基于模糊控制的兩輪自平衡機(jī)器人避障系統(tǒng)及控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于模糊控制的兩輪自平衡機(jī)器人避障系統(tǒng)及控制方法，涉及機(jī)器人控制領(lǐng)域，具體應(yīng)用在兩輪自平衡機(jī)器人避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制方法的實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明利用模糊控制方法以及超聲波測距原理設(shè)計(jì)了一種兩輪自平衡機(jī)器人避障控制系統(tǒng)。系統(tǒng)包括：姿態(tài)檢測模塊，運(yùn)動控制模塊和運(yùn)動執(zhí)行模塊。使用數(shù)字信號處理器對超聲波傳感器采集到的環(huán)境信息進(jìn)行存儲處理，特別是在避障系統(tǒng)控制方法設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上使用模糊控制規(guī)則，設(shè)計(jì)模糊控制器，實(shí)現(xiàn)兩輪自平衡機(jī)器人在未知環(huán)境中自主實(shí)現(xiàn)無碰撞地避障。本發(fā)明具有良好的魯棒性和容錯性。
【專利說明】基于模糊控制的兩輪自平衡機(jī)器人避障系統(tǒng)及控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機(jī)器人控制領(lǐng)域，具體應(yīng)用在兩輪自平衡機(jī)器人的避障系統(tǒng)上。

【背景技術(shù)】
[0002] 如何讓移動機(jī)器人可以在未知環(huán)境中自主實(shí)現(xiàn)無碰撞地避障，成為機(jī)器人研究領(lǐng) 域的熱點(diǎn)之一。避障系統(tǒng)的任務(wù)是在具有障礙物的地理環(huán)境中，根據(jù)特定的運(yùn)動標(biāo)準(zhǔn)，使控 制對象從開始位置運(yùn)動到終點(diǎn)位置并能夠避開障礙物，避開障礙物是移動機(jī)器人避障規(guī)劃 里非常關(guān)鍵的問題。按照機(jī)器人所能掌握的地理數(shù)據(jù)的差異，基本分成兩類避障規(guī)劃：第一 類是已知地理數(shù)據(jù)的全局避障規(guī)劃，第二類是部分未知或整體未知環(huán)境數(shù)據(jù)，利用傳感器 對所在的運(yùn)動環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，從而知道障礙物的地理方位，大小形狀等數(shù)據(jù)的局部避 障規(guī)劃；按照移動機(jī)器人所在環(huán)境中障礙物的不同，分成兩類：在靜止障礙物地理中與運(yùn) 動障礙物地理中的避障規(guī)劃問題。
[0003] 移動機(jī)器人全局避障規(guī)劃的主要方法有：自由空間法，柵格法和位姿空間法等。自 由空間法應(yīng)用于機(jī)器人避障，采用預(yù)先定義的如廣義錐形和凸多邊形等基本形狀構(gòu)造自由 空間，并將自由空間表示為連通圖，通過搜索連通圖來進(jìn)行避障。但相關(guān)方法的復(fù)雜程度與 障礙物的多少成正比，在實(shí)際環(huán)境中應(yīng)用起來難度較大。柵格法是將機(jī)器人工作環(huán)境分成 一系列具有二值信息的網(wǎng)格單元，多采用四叉樹或八叉樹表示工作環(huán)境，并通過優(yōu)化方法 完成路徑搜索。該方法的缺點(diǎn)是表示效率不高，存在著時(shí)空開銷與求解精度之間的矛盾。位 姿空間法是目前研究移動機(jī)器人避障的一個基本工具,其基本思想是用位姿空間中的一個 點(diǎn)來表征機(jī)器人的位置和方向，該方法的缺點(diǎn)是缺乏靈活性，且存在組合爆炸問題。
[0004] 局部避障規(guī)劃的方法重點(diǎn)包括：人工勢場法和遺傳算法。人工勢場法最初是由 Khatib提出的一種虛擬力法。其基本思想是將機(jī)器人在環(huán)境中的運(yùn)動視為一種虛擬的人工 受力場中的運(yùn)動，障礙物對機(jī)器人產(chǎn)生斥力，目標(biāo)點(diǎn)對機(jī)器人產(chǎn)生引力，引力和斥力的合力 作為機(jī)器人的加速力，來控制機(jī)器人的運(yùn)動方向。但傳統(tǒng)的人工勢場法由于沒有引入優(yōu)化 過程而容易陷入局部極小區(qū)域，不易調(diào)節(jié)。遺傳算法由J. Holland在60年代初提出的，以 自然遺傳機(jī)制和自然選擇等生物進(jìn)化理論為基礎(chǔ)，構(gòu)造了一類隨機(jī)化搜索方法，模擬自然 界的物競天擇、適者生存的進(jìn)化觀點(diǎn)，在問題的解空間中尋找全局的并行隨機(jī)搜索，使表示 問題解的種群向全局最優(yōu)解進(jìn)化。該方法需以連通圖為前提，對于環(huán)境復(fù)雜、障礙物數(shù)目較 多的情況，會有一定的困難。
