模糊控制的舵機轉(zhuǎn)向控制方法

優(yōu)化設(shè)計控制方法

目前，汽車正向自動化、智能化方向發(fā)展，實現(xiàn)自動尋線行駛、自實現(xiàn)路徑變化功能，并在可靠性基礎(chǔ)上快速行駛，在工程及物流等實際生產(chǎn)中得到越來越多的應(yīng)用。競速車模的設(shè)計開發(fā)，為車輛尋線行駛功能的實現(xiàn)提供了可借鑒的方案和方法。本文對競速車模舵機轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，提出了一種模糊控制的舵機轉(zhuǎn)向控制方法。

各種控制方法分析

目前，人們所采用的自動控制方法大致分為三種：經(jīng)典控制、現(xiàn)代控制和智能控制。

經(jīng)典控制是人們常用的控制方法，是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)實現(xiàn)的。一般的工業(yè)生產(chǎn)過程較多屬于線性定常系統(tǒng)，故可以用經(jīng)典控制方法來控制，經(jīng)典控制方法最典型的就是pid控制方法[1-3]。其調(diào)節(jié)品質(zhì)取決于pid控制器各個參數(shù)的整定。但是這種控制方法只能解決線性定常系統(tǒng)的控制問題。

現(xiàn)代控制理論可以解決時變系統(tǒng)的控制問題，在時變系統(tǒng)中，輸入量和輸出量的關(guān)系隨時間的變化而變化。故而現(xiàn)代控制理論在航空航天和軍事上有很大的作用?，F(xiàn)代控制方法以狀態(tài)方程為基礎(chǔ)實現(xiàn)。

智能控制[4-5]是自動控制發(fā)展的高級階段，是人工智能控制論、系統(tǒng)論和信息論的多種學(xué)科的高度綜合與集成，是一門新的交叉前沿學(xué)科。智能控制無需人的干預(yù)就能夠獨立驅(qū)動智能機器實現(xiàn)其目標(biāo)的控制方法。目前，智能控制技術(shù)，如神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，模糊控制技術(shù)，遺傳算法優(yōu)化技術(shù)，專家控制系統(tǒng)，基于規(guī)則的仿人智能控制技術(shù)等已進入工程化和實用化。

控制方案的選取

經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制，要求建立一套精確的數(shù)學(xué)模型，然而在實際應(yīng)用中，有些復(fù)雜過程難以求取數(shù)學(xué)模型或根本無法求取其數(shù)學(xué)模型。智能控制是利用人的經(jīng)驗來控制復(fù)雜過程的一種方法，并不斷完善和發(fā)展。模糊控制[6-8]是智能控制方法中的一種，智能競速車采用模糊控制，有如下優(yōu)點：

(1)無需預(yù)先知道被控對象的精確數(shù)學(xué)模型。

(2)控制規(guī)則以人的經(jīng)驗總結(jié)表示，容易掌握。

(3)對被控對象的參數(shù)變化有較強的魯棒性。

(4)控制知識是以人的語言形式表示，有利于人機對話和系統(tǒng)的知識處理，從而有利于系統(tǒng)處理的靈活性和機動性。

智能車設(shè)計方案

智能車前輪轉(zhuǎn)向設(shè)計要求

智能車模以穩(wěn)、快、準(zhǔn)為目標(biāo)，即要求模型車速度及行駛路線穩(wěn)定，算法反應(yīng)和速度、角度調(diào)節(jié)快，以及速度控制和檢測系統(tǒng)測量準(zhǔn)確，所以設(shè)計過程中，檢測部分必須選擇性能可靠、反應(yīng)速度快的傳感器，并使用智能算法控制車輛行駛[9-11]。

紅外傳感器的布置

針對白色底色寬60cm，標(biāo)識黑線寬2.5cm的道路條件，本設(shè)計采用7對紅外傳感器進行道路識別，每個紅外傳感器間隔2.5cm，成水平直線排列，以保證只有一個光電管信號在黑線內(nèi)為穩(wěn)定目標(biāo)。這樣，就可以依據(jù)識別信號，將偏轉(zhuǎn)角度劃分為7個級別。

舵機控制模塊

采用hs-925型舵機來控制智能車前輪的轉(zhuǎn)向，其特點為扭力大，穩(wěn)定性好，控制簡單，便于和數(shù)字系統(tǒng)接口，控制角度精確。

舵機工作原理

(1)舵機結(jié)構(gòu)包括減速齒輪組，位置反饋電位計，直流電機和控制電路等。

舵機工作原理如圖1所示，減速齒輪組由電機驅(qū)動，其輸出軸帶動一個線性的比例電位器作位置檢測，該電位器把轉(zhuǎn)角線性地轉(zhuǎn)換為電壓并反饋給控制線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號比較，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅(qū)動電機正向或反向轉(zhuǎn)動，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，從而達到使伺服馬達精確定位的目的[12-13]。

圖1 舵機工作原理

(2) 舵機的控制

本系統(tǒng)采用的控制信號為周期13ms的脈沖信號，改變脈沖寬度就可以改變舵機的方向，另外脈沖寬度和轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系[14-16]，其計算公式為：

a=(l-1.5)×90° (1)

其中a是舵機的轉(zhuǎn)角，單位是度;l是脈沖寬度，單位是毫秒。其轉(zhuǎn)角和脈沖寬度的對應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

圖2 舵機的控制

在硬件實現(xiàn)上，利用了一路16位的pwm來驅(qū)動舵機轉(zhuǎn)向。

模糊控制方案的設(shè)計

模糊控制器有三個功能模塊：模糊化，模糊推理，清晰化，如圖3所示。

圖3 模糊控制器

模糊子集和隸屬函數(shù)的建立紅外接收管編碼如圖4所示。

圖4 紅外接受管編碼

本系統(tǒng)模糊控制器采用常規(guī)模糊控制器，其輸入量為當(dāng)前位置偏差e，輸出量為舵機控制信號u。

位置偏差e是光電傳感器反饋回的實際位置與智能車中軸線的偏差。e為零時，智能車未偏離路徑;e為正數(shù)時，智能車向左偏離路徑;e為負數(shù)時，智能車向右偏離路徑。其偏離范圍e(論域，單位為cm)為[-9，9]，將論域離散化為整數(shù)集e={-9，-6，-3，0，3，6，9}，則量化因子k=n/x=1.0。

將位置偏差e的值模糊化。設(shè)模糊子集e={nb,nm,ns,ze,ps,pm,pb}，其中，nb：[-9，-6]，表示左偏特大;nm：[-9，-3]，表示左偏較大;ns：[-6，0]，表示左偏較小;ze：[-3，3]，表示正中;ps：[0，6]，表示右偏較小;pm：[3，9]，表示右偏較大;pb：[6，9]，表示右偏特大。

e的隸屬函數(shù)為三角形函數(shù)分布，如圖5所示。