移动机器人无线实时反馈控制系统的设计..
点击数：7683 次 录入时间：03-04 12:01:37 整理：http://www.55dianzi.com 电工基础
2.2 机器人无线通信的总体设计框架 基于机器人与无线通信模块的特点，设计的无线控制机器人的总体框架如图1所示。 3 PC机与机器人构成的反馈控制系统的设计 本实验PC机(上位机)所用的软件是VC++6.0，用VC做串口通信可以有很多种方法：可以用控件MSComm，也可用Win32的API串行通信函数，本文选择CSerialPort类进行串口通信编程(属于Win32的API串行通信编程)。该编程方法是一个多线程的串口编程类，与MSComm控件相比，CSerialPort打包时，不需要加入其他的文件，而且函数都是开放透明的，允许进行改造。此外，不需要去理解很难掌握的数据类型[4]。有关这方面的详细介绍可以参看参考文献[4]。下面主要介绍反馈控制系统是如何设计的。 对被控对象进行开环控制达不到理想的控制效果，所以必须对机器人进行闭环控制。整个反馈控制系统如图2所示。 从图2可以看出，首先必须对被控对象进行建模，通过实验测得机器人左右两电机的输入输出之间的关系，然后通过MATLAB进行仿真得到如图3所示的被控对象的模型图。 从图可以看出，机器人的左右两轮都是非线性的特性，电机的输入参数大于60时，输出的实际速率基本饱和了。所以必须加入PID控制来克服机器人这种非线性的特性。 在连续控制系统中，PID控制算法的控制规律可以写成如下的形式： 式中,u(t)为PID控制器的输出，也称为被控对象的控制输入;ε(t)为偏差; Kp为比例系数;Ti为积分时间常数;Td为微分时间常数。为了在数字控制系统上实现PID控制，需将连续PID控制规律化成离散型的PID控制规律，即用差分方程表示。为此，取T0为采样周期。由于采样周期远小于信号变化的周期，可以用矩阵面积求和的方法近似式(1)中的积分作用，用向后差分的方法近似微分作用，则式(1)可以化为: 式(4)称为PID控制器递推公式。应用(4)式计算采样时刻k的控制器输出u(k)，可以极大地节省计算机内存空间和计算时间，使实时控制成为可能。 许多控制系统的执行机构本身具有记忆功能，例如步进电机作为执行元件，具有保持历史位置的功能，当控制器给出1个增量信号时，执行机构在原来位置上移动某一定位置，达到新的平衡位置。在这种情况下，需要采用增量型PID控制算法。设被控对象的控制输入增量为Δu(k)，即: 式(5)称为增量型PID控制算法。 增量型PID与位置PID控制算法，本质上是一样的，仅在计算方法上有所变化。增量式算法一般用于步进电机之类的对象，但由于本文所用到的机器人的电机为非步进电机，它所输入的控制量应为绝对数值。所以本文采用位置式PID算法[5]。 对于PID 3个参数的调节有各种不同方法，在本实验中主要是试凑法。试凑法也要遵循一定的规律，一般来说，增大比例系数Kp，将加快系统响应速度，减少系统静态误差，但直接影响系统的稳定性。增大积分时间常数Ti，有利于提高系统的稳定性，但同时也加大了系统消除稳态误差的调节时间。微分控制作用，将改善系统的动态性能。 在整个反馈系统的设计中,还有一个重要问题就是系统的采样时间T，本系统的采样时间不能设置得太短。由于机器人的测速是由光电编码器来完成，而实验中用到的码盘条纹只有66等份，时间太短，测速不准确，同时因微分作用加强，使得速度值抖动很大。此外，机器人本身存在非线性特性，这样就必须选择一个合适的采样时间。经过实验，当采样时间≥0.5 s时，机器人反馈回来的速度较平稳，抖动明显减小。整个反馈控制系统的程序流程图如图4所示。 4 仿真结果分析 通过调节PID的3个参数，记录下机器人每次输出的速度值，然后再用MATLAB进行仿真，通过测得实际数据的仿真图如图5所示。上一页 [1] [2] [3] 下一页
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