【正文】 輸出（精確量）（精確量）輸入知識庫數(shù)據(jù)庫方法庫推理機解模糊接口模糊化接口 模糊控制器的結(jié)構(gòu)框圖 專家模糊控制系統(tǒng)模糊控制具有超調(diào)小、魯棒性強和對系統(tǒng)非線性適應(yīng)性好等優(yōu)點；因此模糊控制是一種有效的控制策略。不過，模糊控制也存在一些缺點。首先，由于簡單的模糊信息處理，使控制系統(tǒng)的精度較低。要提高精度就必須提高量化程度；因而增大系統(tǒng)的搜索范圍。第二個不足之處就是模糊控制器結(jié)構(gòu)和知識表示形式兩方面存在單一性，因而難以處理在控制復(fù)雜系統(tǒng)時所需要的啟發(fā)知識，也使應(yīng)用領(lǐng)域受到限制。第三個缺點是，當(dāng)系統(tǒng)非線性的程度比較高時，所建造的模糊控制規(guī)則會變得不完全或不確定，因而控制效果會變差。通過模糊控制和專家控制兩種技術(shù)的集成，建造一種新的控制系統(tǒng)——專家模糊控制系統(tǒng)，能夠彌補上述不足之處。因此在深海復(fù)雜的環(huán)境里，為了使深海機器人的行走控制能獲得好的效果，所以采用基于專家模糊控制系統(tǒng)[23][24][25]。專家控制是基于專家經(jīng)驗庫的控制，因此可以參考履帶車輛人工操作的經(jīng)驗，結(jié)合深海履帶深海機器人向運動學(xué)方程設(shè)計根據(jù)航向角、速度偏差給定左右履帶速度調(diào)節(jié)值、的專家規(guī)則，具體規(guī)則如下:（1）方位角偏差對應(yīng)的左右履帶速度調(diào)節(jié)值，針對方位角誤差，按以下規(guī)則對 進行調(diào)整:If then If then If then If then If then （2）根據(jù)速度偏差 和給定速度調(diào)節(jié)值 調(diào)節(jié)左右履帶速度: 公式（） 公式（）但基于專家規(guī)則調(diào)節(jié)深海機器人速度的控制未能構(gòu)成左右履帶速度閉環(huán)，不能實現(xiàn)對左右履帶速度精確調(diào)節(jié)。且深海機器人采用液壓驅(qū)動，液壓驅(qū)動的履帶車輛表現(xiàn)為強烈的非線性和滯后性，采用常規(guī)的控制系統(tǒng)很難達到其要求。模糊控制算法不需要系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，能夠?qū)?fù)雜非線性系統(tǒng)實現(xiàn)精確控制。面向調(diào)節(jié)的快速性和精確性，增加一個自修正模糊控制器，構(gòu)成速度閉環(huán)，實時控制深海機器人左右履帶速度。針對深海機器人履帶液壓系統(tǒng)的特性，綜合考慮模糊控制策略的特點，采用隨動非線性多變量有差的模糊控制系統(tǒng)作為履帶液壓系統(tǒng)的控制方案。模糊控制系統(tǒng)通常由模糊控制器、輸入/輸出接口、執(zhí)行機構(gòu)、被控對象和測量裝置等五個部分組成。該系統(tǒng)是一個速度閉環(huán)控制系統(tǒng)。+vovi模糊控制器D/A電液伺服放大器履帶液壓系統(tǒng)履帶驅(qū)動輪速度變換 履帶速度模糊控制系統(tǒng)組成框根據(jù)以上的分析，最終確定的控制算法為基于專家模糊控制的深海機器人行走控制算法。：++++左驅(qū)動左履帶深海機器人器人右驅(qū)動右履帶模糊控制專家系統(tǒng) 基于專家模糊控制系統(tǒng)框圖 本章小結(jié) 由于深海機器人的行走控制具有非線性、大滯后、時變性，且不易建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此本文參考人工操作經(jīng)驗，采用專家控制算法對深海機器人進行整體的控制，而為了對左右履帶進行精確的控制采用了模糊控制算法。