第7卷第2期 智能系统学报 Vol.76.2 2012年4月 CAAI Transactions on Intelligent Systems Apr.2012 D0I:10.3969/i.issn.16734785.201112009 网络出版t地址：htp://www.cnki.net/kcma/detail/23.1538.TP.20120412.1625.001.html 图书馆机器人机械手参数自整定 模糊PID控制器设计 杜明芳12，方建军，梁岚珍 (1.北京联合大学自动化学院，北京100101：2.北京理工大学自动化学院，北京100081) 摘要：采用PC/I04系列板卡设计了一款嵌入式图书馆机器人气动机械手控制器，对机械手的参数自整定模糊PD 控制算法进行了重点探讨，根据模糊子集的隶属度赋值表和模糊逻辑规则，查模糊矩阵表得出修正参数，完成对PD 参数的在线自校正.用Microsoft eMbedded Visual C+(EVC)编程实现了图书取放气动机械手的智能控制，给出了控 制软件算法流程及关键部分实现方法.用阶跃、正弦等典型输入信号做系统仿真，实验结果表明气动机械手能够快 速、稳定、几乎无误差地跟踪系统给定值.所提出的系统设计方法对类似领域具有普遍适用性， 关键词：模糊PID;PC/I04;气动机械手；图书馆机器人；控制器 中图分类号：TP273文献标志码：A文章编号：16734785(2012)02-016106 Design of a parameter self-tuning fuzzy-PID controller of a library robot manipulator DU Mingfang2,FANG Jianjun',LIANG Lanzhen' (1.College of Automation,Beijing Union University,Beijing 100101,China;2.College of Automation,Beijing Institute of Technolo- 鄂，Beijing100081,China) Abstract:An embedded controller for the pneumatic manipulator of a library robot was designed using the PC/104 boards system.The parameters of a self-tuning fuzzy-PID controller algorithm were the emphasis of the design.Ac- cording to the valuation table of membership and the fuzzy logic rules of the fuzzy subsets,the modified parameters were drawn by searching the fuzzy matrix table;thus the parameters'online self-tuning of the fuzzy-PID algorithm was finished.The intelligent control of the pneumatic manipulator of a library robot was realized by programming u- sing Microsoft eMbedded Visual C++(EVC).The algorithm flow diagram of the control software and the key method were given.The simulation was finished by inputting some typical signals such as the phase step and sine signal.The experimental result shows that the pneumatic manipulator of a library robot can quickly trace the target value and keep a satisfactory stability with nearly no errors.The designed method put forward in this paper has a generic application relationship to similar fields. Keywords:fuzzy-PID controller;PC/104;pneumatic manipulator;library robot;parameter self-tuning 机器人在很多行业获得了广泛应用，但在图书上成功应用图书馆机器人的有德国洪堡大学、美国 馆行业却相对薄弱.图书馆应该是引入机器人较为 犹他州大学、日本早稻田大学等.而我国应用智能机 理想的地方，可以展示出机器人的效率.用机器人实 器人的无人图书馆至今尚未真正建成.