【正文】 最大充電電流與單節(jié)電池的容量 C 有關(guān)。例如，電池的容量 750mAH，充電電流為750mA，則充電電流為 1C (l 倍的電池容量)；若充電電流為 C/10，則充電電流即為電池容量除以 10。 埋電池充電條件要求嚴(yán)格，充電控制要求精度高，對過充電的承受能力差。 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。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)停止充電的最簡單的方法。有時(shí)也作為普通充電(1416 小時(shí))方法的基本方案。 (2) V 方法：當(dāng)電壓超出上限時(shí)停止充電。最大電流由電池決定，通常為 1C。這個(gè)方法是埋電池的基本充電和停止方案。 (3) dV/dt 方法：電壓變化率這個(gè)判斷停止充電的方法利用了負(fù)的電壓變化率。此時(shí)本方案就非常合適了。 (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。 本設(shè)計(jì)中采用dV/dt 方法作為停止充電的判決條件。具體充電電路及電壓檢測電路如圖 所示。恒流大小可通過調(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。 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(jì)算出的功率選擇合適的散熱器，為 LM317 散熱。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。 電池電壓經(jīng)過 RR2 分壓后，送至微控制器模擬輸入端。微控制器經(jīng)過模擬轉(zhuǎn)換將結(jié)果擴(kuò)大 10 倍，即為電池當(dāng)前電壓。 以下是采集電池電壓的部分源代碼，其中采樣時(shí)對電壓值進(jìn)行了均值濾波的方法，以減低參考電壓源波動帶來的誤差。 (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 本課題研究的移動機(jī)器人，具備離線預(yù)定義運(yùn)動路徑的功能。之后，將機(jī)器人切換到預(yù)定義運(yùn)動模式，機(jī)器人即可按照事先編程的路徑運(yùn)動。 由于運(yùn)動路徑下載過程中，移動機(jī)器人與上位機(jī)位置相對較近，故本設(shè)計(jì)選用RS232 異步串行口實(shí)現(xiàn)全雙工通信。 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(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。 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。29圖 3. 15 串行通信電路原理圖 其中，上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)通過串口 2 針 XRXD 進(jìn)入 MAX232 芯片 8 腳，轉(zhuǎn)換后由9 腳輸出至 ATMEGAI6 的 PDO，即下位機(jī) RXD。 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。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(yàn)，8 位數(shù)據(jù)位，1 位停止位。 上位機(jī)發(fā)送的幀包括起始幀和數(shù)據(jù)幀。具體結(jié)構(gòu)如表 3. 2 所示。數(shù)據(jù)幀的第 1，2 個(gè)字節(jié)分別為移動機(jī)器人左右輪的轉(zhuǎn)速第三章 移動機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)30的相對值，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)動狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間，單位為 l0ms，取值范圍。 微控制器將每個(gè)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(yùn)動的指令時(shí)，移動機(jī)器人只需依次讀取每個(gè)幀的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換為后一個(gè)的運(yùn)動狀態(tài)就可以實(shí)現(xiàn)全部的運(yùn)動要求。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)動步驟是否為界讀取運(yùn)動指令保存運(yùn)動指令自增運(yùn)動步驟計(jì)數(shù)器中斷返回運(yùn)動步驟計(jì)數(shù)器清零散運(yùn)動步驟存儲區(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。而由于可靠性設(shè)計(jì)的不周密，在偶然因素或意外事件的作用下，系統(tǒng)便不能正常工作，從而可能造成災(zāi)難性的后果。 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)來保證。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(jī)械的沖擊和振動等等。 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。當(dāng)距離較近時(shí)，電磁波會通過分布電容和電感藕合到信號回路而形成電磁干擾；當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)，電磁波則以輻射形式構(gòu)成干擾。 (2)地線的處理 理解產(chǎn)生地線噪聲的機(jī)制對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。接地設(shè)計(jì)的基本目的是消除各電路電流流經(jīng)公共地線時(shí)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。當(dāng)電感回路的電流被切斷時(shí)，會產(chǎn)生很大的反電勢而形成噪聲干擾。對此在線圈兩端并聯(lián)了二極管來抑制反向自感電勢的干擾。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)。如果每次在 DogTimer 溢出前強(qiáng)行使DogTimer 清零，就不會發(fā)出溢出脈沖。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 。 本章小節(jié) 本章首先概述了移動機(jī)器人控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。最后，結(jié)合控制系統(tǒng)的功能特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)平臺，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。由于直流電機(jī)本身參數(shù)的差異、移動機(jī)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(jī)電壓信號相同的情況下，移動機(jī)器人也很難沿特定方向、以特定速度行進(jìn)，即左右兩輪的實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)定值存在誤差。因此，第四章 移動機(jī)器人運(yùn)動控制的模糊策略研究34必須選用一種自動控制方法，使機(jī)器人的每次位姿調(diào)整，都達(dá)到編程預(yù)期。 經(jīng)典控制理論是過去人們常用的控制理論，這種控制理論只能解決線性定常系統(tǒng)的控制問題。經(jīng)典控制方法是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的。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。 