一种基于红外传感器的全方位自平衡移动机器人制造技术

本发明专利技术公开了一种基于红外传感器的全方位自平衡移动机器人，包括载物台、移动机构和控制机构。该机器人为两轮式驱动，适于在狭小空间工作，特别是在工作环境恶劣、任务复杂的场合；机器人的两驱动轮采用单独控制，且利用铰接的连相连，在不平整的路面下行进时，左右两轮的轴线变化，不会影响载物台的平衡；采用红外传感器实现自平衡移动机器人的姿态检测，原理简单，容易控制，灵敏度高，响应速度快，并融合模糊控制和PD控制的双重优势的模糊PD控制器，能够实现全方位移动机器人的自平衡控制，使物品运载更加平稳。

An Omnidirectional Self-balancing Mobile Robot Based on Infrared Sensor

The invention discloses an omnidirectional self-balancing mobile robot based on an infrared sensor, which comprises a carrier, a mobile mechanism and a control mechanism. The robot is driven by two wheels, which is suitable for working in narrow space, especially in harsh working environment and complex tasks. The two driving wheels of the robot are controlled separately and connected articulately. When traveling on uneven road surface, the axes of the left and right wheels change, which will not affect the balance of the platform. The attitude detection of self-balancing mobile robot by infrared sensor is simple in principle, easy to control, sensitive and fast in response. Fuzzy PD controller, which combines the advantages of fuzzy control and PD control, can realize the self-balancing control of omnidirectional mobile robot and make the delivery of goods more stable.

