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    摘要：移動(dòng)式機(jī)器人主要由遙控操作器、自動(dòng)控制系統(tǒng)和傳感器等三部分為移動(dòng)載體而組成系統(tǒng)。移動(dòng)式機(jī)器人的核心技術(shù)是控制系統(tǒng)，其中運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文以移動(dòng)機(jī)械手作為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種準(zhǔn)確抓取物體的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，利用模糊控制算法控制移動(dòng)機(jī)械手準(zhǔn)確停在適當(dāng)抓取位置。

前言

    經(jīng)典控制理論對(duì)于解決線性定常系統(tǒng)的控制問(wèn)題是很有效的，然而，對(duì)于非線性時(shí)變系統(tǒng)卻難以奏效。隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展，自動(dòng)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(duì)于解決線性或非線性、定常或時(shí)變的多輸入與多輸出系統(tǒng)的控制問(wèn)題，已獲得了廣泛和成功的應(yīng)用。但是，無(wú)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(duì)象(或過(guò)程)的精確數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)數(shù)學(xué)模型以及給定的性能指標(biāo)，來(lái)選擇適當(dāng)?shù)目刂埔?guī)律，來(lái)進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。然而，在許多情況下，被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型很難建立，這樣，對(duì)于這類對(duì)象或過(guò)程就很難進(jìn)行自動(dòng)控制。

    事實(shí)上，對(duì)于復(fù)雜的、多因素影響的生產(chǎn)過(guò)程，即使不知道該過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，有經(jīng)驗(yàn)的操作人員也能根據(jù)長(zhǎng)期的觀察和操作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行有效地控制，而采用傳統(tǒng)的自動(dòng)控制方法的效果則并不理想。然而，能否把人的操作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)為若干條控制規(guī)則，并設(shè)計(jì)一個(gè)裝置去執(zhí)行這些規(guī)則，從而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效的控制?模糊控制理論和方法便由此而生。

    移動(dòng)機(jī)械手是一種簡(jiǎn)單的移動(dòng)機(jī)器人，可以完成一些簡(jiǎn)單的任務(wù)，比如在排爆上的應(yīng)用，可以代替人把危險(xiǎn)爆炸物抓取到指定地點(diǎn)。本文以市面上的兒童車為基礎(chǔ)，通過(guò)改裝兒童小車來(lái)搭建移動(dòng)機(jī)械手，移動(dòng)機(jī)械手工作于遙控模式或自動(dòng)模式。遙控模式下，移動(dòng)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制通過(guò)無(wú)線遙控來(lái)實(shí)現(xiàn)；自動(dòng)模式下機(jī)械手臂通過(guò)超聲波距離傳感器來(lái)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(guò)模糊控制算法來(lái)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)。它具有移動(dòng)功能，在代替人從事危險(xiǎn)、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(jī)器人有更大的機(jī)動(dòng)性、靈活性。

1、總體設(shè)計(jì)

    本文所設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)(STM32F103)、顯示屏、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、無(wú)線遙控器、超聲波測(cè)距傳感器和透射式光電傳感器等組成。單片機(jī)用來(lái)管理各模塊工作，同時(shí)完成模糊控制算法運(yùn)算。顯示屏主要是用來(lái)顯示移動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)時(shí)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(zhuǎn)彎角度和抓取物距離等信息；電機(jī)驅(qū)動(dòng)器主要用于驅(qū)動(dòng)改裝后的兒童小車；無(wú)線遙控模塊主要用來(lái)給運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)送控制命令，包括模式的選擇、車體運(yùn)動(dòng)控制等控制命令；超聲波測(cè)距模塊主要用于探測(cè)物體距離，當(dāng)然在移動(dòng)機(jī)械手移動(dòng)的時(shí)候也可以用于探測(cè)障礙物防止移動(dòng)機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生機(jī)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(zhuǎn)彎角度和移動(dòng)機(jī)械手相對(duì)位移信息。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)工作過(guò)程如下：運(yùn)動(dòng)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(yuǎn)，先選取遙控模式通過(guò)遙控器來(lái)控制移動(dòng)機(jī)械手靠近抓取物。當(dāng)距離達(dá)到指定的范圍內(nèi)后，退出遙控模式進(jìn)入自動(dòng)模式，用模糊控制算法分析超聲波測(cè)距傳感器得到的抓取物信息后自動(dòng)控制移動(dòng)機(jī)械手到達(dá)合適的抓取位置。移動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)方案框圖如圖一所示。

