīng)用中難免與真實(shí)情況有所出入，當(dāng)今國際上對于科學(xué)技術(shù)的研究都向精細(xì)化發(fā)展，所以本設(shè)計(jì)的應(yīng)用前景也將十分廣闊。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉煥海.基于云架構(gòu)的智能家居機(jī)器人系統(tǒng)研究[J].自動化與儀器儀表，2018（04）：55-57.

[2]涂穎，李剛.基于STM32智能門禁控制設(shè)計(jì)[J].電子電路設(shè)計(jì)與方案，2018（08）：5-8.

[3]郭宏亮，趙瑜會，李名偉，于婷婷.基于BLDCM的智能播種控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2019（02）：201-205.

[4]史燁樺，汪地，萬兵，孫玲玲.基于Arduino多傳感器的智能小車避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)量與測試技術(shù)，2018（09）：16-19.

[5]王立新.模糊系統(tǒng)與模糊控制教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003：4.

[6]馬宏斌，畢建興，趙家瑩.基于單片機(jī)的智能小車避障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].信息記錄材料，2018（10）：77-79.

[7]周克良，韓李珂，胡梁眉.基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊PID的PTFE電纜線徑控制系統(tǒng)[J].工程塑料應(yīng)用，2018（11）：78-83.

[8]王一帆，石中鎖.自適應(yīng)模糊PID控制器及其MATLAB仿真[J].冶金自動化，2007：499-502.

論文受到2019年度蘇州科技大學(xué)高水平畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）培育（團(tuán)隊(duì)）項(xiàng)目資助（項(xiàng)目編號2019TGB-02）。

作者簡介：周嘉玉（1997-），女，江蘇鹽城人，本科，研究方向：智能控制、復(fù)雜系統(tǒng)控制與濾波。

*為通訊作者