【技术实现步骤摘要】
一种基于红外传感器的全方位自平衡移动机器人
本专利技术涉及机器人
，尤其涉及一种基于红外传感器的全方位自平衡移动机器人。
技术介绍
随着移动机器人研究的不断深入，其应用领域更加广泛，面临的环境和任务也越来越复杂。传统的轮式移动机器人多采用具有导向轮的三轮或四轮结构，在空间狭窄、有较多转角的工作场合，通常无法灵活快捷的执行任务，有时甚至导致任务失败。两轮自平衡机器人结构简单，运动灵活，通过两轮共轴、差动驱动保持运动平衡，能够直立行进。由于结构上的优势，两轮自平衡机器人适于在狭小空间工作，特别是在工作环境恶劣、任务复杂的场合，其典型应用包括警用巡逻车、空间探索机器人、智能轮椅等。虽然两轮自平衡机器人具有诸多优点以及较好的动态性能，但是仍主要存在以下几方面的不足：第一，在不平整的路面下行进时，左右两轮的轴线会随着地势的起伏波动时刻变化，导致机器人的载物台不能保持水平，承载的物体容易脱落；第二，现有的自平衡技术多是基于多轴姿态传感器实现的，需要采集和处理的数据量大，控制系统较为复杂；第三，现有的两轮自平衡机器人在转角处，只能通过两个车轮的正反向转动，实现原地回转和任意半径转向，需要花费一定的执行时间；第四，机器人的载物台通常是与机器人本体固定连接的，不能随着环境的改变而自适应调节。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种适于在狭小空间工作，且容易控制，能够随环境自适应调节平衡的一种基于红外传感器的全方位自平衡移动机器人。为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案是：一种基于红外传感器的全方位自平衡移动机器人，其特征在于：包括载物台、移动机构和控制机构；载物台，呈矩形的板状结构，具有水平的上载物面和水平的下检测面；移动机构，设于载物台下方，包括顶部与载物台底部中心固定的支撑部，所述支撑部上借助水平设置的铰轴可转动连接有一连杆，所述连杆的两端伸出铰轴外的长度相同，所以连杆的两端均固定有竖直的电机支架，所述电机支架的底部固定有驱动电机，两驱动电机的驱动轴水平朝外设置并连接有驱动轮；控制机构，包括红外传感器和模糊PD控制器，所述红外传感器对称固定于载物台下检测面的两端，每一红外传感器包括位于同一直线上、其由前至后一次间隔设置的前红外接收传感器、红外收发一体传感器和后前红外接收传感器，所述红外收发一体传感器位于载物台中部，所述模糊PD控制器电控连接红外传感器和驱动电机。进一步的技术方案在于：所述支撑部包括固定部和竖直固定于固定部上的伸缩部，所述伸缩部的伸缩杆与载物台固定。进一步的技术方案在于：所述铰轴具有上下设置的两根，两铰轴上的两个连杆平行设置，与电机支架构成平行四边形。进一步的技术方案在于：所述铰轴的两端均设有连杆。进一步的技术方案在于：所述驱动轮采用能够360°移动的全向轮。进一步的技术方案在于：所述模糊PD控制器包括模糊控制器和PD控制器，其控制的具体实现为：将自平衡机器人的倾角信号θ1或θ2作为偏差E输入，角速度作为偏差变化率EC输入，输出为PD控制算数参数KP与KD；移动机器人前后倾斜角度的允许范围设定为[-5°,5°]；根据移动机器人的前倾、后仰速度，设定角速度的允许范围为[-0.5,0.5]rad/s；KP取值范围为设定为[0,100]，KD取值范围为设定为[0,80]；偏差E的语言变量设计为：PB正大、PM正中、PS正小、O零、NS负小、NM负中、NB负大；偏差E、偏差变化率EC、比例系数KP及微分系数KD的隶属度用高斯函数来确定：式中，x为论域的值，参数a由语言变量值决定，参数b决定控制系统的分辨率，b值小，控制灵敏度高；b值大，控制灵敏度低，控制特性平缓；根据移动机器人的运动状态和控制要求，将模糊控制规则制定如下：(4)在倾角较大时，为提高响应速度，且防止偏差瞬间变大所引起的微分过饱和现象，取较大的KP和较小的KD；(5)在倾角较小时，为保证自平衡机器人具有良好的静态性能，KP取较大值，同时为避免产生较大震荡，提高抗干扰能力，在角速度较小时，KD取较大值，反之KD取较小值；(6)在倾角和倾角变化率均为中等值时，为保证响应时间和抑制超调量，KP和KD取较小值；在上述三种情况中，如果偏差E与偏差变化率EC的符号不同，则说明自平衡机器人是在向平衡位置靠近，此时KP应取相对小值，KD应取相对大值，防止控制出现超调现象；反之，则是说明自平衡车正在远离平衡位置，KP应取相对较大值，提高系统响应速度；根据以上控制规则，制定KP模糊规则表，如表1所示：表1制定KD模糊规则表，如表2所示：表2将表1和表2的规则进行组合，得到模糊规则，应用模糊规则对PD控制的参数进行调整，其步骤如下：(1)采样当前时刻车身姿态即倾角信息；(2)计算当前倾斜角度E与角速度EC；(3)将E和EC模糊化，并把角度与角速度转换到模糊论域；(4)通过模糊控制查询表，计算当前时刻的KP和KD值；(5)PD控制器输出。采用上述技术方案所产生的有益效果在于：该机器人为两轮式驱动，适于在狭小空间工作，特别是在工作环境恶劣、任务复杂的场合；机器人的两驱动轮采用单独控制，且利用铰接的连相连，在不平整的路面下行进时，左右两轮的轴线变化，不会影响载物台的平衡；采用红外传感器实现自平衡移动机器人的姿态检测，原理简单，容易控制，灵敏度高，响应速度快，并融合模糊控制和PD控制的双重优势的模糊PD控制器，能够实现全方位移动机器人的自平衡控制，使物品运载更加平稳。另外，该机器人在载物台下方设置能够调节其高度的伸缩结构，一方面可以改变载物台的离地距离，以适应不同操作人员的身高，通过调整其高度，避免出现要举高才能放上去的情形，另一方面还可以改变红外传感器的检测灵敏度和精度。而且，采用全向轮替代常规车轮，在需要转向时利用全向轮的自身特性能够实现纵向移动和横向移动的无间隙切换，减少了常规车轮利用两轮差速驱动实现转向的时间损耗。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。图1是本专利技术的结构示意图；图2是本专利技术的爆炸结构示意图；图3是本专利技术所述实施例的平衡状态示意图；图4是本专利技术所述实施例的前倾状态示意图；图5是本专利技术所述实施例的后仰状态示意图；图6是模糊PD控制的结构框图；图7是模糊PD控制的算法流程图。具体实施方式下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本专利技术，但是本专利技术还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本专利技术内涵的情况下做类似推广，因此本专利技术不受下面公开的具体实施例的限制。如图1和图2所示，一种基于红外传感器30的全方位自平衡移动机器人，该机器人为两轮式驱动，适于在狭小空间工作，特别是在工作环境恶劣、任务复杂的场合。包括载物台10、移动机构和控制机构。载物台10呈矩形的板状结构，具有水平的上载物面和水平的下检测面。利用该机器人运载物品时，可将物品放置在载物台10上。载物台10可设计成伸缩式结构，如现有的伸缩餐桌式结构，以适应运载物品的大小。移动本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于红外传感器的全方位自平衡移动机器人，其特征在于：包括载物台(10)、移动机构和控制机构；载物台(10)，呈矩形的板状结构，具有水平的上载物面和水平的下检测面；移动机构，设于载物台(10)下方，包括顶部与载物台(10)底部中心固定的支撑部(21)，所述支撑部(21)上借助水平设置的铰轴(22)可转动连接有一连杆(23)，所述连杆(23)的两端伸出铰轴(22)外的长度相同，所以连杆(23)的两端均固定有竖直的电机支架(24)，所述电机支架(24)的底部固定有驱动电机(25)，两驱动电机(25)的驱动轴水平朝外设置并连接有驱动轮(26)；控制机构，包括红外传感器(30)和模糊PD控制器，所述红外传感器(30)对称固定于载物台(10)下检测面的两端，每一红外传感器(30)包括位于同一直线上、其由前至后一次间隔设置的前红外接收传感器、红外收发一体传感器和后前红外接收传感器，所述红外收发一体传感器位于载物台(10)中部，所述模糊PD控制器电控连接红外传感器(30)和驱动电机(25)。