[0005]以上各種方法的應(yīng)用領(lǐng)域是針對于移動機(jī)器人，如四輪機(jī)器人小車、兩輪加輔助 輪的機(jī)器人,其并不涉及機(jī)器人的自平衡問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了使兩輪自平衡機(jī)器人在移動過程中無碰撞地避開形狀各異的障礙物，本發(fā)明 提出了一種基于模糊控制的兩輪自平衡機(jī)器人避障系統(tǒng)及控制方法。
[0007]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0008] 基于模糊控制的兩輪自平衡機(jī)器人避障系統(tǒng)及控制方法，其特征在于，系統(tǒng)包括： 姿態(tài)檢測模塊，運(yùn)動控制模塊和運(yùn)動執(zhí)行模塊；
[0009] 所述姿態(tài)檢測模塊，包括運(yùn)動模式控制模塊EPC、微型姿態(tài)方位傳感器MTI、超聲 波傳感器，運(yùn)動模式控制模塊EPC與運(yùn)動姿態(tài)控制模塊相接，運(yùn)動姿態(tài)控制模塊輸出脈沖 寬度信號與運(yùn)動姿態(tài)控制模塊，電源分別與運(yùn)動姿態(tài)控制模塊和電機(jī)模塊相連，微型姿態(tài) 方位傳感器MTI與運(yùn)動姿態(tài)控制模塊相連，提供姿態(tài)信號，超聲波傳感器與運(yùn)動姿態(tài)控制 模塊相連，提供距離信號；
[0010]所述超聲波模塊，包括超聲波發(fā)射器、接收器和控制電路，超聲波模塊測量的扇形 范圍區(qū)域內(nèi)根據(jù)超聲波返回距離的變化判斷是否存在障礙物，向超聲波模塊提供一個10 微秒以上脈沖觸發(fā)信號，該模塊內(nèi)部將發(fā)出8個40kHz周期電平并檢測回波，一旦檢測到有 回波信號則輸出回響信號的脈沖寬度與所測的距離成正比，由此通過發(fā)射信號到收到的回 響信號時(shí)間間隔可以計(jì)算得到距離；
[0011]所述運(yùn)動控制模塊，包括運(yùn)動姿態(tài)控制模塊、電源、遙控，運(yùn)動姿態(tài)控制模塊采用 數(shù)字信號處理器實(shí)現(xiàn)，電源主要由電池、電源分配器和各級開關(guān)組成,在電池供電模式下， 鋰電池組輸出24V直流電，一部分為左、右輪電機(jī)供電，另一部分經(jīng)過電源適配器變換為 5V 和1M直流輸出，分別為系統(tǒng)中相應(yīng)電子設(shè)備供電，遙控器與運(yùn)動姿態(tài)控制模塊相連，進(jìn)行 遠(yuǎn)程遙控；
[0012]所述模糊控制器，首先要確定模糊控制器中的輸入量和輸出量，確定三個輸入量， 對應(yīng)三個超聲波傳感器采集到的距離信息，即左前方障礙物距離信息、正前方障礙物距離 信息和右前方障礙物距離信息，分別用DL、DF和DR表示，其模糊語言變量均為{近，中， 遠(yuǎn)}，用{Near, Med, Far}表示，論域?yàn)閇0· 25米，4米]，一個輸出量，即機(jī)器人在避障過程 中的轉(zhuǎn)向角度，用α表示，其模糊語言變量為{左轉(zhuǎn)，稍微左轉(zhuǎn)，前行，稍微右轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)}，用 {VL，SL，F(xiàn)，SR, VR}表示，論域?yàn)閇-90。，90。];
[0013]所述運(yùn)動執(zhí)行模塊，包括兩組直流電機(jī)及其伺服系統(tǒng)構(gòu)成，是兩輪自平衡機(jī)器人 的運(yùn)動力來源，兩輪自平衡機(jī)器人采用兩個直流電機(jī)同軸差分驅(qū)動，每一個主動輪采用一 臺直流電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動，通過數(shù)字信號處理器調(diào)節(jié)電機(jī)通斷時(shí)間的比例，調(diào)節(jié)相應(yīng)驅(qū)動輪的 轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)速的目的，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動功能。
