本发明专利技术公开了一种基于模糊控制的两轮自平衡机器人避障系统及控制方法，涉及机器人控制领域，具体应用在两轮自平衡机器人避障系统设计及控制方法的实现。本发明专利技术利用模糊控制方法以及超声波测距原理设计了一种两轮自平衡机器人避障控制系统。系统包括：姿态检测模块，运动控制模块和运动执行模块。使用数字信号处理器对超声波传感器采集到的环境信息进行存储处理，特别是在避障系统控制方法设计基础上使用模糊控制规则，设计模糊控制器，实现两轮自平衡机器人在未知环境中自主实现无碰撞地避障。本发明专利技术具有良好的鲁棒性和容错性。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种，涉及机器人控制领域，具体应用在两轮自平衡机器人避障系统设计及控制方法的实现。本专利技术利用模糊控制方法以及超声波测距原理设计了一种两轮自平衡机器人避障控制系统。系统包括：姿态检测模块，运动控制模块和运动执行模块。使用数字信号处理器对超声波传感器采集到的环境信息进行存储处理，特别是在避障系统控制方法设计基础上使用模糊控制规则，设计模糊控制器，实现两轮自平衡机器人在未知环境中自主实现无碰撞地避障。本专利技术具有良好的鲁棒性和容错性。【专利说明】
本专利技术涉及机器人控制领域，具体应用在两轮自平衡机器人的避障系统上。
技术介绍
如何让移动机器人可以在未知环境中自主实现无碰撞地避障，成为机器人研究领 域的热点之一。避障系统的任务是在具有障碍物的地理环境中，根据特定的运动标准，使控 制对象从开始位置运动到终点位置并能够避开障碍物，避开障碍物是移动机器人避障规划 里非常关键的问题。按照机器人所能掌握的地理数据的差异，基本分成两类避障规划：第一 类是已知地理数据的全局避障规划，第二类是部分未知或整体未知环境数据，利用传感器 对所在的运动环境进行实时检测，从而知道障碍物的地理方位，大小形状等数据的局部避 障规划；按照移动机器人所在环境中障碍物的不同，分成两类：在静止障碍物地理中与运 动障碍物地理中的避障规划问题。 移动机器人全局避障规划的主要方法有：自由空间法，栅格法和位姿空间法等。自 由空间法应用于机器人避障，采用预先定义的如广义锥形和凸多边形等基本形状构造自由 空间，并将自由空间表示为连通图，通过搜索连通图来进行避障。但相关方法的复杂程度与 障碍物的多少成正比，在实际环境中应用起来难度较大。栅格法是将机器人工作环境分成 一系列具有二值信息的网格单元，多采用四叉树或八叉树表示工作环境，并通过优化方法 完成路径搜索。该方法的缺点是表示效率不高，存在着时空开销与求解精度之间的矛盾。位 姿空间法是目前研究移动机器人避障的一个基本工具,其基本思想是用位姿空间中的一个 点来表征机器人的位置和方向，该方法的缺点是缺乏灵活性，且存在组合爆炸问题。 局部避障规划的方法重点包括：人工势场法和遗传算法。人工势场法最初是由 Khatib提出的一种虚拟力法。其基本思想是将机器人在环境中的运动视为一种虚拟的人工 受力场中的运动，障碍物对机器人产生斥力，目标点对机器人产生引力，引力和斥力的合力 作为机器人的加速力，来控制机器人的运动方向。但传统的人工势场法由于没有引入优化 过程而容易陷入局部极小区域，不易调节。遗传算法由J. Holland在60年代初提出的，以 自然遗传机制和自然选择等生物进化理论为基础，构造了一类随机化搜索方法，模拟自然 界的物竞天择、适者生存的进化观点，在问题的解空间中寻找全局的并行随机搜索，使表示 问题解的种群向全局最优解进化。该方法需以连通图为前提，对于环境复杂、障碍物数目较 多的情况，会有一定的困难。 以上各种方法的应用领域是针对于移动机器人，如四轮机器人小车、两轮加辅助 轮的机器人,其并不涉及机器人的自平衡问题。
技术实现思路
为了使两轮自平衡机器人在移动过程中无碰撞地避开形状各异的障碍物，本专利技术 提出了一种。 本专利技术采用如下技术方案： ，其特征在于，系统包括： 姿态检测模块，运动控制模块和运动执行模块； 所述姿态检测模块，包括运动模式控制模块EPC、微型姿态方位传感器MTI、超声 波传感器，运动模式控制模块EPC与运动姿态控制模块相接，运动姿态控制模块输出脉冲 宽度信号与运动姿态控制模块，电源分别与运动姿态控制模块和电机模块相连，微型姿态 方位传感器MTI与运动姿态控制模块相连，提供姿态信号，超声波传感器与运动姿态控制 模块相连，提供距离信号； 所述超声波模块，包括超声波发射器、接收器和控制电路，超声波模块测量的扇形 范围区域内根据超声波返回距离的变化判断是否存在障碍物，向超声波模块提供一个10 微秒以上脉冲触发信号，该模块内部将发出8个40kHz周期电平并检测回波，一旦检测到有 回波信号则输出回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比，由此通过发射信号到收到的回 响信号时间间隔可以计算得到距离； 所述运动控制模块，包括运动姿态控制模块、电源、遥控，运动姿态控制模块采用 数字信号处理器实现，电源主要由电池、电源分配器和各级开关组成,在电池供电模式下， 锂电池组输出24V直流电，一部分为左、右轮电机供电，另一部分经过电源适配器变换为 