??? 摘 要： 針對(duì)輪式移動(dòng)機(jī)器人尋線行走的跟蹤控制要求，提出一種通用的移動(dòng)機(jī)器人行走模糊控制設(shè)計(jì)方法，并以FPGA為核心器件，通過(guò)硬件描述語(yǔ)言（VHDL）實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人模糊控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮模糊控制及可編程邏輯器件的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明，該移動(dòng)機(jī)器人具有自動(dòng)糾偏、尋線準(zhǔn)確、高集成度和高可靠性的特點(diǎn)。
??? 關(guān)鍵詞： 模糊控制；機(jī)器人；FPGA；VHDL；尋線
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??? 移動(dòng)機(jī)器人是一種集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多項(xiàng)功能于一體的智能化機(jī)器系統(tǒng)，具有大延遲、高度非線性的特點(diǎn)。其建立精確的數(shù)學(xué)模型十分困難，在進(jìn)行路徑跟蹤控制時(shí)，參數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)模型影響較大。傳統(tǒng)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制常采用PID控制器，將機(jī)器人的航向角誤差和誤差變化率作為控制器的輸入，控制器的輸出作為機(jī)器人的駕駛角。而在實(shí)際中，機(jī)器人的航向角還與其速度、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、重心位置、前后輪側(cè)偏系數(shù)、驅(qū)動(dòng)輪直徑和摩擦力、實(shí)際道路情況等諸多變化且很難確定的因素有關(guān)。這使得控制器參數(shù)設(shè)定和調(diào)整極為困難。針對(duì)這些問(wèn)題，本文在輪式移動(dòng)機(jī)器人尋線跟蹤控制中，提出移動(dòng)機(jī)器人的模糊控制算法，并且利用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)器件來(lái)實(shí)現(xiàn)模糊算法的控制器。使得該控制器集成度高、速度快、效率高，易于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)多重配置，易于實(shí)現(xiàn)可編程片上系統(tǒng)(SoPC)。由于整個(gè)控制系統(tǒng)由硬件實(shí)現(xiàn),因此能滿足機(jī)器人實(shí)時(shí)性、快速性和精確性的控制要求。
1 移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)
1.1 機(jī)器人行進(jìn)機(jī)構(gòu)
??? 機(jī)器人應(yīng)能在任意區(qū)域內(nèi)沿引導(dǎo)線行進(jìn)，自動(dòng)繞開(kāi)障礙并停在指定地點(diǎn)。機(jī)器人在地面上的移動(dòng)方式為三車輪式，前輪輔助后輪驅(qū)動(dòng)的差動(dòng)式行走方式。前輪為隨動(dòng)輪（萬(wàn)向輪），僅僅起到支撐車體的作用，無(wú)任何導(dǎo)向作用。后輪分別為兩個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)輪,利用它們的轉(zhuǎn)速差來(lái)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向。這種組合的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制，而且當(dāng)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪以相同速度、相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，車體能繞兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪連線的中點(diǎn)自轉(zhuǎn)，易于定位。對(duì)驅(qū)動(dòng)輪采用直流步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、控制方便、控制性能好等特點(diǎn)，常作為一種數(shù)字伺服執(zhí)行元件廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化儀表、機(jī)器人等領(lǐng)域，不但可以構(gòu)成開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，還可以應(yīng)用于閉環(huán)、半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)中，尤其在強(qiáng)調(diào)速度控制、位置控制的伺服系統(tǒng)中。
1.2 檢測(cè)裝置
??? 在機(jī)器人行進(jìn)機(jī)構(gòu)底盤上的前后方分別安裝一排光纖或光電傳感器用于引導(dǎo)線的檢測(cè)，如圖1所示。根據(jù)前后排傳感器的在線檢測(cè)狀態(tài)，可以計(jì)算出此刻機(jī)器人相對(duì)于引導(dǎo)線（白線）的偏移量和偏離角度。也就是指機(jī)器人車體中心軸線和場(chǎng)地引導(dǎo)線中心線的夾角。
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??? 在圖1中前后排各有9個(gè)光纖傳感器，后排的9個(gè)傳感器檢測(cè)點(diǎn)安裝在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的軸線上，檢測(cè)機(jī)器人與引導(dǎo)線的偏移量。前排的9個(gè)傳感器檢測(cè)點(diǎn)檢測(cè)機(jī)器人與引導(dǎo)線的偏離角度。為了擴(kuò)大機(jī)器人的偏差糾錯(cuò)能力，檢測(cè)點(diǎn)安裝成非線性的排列結(jié)構(gòu)，且相對(duì)于引導(dǎo)線中心線成對(duì)稱分布，中間的三個(gè)檢測(cè)點(diǎn)分布在引導(dǎo)線的中間和左右兩邊，以便使檢測(cè)點(diǎn)相對(duì)于引導(dǎo)線的位置變化較為敏感。其余兩側(cè)的12個(gè)檢測(cè)點(diǎn)分布較為分散，主要是為了在機(jī)器人轉(zhuǎn)彎或偏差過(guò)大時(shí)“捕捉”引導(dǎo)線。
