基于移动3G/4G网络环境下的仿生运动控制系统与控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于移动3G/4G网络环境下的仿生运动控制系统与控制方法。该系统包括以串口、USB口相连信息采集单元、中央控制器、通讯单元、图像处理单元，通讯单元利用GPRS的无线通讯功能与云平台服务器建立连接；该方法包括运动设备的远程无线网络控制、运动设备信息的上报、运动设备的速度控制、运动设备自主避碰、运动设备无障碍物路径规划和运动设备有障碍物路径规划步骤。本发明专利技术在3G/4G网络全覆盖条件下实现对运动设备远程无线网络控制，传输过程更加高效、稳定，不受距离的限制，抗干扰性强；利用多传感器融合，模仿生物对周围环境的感知，使运动设备模仿生物实现自主避障、路径规划等功能，具备较好的环境适应能力和复杂环境中的作业能力。

【技术实现步骤摘要】
基于移动3G/4G网络环境下的仿生运动控制系统与控制方法
本专利技术涉及智能控制和通讯领域，是为智能运动装置提供一种基于移动3G/4G网络环境下的仿生运动控制系统与控制方法。
技术介绍
近些年来无人机、无人艇、无人车等智能运动装置层出不穷，无人机被广泛用于航拍、电影、新闻、农业、消防、救援等领域，无人艇则被广泛应用于安防巡逻、水质监测、水域测绘等领域，无人车则被广泛用于勘探、消防、救援、交通、运输等领域，给人们的生活和工作带来了极大的便利。传统的无线通信控制方法有蓝牙控制、WiFi控制、电台控制、Zigbee技术等，不仅受到距离的限制且容易受到外界环境的干扰，现如今作业环境日渐复杂，智能运动装置需要更加高效、稳定的运动控制系统、控制方法以及更好的环境适应能力。基于上述情况，本专利技术提供一种基于移动3G/4G网络环境下的仿生运动控制系统与控制方法，采用GPRS的网络透传模式，使用指定传输协议实现远程无线网络控制，在3G/4G网络全覆盖条件下，不受距离限制，传输过程更加稳定、高效；并且能够在ROS平台下结合opencv使用深度摄像头获取深度信息，利用各种传感器协同作用，来模拟生物对周围环境的感知，实现自主避碰、路径规划等功能。
技术实现思路
本专利技术需要解决的技术问题是：针对现有技术缺陷，提供一种基于移动3G/4G网络环境下的仿生运动控制系统与控制方法，使信息传输过程更加高效、稳定，在3G/4G网络全覆盖条件下，传输不受距离的限制，并且能够让智能运动装置模拟生物感知周围环境，实现自主避碰、路径规划等功能。本专利技术解决其技术问题采用以下的技术方案：本专利技术提供的仿生运动控制系统，是一种基于移动3G/4G网络环境下的仿生运动控制系统，该系统包括以串口、USB口相连的信息采集单元、中央控制器、通讯单元、图像处理单元，通讯单元利用GPRS的无线通讯功能与云平台服务器建立连接。所述信息采集单元包括深度摄像头、温湿度传感器、姿态传感器、GPS卫星定位，用来采集自身姿态、位置信息，还可模拟动物监测周围环境，感知周围环境中物体的位置、大小以及距离设备本身的距离，从而作出自主避碰动作，并根据指定的任务实现在复杂环境中最优路径的规划及选择。所述温湿度传感器、姿态传感器、GPS模块均使用串口与中央控制器相连，深度摄像头使用USB口与图像处理单元相连；所述中央控制器采用STM32作为主控芯片，对信息采集单元采集的数据进行解析、处理及运算，控制通讯单元、云平台服务器、图像处理单元协同工作，控制方式为手机APP移动端控制和网络端控制；主控芯片通过数据线与仿生运动控制系统中的电机驱动模块相连，起到控制电机的双向转动、稳定电机转速和限流的作用。本专利技术提供是仿生运动控制方法，是一种基于移动3G/4G网络环境下的仿生运动控制方法，该方法包括运动设备的远程无线网络控制、运动设备信息的上报、运动设备的速度控制、运动设备自主避碰、运动设备无障碍物路径规划和运动设备有障碍物路径规划步骤。