小擾動機器人縱向非線性控制電路系統設計

柳智鑫++蘇波寧

摘 要： 傳統的小擾動機器人縱向非線性控制方法采用傳感器通過敏感元件實現驅動器和執行系統聯動控制，但控制系統容易出現非線性隨機干擾失真。提出基于自校正模型參考自適應的小擾動機器人縱向非線性控制方法，利用改進后的控制算法進行電路系統設計。當小擾動機器人縱向非線性控制系統受到隨機干擾作用時，根據自適應多通道加權控制律，機器人非線性控制系統的測量誤差按指標隨時調整控制器參數權重，給出合適的控制信號，在機器人的執行控制系統中設置一個初始權值，參考模型并聯于被控系統，在伺服控制中采用最小方差法確定控制規律，實現機器人的縱向非線性控制，最后進行PCB電路板的設計。實驗和調試結果表明，采用該系統能有效實現對機器人的非線性控制，控制品質和精度較高，收斂性和穩定性較好。

關鍵詞： 機器人； 非線性控制； 電路系統； 小擾動

中圖分類號： TN710?34； TP391.4 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）22?0122?04

0 引 言

機器人是現代工業與信息化高度發展的產物，其是通過人工智能操作實現自動控制，代替人類進行相應難度的作業操作，而今，機器人在野外作業、極地科考、太空探測和水下探測等領域都有重要的應用價值。機器人由控制單元、驅動裝置和傳感裝置等主要部分組成，按照設定的位置、速度和加速度，進行相關的環境作業和外界信息感知。其中，機器人的控制系統和機器人系統的核心，機器人的作業環境相對較為復雜，需要設計有效的機器人控制方法，提高機器人的行為控制精度。本文研究小擾動機器人的縱向控制問題，小擾動機器人的運動幅度不大但控制精度較高，廣泛應用在精密控制環境，對小擾動機器人的縱向運動非線性控制是保證機器人穩定可靠動作的關鍵，研究小擾動機器人的控制方法具有重要意義[1]。

機器人的控制和運動規劃問題是一個具有多種約束的運動規劃問題，傳統的控制方法采用傳感器通過敏感元件實現驅動器和執行系統聯動控制，但控制系統容易出現非線性失真[2]。對此，相關的文獻進行了機器人控制系統的改進設計，其中，文獻[3]提出一種基于神經網絡的強化學習的機器人運動軌跡跟蹤控制方法，采用DSP芯片進行電路設計，但是該控制系統對機器人的縱向路徑規劃和自主定位性能不好。文獻[4]設計一種具有聲電轉換和姿態控制的機器人控制執行系統，主要包括基陣、收發轉換和功率放大器等部分，通過控制信號將開關接通在發射信號端實現機器人非線性控制，提高系統的穩定性，但該控制系統在進行模擬信號預處理時受到的干擾較大[5]。針對上述問題，本文提出一種基于自校正模型參考自適應控制的小擾動機器人縱向非線性控制算法，在算法改進設計的基礎上，進行機器人控制系統設計，控制系統的改進主要體現在控制執行單元設計誤差補償器，使機器人縱向非線性控制系統的穩態誤差控制在較小的幅度內，最后通過仿真實驗進行了性能驗證，展示了本文設計的控制系統在提高小擾動機器人的非線性控制精度和品質方面的優越性，展示了較好的應用價值。

1 系統總體構成及控制算法描述

1.1 小擾動機器人縱向非線性控制系統的總體構成

小擾動機器人縱向非線性控制系統主要由感知系統、驅動器和執行器系統、以及控制中心單元等子系統組成。其中，感知系統指由感知原件組成的供小擾動機器人縱向非線性控制系統獲取外界信息的感知器件即傳感器，通過對外界信息的感知實現有用信息的輸入，供中樞神經系統即小擾動機器人縱向非線性控制系統的控制中心單元處理，為控制執行單元提供執行指導。傳感器通過敏感元件和換能器實現信號的檢測和輸入，驅動器和執行系統是小擾動機器人縱向非線性控制系統的輸出機構，它由控制陀螺、繼電器、電磁閥等組成，小擾動機器人縱向非線性控制系統的控制中心單元是系統的中樞神經，它相當于人的大腦，向控制系統發出控制指令，使得整個機器人控制系統按既定的方案運轉[6?7]。中心控制單元處理器有單片機、DSP、ARM等，綜上描述，得到機器人縱向非線性控制系統總體結構組成如圖1所示。