基于ARM嵌入式系統(tǒng)的深海機器人軌跡跟蹤系統(tǒng)的研究 第五章 深海機器人軌跡跟蹤系統(tǒng)軟件設(shè)計第四章 基于MATLAB的系統(tǒng)仿真及其結(jié)果 模糊控制器的設(shè)計模糊控制器是一種語言控制器，它模擬專家的控制經(jīng)驗，用語言描述規(guī)則，根據(jù)控制規(guī)則進行控制計算，從而完成閉環(huán)控制的任務(wù)。模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心。一個模糊控制系統(tǒng)的性能優(yōu)劣，主要取決于模糊控制器的結(jié)構(gòu)，所采用的模糊控制規(guī)則、合成推理算法，以及模糊決策的方法等因素。，模糊控制器包括：輸入量化接口、數(shù)據(jù)庫、規(guī)則庫、推理機和輸出解模糊接口五個部分。1. 選擇模糊控制器的結(jié)構(gòu)為模糊控制器選擇與確定一種合理的結(jié)構(gòu)，是設(shè)計模糊控制器的第一步。選擇模糊控制器的結(jié)構(gòu)，就是確定模糊控制的輸入變量與輸出變量。一般選取誤差信號e和誤差變化信號ec作為模糊控制器的輸入變量，而把受控變量的變化u作為輸出變量。因此本文采用檢測到的履帶速度與給定的速度參考值的偏差e和偏差變化率ec作為輸入變量，控制量為u，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后作為控制液壓系統(tǒng)中電液比例閥的電信號。2. 選擇模糊規(guī)則（1）變量的論域設(shè)偏差e、偏差變化率ec和控制量u的論域分別為E、EC、U，其取值為E={6，5，4，3，2，1，0，1，2，3，4，5，6}EC={6，5，4，3，2，1，0，1，2，3，4，5，6}U={6，5，4，3，2，1，0，1，2，3，4，5，6}（2）模糊語言變量的確定如果用較多的狀態(tài)來描述每個變量，那制訂規(guī)則就比較靈活，形成的規(guī)則就比較精確。不過，這種控制規(guī)則比較復(fù)雜，且不易制定。因此有選擇模糊控制規(guī)則狀態(tài)時，必須兼顧簡單性和靈活性。在實際應(yīng)用中，通常選取7至9個狀態(tài)。 本文對偏差e、偏差變化率ec及控制量u的模糊集定義均為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。（3）隸屬度函數(shù)的建立常用的隸屬度函數(shù)有三角形、高斯形、梯形等11種，在此選用常用的三角形隸屬度函數(shù)[26]。偏差E、。PMPSNSNM62024601NBZOPB4 變量E的隸屬度函數(shù)0PMPSNSNM6202461NBZOPB4 變量EC的隸屬度函數(shù)PMPSNSNM62024601NBZOPB4 變量U的隸屬度函數(shù)（4）模糊控制規(guī)則表。 模糊控制規(guī)則表NBNMNSZOPSPMPBEUECNBPBPBPBPBPMPSZONMPBPBPMPMPSZOZONSPBPMPMPSZOZONSZOPMPSPSZONSNSNMPSPSZOZONSNMNMNBPMZOZONSNMNMNBNBPBZONSNMNBNBNBNB3. 清晰化通過模糊推理得到的結(jié)果是一個模糊集合或者隸屬函數(shù)，但在控制電液比例閥時需要一個確定值。在推理得到的模糊集合中，取一個相對最能代表這個模糊集合的單值的過程就稱為解模糊或模糊判決。模糊判決可以采用不同的方法，用不同的方法所得到的結(jié)果也是不同的。理論上用重心法比較合理，但是計算比較復(fù)雜，因而在實時性要求較高的系統(tǒng)中不采用這種方法。最簡單的方法是最大隸屬度法，這種方法取所有模糊集合或者隸屬函數(shù)中隸屬度最大的那個值作為輸出，但是這種方法未考慮其他隸屬度較小的值的影響，代表性不強，所以它往往用于比較簡單的系統(tǒng)。