機器人鳥自主導航系統(tǒng)及導航方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種機器人鳥自主導航系統(tǒng)及導航方法，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)刺激強度和航向角的模糊控制器。通過對GPS信息的獲取、分析和處理，該系統(tǒng)實時計算機器人鳥當前的實際航向角和目標航向角，并依據(jù)模糊控制器對兩者偏差和偏差變化率的處理結(jié)果，輸出適宜強度的刺激信號至相應的神經(jīng)核團，從而實現(xiàn)機器人鳥飛行方向的糾偏，以達到將機器人鳥導航到目標區(qū)域之目的。相比現(xiàn)有技術(shù)，該系統(tǒng)不需無線通訊，不需專用操作人員全程參與，功耗低，體積小，重量輕?？朔耸芡ㄓ嵕嚯x限制的不足，提高了效率，增強了實時性和實用性。
【專利說明】機器人鳥自主導航系統(tǒng)及導航方法

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

【背景技術(shù)】
[0002]動物機器人是一種特殊的仿生機器人，它不同于機電式機器人。它是以腦科學、神經(jīng)科學、計算機科學等多學科的交叉為基礎(chǔ)，是機器人家族中的一個全新的“物種”。它的出現(xiàn)呈現(xiàn)給我們一個全新的機器人研究思路。所謂動物機器人，就是以活體動物為本體、用編碼電信號控制其大腦神經(jīng)或肌肉，以實現(xiàn)對本體控制的智能動物。一旦停止電刺激，動物本體就會立即恢復常態(tài)，和普通動物一樣正常生活、繁衍生息。與傳統(tǒng)的機電式機器人相比，動物機器人繼承了動物天生、固有的智能和運動天賦。動物機器人利用動物自身視、聽及感覺能力，具有機電式機器人難以達到的高級的智能，能實現(xiàn)機電式機器人難以達到的高度自主能力和探測能力。動物機器人靠自身的體能運動，運動靈活而敏捷，而且可長時間，長距離運動。其運動能力不會像機電式移動機器人那樣受自身攜帶能量的限制。另外，動物機器人具有天然的隱蔽性，是某些特殊應用的理想選擇。正是基于以上因素，動物機器人已成為當今一個新的前沿性研究熱點。
[0003]動物機器人與機電式機器人在結(jié)構(gòu)上有很大區(qū)別，一般來說，動物機器人的基本構(gòu)成可概括為四大部分:控制器4、無線通訊基站1、接口 2、動物本體3。如圖1，以機器人鳥為例所示。
[0004]控制器4，安裝在動物身上，傳統(tǒng)的控制器包括多通道編碼信號發(fā)生器和無線通訊單元，多通道編碼信號發(fā)生器的功能是產(chǎn)生用于刺激動物神經(jīng)核團的編碼電信號，它的信號輸出端與接口的微型電氣插座相連。無線通訊單元的功能是接收來自無線通訊基站的數(shù)據(jù)和命令，以實現(xiàn)對動物機器人的遙控功能。
[0005]無線通訊基站1，包括無線發(fā)射器和與之相連的電腦或PDA，操作者可利用運行在電腦或PDA上的軟件無線傳輸數(shù)據(jù)或命令至控制器，以實現(xiàn)對控制器的遙控，包括控制多通道編碼信號發(fā)生器的啟動和停止、工作通道的選擇(即開啟哪對刺激電極)、編碼信號參數(shù)的調(diào)節(jié)等功能。從而實現(xiàn)無線遙控動物機器人。
[0006]接口 2，是連接控制器與被刺激神經(jīng)核團的橋梁，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電，6根刺激微電極分成3對。按照坐標數(shù)值并借助于立體定位儀，這3對電極(左側(cè)，中間，右側(cè))的尖端穿過顱骨被植入到動物大腦內(nèi)相應的3個神經(jīng)核團中。這些電極的另一端通過細導線分別與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、細導線及微型插座固定于動物顱骨表面上，而形成一個接口。
[0007]動物本體3:這一部分與傳統(tǒng)機器人的構(gòu)成有很大不同，動物本體就是活體動物，如大鼠，鴿子或壁虎等。
[0008]據(jù)上述，在結(jié)構(gòu)上，動物機器人與傳統(tǒng)機器人有很大區(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。動物機器人的工作原理建立在神經(jīng)科學、電子科學等多學科交叉基礎(chǔ)之上的。它是將人工電信號施加到動物的神經(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物情緒或運動等特定功能相關(guān)的區(qū)域，從而實現(xiàn)對動物運動行為的調(diào)控。
[0009]以鴿子為本體，舉例，說明其控制原理，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。以上三個特定區(qū)域均與鴻子的情緒相關(guān)，實驗已經(jīng)證明，若分別刺激機器人鳥大腦左/右側(cè)DIVA，機器人鳥向左/右方向運動；刺激大腦的古紋狀體，可使機器人鳥從靜止狀態(tài)下起飛或者在空中向前飛。這就是機器人鳥的工作原理。