在上述總體結構描述的基礎上，研究小擾動機器人縱向非線性控制原理，機器人縱向非線性控制執行單元通過系統本身與外界的數據傳輸和通信來改善和調整統自身的姿態信息，非線性控制也就是一種反饋控制，考慮機器人控制系統的非線性特性和不確定性，機器人的跟蹤控制問題一般由[n]個決策變量的多信息融合模型構成，自適應小擾動機器人縱向非線性控制的參數融合輸入和輸出系統模型如圖2所示。圖中，輸入參數為[u（n）]，[w*0]…[w*M]，輸出變量為[y（n）]，表示機器人的姿態量化特征。

1.2 控制算法改進設計

在上述進行機器人控制系統模型總體設計的基礎上，需要進行控制算法優化設計。作為整個機器人控制系統的核心軟件組成，基于自校正控制原理，本文提出一種基于自校正模型參考自適應控制的小擾動機器人縱向非線性控制算法。算法原理描述為：當小擾動機器人縱向非線性控制系統受到隨機干擾作用時，根據自適應多通道加權控制律，機器人非線性控制系統的測量誤差按指標隨時調整控制器參數權重，給出合適的控制信號，基于控制品質在機器人的執行控制系統中設置一個動態品質良好的初始權值，參考模型并聯于被控系統，在伺服控制中采用最小方差法確定控制規律，實現機器人的縱向非線性控制?？刂圃砣鐖D3所示。

結合圖3，機器人的輸入控制參數采用一個隨機信號發生器，通過對控制信道的調制解調，進行干擾抑制，使得被控制系統的動態特性與模型相一致，設定小擾動機器人控制系統的狀態方程為：

2 系統硬件電路設計

在上述控制算法改進設計的基礎上，將算法嵌入到DSP芯片中，進行小擾動機器人的控制系統硬件電路設計。硬件電路設計中，根據小擾動機器人控制系統的應用目標確定系統的性能指標、DSP信號處理的要求，通?？捎脭祿鞒虉D、數學運算序列進行總體設計，控制系統的數字信息處理芯片采用TMS320VC5509A DSP芯片，該芯片為低功耗16位定點DSP，運行在200 MHz的主頻范圍之內，比較適合機器人控制環境的應用需求。系統的A/D模塊主要完成輸入模擬信號到數字信號的轉換，另外包括時鐘發生器，將接收到的輸入時鐘變換為CPU及其外設所需要的工作時鐘。小擾動機器人縱向非線性控制系統的DSP板電源電路用外部電源給整個系統供5 V和±12 V的電壓，電源芯片選用TPS767HD301，為整個控制系統提供1.5～1.6 V的可調電壓和3.3 V的固定電壓。DSP時鐘可由外部提供，也可由板上的晶振提供。選擇EM B380C作為接口芯片，接口電路框圖如圖4所示。

在非線性控制系統的干擾濾波部分，采用MAX264濾波器，內部有兩個獨立的二階濾波器，可通過級聯實現高階濾波器。輸入時鐘頻率可以利用片內時鐘外接晶體產生晶振頻率進過內部電路進行2分頻。對[M0]，[M1]兩個管腳編程可使芯片工作于模式1～4四種方式，每一種工作方式都能實現濾波輸出。經過DC?DC變換為5 V，再由5 V的直流經過DC?DC得到3.3 V和4.2 V電壓，實現控制系統的自校正模型參考自適應控制濾波。

圖5中，通過開關的關斷或接通來控制濾波器模式的選擇。濾波器的工作時鐘可通過DSP的時鐘分頻進行小擾動機器人的縱向非線性控制。以此為基礎，在控制執行單元設計誤差補償器，使機器人縱向非線性控制系統的穩態誤差控制在較小的幅度內。在原理圖的設計完成后，則可以進行PCB的設計，最后通過本文的改進設計，得到小擾動機器人縱向非線性控制系統電路PCB圖如圖6所示。