圖一 移動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)方案框圖

2硬件設(shè)計(jì)

    2.1部分硬件介紹

    A：無(wú)線遙控器

    無(wú)線遙控器采用南京普聞視聽(tīng)電子公司的RO3BS無(wú)線遙控器，它包括發(fā)送和接收模塊。該無(wú)線遙控器為四路遙控器，信號(hào)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(shí)物圖，圖中可以一共有7個(gè)引腳，其中+5V和G是電源接入端，D0—D3為接受信號(hào)的輸出端。

    B：電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

    miniIBT電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是專為智能車、模型車及工業(yè)產(chǎn)品等而設(shè)計(jì)的高性能直流有刷電機(jī)全橋驅(qū)動(dòng)器。輸入端包括電源輸入端口、電機(jī)連接端和信號(hào)控制端。其控制信號(hào)很簡(jiǎn)單，只有片選(EN)、正轉(zhuǎn)(RPWM)和反轉(zhuǎn)(LPWM)信號(hào)。正、反轉(zhuǎn)控制信號(hào)可以為高電平也可以為PWM信號(hào)，PWM信號(hào)占空比可以在%0—100%之間隨意調(diào)整。

圖二 RO3BS接收模塊實(shí)物圖

    C：超聲波差距模塊

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

    測(cè)試距離=高電平時(shí)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(dāng)左邊加正向電壓時(shí)右邊導(dǎo)通，當(dāng)左邊加反向電壓時(shí)右邊截止。與編碼盤配合使用可以用于檢測(cè)轉(zhuǎn)彎角度信號(hào)和機(jī)械手臂移動(dòng)位移信號(hào)。其獲取信號(hào)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(dāng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，由于小洞的存在GK102發(fā)光二極管發(fā)出的光有時(shí)通過(guò)小洞射到光電三極管上，三極管導(dǎo)通得到一個(gè)信號(hào)。

圖三GK102電路圖

    2.2硬件連接

    根據(jù)兒童車的雙后驅(qū)和獨(dú)立轉(zhuǎn)彎模式可知兒童車有三個(gè)電機(jī)要驅(qū)動(dòng)，所以移動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)需要三個(gè)miniIBT。三個(gè)miniIBT全部采用PWM信號(hào)控制，STM32F103單片機(jī)有4個(gè)定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器有4個(gè)通道，每個(gè)通道都可以方便的產(chǎn)生PWM波。本設(shè)計(jì)中選用通道1和通道4分別作為miniIBT的RPWM和LPWM；TIM2控制轉(zhuǎn)彎電機(jī)、TIM3控制左輪電機(jī)、TIM4控制右輪電機(jī)。三個(gè)miniIBT的EN分別由PD0—PD2控制；無(wú)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(duì)位置，抓取物的相對(duì)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(cè)距模塊反饋信號(hào)得到，但是方向信息卻不能單從HC—SR04中得到。所以設(shè)計(jì)中使用3個(gè)HC—SR04，分別安裝在車頭的中間、左邊和右邊，通過(guò)對(duì)比3個(gè)HC—SR04返回的信號(hào)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(hào)采用脈沖觸發(fā)，每60ms發(fā)送一次脈沖，回響信號(hào)的捕獲采用定時(shí)器的輸入捕獲功能，STM32F103每個(gè)定時(shí)器的通道2都具有輸入捕獲功能。觸發(fā)信號(hào)與定時(shí)器通道3連接、回響信號(hào)與定時(shí)器通道2連接，TIM2—TIM4分別對(duì)應(yīng)左、中、右三個(gè)HC—SR04超聲波測(cè)距模塊；運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中要控制轉(zhuǎn)彎角度和相對(duì)位移，所以在設(shè)計(jì)中采用2個(gè)GK102透射式光電傳感器，編碼盤一個(gè)安裝在方向盤上一個(gè)安裝在車輪上用于提取轉(zhuǎn)彎角度信號(hào)和位移信號(hào)。兩個(gè)GK102的輸出引腳與PC8和PC9相連，與PC8相連的用來(lái)獲取轉(zhuǎn)彎角度，與PC9相連的用來(lái)獲取位相對(duì)位移。

3、模糊控制算法的設(shè)計(jì)

