移动机器人避障模糊控制_陈华志

移动机器人避障模糊控制

陈华志,谢存禧

(华南理工大学机械工程学院,广州510640)

摘要:本文首先介绍了研制的移动机器人的系统结构及运动学原理,然后采用一种具有速度反馈的基于模糊控制的移动机器人避障算法进行研究和仿真,最后对移动机器人在实际环境中进行避障实验,结果表明该模糊控制算法是可行的。关键词:移动机器人;避障;模糊控制

中图分类号:TP24 文献标识码:A 文章编号:1001-3881(2004)11-077-2

Fuzzy Control of Obstacle Avoidance for Mobile Robot

C HE N Hua -zhi ,XIE Cun -xi

(College of Machine Engineering South China University of Technology ,Guangzhou 510640,China )

A bstract :The s ystemic structure and kinetic principle of mobile robot were introduced .One algorithm of obstacle avoidance for mobile robot based on fuzzy control with speed feedback was researched and simulated .The experiment of obstacle avoidance for mobile robot was

made in the actual environ ment and the result validates that the fuzzy control al gorithm is feasible .

Keywords :Mobile robot ;Obstacle avoidance ;Fuzzy control

0 前言

随着社会经济的发展,超级商场、大型物流仓库的规模和数量不断扩大,保安巡逻自动化需求将日趋迫切。目前依赖于人力巡逻或CCD 定位监控已不能满足夜间保安的要求,若在移动机器人上配置温度、烟雾以及热释红外传感器,使其具有对温度、烟度等检测及危险报警功能,对被监护地人员流动状况及火源等监控功能。采用这样的移动机器人与上述手段相结合,实行定时、定点监控巡逻与不间断流动巡逻结合将是目前的一种可行的解决方案。但是这些移动机器人如何快速而准确地避开未知障碍物,提高其主动性?为此,必须提高移动机器人对环境的快速感知、识别能力,研究其避障算法并提高算法的鲁棒性和容错性。

基于模糊控制的移动机器人避障方法已有研究[1~3],证明了这种基于生理学上的“感知———行为”的新思路的实用性。本文采用一种具有速度反馈的模糊避障控制器,提高了移动机器人避障过程中的实时性和准确性,实验证明基于此模糊控制算法的移动机器人可以实现安全可靠的无碰撞运行。1 移动机器人的系统结构

移动机器人底盘采用三轮结构,前轮为万向轮,仅起支撑作用,不起导向作用,两个后轮为驱动轮,位于车体的中间,这种结构的显著优点是可实现最小转弯半径为0,即移动机器人可原地转圈。每一个主动轮采用一台直流电机独立驱动,直流电机与各自的驱动轮采用闭环速度控制。在工作载荷内,通过计算机系统控制调节电机通断时间的比例(即输入电压),调节相应驱动轮的转速,达到调速的目的。

本研究采用的移动机器人是我们自行研制的移动小车,图1为其系统结构示意图。移动机器人的系

统结构分为三层结构,上层为传感器层,主要包括多

个超声波传感器和其他功能传感器;中层为数据处理及控制决策层,由单片机、采集卡、A /D 、D /A 、I /O 接口卡等;下层为驱动层,包括直流电机组成的驱动单元,驱动轮等。

图1 移动机器人的系统结构

2 移动机器人的运动学原理

图2 移动机器人运动模型

根据移动机器人的车体结构和刚体平动原理可知,移动机器人在任意瞬时都是绕车体瞬心转动。移动机器人的移动大致分为直走或后退,左右转弯

及原地零半径转弯几种形

式,移动机器人通过控制两驱动轮的转速及转向可实现上述各种运动。

图2中,X OY 为全局坐标系,xo r y 为车体坐标系,P 为速度瞬心。移动机器人运动模型可简化为:

由图2可知,在t 时刻,移动机器人的线速度

v (t )=v l (t )+v r (t )

2

(1)

式中:v l (t )、v r (t )分别指左右两驱动轮的线速度(假设车轮与地面之间无滑动,也没有侧移)。

移动机器人在t 时刻的转弯半径

ρ=D (v l (t )+v r (t ))2(v l (t )-v r (t ))

