野 外 巡 检 机 器 人 的 控 制 器

胡秀敏， 何志琴， 钞 凡， 杨睿婉

(贵州大学 电气工程学院, 贵阳 550025)

0 引 言

在20世纪80年代，在日本、美国等西方国家对巡检机器人的相关研究不断展开[1-2]。经过不断研究，国外已有一定的巡检机器人技术。在1999年，国内开始研究巡检机器人，到目前为止，巡检机器人在工业、快递行业都有广泛应用。

据不完全统计，有20多家制造商都在开发机器人[3-6]，而机器人最重要的模块是运动控制器。当巡检机器人在有坡度及转角时，会出现速度缓慢、运行不够平稳等，本文基于此情况对控制器进行研究。

1 控制器设计

1.1 控制器主要功能

控制器分为横向控制和纵向控制两种，分别控制机器人的运动速度与转向。其控制系统结构见图1。要使巡检机器人在山地环境中，在保证一定负载和自发性情况下，稳定有效完成巡视检查工作。须使控制器的后轮对电机进行控制，通过调整电机速度，完成对机器人速度的控制。该设计具有以下特点：

(1) 满足安装方便。巡检车体有一定的大小和承重范围，所以控制器的尺寸和重量要尽可能小；

(2) 要有一定实时性。在后轮驱动且前轮实现速度差的过程中，耗时要尽量小；

图1 控制系统结构图

(3) 具有独立性。各部分硬件模块化，能实现扩展，便于后续相应功能调整；

(4) 具有直观性。为了使系统调试与监控更加方便，设计良好的交互界面；

(5) 具有抗干扰性。由于实际运行道路崎岖，应考虑抗干扰能力；

(6) 具有自发性。使用电磁传感器规划路线，机器人能自发巡检；

(7) 具有便捷性。为了巡检方便和安全，使用蓄电池提供动力。

(8) 具有容错性。能及时自动纠正运行中的路径偏差。

1.2 自适应PI控制器设计

为了提高系统的速度环的抗干扰能力，在转速环采用自适应模糊PI调节器的闭环策略。自适应模糊PI控制器原理如图2所示。自适应模糊PI控制的基本思想是按照专家经验，找出比例(Kp)、积分(Ki)、误差e以及误差的变化率ec四者之间的关系。PI参数应该满足下面规则[7-9]:

(1) 在系统刚开始运行时候，误差e的绝对值比较大，为了使系统能快速响应，且保证消除积分饱和影响，则KP此时的值很大，同时，要控制超调量的干扰，所以Ki等于零；

(2) 在系统进入稳定状态的前一个时间段，此时误差的绝对值大约是误差最大值的一半，考虑到系统响应速度以及超调量大小，要保证Ki的值在一定范围里，尽可能小，但也不能太小，尽量居中；

(3) 在系统即将进入到稳定状态时候，这个时候误差已经很小了，为了使系统稳定运行，且保持良好的响应速度与抗干扰能力，要适当增加Kp、Ki的值。

图2 自适应模糊PI控制器原理图

模糊子集设定为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，其中，NB表示负大、NM表示负中、NS表示负小，ZO表示零，PS表示正大、PM表示正中、PB表示正小。模糊论域设定为[-3，-2，-1，0，1，2，3]。根据PI控制器的工作原理和以上控制规则就可以设计出模糊控制的规则表，见表1、2。

表1 Kp模糊控制规则表

表2 Ki模糊控制规则表

1.3 模块化设计

1.3.1 硬件模块化

巡检机器人运动控制系统硬件由5大部分构成，即MK60DN512ZVLQ10、电磁、速度控制、动力电源和驱动系统算箅模块。各个部分分别完成了主要数据处理、路径规划、差速检测反馈、提供电源、动力驱动功能[10-12]。硬件框图如图3所示。

图3 硬件框图

1.3.2 软件模块化

巡检机器人系统软件根据功能分成了4个部分，主要是电磁传感器部分、速度控制部分、转向实现部分、车体保护部分[13-16]。软件整体框架图如图4所示。

图4 软件整体框架图

2 真结果分析

2.1 前轮差速仿真

当输入量角度δ为斜坡函数，这里取δ=15t进行仿真实验。车轮速度变化如图5所示，其中，v2、v1是前侧左右轮速度，v3、v4是后侧左右轮速度。

图5 4车轮速度变化

由图5可知，随着时间增加，v2、v1、v4逐渐增大，v3逐渐减小，但v4增加比较缓慢，这是由于随着δ角的增加，巡检车的转向半径越来越小，左右驱动轮间的差值越来越大才能满足转向需求。

这个时候，对相应的左边和右边调速系统的相电流、转矩和绕组反电动势仿真波形如图6所示。

从仿真图形中可以看出，在起始阶段，左边和右边的相电流都是大于零的值，这是因为在开始阶段，左右两边驱动轮的速度都是在逐渐增大的。在时间为25 ms时候，左边驱动轮的相电流以及电磁转矩开始不断减小，右边的驱动轮则相反，相电流以及电磁转矩开始增加，左右轮之间速度差值越来越大，达到了转向的需求。

2.2 自适应PI控制仿真

速度环采用自适应模糊PI控制，输入为速度偏差值、偏差变化值。自适应PI控制下转矩仿真如图7所示。

图7 自适应 PI 控制下转矩曲线

转速仿真如图8所示，在时间为0.2 s时，突然增加2 N·m的负载，如图9所示，自适应PI控制器能及时恢复平衡稳定。由图 8、9可知，在某一时刻突然增加负载，自适应模糊PI控制能立即响应，维持稳定，具有更好的抗干扰能力，符合本设计的要求。

图8 自适应模糊 PI 控制 转速曲线图9 突加负载后转速 曲线

3 实验测试

本系统的测试在室内环境下进行。具体巡检车调试平台如图10所示。

图10 巡检车调试平台

选择半径分别为1 m、3 m进行测试，测试结果如图11、12所示。由图11、12可见，如果巡检机器人的速度越小，在转向时，误差就小，反之亦然。但误差是在一定小范围，不影响系统行径，能满足性能要求。

图11 圆弧半径1 m时速度与平均测试误差关系

图12 圆弧半径3 m时速度与平均误差关系

4 结 语

对于运行在道路崎岖、环境恶劣中的巡检机器人，根据其具体性能要求，在经典四车轮模型基础上，使用双后轮驱动，前轮实现转速差，实现巡检机器人的稳定运行。在MATLAB平台上进行了仿真，并在模拟车体平台上进行了测试，测试结果表明，本文设计的差速分配方案能满足巡检机器人的性能指标要求。