informИнформатикаInformatics1816-03012617-6963UIIP NASB10.37661/1816-0301-2021-18-4-53-68inform-1170Research ArticleИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИINFORMATION TECHNOLOGYОптимизация коэффициентов ПИД-регулятора системы управления движением мобильного робота по цветоконтрастной линии на основе генетического алгоритмаOptimization of the PID coefficients for the line-follower mobile robot controller employing genetic algorithmКимТ. Ю.KimT. Yu.

Ким Татьяна Юрьевна – аспирант.

ул. Сурганова, 6, Минск, 220012.

Tatyana Yu. Kim - Postgraduate Student, The United Institute of Informatics Problems of the National Academy of Sciences of Belarus.

Surganova st., 6, Minsk, 220012.

tatyana_kim92@mail.ruПрокоповичГ. А.PrakapovichR. A.

Прокопович Григорий Александрович - кандидат технических наук, доцент, заведующий лабораторией робототехнических систем.

ул. Сурганова, 6, Минск, 220012.

Ryhor A. Prakapovich - Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Head of the Robotic Systems Laboratory, The United   Institute of Informatics Problems of the National Academy of Sciences of Belarus.

Surganova st., 6, Minsk, 220012.

rprakapovich@robotics.byОбъединенный институт проблем информатики Национальной академии наук БеларусиThe United Institute of Informatics Problems of the National Academy of Sciences of Belarus2021311220211845368Copyright © Ким Т.Ю., Прокопович Г.А., 20212021Ким Т.Ю., Прокопович Г.А.Kim T.Y., Prakapovich R.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://inf.grid.by/jour/article/view/1170Ц е л и

Ц е л и. Разработать систему управления движением мобильного робота по  цветоконтрастной линии, а также найти значения коэффициентов  пропорционально-интегрально-дифференцирующего (ПИД-) регулятора, позволяющего роботу двигаться вдоль линии с заданной скоростью.

М е то д ы

М е то д ы. Для настройки значений коэффициентов ПИД-регулятора используются методы перебора, автоматической настройки и генетический алгоритм.

Р е з у л ь т а т ы

Р е з у л ь т а т ы. Разработан программный комплекс настройки ПИД-регулятора учебного мобильного робота RoboCake, предназначенного для движения по замкнутой цветоконтрастной линии с заданной скоростью. Программный комплекс состоит из имитационной модели указанного робота в среде Simulink, четырех виртуальных трасс-полигонов и специализированного решателя на базе разработанного генетического алгоритма. С помощью предложенной функции пригодности реализована система управления мобильным роботом, удовлетворяющая поставленным условиям. На основе проведенных модельных экспериментов получены искомые значения параметров ПИД-регулятора.

З а к л ю ч е н и е

З а к л ю ч е н и е.  Проведено сравнение эффективности различных методов настройки ПИД-регулятора. Разработанный программный комплекс предназначен для решения практической задачи движения мобильного робота по цветоконтрастной линии со скоростью 1 м/с. Полученные результаты могут быть применены для исследования методов эволюционной настройки систем стабилизации транспортных роботов, обеспечивающих их движение без перерегулирования.

O b j e c t i v e s

O b j e c t i v e s. To develop a control system for the movement of a mobile robot along a color-contrast line, as well as to find the values of the coefficients of a proportional-integral-differentiating (PID) controller that allows the robot to move along the line at a given speed.

M e t ho d s

M e t ho d s. To adjust the values of the coefficients of the PID controller, methods of enumeration, automatic tuning and a genetic algorithm are used.

Re s u l t s

Re s u l t s. A software package for tuning the PID controller of the educational mobile robot RoboCake, designed to move along a closed color-contrast line at a given speed, has been developed. The software package consists of a simulation model of the specified robot in the Simulink environment, several virtual traces-polygons and a specialized solver based on the developed genetic algorithm. With the help of the proposed fitness function, a mobile robot control system that satisfies the stated conditions is implemented. Based on the conducted model experiments, the desired values of the parameters of the PID controller are obtained.

Co n c l u s i o n

Co n c l u s i o n. A comparison of the effectiveness of various methods of tuning the PID controller is carried out. The developed software package is designed to solve the practical problem of moving a mobile robot along a color-contrast line at a speed of 1 m/s. The results obtained can be used to study methods of evolutionary tuning of stabilization systems for transport robots, ensuring their movement without overshoot.

