溫室移動機器人導航和避障模糊控制

1、2 0 0 2年3月農業(yè)機械學報第33卷第2期溫室移動機器人導航和避障模糊控制謝守勇 鮑安紅 管在林 楊國才 【摘要】 對適用于溫室農業(yè)生產(chǎn)的移動機器人導航和避障進行了研究,采用模糊控制技術對溫室移動機器人的控制算法進行研究。利用單片機作為控制核心,研制了一種模糊控制器,并在移動機器人模型上進行了實驗。實驗證明,該模糊控制算法在一定程度上能夠滿足溫室移動機器人控制的需要。敘詞:溫室 機器人視覺 導航 模糊控制中圖分類號:TP249文獻標識碼:ANavigation of a Mobile Robot in Greenhouse and Its ObstacleAvoidance by Fuzz

2、y ControlXie Shouyong Bao Anhong Yang Guocai(Southwest Agricultural University) Guan Zailin(Huazhong University of Science and Technology)AbstractThe controlling arithmetic for a mobile robot in greenhouse was studied by fuzzy controltechnique and a fuzzy controller, which took a singlechip as its c

3、ore, was developed. The fuzzycontroller was tested for a mobile robot control and the results indicated that the control arith-metic satisfied the requirements of a mobile robot in greenhouse.Key words Greenhouses, Robot vision, Navigation, Fuzzy control收稿日期: 2001 02 14謝守勇 西南農業(yè)大學農業(yè)工程學院 講師, 400716 重慶

4、市鮑安紅 西南農業(yè)大學農業(yè)工程學院 博士管在林 華中科技大學機械科學與工程學院 博士 副教授, 430074 武漢市楊國才 西南農業(yè)大學信息學院 教授 引言單個溫室使用面積小,一般的農業(yè)機械不能滿足其使用要求,因此為了進一步挖掘溫室生產(chǎn)潛力,提高經(jīng)濟效益,改善勞動條件和減輕勞動強度,開發(fā)溫室移動機器人非常必要。由于農業(yè)生產(chǎn)環(huán)境與工業(yè)相比有其特殊性,農業(yè)機器人在生產(chǎn)過程中不但應具有定位、導航功能,還應能準確識別農作物的有無及其形狀,以便實現(xiàn)定點均勻作業(yè)1。目前,國內對農業(yè)機器人的研究較少,因此,本文對溫室農業(yè)生產(chǎn)機器人的導航和避障控制進行研究。1 溫室移動機器人的特點移動式機器人具有自主運動功能

5、,即避障和導航功能。溫室移動機器人活動場所內的障礙物主要是一些作物、溫室骨架、管道和附屬道路障礙等。溫室移動機器人運動的目的主要是為了完成一定的工作任務,移動是完成生產(chǎn)任務的基礎。因此,溫室移動機器人應具備三大主要功能,即導航避障工作。溫室移動式機器人的運動是通過前輪導向、后輪驅動來實現(xiàn)的。其運動的控制如果采用經(jīng)典控制理論,則需要建立精確的數(shù)學模型。由于運動過程中的障礙物具有復雜性,其數(shù)學模型難以建立,采用模糊控制技術可以不必建立精確的數(shù)學模型,所以在該機器人的控制方式上采用模糊控制技術。2 模糊控制器的設計2.1 設計思想常規(guī)的模糊控制器是以某一變量的變化和變化率作為輸入量而構成的二維模糊控

6、制器。在該控制系統(tǒng)中,將傳感器(3組紅外線測距傳感器)所檢測到的障礙物距離變化量和方位角變化量作為輸入量,通過模糊化、模糊推理、反模糊化得到一個角度變化量作為輸出量,再轉變成角速度和控制時間來實現(xiàn)對前輪方向控制電機的控制,以實現(xiàn)對移動機器人前進方向的控制。2.2 導航策略為了實現(xiàn)機器人運動控制的自動性,需要對移動機器人的運動方向進行確定,根據(jù)檢測到的障礙物信息自動找出其運動方向。圖1為某溫室移動機器人向目標G運動的示意圖2。圖1 移動機器人向目標運動示意圖 在該圖中,假設機器人的運動只有前進,其前進速度為定值。由物理學可知,在任意兩個物體之間將產(chǎn)生吸引力3,現(xiàn)假設目標G對機器人產(chǎn)生吸引力為Fa

7、,該力很小,對機器人的運動具有引導作用。g為機器人前輪轉向的角速度,g為偏離目標的角度,為導向角,D為機器人寬度。圖2 g與g的關系圖當PG>D時,其角速度為g=CgPGD180g(1)式中 Cg控制轉彎的系數(shù),其選擇參照圖22,為了簡化計算,可以取為1當PGD時,其角速度為g=Cg180g(2)2.3 模糊控制避障算法設計移動機器人應根據(jù)導航策略確定運動方向,并在前進過程中將獲取的障礙物信息加以處理,以實現(xiàn)避障。這里的移動機器人避障采用模糊控制技術。在模糊控制器設計中,重要的是控制算法的設計,合理的算法有利于模糊控制器的計算,并提高計算速度。在該模糊控制器的算法設計中,以機器人與障礙物