(2)

式中:D 为两驱动轮间的距离。

在t 时刻,移动机器人绕瞬心P 的角速度ω(t )=v l (t )-v r (t )

D

(3)

分析可知,当 v l (t )= v r (t )时,ρ为无穷大,ω(t )=0,机器人作直线运动;当 v l (t ) > v r (t ) 时,机器人右转弯;当 v l (t ) < v r (t ) 时,机器人左转弯;当 v l (t )=- v r (t )时,则v (t )=0,且ω(t )>0时,机器人作转弯半径为0的原地转弯运动。

如前所述,移动机器人一般采用速度控制方式,控制两个驱动轮驱动电机的电压,即可控制移动机器人的运动方向和速度。本系统采用基于AT89C52的伺服驱动控制系统。

3 避障模糊控制器的设计

为了使移动机器人能自动避障行走,就必须装备测距系统,以使其及时获取障碍物的距离信息(距离和方向)。本移动机器人采用的三方向(前、左、右)超声波测距系统,为机器人了解其前方、左侧和右侧的环境提供了运动距离信息。在行走过程中,机器人根据其超声波数据和自身的运动状态来修正运动位姿,并进行运动参数设置或状态变换,且在避开障碍物后,能返回设定运动路线上继续移动。建立移动机器人的避障模糊控制模型如图3所示。

图3 避障模糊控制系统

在模糊控制器设计中,重要的是控制算法的设计,合理的算法有利于提高模糊控制器的计算速度。基于控制要

求,避障模糊控制器共

有4个输入和2个输出,4个输入分别是机器人与障碍物的距离E i (i =1,2,3,分别代表与前方、左方、右方的障碍物间的距离)和移动机器人的速度v ;两个输出分别为移动机器人的转向角φ和加速度a 。

设障碍物距离E i (i =1,2,3,E 1、E 2、E 3分别表示前方、左方、右方的障碍物距离)的变化范围为[0.5m ,3m ],模糊距离变量FE i 的语言值为:很近(V N )、近(N )、中(M )、远(F )、很远(VF )。根据移动机器人平台的驱动特性,速度v 的变化范围为[0.1m /s ,1m /s ],模糊速度变量FV 的语言值为:很慢(VS )、慢(S )、中(M )、快(Q )、很快(VQ )。

设转向角φ的变化范围为[-90°,90°],模糊转向角控制变量F φ的语言值为:左大(V L )、左中(M L )、左小(SL )、零(Z )、右小(SR )、右中(M R )、右大(V R )。设加速度a 的变化范围为[-1m /s 2,1m /s 2],模糊加速度控制变量Fa 的语言值为:加速(A )、速度不变(Z )、减速(D )。

输入模糊变量FV 和FE i (i =1,2,3)以及输出

模糊控制变量F φ和Fa 的各个模糊子集的隶属函数均采用三角形隶属函数,如图4所示。

图4 输入、输出模糊变量的隶属函数

前述的各模糊变量的模糊子集可归纳出625条模糊控制规则组成模糊规则库,其形式是:

if (FE 1is FE 1a and FE 2is FE 2b and FE 3is FE 3c and FV =FV j )

then (F φis F φm and Fa is Fa n )

式中:a =b =c =1,2,…,5;j =1,2,…5;m =

1,2,…7;n =1,2,3。

根据本课题需要,兼顾稳定性和响应速度,采用MI N -MAX -重心法进行模糊推理及解模糊,得到用于控制移动机器人的精确输出控制指令。

典型的if -then 规则是:

if (FV is M and FE 1is V N and FE 2is F and FE 3is N )

then (F φis VL and Fa is D )

影响移动机器人转向控制的因素主要是前、左、右方向的障碍物距离信息;影响移动机器人加速度的因素主要是前方的障碍物距离信息和当前移动速度。根据Mamdani 模糊推理方法分别求取这两个模糊关系矩阵。把加速度控制信号送到直流电机,调节电机通断时间比例,进行调速;再根据机器人转向角的控制信息,求得左右两轮驱动电机各自所需电压,利用两驱动轮的速度差控制移动机器人的行走方向。