[0014]所述的基于模糊控制的兩輪自平衡機(jī)器人避障系統(tǒng)控制方法，其特征在于，該方 法包括如下步驟：
[0015]步驟S1 :將控制程序的二進(jìn)制代碼通過調(diào)試軟件和USB數(shù)據(jù)線下載到避障系統(tǒng)的 數(shù)字信號處理器中；
[0016]步驟S2 :在控制程序中已編入前進(jìn)、后退、自旋、定點(diǎn)平衡指令，通過遙控器對應(yīng) 的1、2、3、4按鍵即可向兩輪自平衡機(jī)器人發(fā)送控制指令；
[ωπ] &步驟S3 :距離障礙物的距離信息，通過超聲波傳感器的發(fā)射探頭和接收探頭分別 采集左前方、正前方、右前方的障礙物距離信息，再將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)字信號處理器中，通過 ...VT s y公式計(jì)算出機(jī)器人距離障礙物的距離，s表示機(jī)器人距離障礙物的距離，v表示聲波 在空氣中的傳播速度，τ表示聲波在空氣中的傳播速度；
[0018]步驟S4 :當(dāng)障礙物較近時(shí)，機(jī)器人根據(jù)障礙物的分布并且結(jié)合模糊規(guī)則做出合理 的決策，模糊規(guī)則如下： /Med Near Near、 Med Near Med Med Med Near Med Far Near ,1、
[0019] VL = Far Near Near I 1 J* Far Near Med Vl/ Far Near Far ,Far Med Near i \ Far Far Near7 /Med Med Med、 Med Far Med /1\ /1\
[0020] Far Med Med IK F= (Far Far Far) I 1 I, Far Med Far Vl/ \1/ \ Far Far Med/ /Near Near Far \ Near Med Med \ .
[0021] 11= Near Med Far / \ Near Far Med Near Far Far I 、Med Med /Near Near Med\ /1\
[0022] V_ Med Near Far 1 K \Med Far Far / Vl/
[0023]其中，機(jī)器人結(jié)合三個方向的距離信息和模糊規(guī)則，來做出對應(yīng)的轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)避 障。
[0024] 所述的超聲波傳感器，其特征在于，測量精度為〇· 2cm，探測距離為2cm-450cm，感 應(yīng)角度為不大于15度，本發(fā)明采用三個超聲波傳感器并排使用。
[0025] 所述的模糊控制器，其特征在于，三個輸入量對應(yīng)三個超聲波傳感器采集到的距 離信息，即左前方障礙物距離信息、正前方障礙物距離信息和右前方障礙物距離信息。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1是兩輪自平衡機(jī)器人避障系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖2是本發(fā)明中用到的超聲波傳感器安裝位置示意圖；
[0028]圖3是本發(fā)明的電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖4是本發(fā)明的避障控制系統(tǒng)示意圖；
[0030] 圖5是本發(fā)明的三個輸入量的隸屬度函數(shù)示意圖；
[0031] 圖6是本發(fā)明的一個輸出量的隸屬度函數(shù)示意圖；
[0032] 圖7是本發(fā)明的模糊規(guī)則示意圖；
[0033] 圖8a_f是本發(fā)明的物理實(shí)驗(yàn)示意圖；
[0034] 圖9是本發(fā)明的控制方法流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0035] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對于本發(fā)明作進(jìn)一步的說明：
[0036] 基于模糊控制的兩輪自平衡機(jī)器人避障系統(tǒng)控制方法，如圖9所示，該方法包括 如下步驟：
