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1、第 3卷第 6 期 V 0 1 3 No 6 潍坊学院学报 J o u rna l o f We i f a n g Un i v e r s i t y 2 0 0 3年 1 1月 N O V 2 0 0 3 数字P I D算法在喷雾机器人导航系统中的应用 宋健 ( 潍坊学院 ， 山东潍坊2 6 1 0 6 1 ) 摘 要： 本文介绍 了喷雾机器人的工作原理和系统组成， 并且通过导航 系统的分析 ， 设计 了数字 P I D控制 器。运行实验表明， 控制系统工作稳定可靠， 满足 了喷雾机器人的功能要求。 关键词 ： 喷雾机器人； 导航 系统； P I D控制器 中图分类号 ： T P 2 4
2、 2 3 文献标识码 ： A文章编号： 1 6 7 1 4 2 8 8 ( 2 0 0 3 ) o 6 0 O 4 O 一 0 2 1 引言 电磁诱导式喷雾机器人是全 自动化的小型喷雾机械 ， 由四间埋设的电磁诱导线导航 ， 在完全没有人工干预的情 况下 。 全 自动运行。不但能够改善操作者 的劳动条件 ， 而 且提高了喷洒质量。 在进行喷雾机器人 自动导航系统的设计中， 核心问题 是使机器人在允许的工作范围内 ， 具有 良好的路径稳定跟 踪能力。实现这种功能虽然与许多因素有关 ， 但首先必须 制定相应的控制策略 ， 设计满足要求的控制器。 2 喷雾机器人导航系统的组成 喷雾机器人采用四轮差速
3、转向式的机械机构 ， 导航方 式选用电磁感应诱导式 。机器人 身上对称安装两 个电磁 感应传感器， 检测与埋线电缆的距离， 其接收到的电磁信 号的之差 ， 作为控制系统的输 入信号 ， 由单片机控制 系统 对两台直流电动机的转速进行控制 ， 通过左右轮的速度差 来实现转向 ， 从而沿着预定的轨迹行走 。 Y 图 1 喷雾机器人行走示意图 3 导航 系统结构分析 在喷雾机器人导航控制系统中， 被控量是机器人与导 轨的位置偏差， 反映到计算机中是位置传感器的输出电压 差 u e ， 控制的 目的是消除位置偏差 ， 使 u e 为 0 。对位置偏 差的控制是通过调节直流电动机的转速改变两个轮子的 转
4、速， 从而改变机器人的位置 ， 消除位置偏 差。因此控制 的关键是对电动机转速的控制。由于电动机转速与加在 电动机上的电压呈正比， 可以通过调节驱动电压实现电动 机转速的控制 。 加在驱动电动机上 的电压可以认为是 由两部分信号 叠加而成。一部分是恒值 电压 U c ， 作用是保持 一定的转 速， 改变 u c 将改变机器人的移动速度 ； 另一部分是控制器 的电压信号 A U ， 作用是根据位置偏差信号 U e 调节电动机 转速 ， 通过改变轮子的速度 ， 消除位置偏差 ， 改变 u ， 将改 变机器人前进的方向， 使机器人沿着诱导线前进。 左电机驱动电压 ： IJ I =U c A U 右电
5、机驱动电压： U r =U c t , U 图 2 系统控制原理框图 因此 ， 通过分析可知 ， 整个 系统是 由惯性环节和积分 环节构成的二阶系统。传递函数可表示为 ， 、 ，、 K b 。 丽 4 数字式 P I D控制算法 4 1 P I D控制原理 P I D控制系统原理框图如图 2 所示 。系统 由模拟 P I D 控制器 D ( s ) 和被控对象组成。P I D控制器是一种线性控 制器， 它根据输出量 Y ( t ) 与给定量 r ( t ) 构成的控制偏差 ： e ( t ) =r ( t ) 一y ( t ) 将偏差的比例 、 积分 、 微分通过线性组合构 成控制量 u (
6、t ) ， 成为 比例 ( p ro p o r ti o n ) 、 积分 ( I n t e g r a t i n g ) 、 微分 ( D i ff e r e n t i a t i o n ) 控制 ， 简称 P I D控制。 4 2 数字 P I D控制算法 在计算机控制系统中， 计算机作为数字控制器， 可以 利用计算机对采集数据加以分析并作出逻辑判断， 用程序 方便简单地实现数字 P I D控制律。实际系统中， 计算机在 进行控制时 ， 首先将连续信号经过采样和量化后 ， 变成数 * 收稿 日期 ： 2 0 0 3 _ _ 1 0 9 _ - 2 0 作者简介- 宋健( 1 9
7、 6 8 一) ， 男， 山东潍坊人 ， 讲师， 在职博士。 4 0 维普资讯 http:/ 第 6期 宋健 ： 数字 P I D算法在喷雾机 器人导航 系统 中的应用 字量， 进入计算机的存储器。计算机在进行数据计算和处 理时 ， 不论积分还是微分 ， 都是用数值计算去逼近 。当采 样周期相当短时 ， 用求和代替积分 ， 用差 商代替微 分 ， 使 P I D算法离散化。 则全量型 P I D 算法变为 ： u ( n ) =K e ( n ) +K I e ( i ) + K e ( n ) 一 e ( n 一1 ) 式中 ， u ( n ) 第 n 采样时刻计算机的输出值 K 比便增益系
8、数 I ( 1 积分系数 ： K I = I ( 1) 微分系数： K o= 卜采样周期 计算机要 实现全 量型 P I D算法 ， 必须要 累加 偏差 e ( i ) ， 不仅计算繁琐 ， 而且要将 系统偏差 的全部过去值都存 储起来 ， 占用大量内存 。为了计算控制信号的变化值 ， 将 第 n 时刻和第( n 一1 ) 时刻控制器的输出值相减 ， 可得到增 量型 P I D 控制算法 ： A u ( n ) =a o e ( n ) +a l e ( n一1 )+a 2 e ( n 一2 ) 其 中a o ： l(P 【 1 + T + TT D a I ： 一 l(P 【 1 + 2 A