介于這兩者之間的還有幾種平均法：如加權(quán)平均法、隸屬度限幅元素平均法等。綜合考慮各種因素，本文采用最大隸屬度法來達到清晰化的目的。4. 確定模糊控制器的參數(shù)在模糊控制系統(tǒng)中，信號的有界稱為該變量的基本論域，它是實際系統(tǒng)的變化范圍。在本文的深海機器人的履帶速度模糊控制系統(tǒng)中，設(shè)定誤差的基本論域為（emax，emax），誤差變化率的基本論域為（ecmax，ecmax），控制量u的基本論域為（umax，umax）。誤差和誤差變化率的實際值可根據(jù)現(xiàn)在情況來決定。由上可知誤差、誤差變化率和輸出控制量的模糊集論域分別為：E={6，5，4，3，2，1，0，1，2，3，4，5，6}，EC= E={6，5，4，3，2，1，0，1，2，3，4，5，6},U= E={6，5，4，3，2，1，0，1，2，3，4，5，6}，所以得到以下的比例因子：Ke=6/|emax|，Kec=3/|ecmax|，Ku=3/|umax|。一般來說，Ke越大，系統(tǒng)的超調(diào)時間越大，過渡過程就越長，Ke越小，則系統(tǒng)變化越慢，穩(wěn)態(tài)精度降低。Kec越大，則系統(tǒng)輸出變化率越小，系統(tǒng)變化越慢；若Kec越小，則系統(tǒng)反應(yīng)加快，但超調(diào)增加。 基于Simulink的模糊控制器仿真及其結(jié)果 深海機器人履帶液壓系統(tǒng)理想數(shù)學(xué)模型深海機器人是靠液壓驅(qū)動系統(tǒng)來驅(qū)動行走的，因此在進行深海機器人的模糊控制仿真前有必要建立液壓驅(qū)動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。履帶液壓系統(tǒng)是一個比例變量泵控馬達系統(tǒng)，主要有電液比例閥、變量泵、履帶行走馬達組成。其中變量泵內(nèi)部有自帶有電液比例閥對履帶行走馬達進行調(diào)速。深海機器人履帶液壓系統(tǒng)的理想數(shù)學(xué)模型如下所示[27][28]： 公式 ()式中：——液壓馬達轉(zhuǎn)角； —— 輸入信號； ——比例變量泵位置回路的時間常數(shù)； ——系統(tǒng)增益； ——液壓系統(tǒng)固有頻率； ——液壓系統(tǒng)阻尼系數(shù)。由于專家模糊控制并不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，且為了避開實際中的諸多參數(shù)的不易確定，因此我們假設(shè)深海機器人履帶液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如下所示： 公式（） 基于Simulink的仿真模型設(shè)計，其中給定的階躍響應(yīng)為1 m/s，調(diào)節(jié)Ke，Kec，[29][30]。 基于模糊控制的深海機器人的液壓系統(tǒng)速度控制仿真系統(tǒng)t/sm/s 模糊控制輸出響應(yīng)曲線：系統(tǒng)的上升時間小于15s（達到參考值的95%），調(diào)節(jié)時間小于12s，%，基本沒有超調(diào)，完全滿足系統(tǒng)的控制要求。 ，從圖中可以清楚地看到，PID調(diào)節(jié)的超調(diào)明顯大于模糊調(diào)節(jié)。仿真的結(jié)果表明模糊控制器的性能較PID控制的效果要好。m/st/s PID控制輸出響應(yīng)曲線 控制規(guī)則在線學(xué)習(xí)的模糊控制器的實現(xiàn)模糊控制器的自身性能在很大程度上取決于模糊控制規(guī)則，像上面介紹的控制器那樣，通常情況下的模糊控制器一旦完成，語言規(guī)則和合成推理往往是確定的，是不可調(diào)的。為了提高系統(tǒng)的魯棒性的動態(tài)品質(zhì)，有必要在模糊控制系統(tǒng)中引入自學(xué)習(xí)功能。