[0037] 步驟1 :將控制程序的二進(jìn)制代碼通過調(diào)試軟件和USB數(shù)據(jù)線下載到避障系統(tǒng)的 數(shù)字信號處理器中；
[0038] 步驟2 :在控制程序中已編入前進(jìn)、后退、自旋、定點(diǎn)平衡指令，通過遙控器對應(yīng)的 1、2、3、4按鍵即可向兩輪自平衡機(jī)器人發(fā)送控制指令；
[0039] 步驟3 :距離障礙物的距離信息，通過超聲波傳感器的發(fā)射探頭和接收探頭分別 采集左前方、正前方、右前方的障礙物距離信息，再將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)字信號處理器中，通過 ντ 公式計(jì)算出機(jī)器人距離障礙物的距離，s表示機(jī)器人距離障礙物的距離，v表示聲波 在空氣中的傳播速度，T表示聲波在空氣中的傳播速度；
[0040] 步驟4 :當(dāng)障礙物較近時(shí)，機(jī)器人根據(jù)障礙物的分布并且結(jié)合模糊規(guī)則做出合理 的決策，模糊規(guī)則如下： /Med Near Near\ Med Near Med Med Med Near Med Far Near ,1、
[0041] VL = Far Near Near I 1 J, Far Near Med \1/ Far Near Far ,Far Med Near , ^ Far Far Near^ /Med Med Med\ Med Far Med /1\ /1\
[0042] SL= Far Med Med ill, F= (Far Far Far)11L Far Med Far vl/ \l/ V Far Far Med/ /Near Near Far\ Near Med Me^\ rnnm m - Near Far [ Λ C0043] SR- Near Far Med 1]) i Near Far Far J XMed Med Far, /Near Near Med\ /1\
[0044] VR = f Med Near Far j( 1 j， \Med Far Far / Vl/
[0045] 其中，機(jī)器人結(jié)合三個方向的距離信息和模糊規(guī)則，來做出對應(yīng)的轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)避 障。
[0046] 兩輪自平衡機(jī)器人避障控制的整體有益效果是：
[0047] 一、為兩輪自平衡機(jī)器人避障控制提供一種完整的解決方案。
[0048]二、在控制方法中加入了模糊控制，使兩輪自平衡機(jī)器人在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中做到自主 避障。
[0049] 三、本方法使用的超聲波傳感器5測量精度理論值為0. 2cm，探測距離為 2cm-450cm，感應(yīng)角度為不大于15度。滿足兩輪自平衡機(jī)器人的避障要求。
[0050] 四、避障模式只需遙控器7進(jìn)行開關(guān)切換，方便操控。
[0051] 從上述避障方法可以看出，通過此方法，即使是復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，兩輪自平衡機(jī) 器人也可以順利地完成自主避障。
[0052] 兩輪自平衡機(jī)器人的避障控制系統(tǒng)如圖4所示。當(dāng)機(jī)器人在運(yùn)行過程中，遇到障 礙物時(shí)，避障控制系統(tǒng)把從超聲波傳感器所獲得的距離信息發(fā)送給數(shù)字信號處理器進(jìn)行分 析和處理，通過模糊控制方法，將距離信息轉(zhuǎn)化成控制信息。最后向機(jī)器人驅(qū)動模塊輸出轉(zhuǎn) 向信號，從而完成避障任務(wù)。
[0053] 兩輪自平衡機(jī)器人：如圖1所示，包括運(yùn)動模式控制模塊1、運(yùn)動姿態(tài)控制模塊2、 電源3、微型姿態(tài)方位傳感器MTI 4、超聲波傳感器5、電機(jī)系統(tǒng)6、遙控器7。運(yùn)動模式控制 模塊EPC與運(yùn)動姿態(tài)控制模塊相接，運(yùn)動姿態(tài)控制模塊輸出脈沖寬度信號與運(yùn)動姿態(tài)控制 模塊，電源分別與運(yùn)動姿態(tài)控制模塊和電機(jī)模塊相連，微型姿態(tài)方位傳感器MTI與運(yùn)動姿 態(tài)控制模塊相連，提供姿態(tài)信號，超聲波傳感器與運(yùn)動姿態(tài)控制模塊相連，提供距離信號；
[0054] 一、超聲波傳感器5
