【正文】 防止電池向 LM317 反向供電。微控制器以此電壓作為電壓不足發(fā)送聲光報(bào)警信號(hào)和停止充電的判斷依據(jù)。 可通過(guò)上位機(jī)應(yīng)用程序?qū)C(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行預(yù)編程，然后將運(yùn)動(dòng)路徑由異步串口下載至機(jī)器人內(nèi)部存儲(chǔ)器。兩者之間使用三芯屏蔽電纜作為傳輸介質(zhì)。具體電路接法見(jiàn)圖 3. 16 串行通信電路原理圖。上位機(jī)是主控者，下位機(jī)微控制器是處于從動(dòng)方式。兩者的幀長(zhǎng)度都為 4 個(gè)字節(jié)。0～655s 。但在系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)工作中，往往特別強(qiáng)調(diào)其技術(shù)性能指標(biāo)而忽視了它的可靠性。引起系統(tǒng)故障的原因一般有兩大方面，一是系統(tǒng)運(yùn)行的外界環(huán)境條件通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部反映出來(lái)的故障，二是系統(tǒng)內(nèi)部自身產(chǎn)生的故障。第三章 移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)32 采取的措施本運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)充分考慮了可靠性這一指標(biāo)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 (1)屏蔽技術(shù) 本系統(tǒng)中，直流電機(jī)、驅(qū)動(dòng)部件的 PWM 輸出甚至是微控制器使用的振蕩器，都是電磁干擾的噪聲源。 正確接地是控制系統(tǒng)抑制干擾所必須注意的重要問(wèn)題，在設(shè)計(jì)中若能把接地和屏蔽正確的結(jié)合，可很好地消除外界干擾的影響。這種噪聲不但能產(chǎn)生電磁場(chǎng)干擾其它回路，甚至還有可能擊穿電路中的晶體管之類的器件。 看門(mén)狗實(shí)際上是一個(gè)特殊的定時(shí)器 DogTimer, DogTimer 按固定速率計(jì)時(shí)，計(jì)滿預(yù)定時(shí)間就發(fā)出溢出脈沖，使微控制器復(fù)位。程序在主循環(huán)中每執(zhí)行一個(gè)或幾個(gè)子程序喂一次看門(mén)狗，兩次喂狗的時(shí)間不能超過(guò)。第四章 移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的模糊策略研究 本課題研究的移動(dòng)機(jī)器人，驅(qū)動(dòng)輪由四個(gè)直流電機(jī)和四個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)，采用左右輪差速實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度和方向的控制。 目前，通常采用的自動(dòng)控制方法有三種：經(jīng)典控制方法、現(xiàn)代控制方法和智能控制方法。一般的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程較多屬于線性定常系統(tǒng)。故而現(xiàn)代控制理論在航空航天和軍事上有很大的作用。因此，采用經(jīng)典控制或現(xiàn)代控制方法都無(wú)法解決問(wèn)題。然而，在許多情況下被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型很難建立。因?yàn)槿四X的重要特點(diǎn)之一就是有能力對(duì)模糊事物進(jìn)行識(shí)別與判決，看起來(lái)似乎不確切的模糊手段常?？梢赃_(dá)到精確控制的目的。 模糊控制(Fuzzy Control)是指模糊理論在控制技術(shù)上的應(yīng)用。 與常規(guī)的控制系統(tǒng)相比較，模糊控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是： (1) 模糊控制系統(tǒng)可以解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制問(wèn)題。在很多工業(yè)控制中，熟練工人對(duì)系統(tǒng)控制的經(jīng)驗(yàn)可直接用于控制器中。 模糊控制的基礎(chǔ)知識(shí) 模糊數(shù)學(xué)理論是模糊控制理論的基石。 模糊集合和隸屬函數(shù)集合是指具有某種特定性質(zhì)和特征的事物的全體。 為了表述帶有模糊性的事務(wù)和概念，需要引入模糊集合。 