система стабилизации движениягенетический алгоритмПИД-регуляторимитационная модельимитационное моделированиеобратная связьсенсорыmotion stabilization systemgenetic algorithmPID controllersimulation modelsimulationfeedbacksensorsРабота выполнялась в рамках проекта БРФФИ Ф20Р-324 и задания Т31 ГПНИ «Цифровые и космические технологии, безопасность человека, общества и государства» (2021–2025).The work was carried out within the framework of the BRFFR project F20R-324 and the task T31 of the State Scientific Research Program "Digital and Space Technologies, Human, Society and State Security" (2021–2025).ReferencesАвтоматизированная настройка ПИД-регулятора для объекта управления следящей системы с использованием программного пакета MATLAB Simulink / А. В. Филиппов [и др.] // Наука, техника и образование. – 2015. – № 12(18). – C. 53–59.Filippov A. V., Kosolapov М. А., Maslov I. A. Automated tuning of the PID controller for the control object of the servo system using the MATLAB Simulink software package. Nauka, tehnika i obrazovanie [Science, Technology and Education], 2015, no. 12(18), pp. 53–59 (In Russ.).Aström, K. J. The future of PID control / K. J. Aström, T. Hägglund // Control Engineering Practice. – 2001. – Vol. 9, no. 11. – P. 1163–1175. https://doi.org/10.1016/S0967-0661(01)00062-4Aström K. J., Hägglund T. The future of PID control. Control Engineering Practice, 2001, vol. 9, no. 11, pp. 1163–1175. https://doi.org/10.1016/S0967-0661(01)00062-4Иващенко, Н. Н. Автоматическое регулирование: теория и элементы систем / Н. Н. Иващенко. – М. : Машиностроение, 1978. – 737 с.Ivaschenko N. N. Avtomaticheskoe regulirovanie: teoriya i elementi system. Automatic Regulation: Theory and Elements of Systems. Мoscow, Маshinostroenie, 1978, 737 p. (In Russ.).Martins, F. G. Tuning PID controllers using the ITAE criterion / F. G. Martins // Intern. J. of Engineering Education. – 2005. – Vol. 21, no. 5. – P. 867–873.Martins F. G. Tuning PID controllers using the ITAE criterion. International Journal of Engineering Education, 2005, vol. 21, no. 5, pp. 867–873.Kose, O. PID controlled line follower robot design on indoor 3D networks / O. Kose, I. R. Karas // IAES Intern. Conf. on Electrical Engineering, Computer Science and Informatics (EECSI-2014). – Yogyakarta, Indonesia, 2014. – P. 20–21.Kose O., Karas I. R. PID controlled line follower robot design on indoor 3D networks. IAES International Conference on Electrical Engineering, Computer Science and Informatics (EECSI-2014). Yogyakarta, Indonesia, 2014, pp. 20–21.Варламов, И. PID-EXPERT – автоматизация автоматизации / И. Варламов, П. Зубов // Control Engineering. – 2017. – № 2(68). – С. 98–101.Varlamov I., Zubov P. PID-EXPERT – automation automation’s. Control Engineering, 2017, no. 2(68), pp. 98–101 (In Russ.).Vladu, E. E. Controller tuning using genetic algorithms [Electronic resource] / E. E. Vladu, T. L. Dragomir // 1st Romanian-Hungarian Joint Symp. on Applied Computational Intelligence (SACI 2004). – Springer, 2004. – Mode of access: https://www.researchgate.net/publication/228954545_Controller_Tuning_Using_Genetic_Algorithms. – Date of access: 12.05.2021.Vladu E. E., Dragomir T. L. Controller tuning using genetic algorithms. 1st Romanian-Hungarian Joint Symposium on Applied Computational Intelligence (SACI 2004). Springer, 2004. Available at: https://www.researchgate.net/publication/228954545_Controller_Tuning_Using_Genetic_Algorithms (accessed 12.05.2021).Genetic algorithm / M. Ünal [et al.] // Optimization of PID Controllers Using Ant Colony and Genetic Algorithms. – Berlin : Springer, 2013. – 449 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-32900-5_3Ünal M., Ak A., Topuz V., Erdal H. Genetic algorithm. Optimization of PID Controllers Using Ant Colony and Genetic Algorithms. Berlin, Springer, 2013, 449 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-32900-5_3Саймон, Д. Алгоритмы эволюционной оптимизации. Биологически обусловленные и популяционно-ориентированные подходы к компьютерному интеллекту / Д. Саймон ; пер. с англ. А. В. Логунова. – М. : ДМК Пресс, 2020. – 1002 с.Simon D. Evolutionary Optimization Algorithms. John Wiley & Sons, 2013, 784 р.Разработка генетического алгоритма с адаптивными мутациями для определения глобального экстремума функции n-переменных [Электронный ресурс] / А. Н. Кошев [и др.] // Интернет-журнал «Науковедение». – 2016. – № 8(6). – C. 1–13. – Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/32TVN616.pdf. – Дата доступа: 12.05.2021.Koshev A. N., Salmin V. V., Generalova A. A., Bichkov D. S. The development of genetic algorithm with adaptive mutations to determine the global extremum function of n-variables. Internet-jurnal “Naukavedenie” [Online Magazine "Science"], 2016, vol. 8, no. 6, pp. 1–13. Available at: http://naukovedenie.ru/PDF/32TVN616.pdf (accessed 12.05.2021).Подлазова, A. B. Генетические алгоритмы на примерах решения задач раскроя / A. B. Подлазова // Проблемы управления. – 2008. – № 2. – C. 57–63.Podlazov A. V. Genetic algorithms based on examples of solving cutting problems. Problemi upravleniya [Management Problems], 2008, vol. 2, pp. 57–63 (In Russ.).Koo, Y. C. Motor speed controller for differential wheeled mobile robot / Y. C. Koo, E. A. Bakar // ARPN J. of Engineering and Applied Sciences. – 2015. – Vol. 10, no. 22. – P. 10698–10702.Koo Y. C., Bakar E. A. Motor speed controller for differential wheeled mobile robot. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 2015, vol. 10, no. 22, pp. 10698–10702.PID Control / ed. W. S. Levine // The Control Handbook. – Piscataway, NJ : IEEE Press, 1996. – P. 198–209.PID control. In W. S. Levine (ed.). The Control Handbook. Piscataway, New Jersey, IEEE Press, 1996, pp. 198–209.O’Dwyer, A. Handbook of PI and PID Controller Tuning Rules / A. O’Dwyer. – London : Imperial College Press, 2003. – 564 p.O’Dwyer A. Handbook of PI and PID Controller Tuning Rules. London, Imperial College Press, 2003, 564 p.Mirzal, A. PID parameters optimization by using genetic algorithm / A. Mirzal, Sh. Yoshii, M. Furukawa // ISTECS J. – 2006. – Vol. 8, no. 11. – P. 34–43.Mirzal A., Yoshii Sh., Furukawa M. PID parameters optimization by using genetic algorithm. ISTECS Journal, 2006, vol. 8, no. 11, p. 34–43.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.