專利名稱：一種室外微小型地面群機器人控制系統(tǒng)及控制方法
技術領域：
本發(fā)明屬于自動化技術的機器人領域，涉及一種室外微小型地面群機器人控制系統(tǒng)及控制方法。
背景技術：
目前就機器人技術水平而言，單機器人在信息的獲取、處理及控制能力等方面都是有限的，對于復雜的工作任務及多變的工作環(huán)境，單機器人的能力更顯不足。于是，借鑒社會性昆蟲的群體智能行為，人們考慮由多個機器人組成的群體系統(tǒng)通過協(xié)調、協(xié)作來完成單機器人無法或難以完成的工作。群機器人通過共享資源(信息、知識等)彌補單機器人能力的不足，擴大完成任務的能力范圍，利用系統(tǒng)內機器人資源的冗余性提高完成任務的可能性，增加系統(tǒng)的性能。群機器人在協(xié)作執(zhí)行任務的過程中，個體機器人需要知道自身及周圍相鄰個體機器人的位置信息。因此，個體機器人對自身以及相鄰個體的快速準確定位是群機器人實現(xiàn)協(xié)作控制和群體涌現(xiàn)的基礎。個體機器人的定位技術主要有絕對定位和相對定位兩類。傳統(tǒng)的多機器人定位技術大多通過卡爾曼濾波或粒子濾波等復雜運算將內部傳感器和外部傳感器信息進行融合估計。這些定位技術在短時間內具有較好的精度和穩(wěn)定性，但是測量誤差會隨著時間的增加而不斷積累，最終導致測量失效。因此，有必要設計一種室外微小型地面群機器人控制系統(tǒng)及控制方法。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種室外微小型地面群機器人控制系統(tǒng)及控制方法，該室外微小型地面群機器人控制系統(tǒng)及控制方法能提高個體機器人的定位精度，有利于實現(xiàn)群機器人的協(xié)作控 制和聯(lián)合目標搜索等復雜任務。發(fā)明的技術解決方案如下:一種室外微小型地面群機器人控制系統(tǒng)，包括差分定位基站、上位監(jiān)控計算機和構成群機器人系統(tǒng)的多個個體機器人，其中:差分定位基站，用于實時接收定位信號(如GPS信號)并與給定的基站參考坐標進行偽距差分計算，然后將差分修正數(shù)通過無線通信模塊發(fā)送給群機器人系統(tǒng)中的個體機器人；所述的個體機器人為微小型地面移動機器人，所有的個體機器人具有相同的硬件系統(tǒng)，多個個體機器人之間通過無線通信連接組成一個機器人群體并實現(xiàn)相互協(xié)作；個體機器人實時接收定位信號(如GPS信號)和基站發(fā)送的差分修正數(shù)，進行偽距差分計算后得到位置坐標；上位監(jiān)控計算機通過無線通信模塊接收個體機器人的位置信息以及發(fā)送指令以控制個體機器人的運行。所述構成群機器人系統(tǒng)的個體機器人，根據任務分配和其它個體機器人的位置信息并結合自身感知，進行行為決策和運動規(guī)劃。所述差分定位基站包括基站AVR嵌入式控制器模塊、基站定位信號接收模塊和基站Xbee無線通信模塊,其中:基站定位信號接收模塊(GPS/北斗信號接收模塊)與基站AVR嵌入式控制器模塊相連接，基站AVR嵌入式控制器模塊將基站參考位置坐標(基站位置坐標可以為絕對坐標或相對坐標)通過第一串口(UART)發(fā)送給基站定位信號接收模塊進行偽距差分計算，然后將基站定位信號接收模塊計算得到的差分修正數(shù)通過基站Xbee無線通信模塊發(fā)送給群機器人系統(tǒng)中的個體機器人；所述基站定位信號接收模塊通過測量天線接收定位信號，通過第一串口(UART)接收基站AVR嵌入式控制器模塊發(fā)送的基站位置坐標，并對接收的定位信號與基站位置坐標進行偽距差分計算，然后將差分修正數(shù)通過第二串口(UART)發(fā)送給AVR嵌入式控制器模塊；所述基站Xbee無線通信模塊與基站AVR嵌入式控制器模塊連接，用于發(fā)送定位信號接收模塊計算得到的差分修正數(shù)給群機器人系統(tǒng)中的個體機器人。