??? 在圖1中前后排各有9個光纖傳感器，后排的9個傳感器檢測點(diǎn)安裝在兩個驅(qū)動輪的軸線上，檢測機(jī)器人與引導(dǎo)線的偏移量。前排的9個傳感器檢測點(diǎn)檢測機(jī)器人與引導(dǎo)線的偏離角度。為了擴(kuò)大機(jī)器人的偏差糾錯能力，檢測點(diǎn)安裝成非線性的排列結(jié)構(gòu)，且相對于引導(dǎo)線中心線成對稱分布，中間的三個檢測點(diǎn)分布在引導(dǎo)線的中間和左右兩邊，以便使檢測點(diǎn)相對于引導(dǎo)線的位置變化較為敏感。其余兩側(cè)的12個檢測點(diǎn)分布較為分散，主要是為了在機(jī)器人轉(zhuǎn)彎或偏差過大時“捕捉”引導(dǎo)線。
2 模糊控制器設(shè)計
??? 根據(jù)移動機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和剛體平動原理，對于兩輪驅(qū)動的移動機(jī)器人，主要控制其角速度和線速度，前者完成移動機(jī)器人的轉(zhuǎn)向控制，后者實現(xiàn)機(jī)器人前進(jìn)速度的控制，利用機(jī)器人兩個獨(dú)立驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速來控制機(jī)器人的運(yùn)行和運(yùn)動方向。輪式機(jī)器人作為被控對象，具有大慣性、純滯后、時變的特點(diǎn)。過去常用PID 算法，如果條件稍有變化，系統(tǒng)參數(shù)（T、K_P、T_i、T_d）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，運(yùn)用模糊推理方法根據(jù)輸出直接映射出被控對象的控制量，它不依賴于被控對象的數(shù)學(xué)模型而實現(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)光電檢測傳感器檢測車體偏離引導(dǎo)線的大小來調(diào)整左右驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的行進(jìn)速度，隨時調(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)移動機(jī)器人的行走方式，介紹模糊算法控制器的設(shè)計方法。
??? 首先把移動機(jī)器人車體底盤上的前后光電檢測傳感器進(jìn)行編號(如圖1所示)。這些檢測點(diǎn)的編號可作為機(jī)器人偏離引導(dǎo)線的狀態(tài)值, 對于本系統(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點(diǎn)的輸入編號；輸出為左右步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動脈沖數(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點(diǎn)位置（BF）和后檢測點(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。通過仿真實驗分析，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。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)，使被控對象的值接近參考值。反模糊化采用重心法, 通過多次實驗進(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)計過程可知，根據(jù)機(jī)器人車體底盤上的前后光電檢測點(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)實際上是從輸入映射到模糊控制表對應(yīng)的輸出量。實際應(yīng)用模糊控制場合時大多數(shù)采用查表法來設(shè)計模糊控制器，通過離線計算與實際控制經(jīng)驗而得到一個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，這種映射在查表時是一一對應(yīng)的邏輯關(guān)系；現(xiàn)場控制時，只需要用軟件或硬件電路來查找控制表，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實現(xiàn)
??? 現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）是近年來發(fā)展迅速的大規(guī)模可編程邏輯器件，它具有設(shè)計周期短、片內(nèi)資源豐富、可無限次加載和現(xiàn)場可編程等特點(diǎn)。在FPGA上實現(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、具有自主知識產(chǎn)權(quán)、產(chǎn)品上市快等優(yōu)勢。
??? 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語言設(shè)計一個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，通過脈沖分配器驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。根據(jù)表2用VHDL語言設(shè)計的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為前后光電檢測點(diǎn)狀態(tài)的編碼信號，作為模糊控制輸出表的地址碼（一個字節(jié)），由它來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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