摘要：移動式機器人主要由遙控操作器、自動控制系統(tǒng)和傳感器等三部分為移動載體而組成系統(tǒng)。移動式機器人的核心技術是控制系統(tǒng)，其中運動控制技術是關鍵環(huán)節(jié)。本文以移動機械手作為研究對象，設計了一種準確抓取物體的運動控制系統(tǒng)，利用模糊控制算法控制移動機械手準確停在適當抓取位置。

前言

    經(jīng)典控制理論對于解決線性定常系統(tǒng)的控制問題是很有效的，然而，對于非線性時變系統(tǒng)卻難以奏效。隨著計算機的應用和發(fā)展，自動控制理論取得了飛躍性的發(fā)展。基于狀態(tài)變量描述的現(xiàn)代控制理論對于解決線性或非線性、定?；驎r變的多輸入與多輸出系統(tǒng)的控制問題，已獲得了廣泛和成功的應用。但是，無論采用經(jīng)典控制理論還是現(xiàn)代控制理論的控制系統(tǒng)，都需要事先知道被控對象(或過程)的精確數(shù)學模型，然后根據(jù)數(shù)學模型以及給定的性能指標，來選擇適當?shù)目刂埔?guī)律，來進行控制系統(tǒng)設計。然而，在許多情況下，被控對象的精確數(shù)學模型很難建立，這樣，對于這類對象或過程就很難進行自動控制。

    事實上，對于復雜的、多因素影響的生產(chǎn)過程，即使不知道該過程的數(shù)學模型，有經(jīng)驗的操作人員也能根據(jù)長期的觀察和操作經(jīng)驗進行有效地控制，而采用傳統(tǒng)的自動控制方法的效果則并不理想。然而，能否把人的操作經(jīng)驗總結為若干條控制規(guī)則，并設計一個裝置去執(zhí)行這些規(guī)則，從而對系統(tǒng)進行有效的控制?模糊控制理論和方法便由此而生。

    移動機械手是一種簡單的移動機器人，可以完成一些簡單的任務，比如在排爆上的應用，可以代替人把危險爆炸物抓取到指定地點。本文以市面上的兒童車為基礎，通過改裝兒童小車來搭建移動機械手，移動機械手工作于遙控模式或自動模式。遙控模式下，移動機械手的運動控制通過無線遙控來實現(xiàn)；自動模式下機械手臂通過超聲波距離傳感器來提取抓取物位置信息，以抓取物位置信息作為模糊控制算法的輸入，通過模糊控制算法來驅動移動機械手運動。它具有移動功能，在代替人從事危險、惡劣(如輻射、有毒等)環(huán)境下作業(yè)和人所不及的(如宇宙空間、水下等)環(huán)境作業(yè)方面，比一般機器人有更大的機動性、靈活性。

1、總體設計

    本文所設計的移動機械手運動控制系統(tǒng)主要由單片機(STM32F103)、顯示屏、電機驅動器、無線遙控器、超聲波測距傳感器和透射式光電傳感器等組成。單片機用來管理各模塊工作，同時完成模糊控制算法運算。顯示屏主要是用來顯示移動機械手運動時的一些信息，比如處于何種工作模式、是在前行還是在后退、轉彎角度和抓取物距離等信息；電機驅動器主要用于驅動改裝后的兒童小車；無線遙控模塊主要用來給運動控制系統(tǒng)發(fā)送控制命令，包括模式的選擇、車體運動控制等控制命令；超聲波測距模塊主要用于探測物體距離，當然在移動機械手移動的時候也可以用于探測障礙物防止移動機械手在運動時發(fā)生機械碰撞；透射式光電傳感器主要用于記錄脈沖數(shù)，和編碼盤配套使用后用于提取轉彎角度和移動機械手相對位移信息。運動控制系統(tǒng)工作過程如下：運動控制系統(tǒng)初始化后處于模式選擇界面，如果抓取物離的遠，先選取遙控模式通過遙控器來控制移動機械手靠近抓取物。當距離達到指定的范圍內后，退出遙控模式進入自動模式，用模糊控制算法分析超聲波測距傳感器得到的抓取物信息后自動控制移動機械手到達合適的抓取位置。移動機械手運動控制系統(tǒng)方案框圖如圖一所示。

