機(jī)器人鳥(niǎo)自主導(dǎo)航系統(tǒng)及導(dǎo)航方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種機(jī)器人鳥(niǎo)自主導(dǎo)航系統(tǒng)及導(dǎo)航方法，該系統(tǒng)包括微控制器、微GPS模塊、主控制板模塊以及用于調(diào)節(jié)刺激強(qiáng)度和航向角的模糊控制器。通過(guò)對(duì)GPS信息的獲取、分析和處理，該系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)器人鳥(niǎo)當(dāng)前的實(shí)際航向角和目標(biāo)航向角，并依據(jù)模糊控制器對(duì)兩者偏差和偏差變化率的處理結(jié)果，輸出適宜強(qiáng)度的刺激信號(hào)至相應(yīng)的神經(jīng)核團(tuán)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人鳥(niǎo)飛行方向的糾偏，以達(dá)到將機(jī)器人鳥(niǎo)導(dǎo)航到目標(biāo)區(qū)域之目的。相比現(xiàn)有技術(shù)，該系統(tǒng)不需無(wú)線通訊，不需專用操作人員全程參與，功耗低，體積小，重量輕。克服了受通訊距離限制的不足，提高了效率，增強(qiáng)了實(shí)時(shí)性和實(shí)用性。
【專利說(shuō)明】機(jī)器人鳥(niǎo)自主導(dǎo)航系統(tǒng)及導(dǎo)航方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及動(dòng)物機(jī)器人導(dǎo)航領(lǐng)域，尤其是一種不用無(wú)線遙控的機(jī)器人鳥(niǎo)自主導(dǎo)航系統(tǒng)及導(dǎo)航方法。

【背景技術(shù)】
[0002]動(dòng)物機(jī)器人是一種特殊的仿生機(jī)器人，它不同于機(jī)電式機(jī)器人。它是以腦科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科的交叉為基礎(chǔ)，是機(jī)器人家族中的一個(gè)全新的“物種”。它的出現(xiàn)呈現(xiàn)給我們一個(gè)全新的機(jī)器人研究思路。所謂動(dòng)物機(jī)器人，就是以活體動(dòng)物為本體、用編碼電信號(hào)控制其大腦神經(jīng)或肌肉，以實(shí)現(xiàn)對(duì)本體控制的智能動(dòng)物。一旦停止電刺激，動(dòng)物本體就會(huì)立即恢復(fù)常態(tài)，和普通動(dòng)物一樣正常生活、繁衍生息。與傳統(tǒng)的機(jī)電式機(jī)器人相比，動(dòng)物機(jī)器人繼承了動(dòng)物天生、固有的智能和運(yùn)動(dòng)天賦。動(dòng)物機(jī)器人利用動(dòng)物自身視、聽(tīng)及感覺(jué)能力，具有機(jī)電式機(jī)器人難以達(dá)到的高級(jí)的智能，能實(shí)現(xiàn)機(jī)電式機(jī)器人難以達(dá)到的高度自主能力和探測(cè)能力。動(dòng)物機(jī)器人靠自身的體能運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)靈活而敏捷，而且可長(zhǎng)時(shí)間，長(zhǎng)距離運(yùn)動(dòng)。其運(yùn)動(dòng)能力不會(huì)像機(jī)電式移動(dòng)機(jī)器人那樣受自身攜帶能量的限制。另外，動(dòng)物機(jī)器人具有天然的隱蔽性，是某些特殊應(yīng)用的理想選擇。正是基于以上因素，動(dòng)物機(jī)器人已成為當(dāng)今一個(gè)新的前沿性研究熱點(diǎn)。
[0003]動(dòng)物機(jī)器人與機(jī)電式機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上有很大區(qū)別，一般來(lái)說(shuō)，動(dòng)物機(jī)器人的基本構(gòu)成可概括為四大部分:控制器4、無(wú)線通訊基站1、接口 2、動(dòng)物本體3。如圖1，以機(jī)器人鳥(niǎo)為例所示。
[0004]控制器4，安裝在動(dòng)物身上，傳統(tǒng)的控制器包括多通道編碼信號(hào)發(fā)生器和無(wú)線通訊單元，多通道編碼信號(hào)發(fā)生器的功能是產(chǎn)生用于刺激動(dòng)物神經(jīng)核團(tuán)的編碼電信號(hào)，它的信號(hào)輸出端與接口的微型電氣插座相連。無(wú)線通訊單元的功能是接收來(lái)自無(wú)線通訊基站的數(shù)據(jù)和命令，以實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)物機(jī)器人的遙控功能。
[0005]無(wú)線通訊基站1，包括無(wú)線發(fā)射器和與之相連的電腦或PDA，操作者可利用運(yùn)行在電腦或PDA上的軟件無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)或命令至控制器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器的遙控，包括控制多通道編碼信號(hào)發(fā)生器的啟動(dòng)和停止、工作通道的選擇(即開(kāi)啟哪對(duì)刺激電極)、編碼信號(hào)參數(shù)的調(diào)節(jié)等功能。從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線遙控動(dòng)物機(jī)器人。