例如，定義 18 歲以上的人為“成年人” ，則一位超過(guò) 18 歲的人屬于集合“成年人”。但自然界中更多的事物不具有明確的分界線，即模糊的。集合中所有元素的隸屬度的全體構(gòu)成集合的隸屬函數(shù)。把元素對(duì)概念的符合程度看作元素對(duì)集合的隸屬程度，那么指定各個(gè)元素的隸屬度也就指定了一個(gè)集合，因此模糊集合完全由其隸屬函數(shù)所刻畫(huà)，模糊集合的運(yùn)算也通過(guò)隸屬函數(shù)的運(yùn)算來(lái)刻畫(huà)。模糊算子通常又可分成三類：語(yǔ)氣算子、模糊化算子和判定化算子。在模糊控制中，采樣的輸入量總是精確量，要利用模糊邏輯推理方法，就必須首先把輸入的精確量模糊化。通過(guò)這種處理方法，就可把人的直接經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行量化，轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以操作的數(shù)值運(yùn)算。它由被控過(guò)程和模糊控制器構(gòu)成。模糊控制器由模糊化、模糊推理和去模糊化三部分構(gòu)成，它們都建立在模糊控制規(guī)則庫(kù)的基礎(chǔ)之上。例如，在室溫控制問(wèn)題中對(duì)溫度的控制有如下描述：如果室溫很低，室溫還在微量降低，則全力加熱；如果室溫適中，室溫不再變化，則不加熱；如果室溫偏高，室溫微量上升，則中等降溫；如果室溫較高，室溫不再變化，則微量降溫；如果室溫較高，室溫微量上升，則中等降溫。模糊控制規(guī)則庫(kù)是模糊控制器的重要組成部分，它和隸屬函數(shù)推理方法共同決定著模糊控制器的傳遞特性。 圖 模糊控制器組成綜上所述，模糊控制算法可概括為以下四個(gè)步驟： (l)根據(jù)本次采樣得到的系統(tǒng)的輸出值，計(jì)算所選擇的系統(tǒng)的輸入變量； (2)將輸入變量的精確值變?yōu)槟：浚? (3)根據(jù)輸入變量 (模糊量) 和模糊控制規(guī)則，按模糊推理合成模糊控制規(guī)則計(jì)算控制量(模糊量 )； (4)由上述得到的控制變量(模糊量) 計(jì)算精確的控制量。 模糊控制器的設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是指確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量。因此，模糊控制器組成模糊化 模糊推理 去模糊化輸入 輸出第四章 移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的模糊策略研究40從形式上看，這里輸入量應(yīng)該是三個(gè)，但是人們習(xí)慣于稱它為單變量模糊控制系統(tǒng)。圖 4. 4 模糊控制器的結(jié)構(gòu) 從理論上講，模糊控制器的維數(shù)越高，控制越精細(xì)。 模糊化就是通過(guò)在輸入論域上定義語(yǔ)言變量，將精確的輸入值轉(zhuǎn)換為模糊的語(yǔ)言值。 誤差的語(yǔ)言變量 E 所取的模糊集合的論域?yàn)?X={n，n+l，…，0，…，n1，n} ； 誤差變化率的語(yǔ)言變量 EC 所取的模糊集合的論域?yàn)?Y={m，m+1，…，0，…m411， m}； 控制量的語(yǔ)言變量 U 所取的模糊集合的論域?yàn)?Z={l，l+l，…，0，…，11，l}。設(shè) ；按以ke kXiei??下三種情況處理：若 n，則 量化后的結(jié)果為 n；若 n，則 量化后的結(jié)果iei ii為n；否則 ，可以采用四舍五入的方法對(duì)取整 ，得到 的量化結(jié)果。模糊控制規(guī)則，實(shí)際上是將操作者的操作經(jīng)驗(yàn)和專家知識(shí)進(jìn)行總結(jié)而得來(lái)的。 在根據(jù)語(yǔ)言變量的定義對(duì)輸入量進(jìn)行模糊化之后，接下來(lái)的步驟即為模糊推理。模糊規(guī)則的條件部分由通過(guò)。模糊推理首先計(jì)算控制規(guī)則庫(kù)中每條規(guī)則的滿足程度(條件聚合)，然后根據(jù)條件的滿足程度推斷單一規(guī)則輸出的大小(推斷)。 如果規(guī)則庫(kù)有 N 條模糊規(guī)則，則可以依次寫(xiě)作如下形式： Rl： IF E IS Al AND EC IS Bl，THEN U IS Cl；R2： IF E IS A2 AND EC IS B2，THEN U IS C2；………………………………………………………………………… Rn： IF E IS An AND EC IS Bn，THEN U IS Cn； 其中，E、EC 是語(yǔ)言變量“誤差” ， “誤差變化率” ；U 是語(yǔ)言變量“控制量” ，U的定義通常與 E、EC 一致。 一般將其語(yǔ)言變量的值劃分為 7 類：“正大”(PB)， “正中”(PM)， “正小”(PS)，“零”(ZE)， “負(fù)小”(NS) ， “負(fù)中”(NM)和“負(fù)大”(NB)。