??? 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。這使得控制器參數(shù)設定和調(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)行元件廣泛應用于數(shù)控機床、自動化儀表、機器人等領域，不但可以構(gòu)成開環(huán)控制系統(tǒng)，還可以應用于閉環(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實際上是從輸入映射到模糊控制表對應的輸出量。實際應用模糊控制場合時大多數(shù)采用查表法來設計模糊控制器，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的邏輯關系；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有多種方法，可以用VHDL語言設計一個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計的模糊控制，設計方便、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，檢測電路的設計顯得非常重要。
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