[0006]接口 2，是連接控制器與被刺激神經(jīng)核團(tuán)的橋梁，由三部分組成:刺激微電極，微型電氣插座，牙科水泥。刺激微電極只有尖端導(dǎo)電，6根刺激微電極分成3對(duì)。按照坐標(biāo)數(shù)值并借助于立體定位儀，這3對(duì)電極(左側(cè)，中間，右側(cè))的尖端穿過(guò)顱骨被植入到動(dòng)物大腦內(nèi)相應(yīng)的3個(gè)神經(jīng)核團(tuán)中。這些電極的另一端通過(guò)細(xì)導(dǎo)線分別與6針微型電氣插座相連。最后，用牙科水泥將以上所述的電極、細(xì)導(dǎo)線及微型插座固定于動(dòng)物顱骨表面上，而形成一個(gè)接口。
[0007]動(dòng)物本體3:這一部分與傳統(tǒng)機(jī)器人的構(gòu)成有很大不同，動(dòng)物本體就是活體動(dòng)物，如大鼠，鴿子或壁虎等。
[0008]據(jù)上述，在結(jié)構(gòu)上，動(dòng)物機(jī)器人與傳統(tǒng)機(jī)器人有很大區(qū)別，兩者的區(qū)別不僅于此，也體現(xiàn)在它們的工作原理上。動(dòng)物機(jī)器人的工作原理建立在神經(jīng)科學(xué)、電子科學(xué)等多學(xué)科交叉基礎(chǔ)之上的。它是將人工電信號(hào)施加到動(dòng)物的神經(jīng)系統(tǒng)的特定功能區(qū)域，并按照一定的規(guī)律微電刺激這些與動(dòng)物情緒或運(yùn)動(dòng)等特定功能相關(guān)的區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)物運(yùn)動(dòng)行為的調(diào)控。
[0009]以鴿子為本體，舉例，說(shuō)明其控制原理，選擇家鴿丘腦腹前背中核(thethalamic nucleus dorsalis intermedius ventral is anter1r, DIVA)和古紋狀體(archistriatum)作為刺激的神經(jīng)位點(diǎn)。以上三個(gè)特定區(qū)域均與鴻子的情緒相關(guān)，實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明，若分別刺激機(jī)器人鳥(niǎo)大腦左/右側(cè)DIVA，機(jī)器人鳥(niǎo)向左/右方向運(yùn)動(dòng)；刺激大腦的古紋狀體，可使機(jī)器人鳥(niǎo)從靜止?fàn)顟B(tài)下起飛或者在空中向前飛。這就是機(jī)器人鳥(niǎo)的工作原理。
[0010]現(xiàn)在技術(shù)一:基于短距離無(wú)線通訊的導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括無(wú)線發(fā)送模塊和動(dòng)物機(jī)器人控制器。無(wú)線發(fā)送模塊與電腦或PDA相連，通過(guò)無(wú)線通訊的方式，發(fā)送來(lái)自電腦或PDA的數(shù)據(jù)或命令到控制器上?？刂破靼惭b在動(dòng)物背上其輸出端連接到接口的微型電氣插座上，或者控制器通過(guò)輸出排針直接插入并固定在接口的微型電氣插座上。操作人員實(shí)時(shí)觀察機(jī)器人鳥(niǎo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，及時(shí)通過(guò)電腦或PDA及無(wú)線發(fā)送模塊發(fā)送數(shù)據(jù)或命令到控制器，控制器接收這些數(shù)據(jù)或命令，并據(jù)此產(chǎn)生相應(yīng)的刺激信號(hào)到對(duì)應(yīng)的神經(jīng)核團(tuán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人鳥(niǎo)運(yùn)動(dòng)行為的控制，使其沿著設(shè)定的路線運(yùn)動(dòng)，從而完成對(duì)機(jī)器人鳥(niǎo)的導(dǎo)航。這類導(dǎo)航系統(tǒng)的通訊距離一般在100米左右，主要應(yīng)用于機(jī)器人鳥(niǎo)或其它類型動(dòng)物機(jī)器人的室內(nèi)導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)。
[0011]現(xiàn)有技術(shù)二:采用了中國(guó)移動(dòng)的GPRS功能，借用中國(guó)移動(dòng)的GPRS的無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?；谶@一方案，機(jī)器人鳥(niǎo)的控制器包括主控制器模塊，GPRS收發(fā)模塊，GPS模塊及電源模塊等?？刂破靼惭b在機(jī)器人鳥(niǎo)背上，控制器的輸出端通過(guò)導(dǎo)線連接到接口的電氣插座上。該系統(tǒng)的工作過(guò)程是操作人員利用運(yùn)行在PC機(jī)上的軟件，通過(guò)internet網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)到GPRS收發(fā)模塊，主控制器讀取數(shù)據(jù)后，產(chǎn)生相應(yīng)的刺激信號(hào)，經(jīng)刺激電極到相應(yīng)的神經(jīng)核團(tuán)，從而完成對(duì)機(jī)器人鳥(niǎo)的微電刺激，以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人鳥(niǎo)運(yùn)動(dòng)方向的遙控。同時(shí)，主控制器讀取GPS數(shù)據(jù)信息，并通過(guò)GPRS收發(fā)模塊將GPS數(shù)據(jù)發(fā)送到鄰近的GPRS基站，然后再經(jīng)過(guò)internet網(wǎng)絡(luò)傳到PC機(jī)端，操作人員根據(jù)GPS信息判斷機(jī)器人鳥(niǎo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和航向角，并據(jù)此發(fā)送下一個(gè)指令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人鳥(niǎo)的導(dǎo)航。