所述基站AVR嵌入式控制器模塊包括:AVR處理器、SDRAM存儲器、Flash存儲器以及復位電路；所述Flash存儲器，用于存儲初始化程序和應用程序；所述AVR控制器，用于發(fā)送基站坐標給定位信號接收模塊，接收定位信號接收模塊發(fā)送的偽距差分修正數(shù)；通過所述基站Xbee無線通信模塊將偽距差分修正數(shù)發(fā)送給群機器人系統(tǒng)中的個體機器人；所述復位電路，用于整個群機器人基站控制系統(tǒng)的復位。
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所述構成機器人群體的個體機器人包括移動站AVR嵌入式控制器模塊、移動站定位信號接收模塊(GPS/北斗信號接收模塊)、移動站Xbee無線通信模塊、傳感器模塊、電機驅動模塊、鍵盤與顯示模塊和電源管理模塊，其中:所述移動站AVR嵌入式控制器模塊，與移動站定位信號接收模塊連接，將所述移動站Xbee無線通信模塊接收到的基站發(fā)送的差分修正數(shù)通過第一串口(UART)傳送給移動站定位信號接收模塊進行偽距差分計算，并通過移動站定位信號接收模塊的第二串口(UART)接收偽距差分定位結果；所述移動站AVR嵌入式控制器模塊，與移動站Xbee模塊連接，將所述定位信號接收模塊通過第二串口(UART)發(fā)送的偽距差分定位結果通過Xbee無線通信模塊發(fā)送給其他個體機器人；所述移動站定位信號接收模塊，通過測量天線接收定位信號(如GPS信號/北斗信號)，通過第一串口(UART)接收基站發(fā)送的差分修正數(shù)，并對接收的定位信號與差分修正數(shù)進行偽距差分計算，然后將偽距差分定位結果(也可以稱為偽距差分定位信息)通過第二串口(UART)發(fā)送給AVR嵌入式控制器模塊；所述移動站Xbee無線通信模塊，與AVR嵌入式控制器模塊連接，將定位信號接收模塊計算得到的偽距差分定位結果發(fā)送給其他個體機器人；所述傳感器模塊，用于采集外部環(huán)境信息和個體機器人的位姿信息以便機器人進行行為決策和運動規(guī)劃；
所述電機驅動模塊與移動站AVR嵌入式控制器模塊連接，電機驅動模塊驅動個體機器人完成各種運動；所述電源管理模塊包括電池組和所述各模塊所需電源電壓的轉換電路；所述鍵盤與顯示模塊用于人機信息交互和復位操作。所述移動站AVR嵌入式控制器模塊包括:AVR處理器、SDRAM存儲器、Flash存儲器以及復位電路；所述Flash存儲器，用于存儲初始化程序和應用程序；所述AVR控制器，用于發(fā)送差分修正數(shù)給定位信號接收模塊，接收移動站定位信號接收模塊發(fā)送的偽距差分定位結果；通過所述移動站Xbee無線通信模塊將偽距差分定位結果發(fā)送給其他個體機器人，接收差分定位基站發(fā)送的差分修正數(shù)和其他個體機器人發(fā)送的信息，將個體機器人的位置信息發(fā)送給上位監(jiān)控計算機，接收上位監(jiān)控計算機的控制指令控制個體機器人的運動；接收并處理各種傳感器信息；對電機驅動模塊發(fā)出信號，驅動個體機器人完成各種運動控制；所述復位電路，用于整個個體機器人控制系統(tǒng)的復位。所述基站Xbee無線通信模塊或移動站Xbee無線通信模塊被配置為協(xié)調器、路由器或終端。所述傳感器模塊包括:里程計、陀螺儀、數(shù)字羅盤、超聲波傳感器和攝像頭，定位信號接收模塊為定位信號(如GPS信號/北斗信號)接收模塊或北斗導航接收模塊。基站與個體機器人采用相同的控制器、定位信號接收模塊和無線通信模塊。