上述方法中，所述的运动设备的远程无线网络控制步骤，具体为：第一步：使用GPRS模块建立通讯连接，首先对GPRS进行初始化，为设备进行ID编号，用于登录云平台；然后采用GPRS的网络透传模式进行数据传输；第二步：设置GPRS的波特率为115200，采用TCP长连接的连接方式，配置连接网址及端口，使之与云平台服务器进行连接；第三步：使用ID登录云平台，通过指定传输协议将控制指令发送至GPRS模块，再由串口传输至单片机进行解析处理，控制引脚输出高低电平、电压值输出值大小，再经过电机驱动模块来驱动电机，从而实现运动设备的远程无线网络控制。上述方法中，所述的制运动设备信息的上报步骤，具体为：第一步：通过信息采集系统采集运动设备自身的位置、姿态以及设备周围环境物体的位置、大小以及温湿度等信息，采集的信息通过串口传输至STM32单片机；第二步：采集系统采集的信息经单片机进行解析处理，解析后的数据由串口发送至GPRS模块，再经GPRS打包使用指定传输协议发送至云平台服务器，用户使用ID登录在显示界面就可实时监测设备位置、姿态及设备周围环境。上述方法中，所述的运动设备的速度控制步骤，具体为：第一步：通过云平台网络端或手机APP移动端发送速度控制指令，指令由GPRS通讯模块接收；第二步：接收的指令经单片机进行解析处理，速度控制采用脉宽调制法，通过调整占空比来控制输出电压大小，电机最大转速为V，占空比D＝t/T，则当前占空比下的电机转速V1＝V*(t/T)，从而实现运动设备的速度控制。上述方法中，所述的运动设备自主避碰步骤，具体为：第一步：在ROS平台下，通过深度摄像头采集运动设备周围环境信息，获取物体空间点云的(x，y，z)三维坐标信息、物体距离摄像头中心处的距离及物体轮廓图；第二步：通过物体到摄像头的距离不同，对点云图进行颜色渲染，规定黑色为物体距离摄像头小于0.5m，用中轴线将图像分为左右两个区域，当左边黑色区域大于80％时就判断左边有障碍物。根据深度点云图采用局部避障动态窗口算法，即将有限的速度和加速度形成一个由直线速度ν、旋转速度ω速度矢量空间，将设备局部避障问题归结为速度矢量空间上的约束优化问题，在速度对(ν,ω)集合中进行采样，并模拟设备在这些速度下一定时间内的轨迹，得到多组轨迹数据，利用评价函数对这些轨迹数据进行评价，选取最优轨迹所对应的速度来驱动设备运动，就可模拟生物选出避开障碍物的局部最短路径，控制单片机引脚输出高低电平，从而控制电机做相应避障动作，从而模拟生物实现自主避开障碍物。上述方法中，所述的运动设备无障碍物路径规划步骤，具体为：第一步：首先由GPS和姿态传感器获取设备当前的经纬度、方位角等信息，信息经单片机进行解析处理，用于显示设备当前在地图上的位置以及设备当前的姿态；第二步：在地图上选择目的地，根据设备当前位置、姿态及周围环境选取最优路径，以目的地的经纬度、方位角作为输入，信息用指定传输协议发送至GPRS模块；第三步：信息由串口传至单片机运算处理，与当前设备经纬度、方位角进行比对，航向偏差设定为±5°，判断当前位置方位角与目的地方位角是否在航向偏差阈值内，若不在阈值范围内则对设备进行偏航调整，若在阈值范围内则控制设备执行前进动作，在执行动作的同时实时更新设备当前的经纬度、方位角信息，判断当前设备是否在航向偏差阈值内，若不在阈值范围内则对设备当前姿态进行调整，设定距离目的地在到达目的地前始终对设备当前方位做出判断、调整，使设备航向在设定的航向偏差范围内。上述方法中，所述的运动设备有障碍物路径规划步骤，具体为：第一步：首先由GPS和姿态传感器获取设备当前的经纬度、方位角等信息，信息经单片机进行解析处理，用于显示设备当前在地图上的位置以及设备当前的姿态。第二步：在地图上选择目的地，根据设备当前位置、姿态及周围环境选取最优路径，以目的地的经纬度、方位角作为输入，信息用指定传输协议发送至GPRS模块。第三步：在判断没有到达目的地时，对自身航向、姿态进行调整，信息由串口传至单片机运算处理，与当前设备经纬度、方位角进行比对，航向偏差设定为±5°，判断当前位置方位角与目的地方位角是否在航向偏差阈值内，若不在阈值范围内则对设备进行偏航调整，若在阈值范围内则控制设备执行前进动作，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种仿生运动控制系统，其特征是一种基于移动3G/4G网络环境下的仿生运动控制系统，该系统包括以串口、USB口相连的信息采集单元、中央控制器、通讯单元、图像处理单元，通讯单元利用GPRS的无线通讯功能与云平台服务器建立连接。