[0012]現(xiàn)有技術(shù)一，由于無(wú)線通訊距離較短，一般在100米內(nèi)。所以它主要用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的動(dòng)物機(jī)器人導(dǎo)航，不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離導(dǎo)航，不能適用于自由飛翔狀態(tài)下的機(jī)器人鳥(niǎo)導(dǎo)航。現(xiàn)有技術(shù)二，加入了 GPRS功能，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的動(dòng)物機(jī)器人導(dǎo)航。但實(shí)驗(yàn)證明兩者都有明顯的不足和缺點(diǎn):
[0013]兩者需要專業(yè)的操作人員，且操作人員要在整個(gè)動(dòng)物機(jī)器人導(dǎo)航過(guò)程中全程參與，效率低下。
[0014]現(xiàn)有技術(shù)二中的控制器設(shè)計(jì)了 GPSR模塊，增大了控制器重量和體積，增大了機(jī)器人鳥(niǎo)的負(fù)重，影響鳥(niǎo)的正常飛行。
[0015]現(xiàn)有技術(shù)二中，GPRS模塊必需雙向通訊才能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能，而GPRS收發(fā)模塊工作在發(fā)送狀態(tài)時(shí)，峰值電流達(dá)1.5安培，功耗很高。由于重量和體積的限制，不能使用大容量電池，所以功耗較高續(xù)航能力有限，實(shí)用性不強(qiáng)是它另一不足之處。
[0016]現(xiàn)有技術(shù)二通訊是基于網(wǎng)絡(luò)的，由于網(wǎng)絡(luò)通訊的延遲，整個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)較好的實(shí)時(shí)性，這嚴(yán)重影響了導(dǎo)航效果。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種不用無(wú)線遙控的機(jī)器人鳥(niǎo)自主導(dǎo)航系統(tǒng)及其控制方法，不需要人為參與，并且控制器輕便、實(shí)時(shí)性好；本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0018]機(jī)器人鳥(niǎo)自主導(dǎo)航系統(tǒng)，包括微控制器、微GPS模塊、主控制板模塊以及用于調(diào)節(jié)刺激強(qiáng)度和航向角的模糊控制器；所述主控制板模塊包括電源管理模塊、刺激信號(hào)輸出接口 ；所述的微GPS模塊分別與微控制器、模糊控制器連接，所述的電源管理模塊為微控制器提供電源；所述的微控制器、模糊控制器并聯(lián)后連接刺激信號(hào)輸出接口 ；
[0019]微GPS模塊，接收衛(wèi)星信號(hào)，并計(jì)算出機(jī)器人鳥(niǎo)的位置信息，并將信息輸送給微控制器；
[0020]微控制器每隔一秒讀取來(lái)自微GPS模塊的一幀數(shù)據(jù)，解析得到對(duì)應(yīng)時(shí)刻的經(jīng)、緯度和速度信息，這就是機(jī)器人鳥(niǎo)在對(duì)應(yīng)時(shí)刻的位置和速度信息；根據(jù)這些信息，微控制器算出機(jī)器人鳥(niǎo)的實(shí)際航向角和目標(biāo)航向角，從而得到角度偏差及其角度偏差變化率，并將角度偏差及其角度偏差變化率作為輸出變量輸送給模糊控制器；
[0021]模糊控制器，根據(jù)微控制器輸出的角度偏差及其角度偏差變化率，基于模糊控制策略產(chǎn)生一個(gè)適宜的刺激強(qiáng)度值；并將該刺激強(qiáng)度值輸送給微控制器，微控制器以此數(shù)據(jù)為依據(jù)，產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)于該時(shí)刻的刺激序列；
[0022]刺激信號(hào)輸出接口，微控制器產(chǎn)生相應(yīng)強(qiáng)度的刺激序列經(jīng)過(guò)刺激信號(hào)輸出接口輸出到對(duì)應(yīng)的神經(jīng)核團(tuán)，以調(diào)整機(jī)器人鳥(niǎo)的飛行方向，使其回到目標(biāo)航向上來(lái)。
[0023]機(jī)器人鳥(niǎo)自王導(dǎo)航系統(tǒng)控制方法為:
[0024]在整個(gè)導(dǎo)航過(guò)程中，微控制器每隔一秒從微GPS模塊讀取一幀GPS數(shù)據(jù)，并判斷微GPS模塊是否進(jìn)入有效定位狀態(tài)，若微GPS模塊進(jìn)入有效定位狀態(tài)，微控制器將從GPS數(shù)據(jù)幀中解析出此時(shí)刻的經(jīng)、緯度和速度信息；根據(jù)此時(shí)刻機(jī)器人鳥(niǎo)所處的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)和目標(biāo)點(diǎn)的GPS數(shù)據(jù)，計(jì)算兩點(diǎn)的平面距離，如果距離小于或等于20米，則說(shuō)明機(jī)器人鳥(niǎo)到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)范圍，本次導(dǎo)航結(jié)束；
[0025]否則，將繼續(xù)進(jìn)行如下判斷，若速度不小于I米/秒，則說(shuō)明機(jī)器人鳥(niǎo)處于飛行狀態(tài)；接著，微控制器根據(jù)此時(shí)刻和上一時(shí)刻的GPS經(jīng)、緯度數(shù)據(jù)，利用兩點(diǎn)一線的計(jì)算方法，得到此時(shí)的機(jī)器人鳥(niǎo)的實(shí)際航向角；同理，根據(jù)此時(shí)刻的GPS數(shù)據(jù)和目標(biāo)點(diǎn)的GPS數(shù)據(jù)，計(jì)算出此時(shí)的目標(biāo)航向角；實(shí)際航向角減去目標(biāo)航向角可得到此時(shí)航向角偏差；
