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模糊PID的全方位移动机器人运动控制

时间:2011-11-02来源:作者:电气自动化技术网点击:154次

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摘要通过对足球机器人运动学模型的分析，考虑到系统的时变、非线性和干扰大等特点，

以全向移动机器人为研究平台，提出一种将模糊控制与传统的PID控制相结合的方法，应

用到足球机器人的运动控制系统中。针对足球机器人运动控制中的重点问题，着重提出了基

于模糊控制的动态调整PID控制器的3个参数kp、ki、kd的设计方法。实验表明，该控制

器能较好地改善控制系统对轮速的控制效果。

移动机器人是一个集环境感知、动态决策、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系

统，其运动控制是移动机器人领域的一个重要研究方向，也是移动机器人轨迹控制、定位和

导航的基础。传统的运动控制常采用PID控制算法，其特点是算法简单、鲁棒性强、可靠

性高，但需要精确的数学模型才对线性系统具有较好的控制效果，对非线性系统的控制效果

并不理想。模糊控制不要求控制对象的精确数学模型，因而灵活、适应性强。可是，任何一

种纯模糊控制器本质上是一种非线性PD控制，不具备积分作用，所以很难在模糊控制系统

中消除稳态误差。针对这个问题，结合运动控制系统的实际运行条件，设计采用模糊PID

控制方法来实现快速移动机器人车轮转速大范围误差调节，将模糊控制和PID控制结合起

来构成参数模糊自整定PID算法用于伺服电机的控制，使控制器既具有模糊控制灵活而适

应性强的优点，又具有PID控制精度高的特点，使运动控制系统兼顾实时性高、鲁棒性强

及稳定性等设计要点，并可通过模糊控制规则库的扩充，为该运动控制系统方便添加其他功

能。

1全方位移动机器人运动学分析

研究的是一种全自主移动机器人平台，该机器人采用了四轮全向移动的运动方式，具有

全向运动能力的系统使机器人可以向任意方向做直线运动，而之前不需要做旋转运动，并且

这种轮系可满足一边做直线运动一边旋转的要求，达到终状态所需的任意姿态角。全向轮系

的应用将使足球机器人具有运动快速灵活，控球稳定，进攻性强，以及易于控制等优点，使

机器人在赛场上更具竞争力。

1.1全向轮

机器人采用的全向轮在大轮的周围均匀分布着小轮，大轮由电机驱动，小轮可自由转动。

这种全方位轮可有效避免普通轮不能侧滑所带来的非完整性约束，使机器人具有平面运动的

全部3个自由度，机动性增强。基于以上分析，选择使用这种全向轮。

1.2运动学分析

在建立机器人的运动模型前，先做以下假设：

（1）小车在一个理想的平面上运动，地面的不规则可以忽略。

（2）小车是一个刚体，形变可以忽略。

（3）轮子和地面之间满足纯滚动的条件，没有相对滑动。

全方位移动机器人由4个全向轮作为驱动轮，它们之间间隔90°均匀分布，如图1所

示，其简化运动学模型如图6所示。其中，xw-yw为绝对坐标系，xm-ym为固连在机器

人车体上的相对坐标系，其坐标原点与机器人中心重合。θ为xw与xm的夹角，δ为轮子

与ym的夹角，L为机器人中心到轮子中心的距离，vi为第i个轮子沿驱动方向的速度。

图1机器人的运动模型

可求出运动学方程如式（1）所示：

因为轮子为对称分布，常数δ为45°，故得到全向移动机器人的运动模型：

其中，v=[v1v2v3v4]T为轮子的速度s=为机器人整体期望速度。

P为转换矩阵。

这样，就可以将机器人整体期望速度，解算为到4个轮子分别的速度，把数据传送到

控制器中，就可完成对机器人的控制。

2基于模糊PID的运动控制器设计

目前，常规PID控制器已被广泛的应用于自动化领域。但常规PID控制器不具备在线

整定控制参数kp、ki、kd的功能，不能满足系统在不同偏差对e以及偏差值的变化率ec对

PID参数的自整定要求，因而不适用于非线性系统控制。

文中结合本运动控制系统的实际运行条件，设计采用模糊PID控制方法来实现快速移

动机器人车轮转速大范围误差调节，将模糊控制和PID控制结合起来构成参数模糊自整定

PID算法用于伺服电机的控制，使控制器既具有模糊控制灵活而适应性强的优点，又具有

PID控制精度高的特点，使运动控制系统兼顾了实时性高、鲁棒性强及稳定性等设计要点，

并可通过模糊控制规则库的扩充，为该运动