【正文】 最后將所有的規(guī)則輸出累加，得到總的模糊輸出。Ai、Bi、Ci 是第 i 條規(guī)則中與 E、EC、U 對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言值。 模糊控制器的核心是模糊控制規(guī)則。 微控制器采樣得到的誤差為基本論域中的精確值，設(shè)為 e，在確定了量化因子后，則可以對(duì)其進(jìn)行量化，找到論域 X 中的元素與之對(duì)應(yīng)。其中，基本論域中的量都是精確量。 功能設(shè)計(jì) 模糊控制器按功能分解，一般包括四部分功能模塊：模糊化接口、規(guī)則庫(kù)、模糊推理和去模糊化接口。所以，目前被廣泛采用的均為二維模糊控制器，這種控制器以誤差和誤差變化率為輸入變量，以控制量的變化為輸出變量。所不同的是模糊控制系統(tǒng)往往把一個(gè)被控制量(通常是系統(tǒng)輸出量)的偏差，偏差變化以及偏差變化的變化率作為模糊控制器的輸入。下文將詳細(xì)論述模糊控制器的設(shè)計(jì)。三者建立在模糊控制規(guī)則庫(kù)的基礎(chǔ)之上。它是由模糊算子 or 將單一的 ifthen 規(guī)則聯(lián)結(jié)在一起的模糊控制規(guī)則。模糊控制規(guī)則庫(kù)是將人類對(duì)某一過(guò)程的推理和判斷知識(shí)加以提煉后形成的。模糊控制器的另一個(gè)輸入量設(shè)定輸入。典型的模糊控制系統(tǒng)原理方框圖如圖 4. 2 所示。其處理方法有點(diǎn)類似于“四舍五入” ，通常把隸屬度為 作為分界線來(lái)判斷。例如數(shù)字 95 是精確數(shù)，而“大約 95”就是模糊數(shù)。為此引入模糊算子的概念。 模糊集合 A 的數(shù)學(xué)描述為 (42))(uf??成 年 人 1)(0?f 這樣，一個(gè)模糊的概念，只要指定論域 U 中各個(gè)元素對(duì)它的符合程度，這個(gè)模糊概念也就得到一種集合表示了。該實(shí)數(shù)稱為元素屬于一個(gè)集合的隸屬度。這種描述方法適合于具有明確分界線的清晰事物。模糊集合概念用語(yǔ)言可以簡(jiǎn)單地表述如下：在不同程度上具有某種特定性質(zhì)或特征的所有元素的總體稱為一個(gè)模糊集合。我們稱之為分明集合(相對(duì)于模糊集合)。它的主要概念包括模糊集合、模糊算子等內(nèi)容。常規(guī)控制方法中干擾或參數(shù)的變動(dòng)可能會(huì)引起整個(gè)系統(tǒng)工作不正常，模糊控制中由于采用了模糊集合概念，干擾和參數(shù)的變化對(duì)控制效果影響非常小。 (2) 模糊控制系統(tǒng)中的控制邏輯更加接近于人類思維。模糊控制不需要精確的數(shù)學(xué)模型，是解決非線性系統(tǒng)控制的一種有效途徑。人的35經(jīng)驗(yàn)信息通常是以自然語(yǔ)言的形式表達(dá)的，其特點(diǎn)是定性的描述，所以具有模糊性。對(duì)于那些難以建立數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜被控對(duì)象，采用傳統(tǒng)的控制方法，包括基于現(xiàn)代控制理論的控制方法，往往不如一個(gè)有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的操作人員所進(jìn)行的手動(dòng)控制效果好。 模糊控制概述 隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域?qū)ψ詣?dòng)控制系統(tǒng)精度、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性、自適應(yīng)能力的要求越來(lái)越主要，所研究的系統(tǒng)也日益復(fù)雜多變。 然而在實(shí)際中，或難以求取數(shù)學(xué)模型，或由于過(guò)程太過(guò)復(fù)雜，根本無(wú)法求取其數(shù)學(xué)模型。 現(xiàn)代控制理論可以解決時(shí)變系統(tǒng)的控制問(wèn)題，在時(shí)變系統(tǒng)中，輸入量和輸出量的關(guān)系隨時(shí)間的變化而變化。經(jīng)典控制方法是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的。因此，第四章 移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的模糊策略研究34必須選用一種自動(dòng)控制方法，使機(jī)器人的每次位姿調(diào)整，都達(dá)到編程預(yù)期。最后，結(jié)合控制系統(tǒng)的功能特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，就如何提高系統(tǒng)可靠性提出了幾項(xiàng)切實(shí)可行的措施。33 本設(shè)計(jì)使用 ATMEGAI6 內(nèi)置的看門狗功能，DogTimer 溢出時(shí)間設(shè)定為 。要使程序擺脫“死循環(huán)”的困境，通常采用程序監(jiān)視技術(shù)，又稱“看門狗”(Watch Dog)”技術(shù)。當(dāng)電感回路的電流被切斷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的反電勢(shì)而形成噪聲干擾。 (2)地線的處理 理解產(chǎn)生地線噪聲的機(jī)制對(duì)于減小地線干擾至關(guān)重要，所有地線都有阻抗，和所有電路一樣，電流必須流回其源點(diǎn)，電流通過(guò)地線上的有效阻抗將產(chǎn)生一個(gè)電壓降，這些電壓降就是地線干擾的原因。 因此結(jié)合引發(fā)系統(tǒng)故障的原因，一般在硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)中采取相應(yīng)措施提高系統(tǒng)的可靠性。 影響系統(tǒng)可靠性的因素 要提高控制系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，必需依靠一系列可靠性技術(shù)來(lái)保證。其中，串行通信的中斷服務(wù)程序的流程如圖 3. 17 所示：中斷初始化判斷是否為起始幀判斷運(yùn)動(dòng)步驟是否為界讀取運(yùn)動(dòng)指令保存運(yùn)動(dòng)指令自增運(yùn)動(dòng)步驟計(jì)數(shù)器中斷返回運(yùn)動(dòng)步驟計(jì)數(shù)器清零散運(yùn)動(dòng)步驟存儲(chǔ)區(qū)清零是否 是31 否圖 3. 16 異步通信程序流程圖 系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)質(zhì)量的高低主要表現(xiàn)在技術(shù)性能、可靠性、適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性四個(gè)方面，其中技術(shù)性和可靠性是最重要的方面。數(shù)據(jù)幀的第 1，2 個(gè)字節(jié)分別為移動(dòng)機(jī)器人左右輪的轉(zhuǎn)速第三章 移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)30的相對(duì)值，取值范圍 0～250，以區(qū)別于起始標(biāo)志位的 255；第 3，4 個(gè)字節(jié)為機(jī)器人保持此種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間，單位為 l0ms，取值范圍。 上位機(jī)發(fā)送的幀包括起始幀和數(shù)據(jù)幀。 兩者之間通信采用基于幀的傳輸協(xié)議，即串口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)以幀的格式發(fā)送接收。 MAX232 芯片具有兩個(gè)接收發(fā)送通道，功耗低、集成度高、+5V 電壓供電，僅需外接少量阻容元件，就能實(shí)現(xiàn)微控制器標(biāo)準(zhǔn)電平與 RS232 電平的轉(zhuǎn)換。 由于運(yùn)動(dòng)路徑下載過(guò)程中，移動(dòng)機(jī)器人與上位機(jī)位置相對(duì)較近，故本設(shè)計(jì)選用RS232 異步串行口實(shí)現(xiàn)全雙工通信。 (1ADIF))==0)；//等待 AD 轉(zhuǎn)換結(jié)束ADCSRA=(1ADIF)；//寫 1 清除標(biāo)志位return ADC； //ADC=ADCH：ADCL}//以下代碼通過(guò)調(diào)用 read adc 函數(shù)實(shí)現(xiàn)電池電壓采集，參考電壓為 2. 556Vfor (sa_t=0；sa t10；sa_t++)ad0+=(long) 2556*read_adc (0x00) /1024；}sa_t=0；ad=ad0*10；} 異步串行通信模塊 本課題研究的移動(dòng)機(jī)器人，具備離線預(yù)定義運(yùn)動(dòng)路徑的功能。微控制器經(jīng)過(guò)模擬轉(zhuǎn)換將結(jié)果擴(kuò)大 10 倍，即為電池當(dāng)前電壓。二極管 Dl 的作用是防止充電電源反接，損壞后續(xù)電路期間。恒流大小可通過(guò)調(diào)整 R 的阻值實(shí)現(xiàn)，二者滿足如下關(guān)系： (33)? 式中，R 的阻值單位是歐姆，工的電流單位是安培。 本設(shè)計(jì)中采用dV/dt 方法作為停止充電的判決條件。此時(shí)本方案就非常合適了。這個(gè)方法是埋電池的基本充電和停止方案。 (2) V 方法：當(dāng)電壓超出上限時(shí)停止充電。常用的停止充電方法包括以下幾種： (1) t 方法：時(shí)間是決定何時(shí)停止充電的最簡(jiǎn)單的方法。 埋電池充電條件要求嚴(yán)格，充電控制要求精度高，對(duì)過(guò)充電的承受能力差。 埋電池采用恒流充電的方法充電，最大充電電流與單節(jié)電池的容量 C 有關(guān)。二極管的額定電流值應(yīng)大于最大負(fù)載電流的 1. 2 倍，但考慮到負(fù)載短路的情況，二極管的額定電流值應(yīng)大于 LM2575 的最大電流限制；另外二極管的反向電壓應(yīng)大于最大輸入電壓的 倍。 (2)輸入輸出電容的選擇。本設(shè)計(jì)中，具體的通過(guò) LM2575 實(shí)現(xiàn)供電的電路原理圖如圖 所示。因此，這種供電方案不適合用于對(duì)能源利用效率要求相對(duì)苛刻的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)。 移動(dòng)機(jī)器人電源設(shè)計(jì) 如前文所述，采用 4 節(jié) 埋電池串連使用可以提供 直流電壓。其中機(jī)器人控制電路部分使用+5V 直流供電，驅(qū)動(dòng)電機(jī)部分則需要 +12 直流供電。