[0026]若偏差大于或等于80度，則用刺激強(qiáng)度為頻率為100Hz，脈沖寬度為8，每個(gè)寬度單位是0.1ms，脈沖的個(gè)數(shù)為30個(gè)，刺激序列為每秒2個(gè)的刺激序列，刺激機(jī)器人鳥(niǎo)大腦左側(cè)的DIVA，使機(jī)器人鳥(niǎo)向左偏轉(zhuǎn)；若偏差小于或等于負(fù)80度，則用如上述同樣的強(qiáng)度刺激機(jī)器人鳥(niǎo)大腦右側(cè)的DIVA，使機(jī)器人鳥(niǎo)向右偏轉(zhuǎn)；
[0027]若航向角偏差的絕對(duì)值小于80度，則根據(jù)上一個(gè)航向角偏差計(jì)算出此時(shí)的航向角偏差變化率；
[0028]接著，將航向角偏差和航向角偏差變化率進(jìn)行模糊化處理，并得兩個(gè)變量的模糊值，依據(jù)兩變量的模糊值查詢模糊查詢表，得到輸出變量刺激強(qiáng)度的模糊值，然后對(duì)其進(jìn)行去模糊化得精確值U ;如果U > O，則控制器輸出頻率為100Hz，脈沖寬度為U，寬度單位是0.1ms,脈沖的個(gè)數(shù)30個(gè)，刺激序列為每秒2個(gè)的刺激序列，刺激機(jī)器人鳥(niǎo)大腦左側(cè)的DIVA,使機(jī)器人鳥(niǎo)向左偏轉(zhuǎn)；若U < O,則用如上述同樣強(qiáng)度的信號(hào)刺激機(jī)器人鳥(niǎo)大腦右側(cè)的DIVA，使機(jī)器人鳥(niǎo)向右偏轉(zhuǎn)；gU = 0，則控制器不輸出刺激。然后，每隔一秒鐘重復(fù)以上過(guò)程，直到機(jī)器人鳥(niǎo)到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)20米的范圍內(nèi)，本次導(dǎo)航結(jié)束；
[0029]在上述判斷過(guò)程中，若機(jī)器人鳥(niǎo)的速度小于lm/s時(shí)，說(shuō)明機(jī)器人中止了飛行，此時(shí)微控制器根據(jù)本次連續(xù)飛行的時(shí)間做出如下判斷，若連續(xù)飛行時(shí)間大于或等于10分鐘時(shí)，讓機(jī)器人鳥(niǎo)休息2分鐘；然后，用中等強(qiáng)度，頻率為100Hz，脈沖寬度為4，寬度單位是
0.1ms，脈沖的個(gè)數(shù)20個(gè)，刺激序列為每秒2個(gè)的刺激序列的刺激，刺激機(jī)器人鳥(niǎo)的古紋狀體，強(qiáng)迫機(jī)器人鳥(niǎo)起飛；如果連續(xù)飛行時(shí)間小于10分鐘，則微控制器立即發(fā)出刺激強(qiáng)迫機(jī)器人鳥(niǎo)起飛。
[0030]在上述導(dǎo)航過(guò)程中，所述的模糊控制器的模糊查詢表，設(shè)計(jì)過(guò)程如下:
[0031]角度偏差E的實(shí)際范圍是(-80，80)，角度偏差的變化率范圍是(-160，160)，脈沖寬度的實(shí)際變化范圍是(0，8);
[0032]定義角度偏差的論域，角度偏差變化率的論域和輸出脈沖寬度的論域均為{-8，-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7，8}；
[0033]偏差系數(shù)Ke = 16/(80+80) = 0.1 ；
[0034]偏差變化率系數(shù)Kec = 16/(160+160) = 0.05 ；
[0035]脈沖寬度系數(shù)Ku = 16/8 = 2 ；
[0036]基于模糊控制，對(duì)于角度偏差E、角度偏差變化率EC和輸出脈沖寬度都定義9個(gè)語(yǔ)言值{NG(負(fù)極大)，NB(負(fù)大)，NM(負(fù)中)，NS(負(fù)小)，Z(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)，PG(正極大)}，與以上對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言值定義為[1，2，3，4，5，6，7，8，9];以上三個(gè)變量的隸屬度函數(shù)均采用三角函數(shù)；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)性的控制規(guī)則，并得到基于模糊語(yǔ)言的規(guī)則表，結(jié)合隸屬度和規(guī)則表，得以上規(guī)則所蘊(yùn)含的模糊關(guān)系R，根據(jù)兩個(gè)輸入變量航向角偏差E和航向角偏差變化率EC的所有的模糊組合，并組合模糊關(guān)系R可以求得到模糊查詢表FT。
[0037]機(jī)器人鳥(niǎo)自主導(dǎo)航系統(tǒng)的使用方法為:
[0038](I)通過(guò)PC機(jī)，將導(dǎo)航目標(biāo)點(diǎn)的經(jīng)緯度信息寫(xiě)入微控制器的存儲(chǔ)器中；
[0039](2)將設(shè)置好目標(biāo)點(diǎn)信息的機(jī)器人鳥(niǎo)自主導(dǎo)航系統(tǒng)固定在機(jī)器人鳥(niǎo)背上，保持有GPS天線的一面朝上；
[0040](3)將機(jī)器人鳥(niǎo)自主導(dǎo)航系統(tǒng)的刺激信號(hào)輸出接口的排針連接在機(jī)器人鳥(niǎo)頭部的接口上；
[0041](4)將機(jī)器人鳥(niǎo)移到一個(gè)開(kāi)闊地帶，以便微GPS模塊獲得有效定位；打開(kāi)電源，當(dāng)機(jī)器人鳥(niǎo)自主導(dǎo)航系統(tǒng)接收到有效的GPS數(shù)據(jù)，放飛機(jī)器人鳥(niǎo)，機(jī)器人鳥(niǎo)自主導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)入自主導(dǎo)航工作狀態(tài)，無(wú)需人工參與。