AVR處理器采用ATmeg a2560，基站定位信號接收模塊或移動站定位信號接收模塊采用GPS信號接收模塊OEMStar，測量天線采用單頻外置測量天線HY-LRB01R，基站Xbee無線通信模塊或移動站Xbee無線通信模塊采用Xbee PRO Series2,電機驅動模塊采用L298p，陀螺儀采用L3G4200D，數(shù)字電子羅盤采用HMR3300，超聲波傳感器采用HC-SR04，電池組采用鋰聚合充電電池?！N室外微小型地面群機器人控制方法，其特征在于，該控制方法基于前述的室外微小型地面群機器人控制系統(tǒng)；(一 )基站端的偽距差分定位執(zhí)行流程為:步驟1:對基站Xbee無線通信模塊進行初始化，并對基站定位信號接收模塊即定位信號(如GPS信號)接收模塊進行初始化，即對OEMStar的COM2進行波特率設置和差分數(shù)據發(fā)送周期設置；啟動OEMStar差分功能，使得偽距差分計算過程由OEMStar自動完成；步驟2:若基站端Xbee無線通信模塊收到差分修正數(shù)，則發(fā)送差分修正數(shù)到個體機器人；( 二)移動站即個體機器人端的偽距差分定位執(zhí)行流程為:步驟1:對移動站Xbee無線通信模塊進行初始化，并對移動站定位信號接收模塊即定位信號(如GPS信號)接收模塊進行初始化，即對OEMStar的COM2進行波特率設置和差分數(shù)據發(fā)送周期設置；啟動OEMStar差分功能，使得偽距差分計算過程由OEMStar自動完成；步驟2:若移動站Xbee無線通信模塊收到差分修正數(shù)，則發(fā)送差分修正數(shù)到移動站端的定位信號接收模塊；移動站端的定位信號接收模塊對接收的GPS位置信號與差分修正數(shù)進行偽距差分計算，然后將偽距差分定位結果即修正坐標發(fā)送給其他個體機器人和上位監(jiān)控計算機。更進一步，個體機器人根據本身的修正坐標、其他個體機器人坐標以及自身通過傳感器感知的信號進行行為決策和運動規(guī)劃。在個體機器人的實際定位過程中，將個體機器人獲得的大地坐標數(shù)據轉換為平面坐標數(shù)據，即采用高斯-克呂格投影算法將WGS-84大地坐標轉換為對應于WGS-84橢球的平面坐標，公式如下:
權利要求
1.一種室外微小型地面群機器人控制系統(tǒng)，其特征在于，包括差分定位基站、上位監(jiān)控計算機和構成群機器人系統(tǒng)的多個個體機器人，其中: 差分定位基站，用于實時接收定位信號并與給定的基站參考坐標進行偽距差分計算，然后將差分修正數(shù)通過無線通信模塊發(fā)送給群機器人系統(tǒng)中的個體機器人； 所述的個體機器人為微小型地面移動機器人，所有的個體機器人具有相同的硬件系統(tǒng)，多個個體機器人之間通過無線通信連接組成一個機器人群體并實現(xiàn)相互協(xié)作； 個體機器人實時接收定位信號和基站發(fā)送的差分修正數(shù)，進行偽距差分計算后得到位置坐標； 上位監(jiān)控計算機通過無線通信模塊接收個體機器人的位置信息以及發(fā)送指令以控制個體機器人的運行。
2.根據權利要求1所述的室外微小型地面群機器人控制系統(tǒng)，其特征在于，所述差分定位基站包括基站AVR嵌入式控制器模塊、基站定位信號接收模塊和基站Xbee無線通信模塊，其中: 基站定位信號接收模塊與基站AVR嵌入式控制器模塊相連接，基站AVR嵌入式控制器模塊將基站參考位置坐標通過第一串口發(fā)送給基站定位信號接收模塊進行偽距差分計算，然后將基站定位信號接收模塊計算得到的差分修正數(shù)通過基站Xbee無線通信模塊發(fā)送給群機器人系統(tǒng)中的個體機器人； 所述基站定位信號接收模塊通過測量天線接收定位信號，通過第一串口接收基站AVR嵌入式控制器模塊發(fā)送的基站位置坐標，并對接收的定位信號與基站位置坐標進行偽距差分計算，然后將差分修正數(shù)通過第二串口發(fā)送給AVR嵌入式控制器模塊； 所述基站Xbee無線通信模塊與基站AVR嵌入式控制器模塊連接，用于發(fā)送定位信號接收模塊計算得到的差分修正數(shù)給群機器人系統(tǒng)中的個體機器人。