defiue K1 6 //PB6defiue K2 7 //PB7defiue K3 6 //PD6defiue K4 7 //PD7if (PINBamp。當(dāng)發(fā)射機(jī)沒(méi)有按鍵按下時(shí)，PT2262 不接通電源，其 17 腳為低電平，所以 315MHz 的高頻發(fā)射電路不工作，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，PT2262 得電工作，其第 17 腳輸出經(jīng)調(diào)制的串行數(shù)據(jù)信號(hào)。PT2262 最多可有 6 位(D0D5)數(shù)據(jù)端管腳，設(shè)定的地址碼和數(shù)據(jù)碼從 17 腳串行輸出，主要用于無(wú)線遙控發(fā)射電路。RF 收發(fā)模塊的引腳分別為 DATA OUT/IN， VCC 和 GND 三線接口。接收部分經(jīng)天線收到調(diào)制信號(hào)，該調(diào)制信號(hào)由接收電路處理為特定串行碼，此串行碼包含了操作者的按鍵信息。 遙操作模塊 本課題研究的移動(dòng)機(jī)器人具備多種工作模式，既可以按照預(yù)先編程的路徑運(yùn)動(dòng)，也可以根據(jù)遙控指令，實(shí)時(shí)調(diào)整自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，完成前進(jìn)、后退、停止、轉(zhuǎn)向等基本動(dòng)作。因此，通過(guò)讀取 Wl 的電壓高低，就可以判別光電編碼器的轉(zhuǎn)向，亦即車輪的轉(zhuǎn)向。根據(jù) D 觸發(fā)器的功能定義，在輸入時(shí)鐘信號(hào) Out_A 的每個(gè)脈沖上跳沿，觸發(fā)器的輸出W2 被控制端 D 的輸入信號(hào) Out_B 置位。因此，識(shí)別光電編碼器主軸的轉(zhuǎn)向是實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的必須要求。 因此，根據(jù)光電編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)單位角位移所需的時(shí)間，就可求得轉(zhuǎn)動(dòng)軸的角速率，結(jié)合光電編碼器同軸驅(qū)動(dòng)輪的半徑，就可算得移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪的實(shí)時(shí)線速度。 (3) M/T 法測(cè)速：M/T 法是同時(shí)測(cè)量檢測(cè)時(shí)間和在此檢測(cè)時(shí)間內(nèi)脈沖發(fā)生器發(fā)送的脈沖數(shù)來(lái)確定被測(cè)轉(zhuǎn)速，兼有 M 法和 T 法的優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)選用 ZKX650BM7 型增量式光電編碼器是一款高精度角位移傳感器，主軸每旋轉(zhuǎn)一周分兩路輸出 500 個(gè)電壓脈沖信號(hào) Out_A 和 Out_B。 增量式光電編碼器光電編碼器俗稱碼盤，是一種通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，主要用于機(jī)械轉(zhuǎn)角位置和旋轉(zhuǎn)速度的檢測(cè)和控制。高頻可以減小外部元器件(電感，電容)的物理尺寸，從而降低系統(tǒng)成本。計(jì)數(shù)器從 BOTTOM 計(jì)到 TOP，然后立即回到 BOTTOM重新開始。PWM 信號(hào)的分別率采用 8 位，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速 0～255 級(jí)的線性平穩(wěn)調(diào)速。 故在本設(shè)計(jì)中，在微控制器的通用 IO 口和 L293D 控制端之間添加了兩個(gè)反相器，從而實(shí)現(xiàn)了單電機(jī)單線控制轉(zhuǎn)向的功能，簡(jiǎn)化了微控制器的程序設(shè)計(jì)和硬件端口資源分配。L293D 內(nèi)部電路原理如圖 3. 7 所示。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路直流電機(jī)工作所需的電流、電壓較大，且轉(zhuǎn)動(dòng)方向的改變需要通過(guò)調(diào)整所加電壓的極性實(shí)現(xiàn)，因此必須通過(guò)專門的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行控制。一種是開關(guān)周期恒定，通過(guò)改變導(dǎo)通脈沖寬度來(lái)改變。 可控開關(guān) S 以一定時(shí)間間隔重復(fù)地接通和斷開，當(dāng) S 接通時(shí)，供電電源 Vs 通過(guò)開關(guān) S 施加到電動(dòng)機(jī)兩端，電源向電機(jī)提供能量，電動(dòng)機(jī)儲(chǔ)能；當(dāng)開關(guān) S 斷開時(shí)，中斷了供電電源 Vs 向電動(dòng)機(jī)提供電能，但在開關(guān) S 接通期間電樞電感所儲(chǔ)存的能量此時(shí)通過(guò)續(xù)流二極管 VD 使電動(dòng)機(jī)電流繼續(xù)流通。