[0042]本發(fā)明提供的機(jī)器人鳥(niǎo)自主導(dǎo)航系統(tǒng)及其控制方法，通過(guò)對(duì)GPS信息的獲取、分析和處理，該系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)器人鳥(niǎo)當(dāng)前的實(shí)際航向角和目標(biāo)航向角，并依據(jù)模糊控制器對(duì)兩者偏差和偏差變化率的處理結(jié)果，輸出適宜強(qiáng)度的刺激信號(hào)至相應(yīng)的神經(jīng)核團(tuán)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人鳥(niǎo)飛行方向的糾偏，以達(dá)到將機(jī)器人鳥(niǎo)導(dǎo)航到目標(biāo)區(qū)域之目的。相比現(xiàn)有技術(shù)，該系統(tǒng)不需無(wú)線通訊，不需專用操作人員全程參與，功耗低，體積小，重量輕。克服了受通訊距離限制的不足，提高了效率，增強(qiáng)了實(shí)時(shí)性和實(shí)用性。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0043]圖1為現(xiàn)有技術(shù)的基于無(wú)線遙控的機(jī)器人鳥(niǎo)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044]圖2為本發(fā)明的機(jī)器人鳥(niǎo)自主導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0045]圖3為本發(fā)明的機(jī)器人鳥(niǎo)自主導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航工作主流程圖；
[0046]圖4為本發(fā)明的機(jī)器人鳥(niǎo)自主導(dǎo)航系統(tǒng)的飛行導(dǎo)航流程圖；
[0047]圖5為本發(fā)明的機(jī)器人鳥(niǎo)自主導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航原理示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0048]以鴿子為動(dòng)物本體，說(shuō)明本發(fā)明【具體實(shí)施方式】。
[0049]如圖2所示，機(jī)器人鳥(niǎo)自主導(dǎo)航系統(tǒng)，包括微控制器、微GPS模塊、主控制板模塊以及用于調(diào)節(jié)刺激強(qiáng)度和航向角的模糊控制器；所述主控制板模塊包括電源管理模塊、刺激信號(hào)輸出接口 ；所述的微GPS模塊分別與微控制器、模糊控制器連接，所述的電源管理模塊為微控制器提供電源；所述的微控制器、模糊控制器并聯(lián)后連接刺激信號(hào)輸出接口 ；
[0050]微GPS模塊，接收衛(wèi)星信號(hào)，并計(jì)算出機(jī)器人鳥(niǎo)的位置信息，并將信息輸送給微控制器；
[0051]微控制器每隔一秒讀取來(lái)自微GPS模塊的一幀數(shù)據(jù)，解析得到對(duì)應(yīng)時(shí)刻的經(jīng)、緯度和速度信息，這就是機(jī)器人鳥(niǎo)在對(duì)應(yīng)時(shí)刻的位置和速度信息；根據(jù)這些信息，微控制器算出機(jī)器人鳥(niǎo)的實(shí)際航向角和目標(biāo)航向角，從而得到角度偏差及其角度偏差變化率，并將角度偏差及其角度偏差變化率作為輸出變量輸送給模糊控制器；
[0052]模糊控制器，根據(jù)微控制器輸出的角度偏差及其角度偏差變化率，基于模糊控制策略產(chǎn)生一個(gè)適宜的刺激強(qiáng)度值；并將該刺激強(qiáng)度值輸送給微控制器，微控制器以此數(shù)據(jù)為依據(jù)，產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)于該時(shí)刻的刺激序列；
[0053]刺激信號(hào)輸出接口，微控制器產(chǎn)生相應(yīng)強(qiáng)度的刺激序列經(jīng)過(guò)刺激信號(hào)輸出接口輸出到對(duì)應(yīng)的神經(jīng)核團(tuán)，以調(diào)整機(jī)器人鳥(niǎo)的飛行方向，使其回到目標(biāo)航向上來(lái)。
[0054]所述微控制器包括微處理器、晶振、及復(fù)位電路。微控制器選擇ATmegaS單片機(jī)，它具有8K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，512字節(jié)EEPROM，IK字節(jié)SRAM，32個(gè)通用I/O 口線和可編程串行USART等片上資源。
[0055]微GPS模塊選擇Progin SR-92型號(hào)的GPS模塊，它集GPS接收機(jī)和接收天線于一體，體積小，重量輕。該GPS模塊可以輸出多種格式的數(shù)據(jù)，通過(guò)設(shè)置，本發(fā)明中此模塊只輸出 GPRMC((Reco_ended Minimum Specific GPS/TRANSIT Data))格式的 GPS 數(shù)據(jù)。主控制板模塊是用PROTEL設(shè)計(jì)的，選用超薄PVC板材加工的PCB電路板，PCB電路板上設(shè)有電源管理模塊、刺激信號(hào)輸出接口。
[0056]電源管理模塊是DC-DC穩(wěn)壓芯片，穩(wěn)壓芯片選用REG710-3.3，它可提供3.3V的穩(wěn)定的直流電壓。PCB板上設(shè)有6個(gè)信號(hào)輸出端子，每2個(gè)端子組合成一個(gè)刺激通道，共3對(duì)刺激通道。每一對(duì)刺激通道的一端與ATmegaS單片機(jī)的2個(gè)I/O 口相連；另一端利用細(xì)導(dǎo)線引出到一個(gè)排針上，以方便與機(jī)器人鳥(niǎo)的接口連接。