8、的距離ED和前進方向與障礙物之間的角度E(即方位角)作為輸入量,U(即g的變化量)作為輸出量,采用IF THEN的形式,如:IF ED=S AND E=NS THEN U=PS歸納總結其控制算法規(guī)則為35條,見表1。表中:VS、S、M、L、VL、NL、NS、NZ、Z、PZ、PS、PL含義分別為很小、小、中等、長、很長、負大、負小、負零、零、正零、正小、正大。表1 模糊規(guī)則控制表EEDVS S M L VLNL Z Z Z Z ZNS PS PS Z Z ZNZ PL PL PS Z ZZ PL PL PS PS ZPZ NL NL NS Z ZPS NS NS Z Z ZPL Z Z Z Z

9、Z對溫室移動機器人的運動控制是模仿人對小車的駕駛控制行為,將距離變化范圍和方位變化范圍細分為9個點,它們各自對各模糊子狀態(tài)的賦值(即隸屬度)見表24。表2 ED的語言變量賦值表ED-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4VS 1 0.5 0 0 0 0 0 0 0S 0 0.5 1 0.5 0 0 0 0 0M 0 0 0 0.5 1 0.5 0 0 0L 0 0 0 0 0 0.5 1 0.5 0VL 0 0 0 0 0 0 0 0.5 1表3 E的語言變量賦值表E-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4NL 1 0.5 0 0 0 0 0 0 0NS 0 0.5 1 0.5 0 0 0

10、 0 0NZ 0 0 0 0.5 1 0.5 0 0 0Z 0 0 0 0.5 1 0.5 0 0 0PZ 0 0 0 0.5 1 0.5 0 0 0PS 0 0 0 0 0 0.5 1 0.5 0PL 0 0 0 0 0 0 0 0.5 1表4 U的語言變量賦值表U-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4NL 1 0.5 0 0 0 0 0 0 0NS 0 0.5 1 0.5 0 0 0 0 0NZ 0 0 0 0.5 1 0.5 0 0 0Z 0 0 0 0.5 1 0.5 0 0 0PZ 0 0 0 0.5 1 0.5 0 0 0PS 0 0 0 0 0 0.5 1 0.5 0PL 0

11、 0 0 0 0 0 0 0.5 175 第2期謝守勇等:溫室移動機器人導航和避障模糊控制 在模糊控制器的設計中,模糊關系為R=35i=1(EDi×Ei)T Ui (3)式中 i規(guī)則序號再由檢測到的距離變化量ED和角度變化量E得出角度控制量為U=(ED×E)T R(4)由式(4)得出的控制量U是模糊量4,還需要進行反模糊化。反模糊化的方法很多5,在這里,采用最大隸屬度法。將模糊量進行精確化,所得到的精確量即導向角變化量d,通過式(1)或(2)求出角速度g就可以求出控制作用時間dt,這樣就可以直接控制電機,實現(xiàn)對導向輪的轉角控制,進而實現(xiàn)對移動機器人的導向控制。3 硬件設計該

12、移動機器人為一模型,運動速度很小,為了驗證該模糊控制器的算法,將單片處理機作為控制核心,設計出一種模糊控制器,其模糊控制系統(tǒng)硬件結構如圖3所示。圖3模糊控制系統(tǒng)硬件結構示意圖轉向控制電機驅動電路電源光電隔離8031 EPROMA/D轉換電路放大電路測距傳感器3.1 單片機的選擇由于機器人模型的運動速度較小,只考慮了兩個輸入量,所以其運算速度要求不是很高,選用8031單片處理機作為該系統(tǒng)的處理控制芯片,即可滿足該系統(tǒng)模糊控制的需要。3.2 程序存儲器的擴展由于8031單片機無程序存儲器,須外接E-PROM,在這里選用2764。在程序存儲器擴展中,必須將8031的EA接地,使CPU只執(zhí)行片外程序存

13、儲器中的程序。3.3 檢測放大電路采用紅外線測距傳感器對輸入變量進行檢測,該傳感器利用移相原理制成,實現(xiàn)對前方障礙物的距離和方位的檢測。由于檢測到的信號很小,需要對其進行放大,采用OP07運放組成低漂移、高精度前置放大器,再由741組成后級放大器。3.4 A/D轉換電路紅外線測距傳感器所檢測到的距離和方位信號是模擬信號,須進行A/D轉換變?yōu)閿?shù)字量。A/D轉換采用ADC0809,因為它允許8路模擬量分時輸入,共用一個A/D轉換器進行轉換,轉換的數(shù)字信號供模糊控制器處理。3.5 輸出驅動電路設計模糊控制器根據(jù)輸入信息輸出相應的控制策略,由于該控制量的能量有限,不能直接用于驅動轉向控制電機,因此要采

14、用驅動電路,其中驅動電路采用74LS244。為了消除單片機處理電路和功率輸出電路之間的影響,提高抗干擾能力,采用光電耦合器TIL117,將兩個電路隔離開來。4 實驗結果將所研制的模糊控制器安裝在移動式機器人模型上進行運動實驗,實驗結果如圖4、5所示(圖中虛圖4 在形狀簡單障礙物下的小車避障軌跡 圖5 在形狀復雜障礙物下的小車避障軌跡 線為軌跡曲線)。實驗表明:機器人模型可以自主地運動,能夠避開障礙物,該模糊控制器中的算法和結構基本能夠滿足溫室移動機器人的需要;但是對于表面過于復雜的障礙物,避障效果不是很好,這是由于所使用的傳感器的精度不高,所檢測到的障礙物表面信息誤差大,從而使模糊控制器的判斷推理產(chǎn)生偏差,使其避障效果受到影響。因此對傳感器還需作進一步改進,以提高其精度