基于果蠅優(yōu)化算法的視覺板球系統(tǒng)控制研究.pdf

1、板球系統(tǒng)是一個欠驅(qū)動、強耦合、多變量的非線性動力學(xué)系統(tǒng)。板球系統(tǒng)通過圖像采集或觸摸屏采集等方式來獲取小球位置并反饋給控制器，控制器通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)角來調(diào)整平板的傾斜角度，從而實現(xiàn)小球的定位控制、軌跡跟蹤控制、繞障控制等。對板球系統(tǒng)的研究涉及到實驗平臺的機(jī)械結(jié)構(gòu)整體設(shè)計、系統(tǒng)動力學(xué)分析及非線性建模、現(xiàn)代控制理論、智能控制理論、數(shù)字圖像處理、軌跡規(guī)劃與跟蹤等諸多領(lǐng)域。由于板球系統(tǒng)本身的復(fù)雜性，涉及領(lǐng)域的廣泛性以及物理模型的簡易性，使其成為了控

2、制理論研究中一種典型的控制對象，可以檢驗各種控制算法的有效性，其理論分析與控制方法的研究成果可以推廣到機(jī)器人控制、衛(wèi)星定位、船舶定航等實際工程問題，具有廣泛的應(yīng)用價值。因此，本文選取基于圖像采集的視覺板球系統(tǒng)作為研究對象，對系統(tǒng)的現(xiàn)有控制方法——FUZZY-PID控制器進(jìn)行了分析研究，在此基礎(chǔ)上對其視覺檢測進(jìn)行了優(yōu)化，并針對FUZZY-PID中調(diào)節(jié)時間較長，穩(wěn)態(tài)誤差較大的問題，本文引入更加新型、高效的果蠅優(yōu)化算法（Fruit Fly O

3、ptimization Algorithm，F(xiàn)OA）對PID參數(shù)進(jìn)行整定，提出了優(yōu)化改進(jìn)的變步長果蠅優(yōu)化算法（Variable Step FOA，VSFOA），以實現(xiàn)PID控制參數(shù)的在線動態(tài)整定，并以此設(shè)計了VSFOA-PID控制器，實現(xiàn)了對小球的定位控制和軌跡跟蹤控制，實驗結(jié)果表明：本文提出的利用變步長果蠅優(yōu)化算法進(jìn)行在線PID參數(shù)整定的VSFOA-PID控制器具有較高的定位控制精度，較短的調(diào)節(jié)時間，以及較快的軌跡跟蹤速度。本文的主要

4、工作如下：
　　首先，本文闡述了板球系統(tǒng)和果蠅優(yōu)化算法的研究意義和研究背景及現(xiàn)狀，分析了板球系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)與工作原理，在采用拉格朗日力學(xué)原理建立板球系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，對板球系統(tǒng)進(jìn)行理論分析、研究，以及建立板球系統(tǒng)的仿真模型，并選取平板傾斜角度作為控制量對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行簡化，最終得到板球系統(tǒng)關(guān)于x/y軸解耦的完全線性化簡化模型。
　　第二，針對圖像采集中產(chǎn)生的噪聲及光線變化引起的小球定位不夠準(zhǔn)確這一問題，本文對采集的圖像進(jìn)

5、行了去噪處理，接著使用OTSU法獲取灰度圖像最優(yōu)二值化閾值，以準(zhǔn)確分割出小球圖像，提取小球質(zhì)心。由于采集的圖像中背景較多，在圖像處理過程中將會占用大量的計算時間，本文提出將采集的圖像劃分為含有球盤和小球的目標(biāo)區(qū)域和背景區(qū)域，在圖像處理中僅對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行處理。本文提出的優(yōu)化視覺檢測方案提高了定位精度，增強了系統(tǒng)視覺檢測魯棒性。
　　第三，針對傳統(tǒng)PID參數(shù)在線整定過程復(fù)雜、適應(yīng)性較差，難以滿足板球系統(tǒng)對控制過程快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的要求

6、這一問題，本文引入果蠅優(yōu)化算法對PID參數(shù)進(jìn)行在線動態(tài)整定，通過在線整定的方式提高系統(tǒng)的控制品質(zhì)。由于常規(guī)果蠅優(yōu)化算法中步長為固定值，使得算法無法平衡搜索過程中的全局搜索能力與局部尋優(yōu)能力，搜索精度與收斂速度，因此，本文對常規(guī)果蠅優(yōu)化算法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了使步長隨著迭代次數(shù)增加而減小的變步長果蠅優(yōu)化算法VSFOA，從而實現(xiàn)算法在迭代初期具有較高的全局搜索能力和較快的收斂速度，在迭代后期具有較高的局部尋優(yōu)能力和搜索精度，并基于VSFOA在

7、線動態(tài)整定PID參數(shù)的方法構(gòu)建VSFOA-PID控制器。通過使用PID控制器、FOA-PID控制器及VSFOA-PID控制器對板球系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行定位控制仿真實驗，實驗結(jié)果不僅驗證了VSFOA算法的有效性，同時也表明本文提出的VSFOA-PID控制器相對于常規(guī)PID控制器，可以大幅縮短調(diào)節(jié)時間，減小超調(diào)量，降低系統(tǒng)誤差性能指標(biāo)，而與FOA-PID控制器相比時，具有更短的調(diào)節(jié)時間，更低的系統(tǒng)誤差性能指標(biāo)，從而可以用于實現(xiàn)板球系統(tǒng)的軌跡跟蹤

8、、繞障等更加復(fù)雜的控制；通過使用PID控制器和VSFOA-PID控制器對板球系統(tǒng)進(jìn)行軌跡跟蹤控制仿真實驗，實驗結(jié)果表明，使用VSFOA-PID控制器時，系統(tǒng)響應(yīng)延遲更短，系統(tǒng)誤差性能指標(biāo)更小。
　　最后，將本文提出的VSFOA-PID控制器應(yīng)用于板球系統(tǒng)的實時控制，實現(xiàn)了小球的定位控制和軌跡跟蹤控制。通過與FUZZY-PID控制器進(jìn)行定位控制對比實驗，結(jié)果表明，本文提出的VSFOA-PID控制器具有更小的穩(wěn)態(tài)誤差（FUZZY-PI