据统计，截止 现图书馆自动化管理的理念是20世纪90年代被提 到2003年12月，我国共有公共图书馆2709家，中 出的，人们期望借助机器人完成繁杂的图书借阅、上 等以上规模的图书馆占相当大的比例，是一个潜力 架、下架、清点、整理、传送等重复性工作.目前世界 巨大的自动化产业.2002年，美国Johns Hopkins大 学的J.Suthakom等研制了一种完整意义上的图书 收稿日期：2011-1208.网络出版日期：201204-12. 馆机器人实验装置.同年，新加坡国立大学K.H 基金项目：北京市属高等学校人才强教计划资助项目(PR201107149)； 中青年骨干教师计划资助项目(PHR201008318). Yuan等研究了基于RFD定位技术的无人化图书馆 通信作者：杜明芳.E-mail:zdhtmingfang@bum,edu.cm. 系统，可利用机器人完成图书存取工作.几乎同一时
·162 智能系统学报 第7卷 期，机器人图书馆员实验还在西班牙、日本等国家进 动.在大、小臂的一端分别装有增量式旋转编码器来 行.模糊控制是在该领域已经应用的一种方法4 实时传回大、小臂的角度信息，用以计算小臂末端 能够真正将先进控制方法如自适应模糊滑模、自适 手指的空间位置.大、小臂臂长的选择及气缸支撑点 应神经网络控制应用到图书馆机器人的系统至今尚 的选择根据工作空间的要求经过计算设计得出. 未研发成功，高精度、快速的PD控制在该领域中的 成功应用也少有详细论述.本文研制的图书馆机器 人是一种带有视觉导航的智能轮式移动机器人，由 自s动引导车(automatic guided vehicle,AGV)和车上 安装的气动机械手臂组成，机械手臂前端装有摄像 头和RFID读写器，采用PC/104系列板卡设计机械 手控制器，操作系统采用嵌人式Microsoft Windows CE5.0,控制算法采用Fuzz-PID.在样机上进行了 控制系统仿真实验，实验结果表明，所设计的系统具 有良好的动、静态性能，设计方法合理，设计思路也 图1机械手自动取放图书 较先进 Fig.1 Automatic books drawing and putting operating 1机械手控制系统硬件设计 of the manipulator 机械手采用PC/104嵌入式系统进行控制，其 气压传动以空气作为传动介质，将气体的压力 中CPU为研华公司的PCM-3350PC/104模块；继电 能转化为机械能，比液压传动成本更低、更清洁环 输出部分为PCM3725PC/104模块，负责控制2个 保，比机械传动控制更灵活、调节方便，并可与电气 电磁换向阀SY3220,进而控制腰部摆缸及手爪气缸 控制结合，形成便捷高效的电气混合控制.本系统的 运动；D/A转换模块为PCM3712PC/104模块，负责 机器人机械手部分采用气动方式，其机械结构能够 控制气缸两腔的气体流量，从而控制大、小臂气缸活 完成上下、左右2个方向的运动和夹紧、松开等机械 塞杆运动；数据采集部分由2个增量式旋转编码器 动作，从而完成图书自动取、放操作.通过编程控制 E6B2-CWZ3E将正交编码信号传送至E63-WF5C方 气缸流量，进而控制机械手的运动和动作，其操作效 向识别单元，信号被转换成单路计数脉冲及方向标 果如图1所示 识信号后送入PM536P℃/104计数器模块计数，进 机械手由手爪、小臂、大臂、腰部和底座组成、 而可计算出目标图书的空间坐标位置.模块化的图 大、小臂分别由大臂气缸、小臂气缸活塞杆支撑和驱 书自动取放机械手的控制系统原理如图2所示. SY3220 手爪气缸 PCM-3725 SY3220 腰部摆缸 PM536 E63-WF5C E6B2-CWZ3E 边的 PCM-3350 上腔 流量阀 大臂 下腔 气缸 PCM-3712 流量阀 上腔 小料 下腔 气 PM536 E63-WF5C E6B2-CEZ3E 图2机械手控制系统 Fig.2 The control framework of the manipulator 键.线性PD控制是工业机械手最基本的控制方法， 2机械手模糊PID控制设计 已经得到了广泛的应用.但实践表明，线性PD控制 2.1控制算法的选择 往往要求驱动机构有很大的初始输出，而实际驱动 机械手的智能控制是工作在无人化图书馆中的 机构往往不可能提供过大的初始力矩，且机械臂本 机器人的关键技术，控制算法的选择是关键中的关 身所承受的最大力矩也是有限的，这使PD控制的
第2期 杜明芳，等：图书馆机器人机械手参数自整定模糊PD控制器设计 ·163 应用受到了限制].传统的PD控制方法虽然能使 模糊校正规则如表1~3所示. 系统获得良好的稳态精度，但系统的快速性和抗干 NB NM 扰能力及对系统参数摄动的鲁棒性都不够理想 模糊控制是基于模糊推理，模仿人的思维方法， 其主要特点是：控制系统设计依据经验和操作数据， 而不需要精确的数学模型；具有较强的鲁棒性；应用 -6 -4 -2 0 2 4 6e、ec、u 语言变量而非数学变量；推理过程采用“不精确推 图4e、ec、u的隶属度函数 理”[51.模糊控制系统具有很大的灵活性，提供了一 Fig.4 Membership functions of e,ec and u 种提高伺服系统的跟随和抗干扰性能的好方法，有 表1K,的模糊规则 力地提高了系统的鲁棒性.