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    嚴(yán)法高（1982-）

    男，江蘇鹽城人，碩士，從事可編程控制器、自動化儀表等課程教學(xué)。

    基金項目：揚州大學(xué)信息科學(xué)學(xué)科群項目（ISG030604）



    摘  要：本文提出了一種模糊控制算法。利用傳感器采集外部環(huán)境信息，在辨識獲得精確模型的基礎(chǔ)上，基于模糊推理，使機器人能夠順利完成火源追蹤等任務(wù)。

    關(guān)鍵詞：機器人；行為控制；模糊控制

     Abstract: In this paper，a fuzzy control algorithm was applied. With the sensors’ messages, based on precise identification result and fuzzy inference, the robot can track fire successfully.

     Key words: robot; behavior control; fuzzy control

    機器人控制的研究是當(dāng)今世界的一個前沿課題。機器人技術(shù)應(yīng)用了信息技術(shù)中的感測技術(shù)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)等，是信息技術(shù)課程和相關(guān)科技活動的良好載體。一些發(fā)達國家已經(jīng)看好智能機器人教育對未來高科技社會的作用和影響。近年來，我國為了推動機器人及智能控制技術(shù)的發(fā)展，推出了不同類型的機器人比賽，其中尤以機器人足球比賽、機器人滅火比賽最為引人注目。

    在滅火比賽環(huán)境中，追蹤到火源是比賽中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，由于各車輪行走的不均勻性，車輪與地面之間的打滑，以及其它噪聲干擾，在不進行控制的情況下，移動機器人很難迅速準(zhǔn)確追蹤到火源。很多研究者提出不同方法實現(xiàn)移動機器人的追蹤行為。本論文以上海英集斯公司生產(chǎn)的Robot-v200系列機器人為研究對象，針對比賽環(huán)境，提出了基于模糊推理的控制方法，它模擬駕駛員思想，設(shè)計追蹤行為，提高了滅火機器人的自主運行能力。機器人尋找火源過程中的沿墻行走行為也可采用此原理實現(xiàn)。

    1 競賽要求及機器人結(jié)構(gòu)

    機器人在一間平面結(jié)構(gòu)房子模型里運動，找到一根蠟燭并盡快把它熄滅，這個工作受多個因素影響，它模擬了現(xiàn)實家庭中機器人模擬火警的過程，蠟燭代表家庭里燃起的火源，機器人必須找到并熄滅它。 比賽場地采用國際標(biāo)準(zhǔn)比賽場地，其具體情況如圖1所示。

                               圖1   滅火比賽場地結(jié)構(gòu)圖

    如圖2所示的為移動機器人的結(jié)構(gòu)模型，它是一個有著四個輪子的輪式機器人，它由兩對獨立驅(qū)動的輪子組合而成的。通過改變左右兩對輪子轉(zhuǎn)速的方式，我們可以方便地實現(xiàn)移動機器人前進、后退、左拐、右拐、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等功能。

                                    

                                      圖2   機器人結(jié)構(gòu)圖

    2 機器人驅(qū)動電機的參數(shù)辨識

     Robot-v200系列機器人采用直流電動機驅(qū)動，由直流電動機基本知識我們知道，電機轉(zhuǎn)速相對于輸入電壓的傳遞函數(shù)為

                                          （1）

      該模型離散化后，再加以處理可變?yōu)槿缦碌男问剑?BR>
                                                （2）

       式中：是過程的輸出量；

        是可觀測的數(shù)據(jù)向量；

        為需辨識的過程參數(shù)；

        是均值為零的隨機噪聲。

     準(zhǔn)則函數(shù)取
                                        （3）

     通過極小化該準(zhǔn)則函數(shù)，再經(jīng)一系列變換可得到最小二乘參數(shù)辨識的遞推公式

                                  （4）

     采集多組電機轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，利用上述遞推公式，即可辨識獲得對象參數(shù)。

    3 滅火機器人控制系統(tǒng)