誤差、誤差變化率的量化因子分別用下面兩式確定：ke=n/emax, kec=m/ecmax。設(shè)誤差 e、誤差變化率 ec、控制量 u 的基本論域分別為：{emax，emax}、{eCmaxf，ecmax}和{umax, umax}。目前人們廣泛設(shè)計(jì)和應(yīng)用較多的是二維模糊控制器。一般情況下，一維模糊控制器用于一階被控對(duì)象，由于這種控制器輸入變量只選一個(gè)誤差，它的動(dòng)態(tài)控制性能不佳。在模糊控制系統(tǒng)中，也可以類似地分別定義為“單變量模糊控制系統(tǒng)”和“多變量模糊控制系統(tǒng)” 。從線性控制與非線性控制的角度分類，模糊控制是一種非線性控制；從控制器的智能性看，模糊控制屬于智能控制的范疇。模糊控制器的組成方框圖如圖 所示，它由模糊化、模糊推理和去模糊化三部分組成。如果用T 代表室溫，dT 代表室溫變化，du 代表加熱的大小，再為每個(gè)輸入輸出量定義出相應(yīng)的語(yǔ)言值模糊集： 室溫 T={NB：很低， ZE：適中，PS：偏高，PM：較高}； 室溫變化 dT={Ns：微量降低，ZE：適中 PS：微量上升}； 溫控量 du={NB：全力加熱， ZE：不加熱 NS：微量降溫，NM：中等降溫}； 則可將上述語(yǔ)一言描述改寫(xiě)成為： if T=NB and dT=NS then du=PB； or if T=ZE and dT=ZE then du=ZE； or if T=PS and dT=PS tehn du=NM； or if T=PS and dT=ZE then du=NS；39 上式模型稱為溫控模糊控制規(guī)則庫(kù)。在模糊控制器中則是用語(yǔ)言型模糊控制規(guī)則庫(kù)(即控制率)來(lái)描述模糊控制器的控制特性。模糊控制器的輸出則是被控系統(tǒng)的調(diào)節(jié)量輸入。 模糊控制系統(tǒng)的原理 模糊控制是指模糊理論在控制技術(shù)上的應(yīng)用。其作用是把模糊值進(jìn)行肯定化處理，對(duì)模糊值作出傾向性判斷。 諸如“大約” 、 “近似”等這樣的修飾詞都屬于模糊化算子，其作用是把肯定轉(zhuǎn)化為模糊，如果對(duì)數(shù)字進(jìn)行作用，就把精確數(shù)轉(zhuǎn)化為模糊數(shù)。為了對(duì)模糊的自然語(yǔ)言形式化和定量化，進(jìn)一步區(qū)分和刻畫(huà)模糊值的程度，常常還借用自然語(yǔ)言中的修飾詞，諸如“較” 、 “很” ，還有“稍微” 、“相當(dāng)” 、 “極” 、 “大約” 、 “近似” 、 “傾向于”等來(lái)描述模糊值。其意義為，每個(gè)人以不同的程度屬于集合“成年人” 。在模糊邏輯中，事件不以集合的極限值分類，而是給每一個(gè)元素賦于一個(gè)介于 0 和 1 之間的實(shí)數(shù)，描述其屬于一個(gè)集合的強(qiáng)度。 在數(shù)學(xué)上可用下列表達(dá)式描述這種隸屬關(guān)系的強(qiáng)度： (41)???????180)(u?成 年 人 這是對(duì)事物的二值描述。在本質(zhì)上，普通集合第四章 移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的模糊策略研究36只是模糊集合的特殊情況。任何一個(gè)元素只能屬于某個(gè)集合或不屬于某個(gè)集合。模糊理論是建立在模糊邏輯的基礎(chǔ)之上，描述和處理人類語(yǔ)言所特有的模糊信息的理論。由于控制規(guī)律可以不斷豐富完善，加之克服了人類本身的不足，使得模糊控制器優(yōu)于熟練工人的手動(dòng)控制。模糊控制建立在對(duì)過(guò)程控制的語(yǔ)言型經(jīng)驗(yàn)之上，不需要精確的數(shù)學(xué)模型。模糊控制技術(shù)適用于被控過(guò)程沒(méi)有數(shù)學(xué)模型或很難建立數(shù)學(xué)模型的工業(yè)過(guò)程，這些控制過(guò)程參數(shù)時(shí)變，且呈現(xiàn)極強(qiáng)的非線性特征。這些經(jīng)驗(yàn)包括對(duì)被控對(duì)象的特征的了解、在各種情況下相應(yīng)的控制策略以及性能指標(biāo)判據(jù)。雖然常規(guī)自適應(yīng)控制技術(shù)可以解決一些問(wèn)題，但范圍是有限的。使運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)兼顧了實(shí)時(shí)性高、高的穩(wěn)定性等設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并可通過(guò)模糊控制規(guī)則庫(kù)的擴(kuò)充，為該運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)方便添加其他功能。 