[0055] 兩輪自平衡機(jī)器人采用三個超聲波傳感器5來采集相應(yīng)的距離信息，位置分別位 于機(jī)器人底盤的左前方、正前方和右前方，如圖2所示。模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器和 控制電路。超聲波模塊測量的扇形范圍區(qū)域內(nèi)根據(jù)超聲波返回距離的變化判斷是否存在障 礙物。向超聲波模塊提供一個10uS以上脈沖觸發(fā)信號，該模塊內(nèi)部將發(fā)出8個40kHz周期 電平并檢測回波。一旦檢測到有回波信號則輸出回響信號的脈沖寬度與所測的距離成正 t匕。由此通過發(fā)射信號到收到的回響信號時(shí)間間隔可以計(jì)算得到距離。即利用公式： VT
[0056] 5 = 了
[0057] 其中S :距離；
[0058] V :聲波在空氣中的傳播速度；
[0059] T :從發(fā)出超聲波到接收到回波的時(shí)間。
[0060]二、電源 3
[0061] 電源3是兩輪自平衡機(jī)器人的能量源。主要由電池、電源分配器和各級開關(guān)組成。 在電池供電模式下，鋰電池組輸出24V直流電，一部分為左、右輪電機(jī)供電，另一部分經(jīng)過 電源適配器變換為5V和12V直流輸出，分別為系統(tǒng)中相應(yīng)電子設(shè)備供電。電源系統(tǒng)3示意 圖如圖3所示。其中，鋰電池組的參數(shù)是22. 2V、4000mAh，有五片電芯組成。單片電芯電壓 不能低于3V，否則整個電池將損壞不能進(jìn)行再次充電，一般是單片電芯放電到3. 7V即停止 放電，并進(jìn)行充電。
[0062] 三、電機(jī)系統(tǒng)6
[0063]電機(jī)系統(tǒng)6主要由兩組直流電機(jī)及其伺服系統(tǒng)構(gòu)成，是兩輪自平衡機(jī)器人的運(yùn)動 力來源。兩輪自平衡機(jī)器人采用兩個直流電機(jī)同軸差分驅(qū)動，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動功能。因此選擇 兩個直流電機(jī)以及電機(jī)的驅(qū)動器。目前直流電機(jī)控制通常采用脈沖信號控制，數(shù)字信號處 理器則提供了專門針對電機(jī)控制的事件管理單元，控制方法也較成熟，能夠給設(shè)計(jì)帶來很 多方便。
[0064] 四、避障控制系統(tǒng)
[0065]設(shè)計(jì)避障控制系統(tǒng)的重點(diǎn)在于模糊控制器的設(shè)計(jì)，首先要確定模糊控制器中的輸 入量和輸出量。
[0066] 兩輪自平衡機(jī)器人的寬為0· 21m，長為0· 37m，將其看做一個可以包含機(jī)器人所有 邊緣的圓形機(jī)器人，其半徑為 _7]
[0068] 由于此機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)零回轉(zhuǎn)半徑，所以安全距離應(yīng)該大于R。所以，取安全半徑 為 0. 25m。
[0069] a)輸入量和輸出量
[0070] 首先要確定模糊控制器中的輸入量和輸出量，確定三個輸入量，對應(yīng)三個超聲波 傳感器采集到的距離信息，即左前方障礙物距離信息、正前方障礙物距離信息和右前方障 礙物距離信息，分別用DL、DF和DR表示，其模糊語言變量均為{近，中，遠(yuǎn)}，用{ Near，Med， Far}表示，論域?yàn)閇0·25米，4米]，輸入量DL，DF，DR的隸屬度函數(shù)相同，如圖5所示，一 個輸出量，即機(jī)器人在避障過程中的轉(zhuǎn)向角度，用α表示，其模糊語言變量為丨左轉(zhuǎn)，稍微 左轉(zhuǎn)，前行，稍微右轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)}，用{VL，SL，F(xiàn)，SR，VR}表示，論域?yàn)閇-90。，90。]，輸出量α 的隸屬度函數(shù)，如圖6所示。
[0071] b)模糊規(guī)則
[0072] 模糊規(guī)則的建立是模糊控制的核心問題。模糊控制系統(tǒng)是用一系列基于專家知識 的評議來描述的，用一系列模糊條件描述的模糊規(guī)則就構(gòu)成了模糊控制規(guī)則庫。根據(jù)模糊 控制理論，規(guī)則反映了輸入輸出量之間的關(guān)系。影響兩輪自平衡機(jī)器人轉(zhuǎn)向控制的因素主 要是左前、正前、右前方向的障礙物距離信息。機(jī)器人距離障礙物近時(shí)，機(jī)器人運(yùn)動需要的 轉(zhuǎn)角也就大；當(dāng)障礙物距離機(jī)器人比較遠(yuǎn)時(shí)，移動機(jī)器人轉(zhuǎn)角就小。建立模糊規(guī)則，根據(jù)障 礙物在不同位置的情況，設(shè)計(jì)輸出變量轉(zhuǎn)向角度的變化。模糊規(guī)則如圖7所示。