現(xiàn)代控制理論可以解決時(shí)變系統(tǒng)的控制問題，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?，F(xiàn)代控制方法是以狀態(tài)方程為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)。 然而在實(shí)際中，或難以求取數(shù)學(xué)模型，或由于過程太過復(fù)雜，根本無法求取其數(shù)學(xué)模型。 根據(jù)對上述控制方法的分析，結(jié)合本運(yùn)動控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行條件，設(shè)計(jì)采用模糊控制方法來實(shí)現(xiàn)快速移動機(jī)器人左右車輪轉(zhuǎn)速大范圍誤差調(diào)節(jié)。 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詣涌刂葡到y(tǒng)精度、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性、自適應(yīng)能力的要求越來越主要，所研究的系統(tǒng)也日益復(fù)雜多變。 對于這類對象或過程就難以進(jìn)行自動控制。對于那些難以建立數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜被控對象，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)行的手動控制效果好。 操作人員通過不斷學(xué)習(xí)、積累操作經(jīng)驗(yàn)，從而對被控對象進(jìn)行控制。人的35經(jīng)驗(yàn)信息通常是以自然語言的形式表達(dá)的，其特點(diǎn)是定性的描述，所以具有模糊性。 它用語言變量代替數(shù)學(xué)變量或兩者結(jié)合應(yīng)用；用模糊條件語句來刻畫變量間的函數(shù)關(guān)系；用模糊算法來刻畫復(fù)雜關(guān)系，是具有模擬人類學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力的控制系統(tǒng)。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。當(dāng)系統(tǒng)為多輸入多輸出、強(qiáng)非線性，時(shí)變及滯后系統(tǒng)時(shí)，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)。 (2) 模糊控制系統(tǒng)中的控制邏輯更加接近于人類思維。模糊控制系統(tǒng)直接采用人類語言型控制規(guī)則，使得控制機(jī)理和控制策略易于理解和接受，設(shè)計(jì)簡單，便于維護(hù)和推廣。常規(guī)控制方法中干擾或參數(shù)的變動可能會引起整個(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)的變化對控制效果影響非常小。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。它的主要概念包括模糊集合、模糊算子等內(nèi)容。在古典數(shù)學(xué)集合理論中(相對于模糊集合論)只有兩個(gè)真值“真”和“假” 。我們稱之為分明集合(相對于模糊集合)。 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(gè)體元素是否屬于該集合，而只能指出該個(gè)體元素屬于一個(gè)集合的程度。模糊集合概念用語言可以簡單地表述如下：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。而另外一位不足 18 歲的人，哪怕差一天也不屬于這個(gè)集合。這種描述方法適合于具有明確分界線的清晰事物。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。該實(shí)數(shù)稱為元素屬于一個(gè)集合的隸屬度。 圖 4. 1 集合“成年人”的定義 在上述例子中，一個(gè)人變成“成年人”的過程可用連續(xù)的曲線表示。 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)元素對它的符合程度，這個(gè)模糊概念也就得到一種集合表示了。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。為此引入模糊算子的概念。下面僅對模糊控制中不可缺少的模糊化算子和判定化算子做一簡述。例如數(shù)字 95 是精確數(shù)，而“大約 95”就是模糊數(shù)。 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。其處理方法有點(diǎn)類似于“四舍五入” ，通常把隸屬度為 作為分界線來判斷。由此使人們有可能把專家的控制經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)換成控制算法并實(shí)現(xiàn)模糊控制。典型的模糊控制系統(tǒng)原理方框圖如圖 4. 2 所示。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。模糊控制器的另一個(gè)輸入量設(shè)定輸入。第四章 移動機(jī)器人運(yùn)動控制的模糊策略研究38圖 4. 2 模糊控制系統(tǒng)原理示意圖在常規(guī)控制方法中，人們用傳遞函數(shù)或者邏輯方程和數(shù)學(xué)方程精確地描述控制器的輸入輸出特性。模糊控制規(guī)則庫是將人類對某一過程的推理和判斷知識加以提煉后形成的。 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。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。 模糊控制器的輸入和輸出都是非模糊量，而其內(nèi)部卻建立在語言型的模糊控制規(guī)則庫上，由條件的滿足程度推出模糊控制的大小。三者建立在模糊控制規(guī)則庫的基礎(chǔ)之上。 模糊控制作為模糊集合理論應(yīng)用中的一個(gè)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(jì)算機(jī)數(shù)字控制。下文將詳細(xì)論述模糊控制器的設(shè)計(jì)。 在確定性自動控制系統(tǒng)中，通常將具有一個(gè)輸入變量和一個(gè)輸出變量(即一個(gè)控制量和一個(gè)被控制量)的系統(tǒng)稱為單變量系統(tǒng)，而將多于一個(gè)輸入、輸出變量的系統(tǒng)稱為多變量控制系統(tǒng)。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。 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。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。但是維數(shù)過高，模糊控制規(guī)則變得過于復(fù)雜，控制算法的實(shí)現(xiàn)相當(dāng)困難。 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、模糊推理和去模糊化接口。 將模糊控制器的輸入、輸出變量的實(shí)際變化范圍稱為這些變量的基本論域。其中，基本論域中的量都是精確量。為了對輸入量進(jìn)行模糊化處理，必須將輸入變量從基本論域轉(zhuǎn)換到對應(yīng)的語言變量模糊集的論域，需要通過量化因子進(jìn)行論域轉(zhuǎn)換。 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，則可以對其進(jìn)行量化，找到論域 X 中的元素與之對應(yīng)。nXi?? ii 同理，可以對誤差變化率 ec，采用上述方法對其進(jìn)行量化，找到論域 Y 中的元素與之對應(yīng)。 模糊控制器的核心是模糊控制規(guī)則。模糊控制規(guī)則可用多條模糊條件語句來表示，以二維控制器為例，按照 IF ……IS……AND……IS……，THEN……IS……的形式描述。Ai、Bi、Ci 是第 i 條規(guī)則中與 E、EC、U 對應(yīng)的語言值。 模糊推理由條件聚合、判斷和累加三部分組成。最后將所有的規(guī)則輸出累加，得到總的模