【技术特征摘要】
1.一种基于红外传感器的全方位自平衡移动机器人，其特征在于：包括载物台(10)、移动机构和控制机构；载物台(10)，呈矩形的板状结构，具有水平的上载物面和水平的下检测面；移动机构，设于载物台(10)下方，包括顶部与载物台(10)底部中心固定的支撑部(21)，所述支撑部(21)上借助水平设置的铰轴(22)可转动连接有一连杆(23)，所述连杆(23)的两端伸出铰轴(22)外的长度相同，所以连杆(23)的两端均固定有竖直的电机支架(24)，所述电机支架(24)的底部固定有驱动电机(25)，两驱动电机(25)的驱动轴水平朝外设置并连接有驱动轮(26)；控制机构，包括红外传感器(30)和模糊PD控制器，所述红外传感器(30)对称固定于载物台(10)下检测面的两端，每一红外传感器(30)包括位于同一直线上、其由前至后一次间隔设置的前红外接收传感器、红外收发一体传感器和后前红外接收传感器，所述红外收发一体传感器位于载物台(10)中部，所述模糊PD控制器电控连接红外传感器(30)和驱动电机(25)。2.根据权利要求1所述的一种基于红外传感器的全方位自平衡移动机器人，其特征在于：所述支撑部(21)包括固定部和竖直固定于固定部上的伸缩部，所述伸缩部的伸缩杆与载物台(10)固定。3.根据权利要求1所述的一种基于红外传感器的全方位自平衡移动机器人，其特征在于：所述铰轴(22)具有上下设置的两根，两铰轴(22)上的两个连杆(23)平行设置，与电机支架(24)构成平行四边形。4.根据权利要求1或3所述的一种基于红外传感器的全方位自平衡移动机器人，其特征在于：所述铰轴(22)的两端均设有连杆(23)。5.根据权利要求1所述的一种基于红外传感器的全方位自平衡移动机器人，其特征在于：所述驱动轮(26)采用能够360°移动的全向轮。6.根据权利要求1所述的一种基于红外传感器的全方位自平衡移动机器人，其特征在于：所述模糊PD控制器包括模糊控制器和PD控制器，其控制的具体实...

【专利技术属性】
技术研发人员：张英坤，程煜，郝存明，任亚恒，吴立龙，姚利彬，赵航，
申请(专利权)人：河北省科学院应用数学研究所，
类型：发明
国别省市：河北,13