    移動機器人采用遠紅外傳感器來獲取火焰光強信息，信息經(jīng)過處理后，用來控制兩個輪子的速度的變化來決定機器人的相應(yīng)運動，這是移動機器人實現(xiàn)追蹤火源的普遍方法。本文要使移動機器人實現(xiàn)追蹤火源，于是將傳感器布置為右前側(cè)、前側(cè)、左前側(cè)。各種火源強度的信息均來自布置在車體上的3組遠紅外傳感器的測量數(shù)據(jù)，即輸入變量分別為傳感器測量數(shù)據(jù)Gl，G，Gr，輸出變量為兩個輪子的速度Vl和Vr作為系統(tǒng)的輸出，即采用了三輸入兩輸出的模糊控制系統(tǒng)。

    4 模糊推理

    設(shè)Gl(k)，G(k)和Gr(k)為系統(tǒng)k時刻的三個遠紅外傳感器的測量值，即為輸入變量，將Gl(k)，G(k)和Gr(k)劃分為5個模糊集，設(shè)Vl和Vr為控制器的計算結(jié)果，即為輸出變量，將Vl和Vr劃分為3個模糊集。如圖3所示。 

                      

                        圖3   輸入輸出變量的的模糊集

     定義模糊規(guī)則如下：

     If Gl is Ai and G is Bi and is Gr is Ci then Vl is Di and Vr is Ei, i=1，2，…，18。其中Ai，Bi，Ci∈{PB，PS，ZE，NS，NB}，Di，Ei∈{FB，M，B}為模糊集，經(jīng)過模糊推理輸出部分隸屬函數(shù)由對應(yīng)每個規(guī)則隸屬函數(shù)合成輸出，表示為：
       
 
Vl和Vr可按如下的推理方法計算：

                                                             （5）


                                                             （6）

    式中：Vl和Vr表示輸出變量即左右輪的速度，i是第i條規(guī)則的輸出量所對應(yīng)面積的重心，Di和Ei為輸出的控制量的隸屬度函數(shù)。

    5 結(jié)論

    本文以Robot-v200系列機器人為研究對象，針對江蘇省機器人滅火大賽環(huán)境，研究了基于模糊邏輯控制的機器人追蹤火源以及繞墻走的行為控制方法，滅火機器人通過傳感器探測到的信息并結(jié)合移動機器人的外部環(huán)境，并且經(jīng)過模糊化、模糊推理過程,得到機器人的左、右兩對驅(qū)動輪速度，從而控制機器人的運動。通過實驗證明該模糊邏輯系統(tǒng)的具有一定的有效性。相較于傳統(tǒng)的方法，本文將機器人運動控制與模糊邏輯結(jié)合用于滅火機器人導(dǎo)航。

    其它作者：張宏彬（1967-），男，江蘇揚州人，碩士，副教授，從事計算機應(yīng)用技術(shù)及人工智能工作；陳虹（1955-），男，江蘇揚州人，教授，系主任，從事自動控制等課程教學(xué)和計算機在工業(yè)自動化方面的應(yīng)用研究、設(shè)計工作。

    參考文獻：

    [1] Anmin Zhu and Simon X.Yang.  A Fuzzy Losic Approach to Reactive Navigation of Behavior-based Mobile Robots[M]. Proc. of the 2004 IEEE International Conference on Robots&Automation. PP. 5045-5050.

    [2] J. M. Sousa, R. Babuska and H. B. Verbruggen. Fuzzy predictive control applied to an air-condition system[M]. Control Engineering Practice, Volume 5, Issue 10, October 1997, Pages 1395-1406.

    [3] 陳虹，嚴(yán)法高，史旺旺. 輪式機器人驅(qū)動系統(tǒng)的參數(shù)辨識[J]. 揚州大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2007.2，10(1): 28-31.

    [4] 李少遠，李檸. 復(fù)雜系統(tǒng)的模糊預(yù)測控制及其應(yīng)用[M]. 北京: 科學(xué)出版社，2003.


                                                      ——轉(zhuǎn)自《自動化博覽》