为此，本设计将模糊控制 Table 1 The fuzzy logic rules of Kp 技术和传统的PD控制相结合，有效地解决了模糊 Kp 控制存在的稳态误差缺陷，从而具备了模糊控制较 ec e=NBe=NMe=NS e=ZO e=PS e=PMe=PB 强的鲁棒性和削弱PD控制稳态误差的功能， NB PM PS PMPM NM NS NM 模糊PID通过找出PID3个参数与误差e和误 NM PB PM PB PB NB NM NB 差变化率c之间的模糊关系，在运行中通过不断检 NS PB PM PB PB NB nm NB 测e和c,根据模糊控制原理对3个参数进行在线 Zo PB PM PB PB NB NM NB 修改以满足不同e和ec时对控制参数不同的要求， PS PB PM PB PB NB NM NB PM PB PM PB PB NB NM NB 从而使被控对象有良好的动、静态特性.模糊PID以 PB PM PS PMPM Nm NS NM 误差e和误差变化率ec作为控制器的输人，以K K、K,作为控制器的输出，运用模糊控制规则自动 表2K的模糊规则 实现对PD控制参数在线修改.其结构如图3所示。 Table 2 The fuzzy logic rules of K 本系统的受控量是机械手大、小臂的运动角度，图3 中的01(t)为目标角度，02(t)为实际角度. K NB NM NS ZO PS PM PB NB ZO NS NM NB PM PS Zo e 糊 模糊推理 nm ZO Ns NB NB PB PS ZO 化 NS Zo ZO NB NB PB Zo Zo KK:Kp ec ZO Zo ZO NB NB PB Zo Zo 机械 0(0 PS Zo Zo PB NB PB ZO Zo 常规PID 调节器 手臂 PM ZO PS PB NB PB PS zo PB ZO PS PM NB PM PS 图3模糊PID控制器的结构 表3K,的模糊规则 Fig.3 Structure of the fuzzy-PID controller Table 3 The fuzzy logic rules of Kp 2.2模糊控制器设计 系统误差e、误差变化率ec、气缸流量控制电压 Kp u以及Kp、K、KD采用7段模糊子集{负大，负中，负 NB NM NS ZO PS PM PB 小，零，正小，正中，正大}描述，记为{NB,NM,NS, NB PS PM PZ ZO ZO PM S NMNM NM NS Zo NS NM PM Z0,PS,PM,PB}.论域划分为：e={-6,-5,-4, NS NB NB NS NS NS PB 型 -3,-2,-1,0,0+1,+2,+3,+4,+5,+ ec ZO NBNB NS ZO NS PB PB 6},ec={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,+1, PS NBNB NSNSNS PBPB +2,+3,+4,+5,+6},w={-6,-5,-4,- PM NMNM NS ZO NS PM PM 3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6}. PB PS PM ZOZOZO PM PS 将e、ec、u设计成三角形隶属度函数，其隶属度 以上每张模糊规则表产生49条规则，用以下 函数如图4所示.从系统的稳定性、响应速度、超调 IF-THEN形式的语句来描述每一条模糊推理规则： 量和稳态精度等方面考虑，综合K,、K、K。对系统 IF e is P and ec is P2 THEN u is Q'. 的不同作用以及它们之间的相互作用关系，建立的 式中：P、P%、Q(r=1,2,…,7)在前面已定义的模糊
·164 智能系统学报 第7卷 集合{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}中取值 4控制效果实验 模糊PID的实现是根据模糊子集的隶属度赋值 表和各参数模糊控制模型，应用模糊合成推理设计 4.1PID参数模糊自整定 PD参数的模糊矩阵表，查出修正参数并对上一次 为验证算法的控制效果，选择不同的输入信号 采样时的PD参数进行更新.在线运行过程中，控 类型、不同的目标角度，进行PD参数模糊自整定， 制系统通过对模糊逻辑规则的结果处理、查表和运 观察实验结果. 算，完成对PID参数的在线自校正， PID参数模糊自整定是找出PID3个参数与偏 3控制程序设计与实现 差e和偏差变化率ec之间的模糊关系，在运行中不 断检测e和ec,根据模糊推理对3个参数进行在线 Microsoft eMbedded Visual C+(EVC)是嵌入 修改，以满足不同e和ec对控制参数的不同要求， 式系统Windows CE5.0应用程序的集成开发环境， 从而使被控对象具有良好的动、静态性能.根据以下 具有编译应用程序、远程调试应用程序等功能.本系 规则调整模糊PID控制器6： 统的控制程序在上位机的EVC4.0下离线开发，编 1)当e较大时，为加快系统响应速度，应取较大 译成功后，下载到PC/104控制板 的K,和较小的K。,由于积分太强会使系统超调加 机械手模糊PID控制软件流程图如图5所示。 