9、 2 =I 计算 e ( n 【计算a o e ( n ) -。_-_ -_。-_-一 皇 0 0 。 。 - _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ 一 计算 a l e ( n 一 1 ) 计算 a o e ( n ) +a l e ( n I ) 计算 u ( n ) 更新 e ( n 1 ) ， e ( n 2 ) l望旦 I 图3 P I D控制程序流程图 5 3 P I D控制程序设计 按增量型 P I D算法 ， 计算 u ( n ) 只需要保 留现时刻以 及以前的两个偏差值 e ( n ) 、 e ( n 一1 ) 、 e ( n一 2 ) 。初始化程 序置初值 e (
10、 n 一 1 ) =e ( n 一 2 ) 计算 u ( n ) 。图3 为基于单片 机的 P I D算法程序流程图。 6 结束语 电磁诱导式喷雾机器人采用基于单 片机 的导航控制 系统， 由软件实现 P I D控制， 参数调整方便， 灵活性好， 稳 定性高 。运行实验表 明， 系统工作稳定可靠 ， 满足 了喷雾 机器人 的功能要求 ， 具有较大的理论及实用价值。 参考文献 1 宋健 电磁诱导式喷雾机器人导航系统的研帝 l J _ 硕 士学位论文 北京： 中国农业大学， 2 0 O 3 2 孙传友， 孙晓斌 测控系统原理与设计 M 北京： 北 京航 空航天大学 出版社 ， 2 ( x r2 (
11、 下转第 3 9页) 41 维普资讯 http:/ 第 6 期 马云峰 、 马海峰 ： 基于单片机控制的机床数显装置设计 显示的服务管理等 。数显装置接通电源后开始工作 ， 主程 序框图如图 4 所示。 4 结束语 本数显装置用于机械设备的直线位移测量显示 中， 它 能方便地确定坐标原点 ， 直接显示 出所测量的位 移量 ， 分 辨率达到 0 0 1 m m， 从而保证了加工精度 ， 不仅适用于新机 床配套， 也适用于老机床的技术改造。该装置能维持精度 一 致 ， 不受机床刀具磨损 的影响 ， 普通机床配备此测量 系 统 ， 可大大减轻劳动强度 ， 同时相应提高加工质量 及设 备 工效 。 参
12、考文献： 1 汪吉鹏， 马云峰等 微机原理与接 口技术 M 北京： 高 等教育 出版社 ， 2 0 0 1 7 2 G G S 一 2 型滚动光栅检测传感器使用说明书 中国兵器 工业总公 司华中精 密仪 器厂 ， 2 0 0 2 8 De s i g n o f Di g i t a l Di s p l a y De v i c e f o r M a c h i n e To o l s Ba s e d o n M i c r o p r o c e s s o r MA Yu n f e n g ( W e if a n g U n i v e r s i t y ，W e if a
13、n g 2 6 1 0 6 1 ，C h n a ) Ab s t r a c t ： T h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e d e s i g n me t h o d o f a d i g i t a l dis p l a y d e v i c e f o r ma c h i n e t o o l tha t a r e b a s e d o n rol l i n g r a s t e r me a s u r e 。 m e n t a n d m i c r o p r o c e s s o r c o n t r o
14、 1 T h e s o f t w a r e a n d h a r d w a r e b l o c k d i a g r a m h a v e b e e n gi v e n 、1 1 l e d e v i c e i s fi t fo r l i n e a r dis p l a c e m e n t me a s u r i n g a n d dis p l a y o n ma c h i n e t o o l s s u c h as l a the Ke y wo r d s ： Ro l l i n g R a s t e r ； D i g i t a
15、l Di s p l a y De vic e； S i n g l e C h i p Co mp u t e r 责任编辑 ：肖恩忠 ， - ， ， ， ， ， ， ， ， ， ( 上接第 4 1 页) App l i c a t i o n o f Di g i t a l PI D Al g o r i t hm o n Na v i g a t i o n S y s t e m o f S p r a y i n g Ro b o t S ONG J i a n ( W e if a n g U n i v e r s i t y ，W e if a n g 2 6 1 0 6 1
16、 ， C h n a ) Ab s t r a ct： T h i s a r t i c l e i n t r o d u c e s wo r k i n g p r i n c i p a l o f s p ray i ng r o b o t and d e s i g n s t h e c o n t r o l l e r b a s e d o n a n aly the n a vig a t i o n E x p e r i me ri t s e x p l a i n t h a t t h e s y s t e m wo r k e d s t a b l y and c r e d i b l y ， me e t t he d e mand o f t h e a u t o ma t i c s p r a y e r Ke y w o r d s ： S p r a y i n g r o bot ； D i gi t al P I D al g o ri t h m， n a vig a t i o n s y s t e m 责任编辑 ：肖恩忠 3 9 维普资讯 http:/