[0057]微控制器的微處理器ATmega8單片機(jī)通過(guò)UART與型號(hào)為ProginSR-92的微GPS模塊相連，實(shí)現(xiàn)串行通訊。每一秒ATmega8單片機(jī)通過(guò)這一通訊接口讀取ProginSR-92 GPS模塊所產(chǎn)生的GPRMC格式的GPS數(shù)據(jù)幀。并分析、提取出經(jīng)緯度和速度信息。根據(jù)這些信息進(jìn)行如下的導(dǎo)航。
[0058]如圖3，在整個(gè)導(dǎo)航過(guò)程中，微控制器每隔一秒從微GPS模塊讀取一幀GPS數(shù)據(jù)，并判斷微GPS模塊是否進(jìn)入有效定位狀態(tài)，若微GPS模塊進(jìn)入有效定位狀態(tài)，微控制器將從GPS數(shù)據(jù)幀中解析出此時(shí)刻的經(jīng)、緯度和速度信息；根據(jù)此時(shí)刻機(jī)器人鳥(niǎo)所處的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)和目標(biāo)點(diǎn)的GPS數(shù)據(jù)，計(jì)算兩點(diǎn)的平面距離，如果距離小于或等于20米，則說(shuō)明機(jī)器人鳥(niǎo)到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)范圍，本次導(dǎo)航結(jié)束；
[0059]否則，將繼續(xù)進(jìn)行如下判斷，如圖4，若速度不小于I米/秒，則說(shuō)明機(jī)器人鳥(niǎo)處于飛行狀態(tài)；進(jìn)行空中飛行導(dǎo)航；微控制器根據(jù)此時(shí)刻和上一時(shí)刻的GPS經(jīng)、緯度數(shù)據(jù)，利用兩點(diǎn)一線的計(jì)算方法，得到此時(shí)的機(jī)器人鳥(niǎo)的實(shí)際航向角；同理，根據(jù)此時(shí)刻的GPS數(shù)據(jù)和目標(biāo)點(diǎn)的GPS數(shù)據(jù)，計(jì)算出此時(shí)的目標(biāo)航向角；實(shí)際航向角減去目標(biāo)航向角可得到此時(shí)航向角偏差；
[0060]若偏差大于或等于80度，則用刺激強(qiáng)度為頻率為100Hz，脈沖寬度為8，每個(gè)寬度單位是0.1ms，脈沖的個(gè)數(shù)為30個(gè)，刺激序列為每秒2個(gè)的刺激序列，刺激機(jī)器人鳥(niǎo)大腦左側(cè)的DIVA，使機(jī)器人鳥(niǎo)向左偏轉(zhuǎn)；若偏差小于或等于負(fù)80度，則用如上述同樣的強(qiáng)度刺激機(jī)器人鳥(niǎo)大腦右側(cè)的DIVA，使機(jī)器人鳥(niǎo)向右偏轉(zhuǎn)；
[0061]若航向角偏差的絕對(duì)值小于80度，則根據(jù)上一個(gè)航向角偏差計(jì)算出此時(shí)的航向角偏差變化率；
[0062]接著，將航向角偏差和航向角偏差變化率進(jìn)行模糊化處理，并得兩個(gè)變量的模糊值，依據(jù)兩變量的模糊值查詢模糊查詢表，得到輸出變量刺激強(qiáng)度的模糊值，然后對(duì)其進(jìn)行去模糊化得精確值U ;如果U > 0，則控制器輸出頻率為100Hz，脈沖寬度為U，寬度單位是0.1ms,脈沖的個(gè)數(shù)30個(gè)，刺激序列為每秒2個(gè)的刺激序列，刺激機(jī)器人鳥(niǎo)大腦左側(cè)的DIVA,使機(jī)器人鳥(niǎo)向左偏轉(zhuǎn)；若11 < O,則用如上述同樣強(qiáng)度的信號(hào)刺激機(jī)器人鳥(niǎo)大腦右側(cè)的DIVA，使機(jī)器人鳥(niǎo)向右偏轉(zhuǎn)；若U = 0，則控制器不輸出刺激。然后，每隔一秒鐘重復(fù)以上過(guò)程，直到機(jī)器人鳥(niǎo)到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)20米的范圍內(nèi)，本次導(dǎo)航結(jié)束；
[0063]如圖3所示，在上述判斷過(guò)程中，若機(jī)器人鳥(niǎo)的速度小于lm/s時(shí)，說(shuō)明機(jī)器人中止了飛行，此時(shí)微控制器根據(jù)本次連續(xù)飛行的時(shí)間做出如下判斷，若連續(xù)飛行時(shí)間大于或等于10分鐘時(shí)，讓機(jī)器人鳥(niǎo)休息2分鐘；然后，用中等強(qiáng)度，頻率為100Hz，脈沖寬度為4，寬度單位是0.1ms，脈沖的個(gè)數(shù)20個(gè)，刺激序列為每秒2個(gè)的刺激序列的刺激，刺激機(jī)器人鳥(niǎo)的古紋狀體，強(qiáng)迫機(jī)器人鳥(niǎo)起飛；如果連續(xù)飛行時(shí)間小于10分鐘，則微控制器立即發(fā)出刺激強(qiáng)迫機(jī)器人鳥(niǎo)起飛。
[0064]在上述導(dǎo)航過(guò)程中，所述的模糊控制器的模糊查詢表，設(shè)計(jì)過(guò)程如下:
[0065]角度偏差E的實(shí)際范圍是(-80，80)，角度偏差的變化率范圍是(-160，160)，脈沖寬度的實(shí)際變化范圍是(0，8);
[0066]定義角度偏差的論域，角度偏差變化率的論域和輸出脈沖寬度的論域均為{-8，-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7，8}；
[0067]偏差系數(shù)Ke = 16/(80+80) = 0.1 ；
[0068]偏差變化率系數(shù)Kec = 16/(160+160) = 0.05 ；
[0069]脈沖寬度系數(shù)Ku = 16/8 = 2 ；