    模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，它直接采用語(yǔ)言型控制規(guī)則，出發(fā)點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)或相關(guān)專家的知識(shí)，在設(shè)計(jì)中不需要建立被控對(duì)象的精確的數(shù)學(xué)模型。移動(dòng)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和汽車駕駛系統(tǒng)很相似，汽車駕駛是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型和用數(shù)學(xué)解析式描述[2]；有經(jīng)驗(yàn)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(yàn)。依據(jù)這個(gè)思路，采用模糊控制算法，解決移動(dòng)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)很還的解決方案。

    根據(jù)硬件電路設(shè)計(jì)可知，HC—SR04的距離信號(hào)可以用來(lái)判斷抓取物的距離和方向信息，轉(zhuǎn)彎角度和移動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)相對(duì)位移是用來(lái)控制移動(dòng)機(jī)械手和抓取物的相對(duì)位置。本設(shè)計(jì)中采用兩個(gè)獨(dú)立的模糊控制器來(lái)控制轉(zhuǎn)彎角度和運(yùn)動(dòng)相對(duì)位移，輸入量分別是距離和方向信息。為了實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)便性與快速性，在本系統(tǒng)中都采用二維模糊控制器結(jié)構(gòu)形式，即輸入量E和變化率Ec。控制轉(zhuǎn)彎角度的模糊控制器設(shè)定輸入變量方向(E1)和方向變化率(E1c)語(yǔ)言值的模糊子集為{負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大}(負(fù)代表左，正代表右)，并簡(jiǎn)記為{NB，NS，Z，PS，PB}，輸出量轉(zhuǎn)彎角度(K1)的模糊子集為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}；同理控制運(yùn)動(dòng)相對(duì)位移的模糊控制器設(shè)定輸入變量相對(duì)位移(E2)和相對(duì)位移變化率(E2c)語(yǔ)言值的模糊子集為{負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大}(負(fù)代表遠(yuǎn)，正代表近)，并簡(jiǎn)記為{NB，NS，Z，PS，PB}，輸出量運(yùn)動(dòng)相對(duì)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(nèi)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(yàn)，E1、E1c和K1應(yīng)滿足以下規(guī)律：

    (1)當(dāng)|E1|較大時(shí)，同時(shí)|E1c|較大時(shí)，應(yīng)取較大的K1；

    (2)當(dāng)|E1|中等時(shí)，應(yīng)取適當(dāng)?shù)腒1；

    (3)當(dāng)|E1|較小時(shí)，同時(shí)|E1c|較小時(shí)，應(yīng)取較小的K1。

    E2、E2c和K2應(yīng)滿足以下規(guī)律：

    (1)當(dāng)|E2|較大時(shí)，同時(shí)|E2c|較大時(shí)，應(yīng)取較大的K1；

    (2)當(dāng)|E2|中等時(shí)，應(yīng)取適當(dāng)?shù)腒1；

    (3)當(dāng)|E2|較小時(shí)，同時(shí)|E1c|較小時(shí)，應(yīng)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(shè)計(jì)

    根據(jù)移動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可知，系統(tǒng)軟件要實(shí)現(xiàn)對(duì)顯示屏、miniIBT電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、RO3BS無(wú)線接收模塊、HC—SR04超聲波測(cè)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(hào)的輸出和返回信號(hào)的獲取等)；還包括信息顯示、傳感器信號(hào)的處理和模糊控制算法等一些事件的完成。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，整個(gè)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(hào)的接受等功能。各功能子程序主要包括遙控驅(qū)動(dòng)、讀取遙控信號(hào)、抓取物相對(duì)位置獲取、模糊控制算法和自動(dòng)驅(qū)動(dòng)等子程序。主程序流程如四所示。

圖四 主程序流程圖

5、結(jié)論

    通過(guò)多次對(duì)不同距離、不同環(huán)境目標(biāo)物抓取試驗(yàn)后，移動(dòng)機(jī)械手能在正常條件下順利完成抓取位置的停靠，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。遙控模式下運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能正常響應(yīng)控制命令；自動(dòng)模式下如果目標(biāo)物在開(kāi)闊的環(huán)境中系統(tǒng)能很快的找到目標(biāo)物，順利的完成抓取位置的停靠。但是在比較復(fù)雜的環(huán)境中尋找目標(biāo)物會(huì)比較慢甚至是失敗，在這方面運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)還有待改進(jìn)。總體來(lái)看移動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)還是達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可以勝任正常條件下的物體抓取任務(wù)。