4 实验与结论

(1)仿真研究。为验证提出的理论的有效性和可图5 移动机器人避障过

程的计算机仿真

靠性,对移动机器人避障进行了仿真。从图5中所示的仿真过程可以看出,移动机器人可以安全地避开障碍物,继续朝着目标前进。由于本模糊控制器采

用速度反馈的方法,提高

了避障过程中的实时性和鲁棒性。

(下转第176页右上方)

我们紧接着从经济方面对其进行分析比较。当时,铝包钢芯铝绞线作为国内一种新型产品,国内的新华厂、常州厂等为数不多的生产厂家为了开拓市场,提出“等长等价”的承诺,即同样线路长度下采用铝包钢芯铝绞线和钢芯铝绞线的导线投资是相同的。

另外,我们根据铝包钢芯铝绞线的直流电阻较钢芯铝绞线小的特性,通过比较导线的线损来分析它们的经济效益。下面以风岭段线路为例加以说明:

设线损为Q ,则Q =3I 2Rt ×10-3式中:Q —线路的年电阻损耗(kW ·h );

 I —线路的输送电流(A ),风岭段线路的输送电流为216A ;

 R —线路的电阻(Ψ),风岭段线路铝包钢芯铝绞线的电阻为0.1145×26.124≈2.99Ψ,钢芯铝绞线的电阻为0.1209×26.124≈3.16Ψ;

 t —线路的年利用时间,取为5000h 。铝包钢芯铝绞线的线损Q =3×2162×2.99×5000×10-3=2092521.6kW ·h

钢芯铝绞线的线损Q =3×2162×3.16×5000×10-3=2211494.4kW ·h

由此可见,采用铝包钢芯铝绞线较采用钢芯铝绞线的线路电阻耗电量节省118972.8kW ·h ,每千瓦时按0.3元计算,每年可节省35691.84元。

3 结论

风岭段线路2000年投产至今有四年多的时间,笔者对在架空线路上使用铝包钢芯铝绞线,有以下结论:

(1)铝包钢芯铝绞线在耐腐蚀性、电导率、抗拉强度、使用寿命等机电性能方面均优于钢芯铝绞线。

(2)随着铝包钢芯铝绞线的国家标准制定完成,及铝包钢芯铝绞线配套金具的完善,铝包钢芯铝绞线已具备大规模推广应用的基础。

(3)在架空线路上使用铝包钢芯铝绞线,对节约能源、降低工程投资具有重要意义,铝包钢芯铝绞线将会取代钢芯铝绞线成为架空线路上裸线的主要产品,这是未来发展的趋势。参考文献

【1】黄士豪.裸电线十年回顾与展望.电线电缆,2000

(4).

【2】林文藩.高压输电线路上推广应用铝包钢芯铝绞线的

意义.动态报导,1999(1).

作者简介:冯越涛(1972~),男,广东顺德人,助理工程师,1994年毕业于华南理工大学电力系统自动化,现任职于广东省电力设计研究院,从事110~500kV 送电线路设计,最高设计角色为500kV 送电线路主设人。

收稿时间:2004-08-27

(上接第78页)

(2)避障试验。在室内未知环境下,对移动机器人平台的避障进行试验,在实验室人为布置各种障碍物。实验表明,移动机器人对未知环境内避障可靠、灵活,可实现无碰撞的安全行驶,且速度快,控制实时性好。

图6 移动机器人避障实验

参考文献

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收稿时间:2003-09-18

(上接第210页)

【2】虞和济.振动诊断的工程应用(实例汇集).北京:冶金工业出版社,1992.6.

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Computer Chem .Engineering ,1990,14(7).作者简介:贺红林,男,36岁,副教授,1996年华中理工大学机械学院硕士研究生毕业。南昌航空工业学院任教,现为南京航空航天大学在职博士生,主要研究方向为智能化控制与诊断、CAD /C AM 一体化。电话:139********,E -mail :hehonglin1967@https://www.360docs.net/doc/a47474475.html, 。

收稿时间:2003-10-27

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