3.根據權利要求2所述的室外微小型地面群機器人控制系統(tǒng)，其特征在于，所述基站AVR嵌入式控制器模塊包括:AVR處理器、SDRAM存儲器、Flash存儲器以及復位電路； 所述Flash存儲器，用于存儲初始化程序和應用程序； 所述AVR控制器，用于發(fā)送基站坐標給定位信號接收模塊，接收定位信號接收模塊發(fā)送的偽距差分修正數(shù)；通過所述基站Xbee無線通信模塊將偽距差分修正數(shù)發(fā)送給群機器人系統(tǒng)中的個體機器人； 所述復位電路，用 于整個群機器人基站控制系統(tǒng)的復位。
4.根據權利要求3所述的室外微小型地面群機器人控制系統(tǒng)，其特征在于，所述構成機器人群體的個體機器人包括移動站AVR嵌入式控制器模塊、移動站定位信號接收模塊、移動站Xbee無線通信模塊、傳感器模塊、電機驅動模塊、鍵盤與顯示模塊和電源管理模塊，其中: 所述移動站AVR嵌入式控制器模塊，與移動站定位信號接收模塊連接，將所述移動站Xbee無線通信模塊接收到的基站發(fā)送的差分修正數(shù)通過第一串口傳送給移動站定位信號接收模塊進行偽距差分計算，并通過移動站定位信號接收模塊的第二串口接收偽距差分定位結果； 所述移動站AVR嵌入式控制器模塊，與移動站Xbee模塊連接，將所述定位信號接收模塊通過第二串口發(fā)送的偽距差分定位結果通過Xbee無線通信模塊發(fā)送給其他個體機器人； 所述移動站定位信號接收模塊，通過測量天線接收定位信號，通過第一串口接收基站發(fā)送的差分修正數(shù)，并對接收的定位信號與差分修正數(shù)進行偽距差分計算，然后將偽距差分定位結果通過第二串口發(fā)送給AVR嵌入式控制器模塊； 所述移動站Xbee無線通信模塊，與AVR嵌入式控制器模塊連接，將定位信號接收模塊計算得到的偽距差分定位結果發(fā)送給其他個體機器人； 所述傳感器模塊，用于采集外部環(huán)境信息和個體機器人的位姿信息； 所述電機驅動模塊與移動站AVR嵌入式控制器模塊連接，電機驅動模塊驅動個體機器人完成各種運動； 所述電源管理模塊包括電池組和所述各模塊所需電源電壓的轉換電路； 所述鍵盤與顯示模塊用于人機信息交互和復位操作。
5.根據權利要求4所述的室外微小型地面群機器人控制系統(tǒng)，其特征在于，所述移動站AVR嵌入式控制器模塊包括:AVR處理器、SDRAM存儲器、Flash存儲器以及復位電路； 所述Flash存儲器，用于存儲初始化程序和應用程序； 所述AVR控制器，用于發(fā)送差分修正數(shù)給定位信號接收模塊，接收移動站定位信號接收模塊發(fā)送的偽距差分定位結果；通過所述移動站Xbee無線通信模塊將偽距差分定位結果發(fā)送給其他個體機器人，接收差分定位基站發(fā)送的差分修正數(shù)和其他個體機器人發(fā)送的信息，將個體機器人的位置信息發(fā)送給上位監(jiān)控計算機，接收上位監(jiān)控計算機的控制指令控制個體機器人的運動；接收并處理各種傳感器信息；對電機驅動模塊發(fā)出信號，驅動個體機器人完成各種運動控制； 所述復位電路，用于整個個體機器人控制系統(tǒng)的復位。
6.根據權利要求5所述的室外微小型地面群機器人控制系統(tǒng)，其特征在于，所述基站Xbee無線通信模塊或移動站Xbee無線通信模塊被配置為協(xié)調器、路由器或終端。