2 模糊控制器設(shè)計(jì)
??? 根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和剛體平動(dòng)原理，對(duì)于兩輪驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)機(jī)器人，主要控制其角速度和線速度，前者完成移動(dòng)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向控制，后者實(shí)現(xiàn)機(jī)器人前進(jìn)速度的控制，利用機(jī)器人兩個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速來(lái)控制機(jī)器人的運(yùn)行和運(yùn)動(dòng)方向。輪式機(jī)器人作為被控對(duì)象，具有大慣性、純滯后、時(shí)變的特點(diǎn)。過(guò)去常用PID 算法，如果條件稍有變化，系統(tǒng)參數(shù)（T、KP、Ti、Td）必須改變，否則難以達(dá)到滿意的效果。而模糊控制基于模糊集合理論，模仿人的控制經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用模糊推理方法根據(jù)輸出直接映射出被控對(duì)象的控制量，它不依賴于被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型而實(shí)現(xiàn)其控制，具有魯棒性好的特點(diǎn)，很適合輪式機(jī)器人這樣的大慣性非線性系統(tǒng)。因此采用模糊控制算法對(duì)輪式機(jī)器人進(jìn)行控制。
??? 為了滿足機(jī)器人沿引導(dǎo)線行走的目的，可以根據(jù)光電檢測(cè)傳感器檢測(cè)車體偏離引導(dǎo)線的大小來(lái)調(diào)整左右驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的行進(jìn)速度，隨時(shí)調(diào)整機(jī)器人的行進(jìn)路線，從而使機(jī)器人沿引導(dǎo)線行進(jìn)。下面根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人的行走方式，介紹模糊算法控制器的設(shè)計(jì)方法。
??? 首先把移動(dòng)機(jī)器人車體底盤上的前后光電檢測(cè)傳感器進(jìn)行編號(hào)(如圖1所示)。這些檢測(cè)點(diǎn)的編號(hào)可作為機(jī)器人偏離引導(dǎo)線的狀態(tài)值, 對(duì)于本系統(tǒng)模糊控制器采用雙變量二維控制方法，控制器的兩輸入為前后光電檢測(cè)點(diǎn)的輸入編號(hào)；輸出為左右步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖數(shù)。模糊控制器的輸入量的模糊子集選取為：{LB，LS，ZO，RS，RB}，對(duì)應(yīng)意義為{左大，左小，中心，右小，右大}。輸出量的模糊子集選取為：{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，其對(duì)應(yīng)為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}。
??? 根據(jù)控制規(guī)則及相應(yīng)的控制變量隸屬度定義, 給出了如圖2所示的輸入變量前檢測(cè)點(diǎn)位置（BF）和后檢測(cè)點(diǎn)位置(BA)的隸屬度函數(shù)。輸出變量左、右步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的隸屬度函數(shù)如圖3所示。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)分析，得到左電機(jī)轉(zhuǎn)速控制規(guī)則表(右電機(jī)轉(zhuǎn)速控制規(guī)則表相似)如表1。
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??? 在完成以上模糊控制器的模糊輸入量、模糊推理決策模塊后，再進(jìn)行模糊輸出接口設(shè)計(jì)。模糊輸出接口是將輸出的模糊控制量轉(zhuǎn)化為精確量后去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使被控對(duì)象的值接近參考值。反模糊化采用重心法, 通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行修正，得到如表2所示的左步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)輸出表(用十六進(jìn)制數(shù)表示)。右步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)輸出表也可用類似方法得到。
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??? 從以上模糊控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程可知，根據(jù)機(jī)器人車體底盤上的前后光電檢測(cè)點(diǎn)的狀態(tài)作為輸入量進(jìn)行模糊化，在模糊規(guī)則約束下經(jīng)模糊推理，得到精確的控制變量。模糊控制器承擔(dān)的任務(wù)實(shí)際上是從輸入映射到模糊控制表對(duì)應(yīng)的輸出量。實(shí)際應(yīng)用模糊控制場(chǎng)合時(shí)大多數(shù)采用查表法來(lái)設(shè)計(jì)模糊控制器，通過(guò)離線計(jì)算與實(shí)際控制經(jīng)驗(yàn)而得到一個(gè)表示輸入量精確值與輸出量精確值之間的控制表，然后將得到的控制表移植到計(jì)算機(jī)、其他專用或通用模糊控制芯片中，這種映射在查表時(shí)是一一對(duì)應(yīng)的邏輯關(guān)系；現(xiàn)場(chǎng)控制時(shí)，只需要用軟件或硬件電路來(lái)查找控制表，獲得所需的控制量去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