[0010]現(xiàn)在技術(shù)一:基于短距離無線通訊的導航系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括無線發(fā)送模塊和動物機器人控制器。無線發(fā)送模塊與電腦或PDA相連，通過無線通訊的方式，發(fā)送來自電腦或PDA的數(shù)據(jù)或命令到控制器上。控制器安裝在動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。操作人員實時觀察機器人鳥的運動狀態(tài)，及時通過電腦或PDA及無線發(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)生相應的刺激信號到對應的神經(jīng)核團，實現(xiàn)對機器人鳥運動行為的控制，使其沿著設(shè)定的路線運動，從而完成對機器人鳥的導航。這類導航系統(tǒng)的通訊距離一般在100米左右，主要應用于機器人鳥或其它類型動物機器人的室內(nèi)導航實驗。
[0011]現(xiàn)有技術(shù)二:采用了中國移動的GPRS功能，借用中國移動的GPRS的無線通訊網(wǎng)絡可以實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸?；谶@一方案，機器人鳥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在機器人鳥背上，控制器的輸出端通過導線連接到接口的電氣插座上。該系統(tǒng)的工作過程是操作人員利用運行在PC機上的軟件，通過internet網(wǎng)絡發(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)生相應的刺激信號，經(jīng)刺激電極到相應的神經(jīng)核團，從而完成對機器人鳥的微電刺激，以實現(xiàn)對機器人鳥運動方向的遙控。同時，主控制器讀取GPS數(shù)據(jù)信息，并通過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internet網(wǎng)絡傳到PC機端，操作人員根據(jù)GPS信息判斷機器人鳥的運動狀態(tài)和航向角，并據(jù)此發(fā)送下一個指令，從而實現(xiàn)對機器人鳥的導航。
[0012]現(xiàn)有技術(shù)一，由于無線通訊距離較短，一般在100米內(nèi)。所以它主要用于實驗室內(nèi)的動物機器人導航，不能實現(xiàn)遠距離導航，不能適用于自由飛翔狀態(tài)下的機器人鳥導航?，F(xiàn)有技術(shù)二，加入了 GPRS功能，可以實現(xiàn)遠距離的動物機器人導航。但實驗證明兩者都有明顯的不足和缺點:
[0013]兩者需要專業(yè)的操作人員，且操作人員要在整個動物機器人導航過程中全程參與，效率低下。
[0014]現(xiàn)有技術(shù)二中的控制器設(shè)計了 GPSR模塊，增大了控制器重量和體積，增大了機器人鳥的負重，影響鳥的正常飛行。
[0015]現(xiàn)有技術(shù)二中，GPRS模塊必需雙向通訊才能實現(xiàn)導航功能，而GPRS收發(fā)模塊工作在發(fā)送狀態(tài)時，峰值電流達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，實用性不強是它另一不足之處。
[0016]現(xiàn)有技術(shù)二通訊是基于網(wǎng)絡的，由于網(wǎng)絡通訊的延遲，整個導航系統(tǒng)很難實現(xiàn)較好的實時性，這嚴重影響了導航效果。


【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)計了一種不用無線遙控的機器人鳥自主導航系統(tǒng)及其控制方法，不需要人為參與，并且控制器輕便、實時性好；本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0018]機器人鳥自主導航系統(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)后連接刺激信號輸出接口 ；
[0019]微GPS模塊，接收衛(wèi)星信號，并計算出機器人鳥的位置信息，并將信息輸送給微控制器；
[0020]微控制器每隔一秒讀取來自微GPS模塊的一幀數(shù)據(jù)，解析得到對應時刻的經(jīng)、緯度和速度信息，這就是機器人鳥在對應時刻的位置和速度信息；根據(jù)這些信息，微控制器算出機器人鳥的實際航向角和目標航向角，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)生一個適宜的刺激強度值；并將該刺激強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)生一個對應于該時刻的刺激序列；
[0022]刺激信號輸出接口，微控制器產(chǎn)生相應強度的刺激序列經(jīng)過刺激信號輸出接口輸出到對應的神經(jīng)核團，以調(diào)整機器人鳥的飛行方向，使其回到目標航向上來。
[0023]機器人鳥自王導航系統(tǒng)控制方法為:
