基于模糊PID的全方位移動(dòng)機器人運動(dòng)控制

摘要 通過(guò)對足球機器人運動(dòng)學(xué)模型的分析，考慮到系統的時(shí)變、非線(xiàn)性和干擾大等特點(diǎn)，以全向移動(dòng)機器人為研究平臺，提出一種將模糊控制與傳統的PID控制相結合的方法，應用到足球機器人的運動(dòng)控制系統中。針對足球機器人運動(dòng)控制中的重點(diǎn)問(wèn)題，著(zhù)重提出了基于模糊控制的動(dòng)態(tài)調整PID控制器的3個(gè)參數kp、ki、kd的設計方法。實(shí)驗表明，該控制器能較好地改善控制系統對輪速的控制效果。
關(guān)鍵詞 移動(dòng)機器人；運動(dòng)控制；四輪全向機器人；模糊PID

移動(dòng)機器人是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策、行為控制與執行等多種功能于一體的綜合系統，其運動(dòng)控制是移動(dòng)機器人領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向，也是移動(dòng)機器人軌跡控制、定位和導航的基礎。傳統的運動(dòng)控制常采用PID控制算法，其特點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單、魯棒性強、可靠性高，但需要精確的數學(xué)模型才對線(xiàn)性系統具有較好的控制效果，對非線(xiàn)性系統的控制效果并不理想。模糊控制不要求控制對象的精確數學(xué)模型，因而靈活、適應性強?？墒?，任何一種純模糊控制器本質(zhì)上是一種非線(xiàn)性PD控制，不具備積分作用，所以很難在模糊控制系統中消除穩態(tài)誤差。針對這個(gè)問(wèn)題，結合運動(dòng)控制系統的實(shí)際運行條件，設計采用模糊PID控制方法來(lái)實(shí)現快速移動(dòng)機器人車(chē)輪轉速大范圍誤差調節，將模糊控制和PID控制結合起來(lái)構成參數模糊自整定PID算法用于伺服電機的控制，使控制器既具有模糊控制靈活而適應性強的優(yōu)點(diǎn)，又具有PID控制精度高的特點(diǎn)，使運動(dòng)控制系統兼顧實(shí)時(shí)性高、魯棒性強及穩定性等設計要點(diǎn)，并可通過(guò)模糊控制規則庫的擴充，為該運動(dòng)控制系統方便添加其他功能。

1 全方位移動(dòng)機器人運動(dòng)學(xué)分析
研究的是一種全自主移動(dòng)機器人平臺，該機器人采用了四輪全向移動(dòng)的運動(dòng)方式，具有全向運動(dòng)能力的系統使機器人可以向任意方向做直線(xiàn)運動(dòng)，而之前不需要做旋轉運動(dòng)，并且這種輪系可滿(mǎn)足一邊做直線(xiàn)運動(dòng)一邊旋轉的要求，達到終狀態(tài)所需的任意姿態(tài)角。全向輪系的應用將使足球機器人具有運動(dòng)快速靈活，控球穩定，進(jìn)攻性強，以及易于控制等優(yōu)點(diǎn)，使機器人在賽場(chǎng)上更具競爭力。
1．1 全向輪
機器人采用的全向輪在大輪的周?chē)鶆蚍植贾?zhù)小輪，大輪由電機驅動(dòng)，小輪可自由轉動(dòng)。這種全方位輪可有效避免普通輪不能側滑所帶來(lái)的非完整性約束，使機器人具有平面運動(dòng)的全部3個(gè)自由度，機動(dòng)性增強。基于以上分析，選擇使用這種全向輪。
1．2 運動(dòng)學(xué)分析
在建立機器人的運動(dòng)模型前，先做以下假設：
(1)小車(chē)在一個(gè)理想的平面上運動(dòng)，地面的不規則可以忽略。
(2)小車(chē)是一個(gè)剛體，形變可以忽略。
(3)輪子和地面之間滿(mǎn)足純滾動(dòng)的條件，沒(méi)有相對滑動(dòng)。
全方位移動(dòng)機器人由4個(gè)全向輪作為驅動(dòng)輪，它們之間間隔90°均勻分布，如圖1所示，其簡(jiǎn)化運動(dòng)學(xué)模型如圖6所示。其中，xw-yw為絕對坐標系，xm-ym為固連在機器人車(chē)體上的相對坐標系，其坐標原點(diǎn)與機器人中心重合。θ為xw與xm的夾角，δ為輪子與ym的夾角，L為機器人中心到輪子中心的距離，vi為第i個(gè)輪子沿驅動(dòng)方向的速度。

這樣，就可以將機器人整體期望速度，解算為到4個(gè)輪子分別的速度，把數據傳送到控制器中，就可完成對機器人的控制。