【正文】 模糊推理由條件聚合、判斷和累加三部分組成。nXi?? ii 同理，可以對誤差變化率 ec，采用上述方法對其進行量化，找到論域 Y 中的元素與之對應(yīng)。 將模糊控制器的輸入、輸出變量的實際變化范圍稱為這些變量的基本論域。 單輸入單輸出模糊控制器的幾種結(jié)構(gòu)形式如圖 4. 4 所示。 模糊控制作為模糊集合理論應(yīng)用中的一個重要方面，模糊控制是以模糊集合化、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計算機數(shù)字控制。 上述語言描述中，都是根據(jù)條件部分中條件滿足的情況得出定性的結(jié)論。在模糊控制器回路中被控過程的測量輸出構(gòu)成模糊控制器的輸入。 與模糊化算子有相反作用的另一類算子，例如“傾向于” 、 “偏向于”等，被稱為判定化算子。37 模糊算子 語言變量與我們熟悉的數(shù)值變量不同，數(shù)值變量的結(jié)果是精確的，但是用自然語言來描述的量是模糊的。模糊邏輯模仿人類的智慧，引入隸屬度的概念，描述界于“真”與“假”之問的過度過程。 模糊集合是和普通集合完全不同的，它不能像普通集合那樣明確的指出個體元素是否屬于該集合，而只能指出該個體元素屬于一個集合的程度。1965 年，美國加里福尼亞大學(xué)的自動控制專家 Zadeh 教授在他的著名論文《Fuzzy Set》中首次提出了模糊的概念。當(dāng)系統(tǒng)為多輸入多輸出、強非線性，時變及滯后系統(tǒng)時，系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型非常復(fù)雜或根木就不存在，不能用常規(guī)控制方法控制系統(tǒng)。 操作人員通過不斷學(xué)習(xí)、積累操作經(jīng)驗，從而對被控對象進行控制。 根據(jù)對上述控制方法的分析，結(jié)合本運動控制系統(tǒng)的實際運行條件，設(shè)計采用模糊控制方法來實現(xiàn)快速移動機器人左右車輪轉(zhuǎn)速大范圍誤差調(diào)節(jié)。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。由于直流電機本身參數(shù)的差異、移動機器人電源模塊放電電壓的非理想性等因素影響，在左右車輪的驅(qū)動電機電壓信號相同的情況下，移動機器人也很難沿特定方向、以特定速度行進，即左右兩輪的實際轉(zhuǎn)速與設(shè)定值存在誤差。如果每次在 DogTimer 溢出前強行使DogTimer 清零，就不會發(fā)出溢出脈沖。接地設(shè)計的基本目的是消除各電路電流流經(jīng)公共地線時所產(chǎn)生的噪聲電壓，以及免受電磁場和地位差的影響，即使其不能形成地環(huán)路。由環(huán)境條件引起故障的主要因素有：工作電源的異常、環(huán)境溫度的異常、電磁干擾、機械的沖擊和振動等等。 微控制器將每個幀數(shù)據(jù)接收并保存于外部存儲器，當(dāng)收到按照預(yù)編程路徑運動的指令時，移動機器人只需依次讀取每個幀的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換為后一個的運動狀態(tài)就可以實現(xiàn)全部的運動要求。串行通信的數(shù)據(jù)格式采用(4800， N， 8，1)，即 4800 波特率，無奇偶校驗，8 位數(shù)據(jù)位，1 位停止位。 RS232 是為早期公共電話網(wǎng)數(shù)據(jù)通信制定的標(biāo)準(zhǔn)，以+5V～+15V 表示低電平 0， 5V～15V 表示高電平 1，與現(xiàn)有微控制器邏輯電平不一致，二者之間必須進行電平轉(zhuǎn)換。 以下是采集電池電壓的部分源代碼，其中采樣時對電壓值進行了均值濾波的方法，以減低參考電壓源波動帶來的誤差。 充電過程中，LM317 的耗散功率為(輸入電壓—輸出電壓—) 恒流電流值，需根據(jù)計算出的功率選擇合適的散熱器，為 LM317 散熱。 (4) T 方法：溫度絕對溫度可以作為 NiCd 電池和 NiMH 電池停止充電的依據(jù)，但是更適合于作為備份方案。最大電流由電池決定，通常為 1C。 電池的不同應(yīng)用場合及工作環(huán)境限制了對判斷停止充電的方法的選擇。 