[发明专利]基于模糊控制的两轮自平衡机器人避障系统及控制方法

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

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，本发明提出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。

本发明采用如下技术方案：

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；