[0024]在整個導航過程中，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模塊是否進入有效定位狀態(tài)，若微GPS模塊進入有效定位狀態(tài)，微控制器將從GPS數(shù)據(jù)幀中解析出此時刻的經(jīng)、緯度和速度信息；根據(jù)此時刻機器人鳥所處的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)和目標點的GPS數(shù)據(jù)，計算兩點的平面距離，如果距離小于或等于20米，則說明機器人鳥到達目標點范圍，本次導航結(jié)束；
[0025]否則，將繼續(xù)進行如下判斷，若速度不小于I米/秒，則說明機器人鳥處于飛行狀態(tài)；接著，微控制器根據(jù)此時刻和上一時刻的GPS經(jīng)、緯度數(shù)據(jù)，利用兩點一線的計算方法，得到此時的機器人鳥的實際航向角；同理，根據(jù)此時刻的GPS數(shù)據(jù)和目標點的GPS數(shù)據(jù)，計算出此時的目標航向角；實際航向角減去目標航向角可得到此時航向角偏差；
[0026]若偏差大于或等于80度，則用刺激強度為頻率為100Hz，脈沖寬度為8，每個寬度單位是0.1ms，脈沖的個數(shù)為30個，刺激序列為每秒2個的刺激序列，刺激機器人鳥大腦左側(cè)的DIVA，使機器人鳥向左偏轉(zhuǎn)；若偏差小于或等于負80度，則用如上述同樣的強度刺激機器人鳥大腦右側(cè)的DIVA，使機器人鳥向右偏轉(zhuǎn)；
[0027]若航向角偏差的絕對值小于80度，則根據(jù)上一個航向角偏差計算出此時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行模糊化處理，并得兩個變量的模糊值，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度的模糊值，然后對其進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,脈沖的個數(shù)30個，刺激序列為每秒2個的刺激序列，刺激機器人鳥大腦左側(cè)的DIVA,使機器人鳥向左偏轉(zhuǎn)；若U < O,則用如上述同樣強度的信號刺激機器人鳥大腦右側(cè)的DIVA，使機器人鳥向右偏轉(zhuǎn)；gU = 0，則控制器不輸出刺激。然后，每隔一秒鐘重復以上過程，直到機器人鳥到達目標點20米的范圍內(nèi)，本次導航結(jié)束；
[0029]在上述判斷過程中，若機器人鳥的速度小于lm/s時，說明機器人中止了飛行，此時微控制器根據(jù)本次連續(xù)飛行的時間做出如下判斷，若連續(xù)飛行時間大于或等于10分鐘時，讓機器人鳥休息2分鐘；然后，用中等強度，頻率為100Hz，脈沖寬度為4，寬度單位是
0.1ms，脈沖的個數(shù)20個，刺激序列為每秒2個的刺激序列的刺激，刺激機器人鳥的古紋狀體，強迫機器人鳥起飛；如果連續(xù)飛行時間小于10分鐘，則微控制器立即發(fā)出刺激強迫機器人鳥起飛。
[0030]在上述導航過程中，所述的模糊控制器的模糊查詢表，設(shè)計過程如下:
[0031]角度偏差E的實際范圍是(-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個語言值{NG(負極大)，NB(負大)，NM(負中)，NS(負小)，Z(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)，PG(正極大)}，與以上對應的語言值定義為[1，2，3，4，5，6，7，8，9];以上三個變量的隸屬度函數(shù)均采用三角函數(shù)；根據(jù)經(jīng)驗性的控制規(guī)則，并得到基于模糊語言的規(guī)則表，結(jié)合隸屬度和規(guī)則表，得以上規(guī)則所蘊含的模糊關(guān)系R，根據(jù)兩個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]機器人鳥自主導航系統(tǒng)的使用方法為:
[0038](I)通過PC機，將導航目標點的經(jīng)緯度信息寫入微控制器的存儲器中；
[0039](2)將設(shè)置好目標點信息的機器人鳥自主導航系統(tǒng)固定在機器人鳥背上，保持有GPS天線的一面朝上；
[0040](3)將機器人鳥自主導航系統(tǒng)的刺激信號輸出接口的排針連接在機器人鳥頭部的接口上；
[0041](4)將機器人鳥移到一個開闊地帶，以便微GPS模塊獲得有效定位；打開電源，當機器人鳥自主導航系統(tǒng)接收到有效的GPS數(shù)據(jù)，放飛機器人鳥，機器人鳥自主導航系統(tǒng)進入自主導航工作狀態(tài)，無需人工參與。
[0042]本發(fā)明提供的機器人鳥自主導航系統(tǒng)及其控制方法，通過對GPS信息的獲取、分析和處理，該系統(tǒng)實時計算機器人鳥當前的實際航向角和目標航向角，并依據(jù)模糊控制器對兩者偏差和偏差變化率的處理結(jié)果，輸出適宜強度的刺激信號至相應的神經(jīng)核團，從而實現(xiàn)機器人鳥飛行方向的糾偏，以達到將機器人鳥導航到目標區(qū)域之目的。相比現(xiàn)有技術(shù)，該系統(tǒng)不需無線通訊，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，增強了實時性和實用性。

