温室机器人运动控制研究

【摘 要】本文以温室移动机器人为研究对象，在模糊控制理论的基础上，将模糊控制引入到温室机器人行进路线控制系统中，开发适应温室复杂环境的行进路线控制技术，保证了移动机器人的安全，实现了循迹避障功能。

【关键词】模糊控制；运动控制；避障传感器

0 引言

模糊逻辑控制（Fuzzy Logic Control）简称模糊控制（Fuzzy Control），是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。模糊控制实质上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。近20多年来，模糊控制不论从理论上还是技术上都有了进步，成为自动控制领域中一个非常活跃而又硕果累累的分支。根据模糊控制原理，设计模糊控制器以实现机器人在温室中的运动控制[1]。模糊控制器主要有模糊化、知识库、模糊推理和去模糊化四部分[2]组成。

1 温室机器人运动控制研究

对温室机器人来说，农作物植株是机器人行走的障碍物，所以机器人在大棚农田的运动过程就是控制机器人避开农作物植株的过程。温室机器人行进中的控制技术直接影响了温室机器人的作业效果，也是开发实用设备的关键[3]。

1.1 用模糊控制来实现温室机器人的运动控制

建立适合温室机器人运动的模糊逻辑控制规则，根据这些规则设计模糊控制器[4]。模糊控制器以红外传感器收集到的信息为依据，把最终目标点分解成一个个的当前目标点，从而实现温室机器人在未知环境下的运动控制，并在此基础上进行运动控制的计算机仿真。

1.2 温室机器人模糊控制器设计

1.2.1 模糊化

模糊化就是将被控对象的相关数据的精确值进行标准化处理，即把其变化范围映射到相应得内部论域中，然后将输入数据转换成相应的模糊语言变量的概念，构成模糊集合，这样就将输入的精确量转换为用模糊集合表示的某一模糊变量的值[5]。

1.2.2 知识库

知识库包括数据库和规则库两部分[6]。

（1）数据库

定义模糊输入变量dl和dr的模糊语言分为{S，M，B }={“小”，“中”，“大”}；

模糊输入变量sα的模糊语言分为{LB，LS，Z，RS，RB}={“左大”， “左小”， “零”， “右小”， “右大”}；

模糊输出变量的模糊语言分为{TLB，TLS，TZ， TRS，TRB}={“左大”， “左中”， “左小”， “零”， “右小”， “右中”， “右大”}。

（2）规则库

模糊控制规则是模糊控制器的核心，是将操作者的操作经验和专家知识进行总结而得来的。模糊控制规则可用多条模糊条件语句来表示。最常用的关联词有if-then、or、and等。如ri：（i=1，2，3，…）表示第i条控制规则。

它是模糊控制器的核心，是专家的知识或现场操作人员的经验的一种体现，即控制中所需要的策略。控制规则的条数可能有很多条，那么需要求出总的控制规则R，作为模糊推理的依据。

2 温室机器人实验仿真

用MATLAB仿真，其仿真结果中的障碍物代表农作物植株，小黑圈代表机器人的位置。机器人由“起点”出发，穿过两行农作物，到达终点。MATLAB仿真实验表明，该控制器能有效控制机器人在避开农作物植株。

2.1 温室机器人避障行为的设计

温室机器人躲避障碍行为的功能是根据它当前探测到目前的环境信息，才决定机器人如何运动、能避开环境中的障碍物。当该行为与奔向目标行为相结合时，能使机器人绕开环境中的障碍到达目标点。如前所述，温室机器人的传感器是一个组合，该组合由3个传感器组成。

2.2 温室机器人循迹

这里的循迹是指样车在温室大棚循白线行走，通常采取的方法是红外探测法。红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在样车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到地面时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，样车上的接收管接收不到红外光。单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定白线的位置和样车的行走路线。红外探测器探测距离有限，一般最大不应超过3cm。

用一个字节来代表车底的6个光电传感器。用每一个位来代表当前传感器的检测状态。

把样车直线行进时分成三种状态，当中间四个传感器都检测到白线时，样车在跑道的正上方，这时控制两电机同速度全速运行。当检测到有一个传感器或者同侧的两个传感器偏出白线时，样车处于微偏状态，这时将一个电机速度调慢，另一电机速度调快，完成调整。当检测到有三个传感器偏出时，样车处于较大的偏离状态，这时把一个电机的速度调至极低，另一电机全速运行，从而在较短时间内完成路线的调整。

用这种三级调速的循迹算法同单纯的判断检测到对管的位置并作出判断的方法相比，程序思路清晰，程序执行结果较好。

3 结论

在实际的测试过程中， 该机器人能够快速准确地按照预定路线到达指定位置完成规定动作， 并能很好地实现“自动避障”这一特殊功能，具有更高的适应性及灵活性， 具有系统模型简单、实现方法容易的特点， 使得这种控制方法能够方便地推广、应用。

【参考文献】

[1]方华，刘旭，黄玲，胡波.农业机器人行进中控制技术的研究进展[J].安徽农业科学，2008，36（32）：14348-14349.

[2]韩峻峰，李玉惠.模糊控制技术[M].重庆：重庆大学出版社，2003，5：49-65.

[3]W.L.XU，S.K.TSO.Real-time Self-reaction of a Mobile Robot in Unstructured Environments using Fuzzy Reasoning[J].Engng Applic.Artif.Intell.1995， 9（5）： 594-600.

[4]王耀南.机器人智能控制工程[M].北京：科学出版社，2004，6：291-297.