【技术特征摘要】
1.一种仿生运动控制系统，其特征是一种基于移动3G/4G网络环境下的仿生运动控制系统，该系统包括以串口、USB口相连的信息采集单元、中央控制器、通讯单元、图像处理单元，通讯单元利用GPRS的无线通讯功能与云平台服务器建立连接。2.根据权利要求1所述的仿生运动控制系统，其特征在于所述信息采集单元包括深度摄像头、温湿度传感器、姿态传感器、GPS卫星定位，用来采集自身姿态、位置信息，还可模拟动物监测周围环境，感知周围环境中物体的位置、大小以及距离设备本身的距离，从而作出自主避碰动作，并根据指定的任务实现在复杂环境中最优路径的规划及选择。3.根据权利要求2所述的仿生运动控制系统，其特征在于所述温湿度传感器、姿态传感器、GPS模块均使用串口与中央控制器相连，深度摄像头使用USB口与图像处理单元相连；所述中央控制器采用STM32作为主控芯片，对信息采集单元采集的数据进行解析、处理及运算，控制通讯单元、信息采集单元、图像处理单元协同工作，控制方式为手机APP移动端控制和网络端控制；主控芯片通过串口与仿生运动控制系统中的电机驱动模块相连，起到控制电机的双向转动、稳定电机转速和限流的作用。4.一种仿生运动控制方法，其特征是一种基于移动3G/4G网络环境下的仿生运动控制方法，该方法包括运动设备的远程无线网络控制、运动设备信息的上报、运动设备的速度控制、运动设备自主避碰、运动设备无障碍物路径规划和运动设备有障碍物路径规划步骤。5.根据权利要求4所述的仿生运动控制方法，其特征在于所述运动设备的远程无线网络控制步骤，具体为：第一步：使用GPRS模块建立通讯连接，首先对GPRS进行初始化，为设备进行ID编号，用于登录云平台；然后采用GPRS的网络透传模式进行数据传输；第二步：设置GPRS的波特率为115200，采用TCP长连接的连接方式，配置连接网址及端口，使之与云平台服务器进行连接；第三步：使用ID登录云平台，通过指定传输协议将控制指令发送至GPRS模块，再由串口传输至单片机进行解析处理，控制引脚输出高低电平、电压值输出值大小，再经过电机驱动模块来驱动电机，从而实现运动设备的远程无线网络控制。6.根据权利要求4所述的仿生运动控制方法，其特征在于所述制运动设备信息的上报步骤，具体为：第一步：通过信息采集系统采集运动设备自身的位置、姿态以及设备周围环境物体的位置、大小以及温湿度等信息，采集的信息通过串口传输至STM32单片机；第二步：采集系统采集的信息经单片机进行解析处理，解析后的数据由串口发送至GPRS模块，再经GPRS打包使用指定传输协议发送至云平台服务器，用户使用ID登录在显示界面就可实时监测设备位置、姿态及设备周围环境。7.根据权利要求4所述的仿生运动控制方法，其特征在于所述运动设备的速度控制步骤，具体为：第一步：通过云平台网络端或手机APP移动端发送速度控制指令，指令由GPRS通讯模块接收；第二步：接收的指令经单片机进行解析处理，速度控制采用脉宽调制法，通过调整占空比来控制输出电压大小，电机最大转速为V，占空比D＝t/T，则当前占空比下的电机转速V1＝V*(t/T)，从而实现运动设备的速度控制。8.根据权利要求4所述的仿生运动控制方法，其特征在于所述运动设备自主避碰步骤，具体为：第一步：在ROS平台下，通过深度摄像头采集运动设备周围环境信息，获取物体空间点云的(x，y，z)三维坐标信息、物体距离摄像头中心处的距离及物体轮廓图；第二步：通过物体到摄像头的距离不同，对点云图进行颜色渲染，规定黑色为物体距离摄像头小于0.5m，用中轴线将图像分为左右两个区域，当左边黑色区域大于80％时就判断左边有障碍物。根据深度点云图采用局部避障动态窗...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊勇，张加，李振刚，张本任，余嘉俊，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42