基于DSP和模糊控制的尋線行走機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　3 模糊控制策略

　　機(jī)器人的設(shè)計(jì)思想是利用光電檢測(cè)傳感器檢測(cè)車體偏離指引線的大小來調(diào)整左右驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的行進(jìn)速度，使機(jī)器人沿指引線行進(jìn)。這恰好符合模糊控制的思想[5]。

　　把前后光電檢測(cè)板上的光電檢測(cè)傳感器編號(hào)，將檢測(cè)到指引線的編號(hào)最大的光電檢測(cè)傳感器的編號(hào)作為車體偏離的距離，編號(hào)方法如表1。這樣，模糊控制器有兩個(gè)輸入：前后光電檢測(cè)板的輸入編號(hào)；模糊控制器有兩個(gè)輸出：左右步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖數(shù)。

　　模糊控制器的輸入量的語言值模糊子集選取為：{LB，LS，ZO，RS，RB}。其中：LB＝左大；LS＝左??；ZO＝中心；RS＝右小；RB＝右大。輸出量的語言值模糊子集選取為：{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。其中：NB＝負(fù)大；NM＝負(fù)中；NS＝負(fù)??；ZO＝零；PS＝正??；PM＝正中；PB＝正大。

　　根據(jù)隸屬函數(shù)的定義和選取規(guī)則，輸入變量前部位置iF 和后部位置iB的隸屬度選擇相同，如圖5所示。輸出變量左輪轉(zhuǎn)速OUL和右輪轉(zhuǎn)速OUR的隸屬度選擇相同，如圖6所示。

　　根據(jù)多次的實(shí)驗(yàn)和修正，得到如表2的左輪轉(zhuǎn)速控制規(guī)則表(右輪的轉(zhuǎn)速控制規(guī)則表內(nèi)容與左輪的轉(zhuǎn)速控制規(guī)則表對(duì)應(yīng)，例如iF為RB、iB為L(zhǎng)B時(shí)對(duì)應(yīng)的OUL為NB，類似可得到右輪轉(zhuǎn)速控制規(guī)則表)。模糊推理采用Mamdani法。反模糊化采用重心法，最終得到如表3所示的左輪轉(zhuǎn)速控制信號(hào)輸出表(右輪轉(zhuǎn)速控制信號(hào)輸出表可用類似于右輪轉(zhuǎn)速控制規(guī)則表推導(dǎo)的方法得到)。在′F240存儲(chǔ)空間中以表格的形式存儲(chǔ)表3，根據(jù)輸入可得到相應(yīng)輸出。

　　上述模糊信號(hào)的獲取通過EPM7128用VHDL語言編程實(shí)現(xiàn)，此部分的編程相對(duì)簡(jiǎn)單，不再贅述。由于光電傳感器信號(hào)的改變可以實(shí)時(shí)反映在CPLD的輸出上，′F240只需定時(shí)讀取此信號(hào)并做相應(yīng)從處理即可。假設(shè)前光電檢測(cè)板和后光電檢測(cè)板的信號(hào)分別保存在RE_CPLD字節(jié)的高半字節(jié)、低半字節(jié)中，若這兩個(gè)信號(hào)大于10則保持原數(shù)據(jù)不變，否則根據(jù)信號(hào)的大小計(jì)算此值在轉(zhuǎn)速控制信號(hào)輸出表中的偏移量：

　　其中#04h為保存轉(zhuǎn)速表的頁面，#MATRIXL為轉(zhuǎn)速表起始地址在頁面中的偏移量，ADDER_PS為查表值相對(duì)轉(zhuǎn)速表起始地址的偏移量。若將查表得到的值變化后保存為控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的定時(shí)器的周期，則可以實(shí)時(shí)改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速：

　　4 步進(jìn)電機(jī)調(diào)速的實(shí)現(xiàn)

　　步進(jìn)電機(jī)是純粹的數(shù)字控制電動(dòng)機(jī)。它將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)一定角度。步進(jìn)電機(jī)控制器的輸入端口有：VDD——電機(jī)電源正極；GND——電源地線；OPTO——控制信號(hào)的公共陽極；DIR——電機(jī)方向控制端；FREE——脫機(jī)輸入端；CP——脈沖輸入端(CP停止施加脈沖時(shí)，要保證CP為高電平，使內(nèi)部光耦截止)。此處給DIR端加高電平，使機(jī)器人只向前行進(jìn)，在程序中只需對(duì)CP端進(jìn)行處理。

　　脈沖的產(chǎn)生通過控制I/O端口的電平變化實(shí)現(xiàn)。在設(shè)定了定時(shí)中斷的各種參數(shù)后，在定時(shí)器中斷處理程序中使一個(gè)標(biāo)志字不停地加1：

　　在主程序中可以設(shè)定行走距離，定時(shí)中斷的時(shí)間間隔決定脈沖的頻率，也即決定步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度：

　　其中，數(shù)值2 000代表機(jī)器人行走的距離單位。利用模糊控制策略，改變控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的定時(shí)器定時(shí)周期的長(zhǎng)短以及行進(jìn)的距離，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的尋線行進(jìn)。

　　在總結(jié)近期參加的機(jī)器人比賽和電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的基礎(chǔ)上，針對(duì)機(jī)器人尋線行走的普遍要求，提出了一種基于DSP+CPLD和模糊控制策略的機(jī)器人實(shí)現(xiàn)方法。利用該方法設(shè)計(jì)的機(jī)器人參加了多種不同的機(jī)器人比賽(如全國大學(xué)生機(jī)器人電視大賽、足球機(jī)器人比賽子項(xiàng)和電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽等)，運(yùn)行狀況良好，取得了較理想的成績(jī)，進(jìn)而證實(shí)了此設(shè)計(jì)的有效性。

　　參考文獻(xiàn)

　　1 許 歡，唐競(jìng)新.調(diào)制光尋線及其在自動(dòng)行走機(jī)器人中的應(yīng)用.清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2002；42(1)：115～117

　　2 萬永倫，丁杰雄.一種機(jī)器人尋線控制系統(tǒng).電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2003；32(1)：47～50

　　3 TMS320C240X DSP Controllers CPU，System，and Instruction Set.Texas Instruments，1997

　　4 曹衛(wèi)華，吳 敏，陳 鑫.基于DSP控制的足球機(jī)器人小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用，2002；3：19～21

　　5 叢 爽.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊系統(tǒng)及其在運(yùn)動(dòng)控制中的應(yīng)用.合肥：中國科技大學(xué)出版社，2001