對于一個二維模糊控制器，當(dāng)輸入變量E，EC和輸出量U的論域等級劃分相同時，引入描述控制規(guī)則的解析表達式 公式 ()通過調(diào)整值便可以調(diào)整控制規(guī)則。的大小直接反映對誤差E和誤差變化率EC的加權(quán)程度，這恰好體現(xiàn)了人們進行控制活動的思維特點。同時依此產(chǎn)生的控制規(guī)則也體現(xiàn)了人腦推理過程的連續(xù)性和單值性等特點。對一個常規(guī)的二維控制器來而言，在控制過程的初始階段，系統(tǒng)的誤差較大，控制系統(tǒng)的主要目的是消除誤差，這時希望誤差的加權(quán)系數(shù)大一些；反之不控制 過程趨于穩(wěn)定時，系統(tǒng)誤差已經(jīng)較小，控制系統(tǒng)主要任務(wù)是減小超調(diào)量，使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定，這就需要增大誤差變化率的加權(quán)系數(shù)，為此采用兩個可調(diào)因子、的方法，如 公式 ()其中，，為輸入量輸出量E，EC的論域最大值?；谝陨系姆治觯{(diào)用S函數(shù)模板文件，作以下修改，創(chuàng)建控制規(guī)則在線學(xué)習(xí)的S函數(shù)。(1)修改函數(shù)名和輸入 %函數(shù)名由sfuntmp1改為s_fuzzy(2)修改初始化例程 %設(shè)置輸出端口數(shù) SizesNumOutputs=1。 %設(shè)置輸入端口數(shù) SizesNumInputs=2。(3)修改輸出例程 Function sys=mdlOutputs(t,x,u)； a1=。 a2=。 e=u(1)。 if abs(e)3 sys=a1*u(1)+(1a1)*u(2)。else sys=a2*u(1)+(1a2)*u(2)。 end ,。 控制規(guī)則在線學(xué)習(xí)的模糊控制控制仿真系統(tǒng) ，系統(tǒng)的上升時間小于9s（達到參考值的95%），調(diào)節(jié)時間小于12s，%，基本沒有超調(diào)。其仿真結(jié)果表明，控制規(guī)則在線學(xué)習(xí)的模糊控制器具有較好的控制品質(zhì)：比常規(guī)模糊控制具有更短的響應(yīng)時間，沒有超調(diào)和振蕩，而且魯棒性很好。t/sm/s控制規(guī)則在線學(xué)習(xí)模糊控制常規(guī)模糊控制 控制規(guī)則在線學(xué)習(xí)的模糊控制輸出響應(yīng)曲線 本章小結(jié) 本章采用MATLAB對深海機器人的行走控制系統(tǒng)進行了動態(tài)仿真，仿真結(jié)果表明常規(guī)模糊控制算法及控制規(guī)則在線學(xué)習(xí)的模糊控制算法都具有較好的響應(yīng)曲線，因此本方采用的模糊控制算法能較好滿足深海機器人行走控制的要求。第五章 深海機器人軌跡跟蹤系統(tǒng)軟件設(shè)計 深海機器人軌跡跟蹤系統(tǒng)軟件設(shè)計總體框圖：嵌入式操作系統(tǒng)通信模塊數(shù)據(jù)處理模塊報警模塊履帶速度調(diào)節(jié)模塊航向采集速度采集初始化處理 系統(tǒng)軟件設(shè)計框圖由于深海機器人的行走控制是一個強實時的系統(tǒng)，且微處理器要同時處理幾個任務(wù)，對于這樣的應(yīng)用程序，需要多任務(wù)實時操作系統(tǒng)來支持。實時操作系統(tǒng)（RTOS）允許靈活地分配系統(tǒng)資源（中央處理器、存儲器等）給各個任務(wù)。從系統(tǒng)軟件設(shè)計的框圖中可以看到，系統(tǒng)的應(yīng)用程序主要有以下幾部分組成：（1）初始化處理：完成系統(tǒng)的初始化。（2）數(shù)據(jù)采集模塊：通過增量式光電編碼器檢測當(dāng)前深海機器人左右履帶當(dāng)前的實際