5V 和1M直流输出，分别为系统中相应电子设备供电，遥控器与运动姿态控制模块相连，进行 远程遥控； 所述模糊控制器，首先要确定模糊控制器中的输入量和输出量，确定三个输入量， 对应三个超声波传感器采集到的距离信息，即左前方障碍物距离信息、正前方障碍物距离 信息和右前方障碍物距离信息，分别用DL、DF和DR表示，其模糊语言变量均为{近，中， 远}，用{Near, Med, Far}表示，论域为，一个输出量，即机器人在避障过程 中的转向角度，用α表示，其模糊语言变量为{左转，稍微左转，前行，稍微右转，右转}，用 {VL，SL，F，SR, VR}表示，论域为; 所述运动执行模块，包括两组直流电机及其伺服系统构成，是两轮自平衡机器人 的运动力来源，两轮自平衡机器人采用两个直流电机同轴差分驱动，每一个主动轮采用一 台直流电机独立驱动，通过数字信号处理器调节电机通断时间的比例，调节相应驱动轮的 转速，达到调速的目的，从而实现运动功能。 所述的基于模糊控制的两轮自平衡机器人避障系统控制方法，其特征在于，该方 法包括如下步骤： 步骤S1 :将控制程序的二进制代码通过调试软件和USB数据线下载到避障系统的 数字信号处理器中； 步骤S2 :在控制程序中已编入前进、后退、自旋、定点平衡指令，通过遥控器对应 的1、2、3、4按键即可向两轮自平衡机器人发送控制指令； &步骤S3 :距离障碍物的距离信息，通过超声波传感器的发射探头和接收探头分别 采集左前方、正前方、右前方的障碍物距离信息，再将数据发送到数字信号处理器中，通过 ...VT s y公式计算出机器人距离障碍物的距离，s表示机器人距离障碍物的距离，v表示声波 在空气中的传播速度，τ表示声波在空气中的传播速度； 步骤S4 :当障碍物较近时，机器人根据障碍物的分布并且结合模糊规则做出合理 的决策，模糊规则如下： /Med Near Near、 Med Near Med Med Med Near Med Far Near ,1、 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\ 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 \ . 11= Near Med Far / \ Near Fa本文档来自技高网...
【技术保护点】
基于模糊控制的两轮自平衡机器人避障系统及控制方法，其特征在于，系统包括：姿态检测模块，运动控制模块和运动执行模块；所述姿态检测模块，包括运动模式控制模块EPC、微型姿态方位传感器MTI、超声波传感器，运动模式控制模块EPC与运动姿态控制模块相接，运动姿态控制模块输出脉冲宽度信号与运动姿态控制模块，电源分别与运动姿态控制模块和电机模块相连，微型姿态方位传感器MTI与运动姿态控制模块相连，提供姿态信号，超声波传感器与运动姿态控制模块相连，提供距离信号；所述超声波模块，包括超声波发射器、接收器和控制电路，超声波模块测量的扇形范围区域内根据超声波返回距离的变化判断是否存在障碍物，向超声波模块提供一个10微秒以上脉冲触发信号，该模块内部将发出8个40kHz周期电平并检测回波，一旦检测到有回波信号则输出回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比，由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离；所述运动控制模块，包括运动姿态控制模块、电源、遥控，运动姿态控制模块采用数字信号处理器实现，电源主要由电池、电源分配器和各级开关组成，在电池供电模式下，锂电池组输出24V直流电，一部分为左、右轮电机供电，另一部分经过电源适配器变换为5V和12V直流输出，分别为系统中相应电子设备供电，遥控器与运动姿态控制模块相连，进行远程遥控；所述模糊控制器，首先要确定模糊控制器中的输入量和输出量，确定三个输入量，对应三个超声波传感器采集到的距离信息，即左前方障碍物距离信息、正前方障碍物距离信息和右前方障碍物距离信息，分别用DL、DF和DR表示，其模糊语言变量均为{近，中，远}，用{Near，Med，Far}表示，论域为[0.25米，4米]，一个输出量，即机器人在避障过程中的转向角度，用α表示，其模糊语言变量为{左转，稍微左转，前行，稍微右转，右转}，用{VL,SL,F,SR,VR}表示，论域为[‑90°,90°]；所述运动执行模块，包括两组直流电机及其伺服系统构成,是两轮自平衡机器人的运动力来源,两轮自平衡机器人采用两个直流电机同轴差分驱动，每一个主动轮采用一台直流电机独立驱动，通过数字信号处理器调节电机通断时间的比例,调节相应驱动轮的转速,达到调速的目的，从而实现运动功能。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：阮晓钢，李望博，田重阳，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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