[0073] c)去模糊化
[0074] 通過模糊推理規(guī)則得到的輸出是模糊量，而對于實(shí)際的控制則必須將模糊量變?yōu)?精確量。本方法采用了重心法的去模糊方法。它取模糊隸屬函數(shù)曲線與橫坐標(biāo)軸圍成面積 的重心作為代表點(diǎn)，其控制量的精確值#為：
[0075] e* = f e μ c (e) ede/ f e μ c (e) de
[0076] 其中，e*是輸出的確定值，μ Je)是輸出論域上的隸屬度函數(shù)。
[0077] 如圖4所示，通過運(yùn)動姿態(tài)控制模塊2發(fā)出指令，超聲波傳感器5中的發(fā)射電路接 收到指令后，發(fā)送到發(fā)射探頭，發(fā)射探頭開始在可探測角度內(nèi)搜尋障礙物。搜尋到障礙物 后，將信號傳送到接收探頭，再通過接收電路，返回到運(yùn)動姿態(tài)控制模塊2中。計(jì)算好障礙 物的距離后，運(yùn)動姿態(tài)控制模塊2將距離信息傳到模糊控制器中，經(jīng)過模糊規(guī)則后，調(diào)整機(jī) 器人的轉(zhuǎn)向角度，將信號發(fā)送到驅(qū)動模塊，使機(jī)器人避開障礙物。在物理實(shí)驗(yàn)中，以實(shí)驗(yàn)室 為實(shí)驗(yàn)環(huán)境，機(jī)箱作為障礙物，機(jī)器人可以自主地完成避障，如圖8所示。
[0078]最后應(yīng)說明的是：以上示例僅用以說明本發(fā)明而并非限制本發(fā)明所描述的技術(shù)方 案；因此，盡管本說明書參照上述的示例對本發(fā)明已進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但是，本領(lǐng)域的普 通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對本發(fā)明進(jìn)行修改或等同替換；而一切不脫離發(fā)明的精神 和范圍的技術(shù)方案及其改進(jìn)，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1·基于模糊控制的兩輪自平衡機(jī)器人避障系統(tǒng)及控制方法，其特征在于，系統(tǒng)包括： 姿態(tài)檢測模塊，運(yùn)動控制模塊和運(yùn)動執(zhí)行模塊； 所述姿態(tài)檢測模塊，包括運(yùn)動模式控制模塊EPC、微型姿態(tài)方位傳感器ΜΤΙ、超聲波傳 感器，運(yùn)動模式控制模塊EPC與運(yùn)動姿態(tài)控制模塊相接，運(yùn)動姿態(tài)控制模塊輸出脈沖寬度 信號與運(yùn)動姿態(tài)控制模塊，電源分別與運(yùn)動姿態(tài)控制模塊和電機(jī)模塊相連，微型姿態(tài)方位 傳感器ΜΤΙ與運(yùn)動姿態(tài)控制模塊相連，提供姿態(tài)信號，超聲波傳感器與運(yùn)動姿態(tài)控制模塊 相連，提供距離信號； 所述超聲波模塊，包括超聲波發(fā)射器、接收器和控制電路，超聲波模塊測量的扇形范圍 區(qū)域內(nèi)根據(jù)超聲波返回距離的變化判斷是否存在障礙物，向超聲波模塊提供一個10微秒 以上脈沖觸發(fā)信號，該模塊內(nèi)部將發(fā)出8個40kHz周期電平并檢測回波，一旦檢測到有回波 信號則輸出回響信號的脈沖寬度與所測的距離成正比，由此通過發(fā)射信號到收到的回響信 號時(shí)間間隔可以計(jì)算得到距離； 所述運(yùn)動控制模塊，包括運(yùn)動姿態(tài)控制模塊、電源、遙控，運(yùn)動姿態(tài)控制模塊采用數(shù)字 信號處理器實(shí)現(xiàn)，電源主要由電池、電源分配器和各級開關(guān)組成，在電池供電模式下，鋰電 池組輸出24V直流電，一部分為左、右輪電機(jī)供電，另一部分經(jīng)過電源適配器變換為研和 12V直流輸出，分別為系統(tǒng)中相應(yīng)電子設(shè)備供電，遙控器與運(yùn)動姿態(tài)控制模塊相連，進(jìn)行遠(yuǎn) 程遙控； 所述模糊控制器，首先要確定|旲糊控制器中的輸入量和輸出量，確定三個輸入量,對應(yīng) 三個超聲波傳感器采集到的距離信息，即左前方障礙物距離信息、正前方障礙物距離信息 和右前方障礙物距離信息,分別用DL、DF和DR表示，其模糊語言變量均為{近，中，遠(yuǎn)}， 用{Near，Med，F(xiàn)ar}表示，論域?yàn)閇0. 