充電電路設(shè)計 移動機器人工作過程中，若檢測到自身電量不足，則機器人將發(fā)出聲光報警，提醒操作者及時充電。 在使用 LM2575 設(shè)計電路時，著重考慮了以下幾點： (l)電感的選擇。 若采用傳統(tǒng)穩(wěn)壓方案，將 直流電壓依次通過 7812，7809，7805 得到+12V和+5V 電壓，會存在嚴(yán)重的能源損耗問題。BIT (Kl))； //waiting for release Kl} 電源模塊 作為無纜工作的移動機器人，必需自帶能源。 因此，微控制器讀取 PT2272 的數(shù)據(jù)輸出端電平即可獲得操作者的按鍵鍵值。從而移動機器人根據(jù)操作者的按鍵值，做出相應(yīng)動作。 光電編碼器測速的誤差分析 影響光電編碼器計數(shù)精度的原因在于，編碼器的主碼盤被激振而附加了瞬間的隨機高頻振動，從而引起在透光窗邊沿附近發(fā)生小幅度晃動，振動的響應(yīng)和頻率與主碼盤本身及激振的頻率有關(guān)。具體鑒相電路原理圖如圖 3. 11 所示。 將光電編碼器輸出接至微控制器的外部中斷 INT2，則轉(zhuǎn)動引起的每一個電壓脈沖都會觸發(fā)微控制器外部中斷。圓盤上規(guī)則地刻有透光和不透光的線條或孔，當(dāng)圓盤隨著轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，光敏元件接收的光通量強弱隨著光線條同步變化，光敏元件波形經(jīng)過整形輸出變?yōu)槊}沖輸出。 由于使用了單邊斜坡模式，快速 PWM 模式的工作頻率比使用雙斜坡的相位修正PWM 模式高一倍。第三章 移動機器人的控制系統(tǒng)設(shè)計18圖 電機驅(qū)動電路原理圖 硬件實現(xiàn) PWM 的方法 ATMEGAI6 內(nèi)部集成有 4 通道硬件 PWM 單元，分別為 OC0, OClA, OC1B 和OC2。L293D 符合 TTL 邏輯電平接口標(biāo)準(zhǔn)，可用來驅(qū)動大功率感性負(fù)載，比如繼電器、直流和步進電機和開關(guān)電源晶體管，可以通過邏輯設(shè)定實現(xiàn)電機驅(qū)動電壓的極性轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向調(diào)整。T?? 由上式可見 ，改變開關(guān)接通時間和開關(guān)周期 的比例亦即改變脈沖的占空比，ton T電動機兩端的電壓平均值也隨之改變，因而電動機轉(zhuǎn)速得到了控制。而在對直流電動機電樞電壓的控制和驅(qū)動中，對半導(dǎo)體器件的使用上又可分為兩種方式：線性放大驅(qū)動和開關(guān)驅(qū)動方式。 電機驅(qū)動模塊 移動機器人采用左右兩方輪子獨立驅(qū)動，采用差速轉(zhuǎn)向機構(gòu)，每個車輪分別由一個直流電機和一個步進電機單獨控制。也可以從外面輸入?yún)⒖茧妷?，例如在可使?TL431 基準(zhǔn)電壓源。具體電路見圖 3. 3 晶振電路示意圖。(1)復(fù)位電路的設(shè)計ATMEGA16 已經(jīng)內(nèi)置了上電復(fù)位設(shè)計。由于其先進的指令集和單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmegal6 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)111MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。考慮到本文設(shè)計的移動機器人結(jié)構(gòu)特點和功能要求，須在高性能計算與低功耗之間得到很好的平衡。微控制器在整個系統(tǒng)中扮演的角色類似于人的大腦，主要完成各種信息的運算和決策。 微控制器模塊作為控制系統(tǒng)的核心，主要進行各種信息、數(shù)據(jù)的處理，協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各功能模塊完成預(yù)定任務(wù)； 控制系統(tǒng)是整個機器人系統(tǒng)的靈魂。因為 只與質(zhì)心的角速度有關(guān)，x、y 只與質(zhì)心的線速度有關(guān)，故可將控制變量轉(zhuǎn)為質(zhì)?