[0070]基于模糊控制，對(duì)于角度偏差E、角度偏差變化率EC和輸出脈沖寬度都定義9個(gè)語(yǔ)言值{NG(負(fù)極大)，NB(負(fù)大)，NM(負(fù)中)，NS(負(fù)小)，Z(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB (正大)，PG(正極大)}，與以上對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言值定義為[1，2，3，4，5，6，7，8，9];以上三個(gè)變量的隸屬度函數(shù)均采用三角函數(shù)；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)性的控制規(guī)則，并得到基于模糊語(yǔ)言的規(guī)則表，結(jié)合隸屬度和規(guī)則表，得以上規(guī)則所蘊(yùn)含的模糊關(guān)系R，根據(jù)兩個(gè)輸入變量航向角偏差E和航向角偏差變化率EC的所有的模糊組合，并組合模糊關(guān)系R可以求得到模糊查詢表FT。
[0071]機(jī)器人鳥(niǎo)自主導(dǎo)航系統(tǒng)的使用方法為:
[0072](I)通過(guò)PC機(jī)，將導(dǎo)航目標(biāo)點(diǎn)的經(jīng)緯度信息寫(xiě)入微控制器的存儲(chǔ)器中；
[0073](2)將設(shè)置好目標(biāo)點(diǎn)信息的機(jī)器人鳥(niǎo)自主導(dǎo)航系統(tǒng)固定在機(jī)器人鳥(niǎo)背上，保持有GPS天線的一面朝上；
[0074](3)將機(jī)器人鳥(niǎo)自主導(dǎo)航系統(tǒng)的刺激信號(hào)輸出接口的排針連接在機(jī)器人鳥(niǎo)頭部的接口上；
[0075](4)將機(jī)器人鳥(niǎo)移到一個(gè)開(kāi)闊地帶，以便微GPS模塊獲得有效定位；打開(kāi)電源，當(dāng)機(jī)器人鳥(niǎo)自主導(dǎo)航系統(tǒng)接收到有效的GPS數(shù)據(jù)，放飛機(jī)器人鳥(niǎo)，機(jī)器人鳥(niǎo)自主導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)入自主導(dǎo)航工作狀態(tài)，無(wú)需人工參與。
[0076]具體的，導(dǎo)航過(guò)程分析如圖5:
[0077]假設(shè)，A點(diǎn)是導(dǎo)航的起始點(diǎn)，機(jī)器人鳥(niǎo)在A點(diǎn)時(shí)，微控制器的微處理器通過(guò)串口UART讀取微GPS模塊的數(shù)據(jù)。分析處理后，得到A點(diǎn)的經(jīng)、緯度數(shù)據(jù)(Ajdu，Awdu)和該時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)速度Va。如果速度Va大于I米/秒，說(shuō)明機(jī)器人鳥(niǎo)在A點(diǎn)處于飛行狀態(tài)。由于本微GPS模塊的更新率為I秒，I秒鐘后微控制器得到一組新的GPS數(shù)據(jù)，此時(shí)機(jī)器人鳥(niǎo)飛行至B點(diǎn)。微控制器做同樣的處理，得到對(duì)應(yīng)于B點(diǎn)的一組經(jīng)緯度數(shù)據(jù)(Bjdu，BWdu)和速度Vb。目標(biāo)點(diǎn)G點(diǎn)的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)(Gjdu，GWdu)已預(yù)存于微控制器的微處理器的內(nèi)存中。此時(shí)，計(jì)算B點(diǎn)距目標(biāo)點(diǎn)G的平面距離，計(jì)算方法如下:
[0078]

【權(quán)利要求】
1.機(jī)器人鳥(niǎo)自主導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于:包括微控制器、微GPS模塊、主控制板模塊以及用于調(diào)節(jié)刺激強(qiáng)度和航向角的模糊控制器；所述主控制板模塊包括電源管理模塊、刺激信號(hào)輸出接口 ；所述的微GPS模塊分別與微控制器、模糊控制器連接，所述的電源管理模塊為微控制器提供電源；所述的微控制器、模糊控制器并聯(lián)后連接刺激信號(hào)輸出接口 ； 微GPS模塊，接收衛(wèi)星信號(hào)，并計(jì)算出機(jī)器人鳥(niǎo)的位置信息，并將信息輸送給微控制器； 微控制器每隔一秒讀取來(lái)自微GPS模塊的一幀數(shù)據(jù)，解析得到對(duì)應(yīng)時(shí)刻的經(jīng)、緯度和速度信息，這就是機(jī)器人鳥(niǎo)在對(duì)應(yīng)時(shí)刻的位置和速度信息；根據(jù)這些信息，微控制器算出機(jī)器人鳥(niǎo)的實(shí)際航向角和目標(biāo)航向角，從而得到角度偏差及其角度偏差變化率，并將角度偏差及其角度偏差變化率作為輸出變量輸送給模糊控制器； 模糊控制器，根據(jù)微控制器輸出的角度偏差及其角度偏差變化率，基于模糊控制策略產(chǎn)生一個(gè)適宜的刺激強(qiáng)度值；并將該刺激強(qiáng)度值輸送給微控制器，微控制器以此數(shù)據(jù)為依據(jù),產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)于該時(shí)刻的刺激序列； 刺激信號(hào)輸出接口，微控制器產(chǎn)生相應(yīng)強(qiáng)度的刺激序列經(jīng)過(guò)刺激信號(hào)輸出接口輸出到對(duì)應(yīng)的神經(jīng)核團(tuán)，以調(diào)整機(jī)器人鳥(niǎo)的飛行方向，使其回到目標(biāo)航向上來(lái)。