3 模糊控制器的FPGA實(shí)現(xiàn)
??? 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）是近年來(lái)發(fā)展迅速的大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?，它具有設(shè)計(jì)周期短、片內(nèi)資源豐富、可無(wú)限次加載和現(xiàn)場(chǎng)可編程等特點(diǎn)。在FPGA上實(shí)現(xiàn)模糊控制器是一種介于專用集成電路(ASIC)和通用處理器之間的方案，具有電子產(chǎn)品的高速度、高可靠性、小型化、集成化、低功耗、保密性能好、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、產(chǎn)品上市快等優(yōu)勢(shì)。
??? 用可編程邏輯器件完成模糊控制器的任務(wù)有多種方法，可以用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)一個(gè)ROM將模糊控制輸出表的數(shù)據(jù)寫入其中，也可以把模糊控制輸出量用邏輯表達(dá)式表示出來(lái)，通過(guò)脈沖分配器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。根據(jù)表2用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)的ROM模糊控制輸出模塊如下：
??? LIBRARY ieee；
?? ?USE ieee.std_logic_1164.all；
?? ?USE ieee.std_logic_arith.all；
?? ?USE ieee.std_logic_unsigned.all；
?? ?ENTITY Fuzzy_rom IS
PORT (BF_b，BA_b：IN STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0)；
??????? nena??：IN?STD_LOGIC；
?? ???? L_out??：OUT INTEGER RANGE 0 TO 6000)；
END Fuzzy_rom；
ARCHITECTURE a OF Fuzzy_rom IS
?? ?SIGNAL?addr：STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0)；
BEGIN
?? ?addr<=BA_b&BF_b；
?? ?L_out<=
?? ?16#DB6#? when addr=X″00″ and nena=′0′ else
?? ?16#CBC#? when addr=X″01″ and nena=′0′ else
?? ?16#BF4#? when addr=X″02″ and nena=′0′ else
?? ?16#BCC#? when addr=X″03″ and nena=′0′ else
?? ?16#BB8#? when addr=X″04″ and nena=′0′ else
?? ?16#BAE#? when addr=X″05″ and nena=′0′ else
?? ?16#B72#? when addr=X″06″ and nena=′0′ else
?? ?16#AE1#? when addr=X″07″ and nena=′0′ else
?? ?16#A6E#? when addr=X″08″ and nena=′0′ else
??????????????????????????……
??? 16#10BE# when addr=X″85″ and nena=′0′ else
??? 16#FFC#? when addr=X″86″ and nena=′0′ else
??? 16#FA2#? when addr=X″87″ and nena=′0′ else
??? 16#D73#? when addr=X″88″ and nena=′0′ else
??? 16#0000#；
END a；
????在ROM模糊控制模塊中，輸入變量BF_b和BA_b為前后光電檢測(cè)點(diǎn)狀態(tài)的編碼信號(hào)，作為模糊控制輸出表的地址碼（一個(gè)字節(jié)），由它來(lái)決定模糊控制輸出表的數(shù)據(jù)，即步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的周期。周期值越大，頻率越小，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速就越慢；反之步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速就快。圖4所示為ROM模塊的仿真波形。
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??? 該模糊控制器在QuartusII集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中，利用Cyclone系列中的EP1C6器件進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真，并組成測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。實(shí)踐證明,該移動(dòng)機(jī)器人具有自動(dòng)糾偏、尋線準(zhǔn)確、高集成度和高可靠性的特點(diǎn)。用可編程邏輯器件設(shè)計(jì)的模糊控制，設(shè)計(jì)方便、修改容易，它可以和其他功能模塊電路同時(shí)用FPGA來(lái)完成，可以充分發(fā)揮模糊控制及可編程器件的優(yōu)點(diǎn)，使兩種先進(jìn)的技術(shù)有機(jī)結(jié)合。除了以上介紹的機(jī)器人行走控制器外，還有其他單元電路，如紅外光電檢測(cè)電路、超聲波檢測(cè)電路、光電碼盤檢測(cè)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，以及可以隨時(shí)接收上位機(jī)發(fā)出指令的通訊模塊電路。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人可靠的行進(jìn)，檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)顯得非常重要。
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