大，因而要对积分作用加以限制，通常取K=0或者 开始 较小值。 2)当e和ec中等大小时，为减少系统超调和保证 输出控制电压 视觉和RFID 一定的响应速度，K,应适当取小些，同时K,的取值对 中目标角度和 融合确定日标 实际角度做差 系统影响很大，也应取小些，K的取值要适当. 图书位置点（却 求e和lec 世界坐标 保存误差变化 3)当e较小时，为减小稳态误差，K,与K应取得 量历史记录， 由e和ec确定 已备下一次增 大些，在这种情况下，K。的取值要适当，取值不当会引 大、小气缸模 量式PD算法 通过坐标转换 起系统震荡.其原则是：当ec较小时，K,取大些，当ec 制PID离线参 用 将世界坐标转 数表的数组角 较大时，K,取较小值；通常K,为中等大小 换为空间日标 标，并查表得 坐标 出大小气缸的 4.2阶跃响应实验 KK、K参 判断是否满足 数值 取放图书条代 输入信号类型为阶跃信号，当目标角度分别为 由空问日标坐 决定是否动作 标求取大、小 10°、30°时，小臂气缸阶跃响应如图6所示 臂目标角度 由K、K、K 参数进行增星 60 式模糊PID运 中计数器采样 结束 算，求出4个 40 获取大、小 腔的控制电压 臂实际角度 图5机械手模糊PID控制流程 4 6,8101214 Fig.5 The fuzzy-PID control flow of the manipulator 模糊PID控制算法在OnTimerUp()函数中实 (a)目标角度为10° 现，该函数中的代码将在系统启动后每10ms执行一 60 次.算法的入口变量有：l)m_TargetAngle,即目标角 度(o),由程序界面设定而得；2)m_RealAngle,即实 )0 40 际角度()，每隔10ms刷新一次.目标角度和实际 角度都以水平面为基准，范围为[0°，90].算法出 口变量为PM.su,即气缸流量控制电压(V),在输出 6810124 [0,5]时活塞杆收回，[5,10]时活塞杆伸出，在实际 (b)目标角度为30 输出时将被限幅为[1,9].控制程序将根据2个入 图6小臂气缸阶跃响应 口变量及控制算法实时计算出气缸流量控制电压， Fig.6 Step response of the cylinder driving forearm 并输出给机械手气缸 从阶跃响应效果图可看出，机械手小臂在目标 角度分别为10°、30时，调整不同的Kp、K、K,参数
第2期 杜明芳，等：图书馆机器人机械手参数自整定模糊PD控制器设计 ·165 组合，可得到不同的上升时间及超调量.较理想的上 Vicarm型工业机械手，用小型计算机进行控制.日 升时间结果是：目标角度10°、30°时分别为0.58、 本是工业机械手发展最快、应用最多的国家，自 0.88.2种情况下输出值都几乎等于目标值，实验结 1969年从美国引进2种机械手后大力从事机械手 果表明，小臂能够快速、无误差地跟踪系统给定值。 的研究.我国的工业机器人从20世纪80年代“七 4.3正弦响应实验 五”科技攻关开始起步，和国外比仍有一定距离，总 为测试算法对不同输人信号的效果，再给定正 的特点是：可靠性低、应用领域窄、应用规模小、生产 弦信号，在不同频率下对小臂气缸进行气缸正弦响 线系统技术与国外比有差距.目前，工业机械手大部 应（平均值20°，振幅5）实验， 分还属于第1代，主要依靠工人进行控制.第2代机 当正弦信号频率分别为0.1Hz、0.5Hz时，小臂 械手用微型电子计算机控制，具有视觉、触觉，甚至 气缸正弦响应如图7所示. 听、想的能力.第3代机械手则能独立完成工作过程 60 中的任务，并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔 40 性制造单元FMC中的重要一环. 模糊控制从诞生到现在仅经历了二三十年的时 20 间，但已在一些领域取得了很好的研究成果，展示了 2 468101214 其处理无精确数学模型、非线性、时变和时滞系统的 强大功能4！，但模糊控制仍有许多理论和设计问题 (a)频率为0.1Hz 亟待解决.本文所述项目研制的图书馆机器人系统 在设计实践中应用了模糊控制理论，结合实际需求 60 对模糊控制器进行了参数自整定的优化设计，用实 。 40 验结果有力地说明了模糊控制器具有较强的鲁棒性 和稳定性.自适应模糊滑模、自适应神经网络控制等 先进算法及其与RD技术的结合在本系统中的应 681012 14 用是下一步研究的重点，期望通过几种算法的比较 1/s 最终确定出一种最优控制策略810 (b)频率为0.5Hz 本文的研究工作拓展了我国机械手产业的应用 图7小臂气缸正弦响应（振幅5） 领域，在图书馆自动化领域做了开创性的研究工作， Fig.7 Sine response of the cylinder driving forearm 并通过大量仿真实验基本形成了一套可行性较强的 with a 5 amplitude) 从正弦响应效果图可看出，机械手小臂在目标 技术方案.所研制的样机基本上属于第3代智能机 角度分别为30°，频率分别为0.1Hz、0.5Hz时，调整 械手，在无人于预的情况下可取代馆员完成图书管 控制程序中不同的Kp、K、KD参数组合，得到的响 理工作，为无人图书馆的实现莫定了基础， 应曲线有所不同.