室内移动轮椅式机器人控制系统研究

来源 :广东工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:gymc2009
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近年来,随着人口老龄化趋势的加剧和人工成本的提高,人们对室内移动轮椅式机器人的需求增加,但与其他类型机器人不同的是室内移动轮椅式机器人主要应用在一种结构化的工作环境下,如家庭、医院等,周围环境狭小而复杂,所以室内移动轮椅式机器人需要性能更优良的控制系统。目前,室内移动轮椅式机器人控制系统的研究是机器人系统研究的重要方向。所以,有很多用于室内轮椅式机器人控制的理论和算法被提出。其中,PID控制算法由于其控制性能良好、方法简单等优点,在机器人控制系统中应用最为广泛。但经典PID控制由于控制参数在控制过程中不会发生变化,所以对于像室内移动轮椅式机器人这种复杂的系统而言,容易出现超调量大、响应慢、易振荡等问题。本文得到广东省高性能计算重点实验室开放项目资助(项目编号TH1528)和广东省佛山市科技计划项目资助(项目编号:FZ2010013)。针对室内移动轮椅式机器人在运动过程中,机器人特性受到材料磨损、环境差异等因素的影响而发生改变,导致采用经典PID的控制出现超调量大、响应慢、易振荡等的问题和室内移动轮椅式机器人在启动过程中,由于乘坐人质量不同,从而影响机器人启动过程的舒适度的问题,提出采用模糊推理得到PID的控制参数的控制方法,动态的改变PID控制器的控制参数,进而使得控制器能更好的满足系统需求。本文的主要工作如下:  首先,本文介绍了室内移动轮椅式机器人的相关背景知识,以及其研究的意义;分析了室内移动轮椅式机器人运动控制的研究现状、发展趋势以及存在问题。  其次,从机器人的结构和驱动、机器人的硬件架构、机器人控制系统框图三个方面来剖析室内移动轮椅式机器人的系统架构,通过对机器人系统架构的分析,确立室内移动轮椅式机器人模型建立的方向,即找到速度、航向角、启动加速度与控制量的关系模型。  第三,深入研究了室内移动轮椅式机器人运动学模型和动力学模型,通过对运动学模型和动力学模型的分析得到解决室内移动轮椅式机器人现阶段存在问题的方法,即设计速度、航向角和启动加速度三个控制器,来改善系统性能。  第四,详细阐述了经典PID控制和模糊控制的基本原理,模糊控制器的各个组成部分以及模糊控制器的设计过程,同时讨论了模糊PID控制器的结构形式,并说明了模糊PID控制器在室内移动轮椅式机器人控制系统设计中的应用。  第五,经过模糊化、获取模糊规则表、去模糊等过程得到室内移动轮椅式机器人速度模糊PID控制器和航向角模糊PID控制器以及启动加速度模糊PID控制器,同时介绍了模糊PID控制器的硬件电路和软件流程图。  第六,实验采用常规PID和模糊PID两种控制方式进行对比的实验方法进行,同时对实验结果进行分析。实验结果为:室内移动机器人速度控制,在系统参数发生波动时,模糊PID控制器相比于经典PID控制器调节时间平均缩短了3.73s;机器人航向角控制,在系统参数发生波动时,模糊PID控制器相比于经典PID控制器虽然系统调节时间平均增长了0.98s,但是超调量平均减小了13.3%;机器人启动加速度控制,在理想情况下,系统参数m变化时,模糊PID控制器相比于经典PID控制器虽然系统调节时间平均增长了2.3s,但是超调量平均减小了9.77%。  实验结果表明,模糊PID控制器相比于经典PID控制器,在室内移动轮椅式机器人的速度控制中,能大大减小系统的调节时间;在室内移动轮椅式机器人的航向角控制和启动加速度控制中,虽然会使得系统的调节时间稍稍增大,但是却能大大的降低系统的超调量。  最后,对本文所做的工作做出了总结,同时为后续的研究给出建议。
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