模糊控制的舵機轉向控制方法

優(yōu)化設計控制方法

目前，汽車(chē)正向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，實(shí)現自動(dòng)尋線(xiàn)行駛、自實(shí)現路徑變化功能，并在可靠性基礎上快速行駛，在工程及物流等實(shí)際生產(chǎn)中得到越來(lái)越多的應用。競速車(chē)模的設計開(kāi)發(fā)，為車(chē)輛尋線(xiàn)行駛功能的實(shí)現提供了可借鑒的方案和方法。本文對競速車(chē)模舵機轉向系統進(jìn)行優(yōu)化設計，提出了一種模糊控制的舵機轉向控制方法。

各種控制方法分析

目前，人們所采用的自動(dòng)控制方法大致分為三種：經(jīng)典控制、現代控制和智能控制。

經(jīng)典控制是人們常用的控制方法，是以傳遞函數為基礎實(shí)現的。一般的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程較多屬于線(xiàn)性定常系統，故可以用經(jīng)典控制方法來(lái)控制，經(jīng)典控制方法最典型的就是pid控制方法[1-3]。其調節品質(zhì)取決于pid控制器各個(gè)參數的整定。但是這種控制方法只能解決線(xiàn)性定常系統的控制問(wèn)題。

現代控制理論可以解決時(shí)變系統的控制問(wèn)題，在時(shí)變系統中，輸入量和輸出量的關(guān)系隨時(shí)間的變化而變化。故而現代控制理論在航空航天和軍事上有很大的作用?，F代控制方法以狀態(tài)方程為基礎實(shí)現。

智能控制[4-5]是自動(dòng)控制發(fā)展的高級階段，是人工智能控制論、系統論和信息論的多種學(xué)科的高度綜合與集成，是一門(mén)新的交叉前沿學(xué)科。智能控制無(wú)需人的干預就能夠獨立驅動(dòng)智能機器實(shí)現其目標的控制方法。目前，智能控制技術(shù)，如神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，模糊控制技術(shù)，遺傳算法優(yōu)化技術(shù)，專(zhuān)家控制系統，基于規則的仿人智能控制技術(shù)等已進(jìn)入工程化和實(shí)用化。

控制方案的選取

經(jīng)典控制和現代控制，要求建立一套精確的數學(xué)模型，然而在實(shí)際應用中，有些復雜過(guò)程難以求取數學(xué)模型或根本無(wú)法求取其數學(xué)模型。智能控制是利用人的經(jīng)驗來(lái)控制復雜過(guò)程的一種方法，并不斷完善和發(fā)展。模糊控制[6-8]是智能控制方法中的一種，智能競速車(chē)采用模糊控制，有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)無(wú)需預先知道被控對象的精確數學(xué)模型。

(2)控制規則以人的經(jīng)驗總結表示，容易掌握。

(3)對被控對象的參數變化有較強的魯棒性。

(4)控制知識是以人的語(yǔ)言形式表示，有利于人機對話(huà)和系統的知識處理，從而有利于系統處理的靈活性和機動(dòng)性。

智能車(chē)設計方案

智能車(chē)前輪轉向設計要求

智能車(chē)模以穩、快、準為目標，即要求模型車(chē)速度及行駛路線(xiàn)穩定，算法反應和速度、角度調節快，以及速度控制和檢測系統測量準確，所以設計過(guò)程中，檢測部分必須選擇性能可靠、反應速度快的傳感器，并使用智能算法控制車(chē)輛行駛[9-11]。

紅外傳感器的布置

針對白色底色寬60cm，標識黑線(xiàn)寬2.5cm的道路條件，本設計采用7對紅外傳感器進(jìn)行道路識別，每個(gè)紅外傳感器間隔2.5cm，成水平直線(xiàn)排列，以保證只有一個(gè)光電管信號在黑線(xiàn)內為穩定目標。這樣，就可以依據識別信號，將偏轉角度劃分為7個(gè)級別。

舵機控制模塊

采用hs-925型舵機來(lái)控制智能車(chē)前輪的轉向，其特點(diǎn)為扭力大，穩定性好，控制簡(jiǎn)單，便于和數字系統接口，控制角度精確。

舵機工作原理

(1)舵機結構包括減速齒輪組，位置反饋電位計，直流電機和控制電路等。

舵機工作原理如圖1所示，減速齒輪組由電機驅動(dòng)，其輸出軸帶動(dòng)一個(gè)線(xiàn)性的比例電位器作位置檢測，該電位器把轉角線(xiàn)性地轉換為電壓并反饋給控制線(xiàn)路板，控制線(xiàn)路板將其與輸入的控制脈沖信號比較，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅動(dòng)電機正向或反向轉動(dòng)，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，從而達到使伺服馬達精確定位的目的[12-13]。

圖1 舵機工作原理

(2) 舵機的控制

本系統采用的控制信號為周期13ms的脈沖信號，改變脈沖寬度就可以改變舵機的方向，另外脈沖寬度和轉角成線(xiàn)性關(guān)系[14-16]，其計算公式為：

a=(l-1.5)×90° (1)

其中a是舵機的轉角，單位是度;l是脈沖寬度，單位是毫秒。其轉角和脈沖寬度的對應關(guān)系如圖2所示。

圖2 舵機的控制

在硬件實(shí)現上，利用了一路16位的pwm來(lái)驅動(dòng)舵機轉向。

模糊控制方案的設計

模糊控制器有三個(gè)功能模塊：模糊化，模糊推理，清晰化，如圖3所示。

圖3 模糊控制器

模糊子集和隸屬函數的建立紅外接收管編碼如圖4所示。

圖4 紅外接受管編碼

本系統模糊控制器采用常規模糊控制器，其輸入量為當前位置偏差e，輸出量為舵機控制信號u。

位置偏差e是光電傳感器反饋回的實(shí)際位置與智能車(chē)中軸線(xiàn)的偏差。e為零時(shí)，智能車(chē)未偏離路徑;e為正數時(shí)，智能車(chē)向左偏離路徑;e為負數時(shí)，智能車(chē)向右偏離路徑。其偏離范圍e(論域，單位為cm)為[-9，9]，將論域離散化為整數集e={-9，-6，-3，0，3，6，9}，則量化因子k=n/x=1.0。

將位置偏差e的值模糊化。設模糊子集e={nb,nm,ns,ze,ps,pm,pb}，其中，nb：[-9，-6]，表示左偏特大;nm：[-9，-3]，表示左偏較大;ns：[-6，0]，表示左偏較小;ze：[-3，3]，表示正中;ps：[0，6]，表示右偏較小;pm：[3，9]，表示右偏較大;pb：[6，9]，表示右偏特大。

e的隸屬函數為三角形函數分布，如圖5所示。