圖一 移動機械手運動控制系統(tǒng)方案框圖

2硬件設計

    2.1部分硬件介紹

    A：無線遙控器

    無線遙控器采用南京普聞視聽電子公司的RO3BS無線遙控器，它包括發(fā)送和接收模塊。該無線遙控器為四路遙控器，信號輸出可以是單路也可以是雙路，工作頻率為315MHz，遙控最大距離為80M。圖二為RO3BS接收模塊實物圖，圖中可以一共有7個引腳，其中+5V和G是電源接入端，D0—D3為接受信號的輸出端。

    B：電機驅動模塊

    miniIBT電機驅動器是專為智能車、模型車及工業(yè)產(chǎn)品等而設計的高性能直流有刷電機全橋驅動器。輸入端包括電源輸入端口、電機連接端和信號控制端。其控制信號很簡單，只有片選(EN)、正轉(RPWM)和反轉(LPWM)信號。正、反轉控制信號可以為高電平也可以為PWM信號，PWM信號占空比可以在%0—100%之間隨意調整。

圖二 RO3BS接收模塊實物圖

    C：超聲波差距模塊

    HC—SR04超聲波測距模塊可提供2cm—400cm的非接觸式距離感測功能，測量精度可達3mm。它一共有四個引腳，分別是+5V、GND、觸發(fā)信號輸入和回響信號輸出，其控制方式比較簡單，只要給觸發(fā)信號(至少10us的高電平信號)就會有信號輸出。其測試距離的計算如下：

    測試距離=高電平時間*聲速/2(其中聲速為340m/s)

    D：透射式光電傳感器

    GK102是透射式光電傳感器，其電路圖如圖三所示。左邊為發(fā)光二極管，右邊為光電三極管，當左邊加正向電壓時右邊導通，當左邊加反向電壓時右邊截止。與編碼盤配合使用可以用于檢測轉彎角度信號和機械手臂移動位移信號。其獲取信號的原理如下：首先編碼盤是一塊邊緣均勻打著小洞的圓盤，把圓盤的邊緣放在GK102的凹槽里，當圓盤轉動的時候，由于小洞的存在GK102發(fā)光二極管發(fā)出的光有時通過小洞射到光電三極管上，三極管導通得到一個信號。

圖三GK102電路圖

    2.2硬件連接

    根據(jù)兒童車的雙后驅和獨立轉彎模式可知兒童車有三個電機要驅動，所以移動機械手運動控制系統(tǒng)需要三個miniIBT。三個miniIBT全部采用PWM信號控制，STM32F103單片機有4個定時器，每個定時器有4個通道，每個通道都可以方便的產(chǎn)生PWM波。本設計中選用通道1和通道4分別作為miniIBT的RPWM和LPWM；TIM2控制轉彎電機、TIM3控制左輪電機、TIM4控制右輪電機。三個miniIBT的EN分別由PD0—PD2控制；無線遙控器的D0—D3分別與PC0—PC3相連；由于需要判斷抓取物的相對位置，抓取物的相對位置包括距離和方向信息，其中距離信息可以直接從HC—SR04超聲波測距模塊反饋信號得到，但是方向信息卻不能單從HC—SR04中得到。所以設計中使用3個HC—SR04，分別安裝在車頭的中間、左邊和右邊，通過對比3個HC—SR04返回的信號就可以得出方向信息。比如抓取物在車聲左邊邊，那么左邊的HC—SR04返回的距離信息比中間和右邊的HC—SR04返回的距離信息就要短。HC—SR04的觸發(fā)信號采用脈沖觸發(fā)，每60ms發(fā)送一次脈沖，回響信號的捕獲采用定時器的輸入捕獲功能，STM32F103每個定時器的通道2都具有輸入捕獲功能。觸發(fā)信號與定時器通道3連接、回響信號與定時器通道2連接，TIM2—TIM4分別對應左、中、右三個HC—SR04超聲波測距模塊；運動控制系統(tǒng)中要控制轉彎角度和相對位移，所以在設計中采用2個GK102透射式光電傳感器，編碼盤一個安裝在方向盤上一個安裝在車輪上用于提取轉彎角度信號和位移信號。兩個GK102的輸出引腳與PC8和PC9相連，與PC8相連的用來獲取轉彎角度，與PC9相連的用來獲取位相對位移。