7.根據權利要求4所述的室外微小型地面群機器人控制系統(tǒng)，其特征在于，所述傳感器模塊包括:里程計、陀螺儀 、數(shù)字羅盤、超聲波傳感器和攝像頭，定位信號接收模塊為GPS信號接收模塊或北斗導航接收模塊。
8.根據權利要求1至6中任一項所述的室外微小型地面群機器人控制系統(tǒng)，其特征在于，AVR處理器采用ATmega2560，基站定位信號接收模塊或移動站定位信號接收模塊采用GPS信號接收模塊OEMStar，測量天線采用單頻外置測量天線HY-LRB01R，基站Xbee無線通信模塊或移動站Xbee無線通信模塊采用Xbee PRO Series2,電機驅動模塊采用L298p，陀螺儀采用L3G4200D，數(shù)字電子羅盤采用HMR3300，超聲波傳感器采用HC-SR04，電池組采用鋰聚合充電電池。
9.一種室外微小型地面群機器人控制方法，其特征在于，該控制方法基于權利要求8所述的室外微小型地面群機器人控制系統(tǒng)； (一)基站端的偽距差分定位執(zhí)行流程為: 步驟1:對基站Xbee無線通信模塊進行初始化，并對基站定位信號接收模塊即定位信號(如GPS信號)接收模塊進行初始化，即對OEMStar的COM2進行波特率設置和差分數(shù)據發(fā)送周期設置； 啟動OEMStar差分功能，使得偽距差分計算過程由OEMStar自動完成；步驟2:若基站端Xbee無線通信模塊收到差分修正數(shù)，則發(fā)送差分修正數(shù)到個體機器人； (二)移動站即個體機器人端的偽距差分定位執(zhí)行流程為: 步驟1:對移動站Xbee無線通信模塊進行初始化，并對移動站定位信號接收模塊即定位信號接收模塊進行初始化，即對OEMStar的COM2進行波特率設置和差分數(shù)據發(fā)送周期設置； 啟動OEMStar差分功能，使得偽距差分計算過程由OEMStar自動完成； 步驟2:若移動站Xbee無線通信模塊收到差分修正數(shù)，則發(fā)送差分修正數(shù)到移動站端的定位信號接收模塊； 移動站端的定位信號接收模塊對接收的GPS位置信號與差分修正數(shù)進行偽距差分計算，然后將偽距差分定位結果即修正坐標發(fā)送給其他個體機器人和上位監(jiān)控計算機。
10.根據權利要求9所述的室外微小型地面群機器人控制方法，其特征在于，在個體機器人的實際定位過程中，將個體機器人獲得的大地坐標數(shù)據轉換為平面坐標數(shù)據，即采用高斯-克呂格投影算法將WGS-84大地坐標轉換為對應于WGS-84橢球的平面坐標，公式如下:
全文摘要
本發(fā)明公開了一種室外微小型地面群機器人控制系統(tǒng)及控制方法，控制系統(tǒng)包括差分定位基站、上位監(jiān)控計算機和構成群機器人系統(tǒng)的多個個體機器人，其中差分定位基站，用于實時接收定位信號并與給定的基站參考坐標進行偽距差分計算，然后將差分修正數(shù)通過無線通信模塊發(fā)送給群機器人系統(tǒng)中的個體機器人；個體機器人實時接收定位信號和基站發(fā)送的差分修正數(shù)，進行偽距差分計算后得到位置坐標；上位監(jiān)控計算機通過無線通信模塊接收個體機器人的位置信息以及發(fā)送指令以控制個體機器人的運行。該室外微小型地面群機器人控制系統(tǒng)及控制方法能提高個體機器人的定位精度，有利于實現(xiàn)群機器人的協(xié)作控制和聯(lián)合目標搜索等復雜任務。
文檔編號G05B19/418GK103235595SQ201310151420
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月27日 優(yōu)先權日2013年4月27日
發(fā)明者吳亮紅, 曾照福, 周少武, 左詞立, 王汐 申請人:湖南科技大學