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是：控制原理簡(jiǎn)單，輸出波動(dòng)小，線性好，對(duì)鄰近電路干擾??；但是功率器件在線性區(qū)工作時(shí)由于產(chǎn)生熱量會(huì)消耗大部分電功率，效率和散熱問(wèn)題嚴(yán)重，因此這種方式只適合用于微小功率直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。其中勵(lì)磁控制方法在低速時(shí)受磁極飽和的限制，在高速時(shí)受換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，并且勵(lì)磁線圈電感較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，所以這種控制方法用得很少。本設(shè)計(jì)選用直流力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪。第三章 移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)14圖 3. 5 ISP 下載接口電路原理圖JTAG 仿真接口也是使用雙排 25 插座，需要四只 l0K 的上拉電阻，原理圖見(jiàn)圖 3. 6 。在 AREF 腳接一只 0. luF 的電容(C3)到地，起到參考電壓濾波的作用。官方文檔推薦在 VCC 串上一只 l0uH 的電感(L1)，然后接一只 0. luF 的電容 (C4)到地。Mega 微控制器系列實(shí)際使用中，這兩只小電容不接也能正常工作。(2)晶振電路的設(shè)計(jì)ATMEGAI6 已經(jīng)內(nèi)置 RC 振蕩線路，可以產(chǎn)生 1M，2M ，4M，8M 的振蕩頻率。但考慮移動(dòng)機(jī)器人的可靠性要求，在設(shè)計(jì)時(shí)添加了一只 0. luF 的電容以消除干擾和雜波。ATMEGA16 微控制器主要有以下特點(diǎn)：(1)先進(jìn)的 RISC 結(jié)構(gòu)，工作于 16MHz 時(shí)性能高達(dá) 16MIPS；(2)四通道 PWM； (3)8 路 10 位 ADC；片內(nèi)模擬比較器；(4)面向字節(jié)的兩線接口；兩個(gè)串行 USART；可工作于主機(jī)/ 從機(jī)模式的 SPI 串行接口；(5)具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器。所有的寄存器都直接與算術(shù)邏輯單元(ALU)相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問(wèn)兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。基于上述需求分析，經(jīng)過(guò)全面調(diào)研、反復(fù)比較，最終選用 ATMEL 公司的ATMEGAI6 型微控制器作為本系統(tǒng)的控制核心。(2) 從功能需求上，考慮到移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作大多采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此選用的微控制器應(yīng)具有高精度(分辨率 8 位以上)PWM 功能，以方便實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速控制。因此，合理選用控制系統(tǒng)的核心控制器，對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。微控制器一般以某一種 CPU 內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成ROM、EPROM 、EEPROM、 FLASH、RAM、A/D 、D/A、定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器、看門狗、I/O、串行接口、脈寬調(diào)制器等功能單元。本章將從各模塊的設(shè)計(jì)原理和功能出發(fā)，闡述各模塊的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。 測(cè)速模塊由增量式光電編碼器組成，用于左右輪轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向的實(shí)時(shí)測(cè)量，以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制； 具體設(shè)計(jì)過(guò)程中，上述各個(gè)模塊力求相對(duì)獨(dú)立，以便系統(tǒng)日常的維護(hù)和今后的升級(jí)。移動(dòng)機(jī)器人的各種功能都在控制系統(tǒng)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下實(shí)現(xiàn)；控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)策略也決定了整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的功能特點(diǎn)和可擴(kuò)展性。最后，建立了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)