圖6中，包括了控制系統的DSP數字處理芯片的電路PCB板圖和控制器數據采集板PCB圖，PCB板的制作完成之后，便可進行硬件的裝配及調試和系統仿真。

3 系統仿真實驗結果分析

在上述進行了小擾動機器人縱向非線性控制系統電路設計的基礎上，進行系統的調試和仿真實驗分析，驗證本文系統在實現機器人控制中的可靠性能。與文獻[7]的方法進行對比分析，硬件調試過程中需要的設備包括電源、DSP硬件開發環境，如PC機、硬件仿真器、軟件開發工具等，根據本系統設計要求，采用模型參考小擾動機器人縱向非線性控制算法，采用嵌入式算法設計，把軟件算法輸入到相關控制系統中，進行系統的調試分析。系統仿真調試的工具還包括萬用表、示波器、邏輯分析儀和信號源等。仿真器是合眾達公司的SEED?XDSUSB 2.0，該仿真器采用JTAG接口，所以可以方便地進行調試?？刂扑惴ǖ膶崿F采用的是C語言進行算法的仿真。

在上述仿真環境設定的基礎上，對小擾動機器人縱向非線性控制系統的俯仰、偏航和縱向追蹤等三個通道單獨進行控制仿真測試。運用文獻[7]的方法和本文的方法進行對比，在示波器上分別輸出的控制信號波形如圖7所示。從圖可見，采用本文設計的系統，輸出的控制信號的權值的穩定性提高幅度較大，大約提高30%，與延時的采樣點相同，能有效實現對小擾動機器人的非線性控制。最后對在邏輯分析儀上對控制系統的控制誤差進行分析，不同方法得到誤差結果如圖8所示。從圖8結果可見，雖然小擾動機器人的運動幅度不大，但采用本文設計的系統能準確實現對機器人的縱向運動的非線性伴隨控制，由于本文系統控制執行單元設計誤差補償器，使機器人縱向非線性控制系統的穩態誤差控制在較小的幅度內，精度較高，避免了非線性失真，展示了本系統的優越性能。

4 結 語

本文研究了小擾動機器人的縱向控制問題，小擾動機器人的運動幅度不大但控制精度較高，廣泛應用在精密控制環境，對小擾動機器人的縱向運動非線性控制是保證機器人穩定可靠動作的關鍵，提出一種基于自校正模型參考自適應控制的小擾動機器人縱向非線性控制算法，在算法改進設計的基礎上，進行機器人控制系統設計，控制系統的改進設計主要體現在于控制執行單元設計誤差補償器，使機器人縱向非線性控制系統的穩態誤差控制在較小的幅度內，實驗結果表明，采用本文系統能有效實現對機器人的非線性控制，控制品質和精度較高，展示了較好的實際應用價值。

參考文獻

[1] 趙威.基于魚雷自導的艦船尾流回波模型建立方法[J].艦船電子工程，2013，33（4）：81?83.

[2] 鄧異，梁燕，周勇.水聲換能器基陣信號采集系統優化設計[J].物聯網技術，2015，5（4）：36?37.

[3] 楊興明，余忠宇.兩輪移動倒立擺的開關切換模糊極點配置控制器設計[J].電路與系統學報，2012，17（4）：58?62.

[4] 鄒勝宇，劉振，高海波，等.基于干擾力時間積分的懸吊漂浮物隨動控制方法[J].機器人，2015，37（1）：1?8.

[5] 周勇，甘新年，胡光波，等.魚雷制導控制系統多通道控制加權算法設計[J].現代電子技術，2014，37（19）：14?17.

[6] 索中英，程嗣怡，袁修久，等.優勢決策信息系統規則獲取方法及應用[J].兵工學報，2015，26（3）：539?544.

[7] 楊大為，叢楊，唐延東.基于結構化的加權聯合特征表觀模型的目標跟蹤方法[J].信息與控制，2015，44（3）：372?378.

[8] 易鴻.一種非線性系統自適應跟蹤控制器設計[J].現代電子技術，2013，36（6）：7?9.