??? 摘 要： 針對輪式移動機器人尋線行走的跟蹤控制要求，提出一種通用的移動機器人行走模糊控制設(shè)計方法，并以FPGA為核心器件，通過硬件描述語言（VHDL）實現(xiàn)移動機器人模糊控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮模糊控制及可編程邏輯器件的優(yōu)點。實驗表明，該移動機器人具有自動糾偏、尋線準確、高集成度和高可靠性的特點。
??? 關(guān)鍵詞： 模糊控制；機器人；FPGA；VHDL；尋線
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??? 移動機器人是一種集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多項功能于一體的智能化機器系統(tǒng)，具有大延遲、高度非線性的特點。其建立精確的數(shù)學模型十分困難，在進行路徑跟蹤控制時，參數(shù)的變化對系統(tǒng)模型影響較大。傳統(tǒng)的機器人運動控制常采用PID控制器，將機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器人的駕駛角。而在實際中，機器人的航向角還與其速度、轉(zhuǎn)動慣量、重心位置、前后輪側(cè)偏系數(shù)、驅(qū)動輪直徑和摩擦力、實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。針對這些問題，本文在輪式移動機器人尋線跟蹤控制中，提出移動機器人的模糊控制算法，并且利用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)器件來實現(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)場實現(xiàn)多重配置，易于實現(xiàn)可編程片上系統(tǒng)(SoPC)。由于整個控制系統(tǒng)由硬件實現(xiàn),因此能滿足機器人實時性、快速性和精確性的控制要求。
1 移動機器人結(jié)構(gòu)
1.1 機器人行進機構(gòu)
??? 機器人應(yīng)能在任意區(qū)域內(nèi)沿引導線行進，自動繞開障礙并停在指定地點。機器人在地面上的移動方式為三車輪式，前輪輔助后輪驅(qū)動的差動式行走方式。前輪為隨動輪（萬向輪），僅僅起到支撐車體的作用，無任何導向作用。后輪分別為兩個獨立的驅(qū)動輪,利用它們的轉(zhuǎn)速差來控制機器人的運動方向。這種組合的特點是結(jié)構(gòu)簡單、易于控制，而且當兩個驅(qū)動輪以相同速度、相反方向轉(zhuǎn)動時，車體能繞兩個驅(qū)動輪連線的中點自轉(zhuǎn)，易于定位。對驅(qū)動輪采用直流步進電機進行驅(qū)動。步進電機構(gòu)成的驅(qū)動系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、控制方便、控制性能好等特點，常作為一種數(shù)字伺服執(zhí)行元件廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、自動化儀表、機器人等領(lǐng)域，不但可以構(gòu)成開環(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，尤其在強調(diào)速度控制、位置控制的伺服系統(tǒng)中。
1.2 檢測裝置
??? 在機器人行進機構(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線的檢測，如圖1所示。根據(jù)前后排傳感器的在線檢測狀態(tài)，可以計算出此刻機器人相對于引導線（白線）的偏移量和偏離角度。也就是指機器人車體中心軸線和場地引導線中心線的夾角。
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??? 在圖1中前后排各有9個光纖傳感器，后排的9個傳感器檢測點安裝在兩個驅(qū)動輪的軸線上，檢測機器人與引導線的偏移量。前排的9個傳感器檢測點檢測機器人與引導線的偏離角度。為了擴大機器人的偏差糾錯能力，檢測點安裝成非線性的排列結(jié)構(gòu)，且相對于引導線中心線成對稱分布，中間的三個檢測點分布在引導線的中間和左右兩邊，以便使檢測點相對于引導線的位置變化較為敏感。其余兩側(cè)的12個檢測點分布較為分散，主要是為了在機器人轉(zhuǎn)彎或偏差過大時“捕捉”引導線。
2 模糊控制器設(shè)計
??? 根據(jù)移動機器人的結(jié)構(gòu)和剛體平動原理，對于兩輪驅(qū)動的移動機器人，主要控制其角速度和線速度，前者完成移動機器人的轉(zhuǎn)向控制，后者實現(xiàn)機器人前進速度的控制，利用機器人兩個獨立驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速來控制機器人的運行和運動方向。輪式機器人作為被控對象，具有大慣性、純滯后、時變的特點。過去常用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)學模型而實現(xiàn)其控制，具有魯棒性好的特點，很適合輪式機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器人進行控制。
??? 為了滿足機器人沿引導線行走的目的，可以根據(jù)光電檢測傳感器檢測車體偏離引導線的大小來調(diào)整左右驅(qū)動步進電機的行進速度，隨時調(diào)整機器人的行進路線，從而使機器人沿引導線行進。下面根據(jù)移動機器人的行走方式，介紹模糊算法控制器的設(shè)計方法。
??? 首先把移動機器人車體底盤上的前后光電檢測傳感器進行編號(如圖1所示)。這些檢測點的編號可作為機器人偏離引導線的狀態(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的輸入編號；輸出為左右步進電機驅(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{負大，負中，負小，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位置（BF）和后檢測點位置(BA)的隸屬度函數(shù)。輸出變量左、右步進電機轉(zhuǎn)速的隸屬度函數(shù)如圖3所示。通過仿真實驗分析，得到左電機轉(zhuǎn)速控制規(guī)則表(右電機轉(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, 通過多次實驗進行修正，得到如表2所示的左步進電機轉(zhuǎn)速控制信號輸出表(用十六進制數(shù)表示)。右步進電機轉(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)機器人車體底盤上的前后光電檢測點的狀態(tài)作為輸入量進行模糊化，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、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。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式表示出來，通過脈沖分配器驅(qū)動步進電機。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)，即步進電機轉(zhuǎn)速的周期。周期值越大，頻率越小，步進電機的轉(zhuǎn)速就越慢；反之步進電機的轉(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集成開發(fā)環(huán)境中，利用Cyclone系列中的EP1C6器件進行了設(shè)計和仿真，并組成測試系統(tǒng)進行測試。實踐證明,該移動機器人具有自動糾偏、尋線準確、高集成度和高可靠性的特點。用可編程邏輯器件設(shè)計的模糊控制，設(shè)計方便、修改容易，它可以和其他功能模塊電路同時用FPGA來完成，可以充分發(fā)揮模糊控制及可編程器件的優(yōu)點，使兩種先進的技術(shù)有機結(jié)合。除了以上介紹的機器人行走控制器外，還有其他單元電路，如紅外光電檢測電路、超聲波檢測電路、光電碼盤檢測和電機驅(qū)動電路，以及可以隨時接收上位機發(fā)出指令的通訊模塊電路。為了實現(xiàn)機器人可靠的行進，檢測電路的設(shè)計顯得非常重要。
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