25米，4米]，一個輸出量，即機(jī)器人在避障過程中 的轉(zhuǎn)向角度，用α表示，其模糊語言變量為{左轉(zhuǎn)，稍微左轉(zhuǎn)，前行，稍微右轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)}，用 {幾，31^^，51?，￥1?}表示，論域?yàn)閇-90。，90。] ; 所述運(yùn)動執(zhí)行模塊，包括兩組直流電機(jī)及其伺服系統(tǒng)構(gòu)成，是兩輪自平衡機(jī)器人的 運(yùn)動力來源，兩輪自平衡機(jī)器人采用兩個直流電機(jī)同軸差分驅(qū)動，每一個主動輪采用一臺 直流電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動，通過數(shù)字信號處理器調(diào)節(jié)電機(jī)通斷時(shí)間的比例，調(diào)節(jié)相應(yīng)驅(qū)動輪的轉(zhuǎn) 速，達(dá)到調(diào)速的目的，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動功能。
2·根據(jù)權(quán)力要求1所述的基于模糊控制的兩輪自平衡機(jī)器人避障系統(tǒng)控制方法，其特 征在于，該方法包括如下步驟： 步驟S1 :將控制程序的二進(jìn)制代碼通過調(diào)試軟件和USB數(shù)據(jù)線下載到避障系統(tǒng)的數(shù)字 信號處理器中； 步驟S2 :在控制程序中已編入前進(jìn)、后退、自旋、定點(diǎn)平衡指令，通過遙控器對應(yīng)的K 2、3、4按鍵即可向兩輪自平衡機(jī)器人發(fā)送控制指令； 步驟S3 :距離障礙物的距離信息，通過超聲波傳感器的發(fā)射探頭和接收探頭分別采 集左前方、正前方、右前方的障礙物距離信息，再將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)字信號處理器中，通過 VT: s = τ'公式計(jì)算出機(jī)器人距離障礙物的距離，s表示機(jī)器人距離障礙物的距離，ν表示聲波 在空氣中的傳播速度，τ表示聲波在空氣中的傳播速度； 步驟S4 :當(dāng)障礙物較近時(shí)，機(jī)器人根據(jù)障礙物的分布并且結(jié)合模糊規(guī)則做出合理的決 策，模糊規(guī)則如下： /Med Near Mear\ Med Near Med Med Med Near Med Far Near /1\ VL = Far Near Near ( 1 L Far Near Med Vl/ Far Near Far ,Far Med Near 、Far Far Near/ /Med Med Med\ Med Far Med /1\ /1\ SL^ Far Med Med fir F = (Far Far Far)(l] (Far Med Far I Vl/ W \ Far Far Med/ /Near Near Far\ Near Med Med、小 SR = Near Med Far /Λ Near Far Med 11 Near Far Far I ^Med Med Far^ /Near Hmr Mea/1% VR = I Med Near Far I! 1 k \Med Far Far / Vl/ 其中，機(jī)器人結(jié)合三個方向的距離信息和模糊規(guī)則，來做出對應(yīng)的轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)避障。
3·根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波傳感器，其特征在于，測量精度為0. 2cm，探測距離為 2cm-450cm，感應(yīng)角度為不大于15度，本發(fā)明采用三個超聲波傳感器并排使用。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模糊控制器，其特征在于，三個輸入量對應(yīng)三個超聲波傳感 器采集到的距離信息，即左前方障礙物距離信息、正前方障礙物距離信息和右前方障礙物 距離信息。
【文檔編號】G05D1/02GK104216409SQ201410448977
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月4日
【發(fā)明者】阮曉鋼, 李望博, 田重陽 申請人:北京工業(yè)大學(xué)