经反复实验和调整，得到的较理想 参考文献： 的上升时间分别为0.9s(频率为0.1Hz)、0.6s(频 率为0.5Hz).不同频率下输出值都比目标值稍有滞 [1]SUTHAKOM J.A robotic library system for an off-site shelving facility C]//2002 IEEE International Conference 后，但滞后量很小.实验结果表明，小臂能够快速、几 on Robotics Automation.S.1.]Washington.USA,A- 乎无误差地跟踪系统给定值， merica,2002:201-203. 大臂气缸的控制效果验证实验与小臂气缸类 [2]YUAN K H,HONG A C,ANG M,et al.Unmanned librar- 似，不再赘述 y:an intelligent robotic books retrieval retur system uti- lizing RFID tags[C]//2002 IEEE Interational Conference 5结束语 on Systems,Man and Cybemetics.London,UK,2002:50- 1958年美国联合控制公司研制出第一台机械 55 手，在此基础上又试制成一台数控示教再现型机械 [3]KUO T C,HONG B W,HUANG Y J,et al.Adaptive fuzzy controller design for robotic manipulators with sliding mode 手.1962年美国机械制造公司也成功研制出一种叫 control[C]//2008 IEEE International Conference on Fuzzy Vewrsatran的机械手.这2种机械手是国外工业机 Systems.Hong Kong,China,2008:581-586. 械手发展的基础.1978年美国Unimate公司和斯坦 [4]刘金琨.机器人控制系统的设计与MATLAB仿真[M]. 福大学、麻省理工学院联合研制出一种Unimate- 北京：清华大学出版社，2008：3040
·166. 智能系统学报 第7卷 [5]张毅，罗元，郑太雄，等.移动机器人技术及其应用[M]· sliding mode control of nonholonomic wheeled mobile ro- 北京：电子工业出版社，2007：100-105. bots with model uncertainty[J].IEEE Transactions on [6]周芸，李维，路青起.基于模糊PD控制算法的恒温石英 Control Systems Technology,2009,17(1):207-210. 晶体振荡器[EB/0L].[201104-17].htp:/www.au 作者简介： tooo.net. 杜明芳，女，1976年生，博士研究 [7]HADA H,KAWAKITA Y,YOJIROUO.A field experiment 生，主要研究方向为军用机器人、服务 report:publishing of an auto-ID enabled book [EB/OL]. 机器人，发表学术论文20余篇，其中9 [2011-9-15].http://www.autoidlabs.org/single -view/ 篇被I检索. dir/article/6/182/page.html. [8 ]ISHIKAWA T,YUMOTO,Y,KURATA M,et al.Applying auto-ID to the Japanese publication business to deliver ad- vanced supply chain management,innovative retail applica- 方建军，男，1970年生，教授，主要 tions,and convenient and safe reader services EB/OL]. 研究方向为机器视觉、服务机器人，发 [2011-9-15 ]http://www.autoidlabs.org/uploads/media/ 表学术论文50余篇，其中20余篇被 KEI -AUTOID -WH004.pdf. SCI、EI检索.出版著作13部、译著1 [9]王宗义，李艳东，刘涛，等.移动机器人的自适应模糊 部 滑模动力学控制[J].哈尔滨工程大学学报，2011,32 (6):793-796. WANG Zongyi,LI Yandong,LIU Tao,et al.Dynamic con- 梁岚珍，女，1957年生，教授，主要 trol of mobile robots based on an adaptive fuzzy sliding mode 研究方向为智能控制与嵌入式系统，发 [J].Journal of Harbin Engineering University,2011,32 表学术论文30余篇，其中10余篇被E (6):793-796. 检索。 [10]PARK B S,YOO S J,PARK J B,et al.Adaptive neural