心的線速度和角速度。5圖 六輪搖臂探測機器人越障原理 移動機器人運動學(xué)模型 移動機器人采用四輪驅(qū)動模式，通過控制左右兩方驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速差實現(xiàn)前進、后退、轉(zhuǎn)向等各種基本的動作，現(xiàn)建立坐標(biāo)系說明移動機器人的運動學(xué)模型，具體坐標(biāo)系和運動參量見圖 移動機器人的運動示意圖。輪式機器人按車輪的數(shù)量可以分為單輪、三輪、四輪、五輪、六輪和多輪等類型。第 2 章移動機器人的機械結(jié)構(gòu)和運動學(xué)模型，分析了本課題研究的移動機器人的機械結(jié)構(gòu)，結(jié)合移動機器人四輪獨立式驅(qū)動機構(gòu)，建立推導(dǎo)其運動學(xué)模型和雙輪差速實現(xiàn)機器人運動控制的原理。涉及領(lǐng)域包括圖像理解、語音和文字符號的處理與理解、知識的表達(dá)和獲取等方面。(3)控制系統(tǒng)的多傳感器信息融合技術(shù)。根據(jù)機器人對環(huán)境信息感知的程度，路徑規(guī)劃可分為環(huán)境信息完全可知的全局路徑規(guī)劃。其控制系統(tǒng)的設(shè)計重點包括障礙物檢測、火焰檢測和系統(tǒng)可靠性設(shè)計等多項技術(shù)。步行式機器人是指按照邁步方式前進的移動機器人，由于符合動物的行進模式，可很好的在自然環(huán)境中運動，具有較強的越野性能。機器人技術(shù)涉及計算機技術(shù)、控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)、人工智能、材料科學(xué)和仿生學(xué)等多類學(xué)科。 移動機器人控制技術(shù)研究動態(tài) 移動機器人控制技術(shù)發(fā)展概況步入 21 世紀(jì)，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，機器人用傳感器的不斷研制、計算機運算速度的顯著提高，移動機器人控制技術(shù)逐步得到完善和發(fā)展。該輪椅機器人，能夠自動識別和判斷出行駛的前方是否有行人擋路，或是否可能出現(xiàn)行駛不通的情況，自動采取繞行動作，并能夠提醒擋路的行人讓開道路。如韓國 Yujni 機器人科技公司制造的家用機器人 iRboot，日本歐姆龍公司開發(fā)的電子守衛(wèi)恐龍，以及三菱重工推出的可協(xié)助家庭保健和看家的機器人，都為家用機器人的市場化進程發(fā)揮了重要的作用。通常采用的傳感器包括分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。編程技術(shù)進一步提高在線編程的可操作3性，離線編程的人機界面更加友好、自然語言化編程和圖形化編程的進一步推廣也是今后研究的重點。同時，該控制系統(tǒng)的設(shè)計完成，對于降低上述各類型機器人的開發(fā)難度，縮短從客戶提出需求到完成最終產(chǎn)品的開發(fā)周期，具有很強的指導(dǎo)意義。第二章 移動機器人的機械結(jié)構(gòu)和運動學(xué)模型 移動機器人機械結(jié)構(gòu) 移動機器人運動方式有很多種，主要分為車輪式和步行式兩類。如圖 所示，前輪越障時，副搖臂順時針轉(zhuǎn)動，前輪上升，中輪下降。由式(22)可知，當(dāng) = 時，質(zhì)心的角速度 為 0，即機器人沿直線LR運動；當(dāng) = 時，質(zhì)心的線速度為 0，則機器人可實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)身，即此時機器人VLR將以零半徑轉(zhuǎn)彎。然后，結(jié)合機器人的四輪驅(qū)動機構(gòu)，推導(dǎo)了其運動學(xué)模型和六輪差速實現(xiàn)機器人運動控制的原理?？刂葡到y(tǒng)的總體框圖如圖 3. 1 所示。 串行通信模塊包括異步通信、同步通信兩部分，異步通信用于預(yù)編成路徑的下載，同步通信用于預(yù)編成路徑數(shù)據(jù)的存儲和。 微控制器的選用依據(jù)微控制器是整個控制系統(tǒng)的核心部件，直接影響到控制系統(tǒng)的功能和性能。