溫室機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制研究

王 勝 鄭偉偉

（鄭州信息科技職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450046）

0 引言

模糊邏輯控制(Fuzzy Logic Control)簡(jiǎn)稱模糊控制(Fuzzy Control)，是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)。模糊控制實(shí)質(zhì)上是一種非線性控制，從屬于智能控制的范疇。近20多年來，模糊控制不論從理論上還是技術(shù)上都有了進(jìn)步，成為自動(dòng)控制領(lǐng)域中一個(gè)非?；钴S而又碩果累累的分支。根據(jù)模糊控制原理，設(shè)計(jì)模糊控制器以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在溫室中的運(yùn)動(dòng)控制[1]。模糊控制器主要有模糊化、知識(shí)庫、模糊推理和去模糊化四部分[2]組成。

1 溫室機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制研究

對(duì)溫室機(jī)器人來說，農(nóng)作物植株是機(jī)器人行走的障礙物，所以機(jī)器人在大棚農(nóng)田的運(yùn)動(dòng)過程就是控制機(jī)器人避開農(nóng)作物植株的過程。溫室機(jī)器人行進(jìn)中的控制技術(shù)直接影響了溫室機(jī)器人的作業(yè)效果,也是開發(fā)實(shí)用設(shè)備的關(guān)鍵[3]。

1.1 用模糊控制來實(shí)現(xiàn)溫室機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制

建立適合溫室機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的模糊邏輯控制規(guī)則，根據(jù)這些規(guī)則設(shè)計(jì)模糊控制器[4]。模糊控制器以紅外傳感器收集到的信息為依據(jù)，把最終目標(biāo)點(diǎn)分解成一個(gè)個(gè)的當(dāng)前目標(biāo)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)溫室機(jī)器人在未知環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)控制，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制的計(jì)算機(jī)仿真。

1.2 溫室機(jī)器人模糊控制器設(shè)計(jì)

1.2.1 模糊化

模糊化就是將被控對(duì)象的相關(guān)數(shù)據(jù)的精確值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，即把其變化范圍映射到相應(yīng)得內(nèi)部論域中，然后將輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模糊語言變量的概念，構(gòu)成模糊集合，這樣就將輸入的精確量轉(zhuǎn)換為用模糊集合表示的某一模糊變量的值[5]。

1.2.2 知識(shí)庫

知識(shí)庫包括數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫兩部分[6]。

（1）數(shù)據(jù)庫

定義模糊輸入變量 dl和 dr的模糊語言分為 {S，M，B}={“小”，“中”，“大”}；

模糊輸入變量 sα的模糊語言分為 {LB，LS，Z，RS，RB}={“左大”,“左小”,“零”,“右小”,“右大”}；

模糊輸出變量的模糊語言分為 {TLB，TLS，TZ， TRS，TRB}={“左大”,“左中”,“左小”,“零”,“右小”,“右中”,“右大”}。

（2）規(guī)則庫

模糊控制規(guī)則是模糊控制器的核心，是將操作者的操作經(jīng)驗(yàn)和專家知識(shí)進(jìn)行總結(jié)而得來的。模糊控制規(guī)則可用多條模糊條件語句來表示。 最常用的關(guān)聯(lián)詞有 if-then、or、and 等。 如 ri：（i=1，2，3，…）表示第 i條控制規(guī)則。

它是模糊控制器的核心，是專家的知識(shí)或現(xiàn)場(chǎng)操作人員的經(jīng)驗(yàn)的一種體現(xiàn)，即控制中所需要的策略。控制規(guī)則的條數(shù)可能有很多條，那么需要求出總的控制規(guī)則R，作為模糊推理的依據(jù)。

2 溫室機(jī)器人實(shí)驗(yàn)仿真

用MATLAB仿真，其仿真結(jié)果中的障礙物代表農(nóng)作物植株，小黑圈代表機(jī)器人的位置。機(jī)器人由“起點(diǎn)”出發(fā)，穿過兩行農(nóng)作物，到達(dá)終點(diǎn)。MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)表明，該控制器能有效控制機(jī)器人在避開農(nóng)作物植株。

2.1 溫室機(jī)器人避障行為的設(shè)計(jì)

溫室機(jī)器人躲避障礙行為的功能是根據(jù)它當(dāng)前探測(cè)到目前的環(huán)境信息，才決定機(jī)器人如何運(yùn)動(dòng)、能避開環(huán)境中的障礙物。當(dāng)該行為與奔向目標(biāo)行為相結(jié)合時(shí)，能使機(jī)器人繞開環(huán)境中的障礙到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。如前所述，溫室機(jī)器人的傳感器是一個(gè)組合，該組合由3個(gè)傳感器組成。

2.2 溫室機(jī)器人循跡

這里的循跡是指樣車在溫室大棚循白線行走，通常采取的方法是紅外探測(cè)法。紅外探測(cè)法，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)，在樣車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到地面時(shí)發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，樣車上的接收管接收不到紅外光。單片機(jī)就是否收到反射回來的紅外光為依據(jù)來確定白線的位置和樣車的行走路線。紅外探測(cè)器探測(cè)距離有限，一般最大不應(yīng)超過3cm。

用一個(gè)字節(jié)來代表車底的6個(gè)光電傳感器。用每一個(gè)位來代表當(dāng)前傳感器的檢測(cè)狀態(tài)。

把樣車直線行進(jìn)時(shí)分成三種狀態(tài)，當(dāng)中間四個(gè)傳感器都檢測(cè)到白線時(shí)，樣車在跑道的正上方，這時(shí)控制兩電機(jī)同速度全速運(yùn)行。當(dāng)檢測(cè)到有一個(gè)傳感器或者同側(cè)的兩個(gè)傳感器偏出白線時(shí)，樣車處于微偏狀態(tài)，這時(shí)將一個(gè)電機(jī)速度調(diào)慢，另一電機(jī)速度調(diào)快，完成調(diào)整。當(dāng)檢測(cè)到有三個(gè)傳感器偏出時(shí)，樣車處于較大的偏離狀態(tài)，這時(shí)把一個(gè)電機(jī)的速度調(diào)至極低，另一電機(jī)全速運(yùn)行，從而在較短時(shí)間內(nèi)完成路線的調(diào)整。

用這種三級(jí)調(diào)速的循跡算法同單純的判斷檢測(cè)到對(duì)管的位置并作出判斷的方法相比，程序思路清晰，程序執(zhí)行結(jié)果較好。

3 結(jié)論

在實(shí)際的測(cè)試過程中,該機(jī)器人能夠快速準(zhǔn)確地按照預(yù)定路線到達(dá)指定位置完成規(guī)定動(dòng)作,并能很好地實(shí)現(xiàn) “自動(dòng)避障”這一特殊功能,具有更高的適應(yīng)性及靈活性,具有系統(tǒng)模型簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方法容易的特點(diǎn),使得這種控制方法能夠方便地推廣、應(yīng)用。

［1］方華,劉旭,黃玲,胡波.農(nóng)業(yè)機(jī)器人行進(jìn)中控制技術(shù)的研究進(jìn)展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2008，36(32):14348-14349.

［2］韓峻峰,李玉惠.模糊控制技術(shù)[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,2003，5:49-65.

［3］W.L.XU,S.K.TSO.Real-time Self-reaction of a Mobile Robot in Unstructured Environments using Fuzzy Reasoning[J].Engng Applic.Artif.Intell.1995,9(5):594-600.

［4］王耀南.機(jī)器人智能控制工程[M].北京:科學(xué)出版社,2004，6:291-297.