無(wú)論是經(jīng)典控制還是現(xiàn)代控制方法，它們都要求知道系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型才能執(zhí)行控制，如果沒(méi)有數(shù)學(xué)模型，它們對(duì)系統(tǒng)就無(wú)能為力了。其調(diào)節(jié)品質(zhì)取決于 PID 控制器各個(gè)參數(shù)的整定。線性是指系統(tǒng)的輸入量和輸出量的關(guān)系是線性的，定常是指系統(tǒng)的輸入和輸出量的關(guān)系是恒定的，并不隨時(shí)間的變化而變化。 例如，在電量充足的情況下，按照預(yù)編程序，移動(dòng)機(jī)器人每接收到右轉(zhuǎn)指令，轉(zhuǎn)彎角度可達(dá)到 90 度；但如果電量不足，轉(zhuǎn)彎角度就很有可能連 60 度都達(dá)不到。然后按照結(jié)構(gòu)化的思想，依次對(duì)微控制器模塊、電機(jī)控制模塊、串行通信模塊、遙操作模塊、系統(tǒng)電源及充電模塊的原理和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了詳盡的分析和探討，給出了實(shí)際的電路原理圖和相應(yīng)程序的關(guān)鍵代碼或流程圖。清零脈沖由微控制器發(fā)出，在程序中每隔一段語(yǔ)句放一個(gè)清 DogTimer 的喂狗語(yǔ)句，以保證程序正常運(yùn)行時(shí) DogTimer 不會(huì)溢出，一旦程序進(jìn)入一個(gè)不含喂狗語(yǔ)句的死循環(huán)，DogTimer 將溢出，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)位，跳出這個(gè)死循環(huán)，由初始化部分開(kāi)始重新執(zhí)行。 (4)看門(mén)狗技術(shù) 微控制器受到干擾而失控，引起程序亂飛，也可能使程序陷入“死循環(huán)” ，導(dǎo)致無(wú)法執(zhí)行正常的程序流程。 (3)抑制自感電動(dòng)勢(shì)干擾 在本系統(tǒng)中，使用了電動(dòng)機(jī)這種具有較大電感量的器件。針對(duì)上述情況，主要通過(guò)選用高導(dǎo)磁材料做成屏蔽體，使電磁波經(jīng)屏蔽體壁的低磁阻磁路快速衰減，以降低干擾。由系統(tǒng)內(nèi)部引起故障的因素有：元器件的失效、焊接點(diǎn)的虛焊脫焊、接插件的導(dǎo)電接觸面的氧化或腐蝕、線路連接線的開(kāi)路或短路等等。 系統(tǒng)的可靠性保證有賴于完善的可靠性設(shè)計(jì)、嚴(yán)格的部件制作、規(guī)范的設(shè)備安裝調(diào)試、正確的操作使用和經(jīng)常性的維護(hù)。 微控制器部分采用中斷方式接收上位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，以保證通信的實(shí)時(shí)性。表 2. 3 異步通信幀的組成起始標(biāo)志位 運(yùn)動(dòng)步驟數(shù)0xff 0xff 0xff 0～255左輪轉(zhuǎn)速 右輪轉(zhuǎn)速 運(yùn)動(dòng)時(shí)間0～255 0～255 0～255 0～255 其中，起始幀的前 3 個(gè)字節(jié)做為起始標(biāo)志，填充 0xff；第 4 個(gè)字節(jié)指明預(yù)編程運(yùn)動(dòng)路徑中總共包括的步驟數(shù)。數(shù)據(jù)內(nèi)容選用定長(zhǎng)幀結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)。下位機(jī) ATMEGAI6 發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過(guò) PDl 即下位機(jī) TXD 進(jìn)入 MAX232 芯片 10 腳，轉(zhuǎn)換后由 7 腳輸出到串口 3 針XTXD，發(fā)送至上位機(jī)。此處選用 MAXIM 公司生產(chǎn)的 MAX232 芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。此功能對(duì)實(shí)現(xiàn)特定環(huán)境中的嚴(yán)格運(yùn)動(dòng)控制有較大的意義。unsigned int read_ adc (unsigned char adc_ input)//查詢方式讀取 ADC 單端通道{ ADMUX= (Oxc0︱adcinput)；//adc_input:單端通道 Ox00～Ox07 //Oxc0；//選擇內(nèi)部 2. 56V 參考電壓第三章 移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)28 ADCSRA=(1ADSC)；//啟動(dòng) AD 轉(zhuǎn)換while ((ADCSRAamp。該電壓值低于模數(shù)轉(zhuǎn)