同時，為實現(xiàn)電路完成后的程序升級，微控制器需支持代碼在系統(tǒng)下載功能。 ATMEGA16 微控制器特點1997 年，ATMEL 挪威設(shè)計中心出于市場考慮，充分發(fā)揮其 Flash 技術(shù)優(yōu)勢，推出全新的精簡指令集(RISC)微控制器，簡稱 AVR 微控制器。當(dāng) AVR 在工作時，按下 S0 開關(guān)時，復(fù)位腳 RESET 變成低電平，觸發(fā) AVR 芯片復(fù)位。為減小 AD 轉(zhuǎn)換的電源干擾，ATMEGAI6 芯片有獨立的 AD 電源供電。由于沒有外圍零件，故 PB5 (MOSI)、PB6 (MISO)、 PB7 (SCK)、復(fù)位腳仍可以正常使用，不受 ISP 的干擾。15 直流電機 PWM 調(diào)速 直流電動機的轉(zhuǎn)速控制方法可以分為兩類：調(diào)節(jié)勵磁磁通的勵磁控制方法和調(diào)節(jié)電樞電壓的電樞控制方法。這種控制方式很容易在微控制器中實現(xiàn)。故本設(shè)計中，采用 PWM 控制方式實現(xiàn)電機調(diào)速。亦即，不論電機正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，INl 與 IN2 電平始終絕對相反，而兩者同相時所達(dá)到的控制目的——電機停轉(zhuǎn)，完全可通過將使能端 ENA 的邏輯電平置零實現(xiàn)?？焖?PWM 模式采用其單邊斜坡工作方式。本設(shè)計中，采用增量式光電編碼器測量移動機器人左右兩方輪子的實時轉(zhuǎn)速，進而通過特定算法得到實時電機驅(qū)動模塊的 PWM 控制量，實現(xiàn)運動機器人運動的閉環(huán)第三章 移動機器人的控制系統(tǒng)設(shè)計20控制。(2) T 法測速：測量相鄰兩個脈沖的時間間隔來確定被測速度的方法叫做 T 法測速，適合于低速時測量。 光電編碼器的鑒相 光電編碼器與機器人的驅(qū)動車輪同軸安裝，該軸的正反轉(zhuǎn)代表了移動機器人前進和后退兩種相反的運動方向。反轉(zhuǎn)時，Out_A 信號的相位延后 Out_B 信號 90 度，Wl 輸出始終為低電平。串行碼由發(fā)射電路調(diào)制到高頻載波，通過天線向外發(fā)射。PT2262/2272是一種 CMOS 工藝制造的低功耗低價位通用編解碼電路，PT2262/2272 最多可有 12 位(A0All)三態(tài)地址端管腳(懸空、接高電平、接低電平)，任意組合可提供 531441 地址碼。 以下是主程序中檢測 1 鍵是否按下的部分源碼。并且，埋電池具有輸出電流大，無記憶效應(yīng)、無污染、電池循環(huán)充放電次數(shù)多(壽命長) 等優(yōu)點。 LM2575 系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路最大輸出電流 1A；最大輸入電壓為 45V；內(nèi)置振蕩頻率 54kHz；最大穩(wěn)壓誤差 4；轉(zhuǎn)換效率可達(dá) 75 %～88%( 不同的電壓輸出的效率不同)。 (3)二極管的選擇。本設(shè)計中充電電流為 ，即 300mA。適用于各種電池。對于某些類型的電池，當(dāng)電池充滿后繼續(xù)充電將導(dǎo)致電壓的下降。27 圖 充電及電壓檢測電路示意圖 其中，LM317 是飛兆半導(dǎo)體公司出品的三端可調(diào)穩(wěn)壓塊，如圖接法作為恒流源使用。該電壓值低于模數(shù)轉(zhuǎn)換參考電壓，符合轉(zhuǎn)換要求。此功能對實現(xiàn)特定環(huán)境中的嚴(yán)格運動控制有較大的意義。下位機 ATMEGAI6 發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過 PDl 即下位機 TXD 進入 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。表 2. 3 異步通信幀的組成起始標(biāo)志位 運動步驟數(shù)0xff 0xff 0xff 0～255左輪轉(zhuǎn)速 右輪轉(zhuǎn)速 運動時間0～255 0～255 0～255 0～255 其中，起始幀的前 3 個字節(jié)做