3、模糊控制算法的設計

    模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，它直接采用語言型控制規(guī)則，出發(fā)點是現(xiàn)場操作人員的控制經(jīng)驗或相關專家的知識，在設計中不需要建立被控對象的精確的數(shù)學模型。移動機械手的運動系統(tǒng)和汽車駕駛系統(tǒng)很相似，汽車駕駛是一個比較復雜的問題，難以建立精確的數(shù)學模型和用數(shù)學解析式描述[2]；有經(jīng)驗的駕駛員能把汽車駕駛的很好，這主要是依靠他們的經(jīng)驗。依據(jù)這個思路，采用模糊控制算法，解決移動機械手的運動是一個很還的解決方案。

    根據(jù)硬件電路設計可知，HC—SR04的距離信號可以用來判斷抓取物的距離和方向信息，轉彎角度和移動機械手運動相對位移是用來控制移動機械手和抓取物的相對位置。本設計中采用兩個獨立的模糊控制器來控制轉彎角度和運動相對位移，輸入量分別是距離和方向信息。為了實現(xiàn)的簡便性與快速性，在本系統(tǒng)中都采用二維模糊控制器結構形式，即輸入量E和變化率Ec?？刂妻D彎角度的模糊控制器設定輸入變量方向(E1)和方向變化率(E1c)語言值的模糊子集為{負大，負小，零，正小，正大}(負代表左，正代表右)，并簡記為{NB，NS，Z，PS，PB}，輸出量轉彎角度(K1)的模糊子集為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}；同理控制運動相對位移的模糊控制器設定輸入變量相對位移(E2)和相對位移變化率(E2c)語言值的模糊子集為{負大，負小，零，正小，正大}(負代表遠，正代表近)，并簡記為{NB，NS，Z，PS，PB}，輸出量運動相對位移(K2)的模糊子集為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}。輸入變量的隸屬函數(shù)的論域定為[-2，2]，輸出變量的隸屬函數(shù)的論域定為[-3，3]。隸屬函數(shù)均選為靈敏度高且在論域范圍內均勻分布、等距離的三角形函數(shù)。

    根據(jù)駕駛汽車的經(jīng)驗，E1、E1c和K1應滿足以下規(guī)律：

    (1)當|E1|較大時，同時|E1c|較大時，應取較大的K1；

    (2)當|E1|中等時，應取適當?shù)腒1；

    (3)當|E1|較小時，同時|E1c|較小時，應取較小的K1。

    E2、E2c和K2應滿足以下規(guī)律：

    (1)當|E2|較大時，同時|E2c|較大時，應取較大的K1；

    (2)當|E2|中等時，應取適當?shù)腒1；

    (3)當|E2|較小時，同時|E1c|較小時，應取較小的K1。

    基于上述考慮，將E和變化率Ec作為模糊控制器的輸入，K1和K2的模糊控制規(guī)則分別如表1、表3所示。

表3K1模糊控制規(guī)則表

表3K2模糊控制規(guī)則表

4、系統(tǒng)軟件設計

    根據(jù)移動機械手運動控制系統(tǒng)可知，系統(tǒng)軟件要實現(xiàn)對顯示屏、miniIBT電機驅動器、RO3BS無線接收模塊、HC—SR04超聲波測距模塊和GK102透射式光電傳感器等器件的控制(包括初始化、控制信號的輸出和返回信號的獲取等)；還包括信息顯示、傳感器信號的處理和模糊控制算法等一些事件的完成。系統(tǒng)軟件設計采用模塊化設計方法，整個系統(tǒng)主要由系統(tǒng)主程序和各功能子程序組成。主程序主要完成系統(tǒng)初始化、界面的顯示(包括歡迎界面、模式選擇界面和模式信息界面等)、各模式之間的切換、遙控信號的接受等功能。各功能子程序主要包括遙控驅動、讀取遙控信號、抓取物相對位置獲取、模糊控制算法和自動驅動等子程序。主程序流程如四所示。

圖四 主程序流程圖

5、結論

    通過多次對不同距離、不同環(huán)境目標物抓取試驗后，移動機械手能在正常條件下順利完成抓取位置的?？?，達到設計要求。遙控模式下運動控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能正常響應控制命令；自動模式下如果目標物在開闊的環(huán)境中系統(tǒng)能很快的找到目標物，順利的完成抓取位置的?？?。但是在比較復雜的環(huán)境中尋找目標物會比較慢甚至是失敗，在這方面運動控制系統(tǒng)還有待改進。總體來看移動機械手運動控制系統(tǒng)還是達到設計要求，可以勝任正常條件下的物體抓取任務。