2.機(jī)器人鳥(niǎo)自主導(dǎo)航系統(tǒng)的控制方法，其特征在于: 微控制器每隔一秒從微GPS模塊讀取一幀GPS數(shù)據(jù)，并判斷微GPS模塊是否進(jìn)入有效定位狀態(tài)，若微GPS模塊進(jìn)入有效定位狀態(tài)，微控制器將從GPS數(shù)據(jù)幀中解析出此時(shí)刻的經(jīng)、緯度和速度信息；根據(jù)此時(shí)刻機(jī)器人鳥(niǎo)所處的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)和目標(biāo)點(diǎn)的GPS數(shù)據(jù)，計(jì)算兩點(diǎn)的平面距離，如果距離小于或等于20米，則說(shuō)明機(jī)器人鳥(niǎo)到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)范圍，本次導(dǎo)航結(jié)束； 否則，將繼續(xù)進(jìn)行如下判斷，若速度不小于I米/秒，則說(shuō)明機(jī)器人鳥(niǎo)處于飛行狀態(tài)；接著，微控制器根據(jù)此時(shí)刻和上一時(shí)刻的GPS經(jīng)、緯度數(shù)據(jù)，利用兩點(diǎn)一線的計(jì)算方法，得到此時(shí)的機(jī)器人鳥(niǎo)的實(shí)際航向角；同理，根據(jù)此時(shí)刻的GPS數(shù)據(jù)和目標(biāo)點(diǎn)的GPS數(shù)據(jù)，計(jì)算出此時(shí)的目標(biāo)航向角；實(shí)際航向角減去目標(biāo)航向角可得到此時(shí)航向角偏差； 若偏差大于或等于80度，則用刺激強(qiáng)度為頻率為100Hz，脈沖寬度為8，每個(gè)寬度單位是0.1ms，脈沖的個(gè)數(shù)為30個(gè)，刺激序列為每秒2個(gè)的刺激序列，刺激機(jī)器人鳥(niǎo)大腦左側(cè)的DIVA,使機(jī)器人鳥(niǎo)向左偏轉(zhuǎn)；若偏差小于或等于負(fù)80度,貝U用如上述同樣的強(qiáng)度刺激機(jī)器人鳥(niǎo)大腦右側(cè)的DIVA，使機(jī)器人鳥(niǎo)向右偏轉(zhuǎn)； 若航向角偏差的絕對(duì)值小于80度，則根據(jù)上一個(gè)航向角偏差計(jì)算出此時(shí)的航向角偏差變化率； 接著，將航向角偏差和航向角偏差變化率進(jìn)行模糊化處理，并得兩個(gè)變量的模糊值，依據(jù)兩變量的模糊值查詢模糊查詢表，得到輸出變量刺激強(qiáng)度的模糊值，然后對(duì)其進(jìn)行去模糊化得精確值U ;如果U>0，則控制器輸出頻率為100Hz，脈沖寬度為U，寬度單位是0.1ms,脈沖的個(gè)數(shù)30個(gè)，刺激序列為每秒2個(gè)的刺激序列，刺激機(jī)器人鳥(niǎo)大腦左側(cè)的DIVA，使機(jī)器人鳥(niǎo)向左偏轉(zhuǎn)；若U < 0，則用如上述同樣強(qiáng)度的信號(hào)刺激機(jī)器人鳥(niǎo)大腦右側(cè)的DIVA，使機(jī)器人鳥(niǎo)向右偏轉(zhuǎn)= 0，則控制器不輸出刺激。然后，每隔一秒鐘重復(fù)以上過(guò)程，直到機(jī)器人鳥(niǎo)到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)20米的范圍內(nèi)，本次導(dǎo)航結(jié)束； 在上述判斷過(guò)程中，若機(jī)器人鳥(niǎo)的速度小于lm/s時(shí)，說(shuō)明機(jī)器人中止了飛行，此時(shí)微控制器根據(jù)本次連續(xù)飛行的時(shí)間做出如下判斷，若連續(xù)飛行時(shí)間大于或等于10分鐘時(shí)，讓機(jī)器人鳥(niǎo)休息2分鐘；然后，用中等強(qiáng)度，頻率為100Hz，脈沖寬度為4，寬度單位是0.1ms,脈沖的個(gè)數(shù)20個(gè)，刺激序列為每秒2個(gè)的刺激序列的刺激，刺激機(jī)器人鳥(niǎo)的古紋狀體，強(qiáng)迫機(jī)器人鳥(niǎo)起飛；如果連續(xù)飛行時(shí)間小于10分鐘，則微控制器立即發(fā)出刺激強(qiáng)迫機(jī)器人鳥(niǎo)起飛。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的機(jī)器人鳥(niǎo)自主導(dǎo)航系統(tǒng)的控制方法，其特征在于:所述的模糊控制器的模糊查詢表，設(shè)計(jì)過(guò)程如下: 角度偏差E的實(shí)際范圍是(-80，80)，角度偏差的變化率范圍是(-160，160)，脈沖寬度的實(shí)際變化范圍是(0，8); 定義角度偏差的論域，角度偏差變化率的論域和輸出脈沖寬度的論域均為{-8，-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7，8}； 偏差系數(shù) Ke = 16/(80+80) = 0.1 ； 偏差變化率系數(shù) Kec = 16/(160+160) = 0.05 ； 脈沖寬度系數(shù)Ku = 16/8 = 2 ； 基于模糊控制，對(duì)于角度偏差E、角度偏差變化率EC和輸出脈沖寬度U都定義9個(gè)語(yǔ)言值{NG(負(fù)極大)，NB(負(fù)大)，NM(負(fù)中)，NS(負(fù)小)，Z(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB (正大)，PG(正極大)}，與以上對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言值定義為[1，2，3，4，5，6，7，8，9];以上三個(gè)變量的隸屬度函數(shù)均采用三角函數(shù)；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)性的控制規(guī)則，并得到基于模糊語(yǔ)言的規(guī)則表，結(jié)合隸屬度和規(guī)則表，得以上規(guī)則所蘊(yùn)含的模糊關(guān)系R，根據(jù)兩個(gè)輸入變量航向角偏差E和航向角偏差變化率EC的所有的模糊組合，并組合模糊關(guān)系R可以求得到模糊查詢表FT。
【文檔編號(hào)】G05D1/10GK104199461SQ201410437283
【公開(kāi)日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年8月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月29日
【發(fā)明者】楊俊卿, 槐瑞托, 汪慧, 呂常智, 李玉霞, 蘇學(xué)成 申請(qǐng)人:山東科技大學(xué)