【專利附圖】

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

【具體實施方式】
[0048]以鴿子為動物本體，說明本發(fā)明【具體實施方式】。
[0049]如圖2所示，機器人鳥自主導航系統(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)后連接刺激信號輸出接口 ；
[0050]微GPS模塊，接收衛(wèi)星信號，并計算出機器人鳥的位置信息，并將信息輸送給微控制器；
[0051]微控制器每隔一秒讀取來自微GPS模塊的一幀數(shù)據(jù)，解析得到對應時刻的經(jīng)、緯度和速度信息，這就是機器人鳥在對應時刻的位置和速度信息；根據(jù)這些信息，微控制器算出機器人鳥的實際航向角和目標航向角，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)生一個適宜的刺激強度值；并將該刺激強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)生一個對應于該時刻的刺激序列；
[0053]刺激信號輸出接口，微控制器產(chǎn)生相應強度的刺激序列經(jīng)過刺激信號輸出接口輸出到對應的神經(jīng)核團，以調(diào)整機器人鳥的飛行方向，使其回到目標航向上來。
[0054]所述微控制器包括微處理器、晶振、及復位電路。微控制器選擇ATmegaS單片機，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型號的GPS模塊，它集GPS接收機和接收天線于一體，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個信號輸出端子，每2個端子組合成一個刺激通道，共3對刺激通道。每一對刺激通道的一端與ATmegaS單片機的2個I/O 口相連；另一端利用細導線引出到一個排針上，以方便與機器人鳥的接口連接。
[0057]微控制器的微處理器ATmega8單片機通過UART與型號為ProginSR-92的微GPS模塊相連，實現(xiàn)串行通訊。每一秒ATmega8單片機通過這一通訊接口讀取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)這些信息進行如下的導航。
[0058]如圖3，在整個導航過程中，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模塊是否進入有效定位狀態(tài)，若微GPS模塊進入有效定位狀態(tài)，微控制器將從GPS數(shù)據(jù)幀中解析出此時刻的經(jīng)、緯度和速度信息；根據(jù)此時刻機器人鳥所處的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)和目標點的GPS數(shù)據(jù)，計算兩點的平面距離，如果距離小于或等于20米，則說明機器人鳥到達目標點范圍，本次導航結(jié)束；
[0059]否則，將繼續(xù)進行如下判斷，如圖4，若速度不小于I米/秒，則說明機器人鳥處于飛行狀態(tài)；進行空中飛行導航；微控制器根據(jù)此時刻和上一時刻的GPS經(jīng)、緯度數(shù)據(jù)，利用兩點一線的計算方法，得到此時的機器人鳥的實際航向角；同理，根據(jù)此時刻的GPS數(shù)據(jù)和目標點的GPS數(shù)據(jù)，計算出此時的目標航向角；實際航向角減去目標航向角可得到此時航向角偏差；
[0060]若偏差大于或等于80度，則用刺激強度為頻率為100Hz，脈沖寬度為8，每個寬度單位是0.1ms，脈沖的個數(shù)為30個，刺激序列為每秒2個的刺激序列，刺激機器人鳥大腦左側(cè)的DIVA，使機器人鳥向左偏轉(zhuǎn)；若偏差小于或等于負80度，則用如上述同樣的強度刺激機器人鳥大腦右側(cè)的DIVA，使機器人鳥向右偏轉(zhuǎn)；
[0061]若航向角偏差的絕對值小于80度，則根據(jù)上一個航向角偏差計算出此時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行模糊化處理，并得兩個變量的模糊值，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度的模糊值，然后對其進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,脈沖的個數(shù)30個，刺激序列為每秒2個的刺激序列，刺激機器人鳥大腦左側(cè)的DIVA,使機器人鳥向左偏轉(zhuǎn)；若11 < O,則用如上述同樣強度的信號刺激機器人鳥大腦右側(cè)的DIVA，使機器人鳥向右偏轉(zhuǎn)；若U = 0，則控制器不輸出刺激。然后，每隔一秒鐘重復以上過程，直到機器人鳥到達目標點20米的范圍內(nèi)，本次導航結(jié)束；
[0063]如圖3所示，在上述判斷過程中，若機器人鳥的速度小于lm/s時，說明機器人中止了飛行，此時微控制器根據(jù)本次連續(xù)飛行的時間做出如下判斷，若連續(xù)飛行時間大于或等于10分鐘時，讓機器人鳥休息2分鐘；然后，用中等強度，頻率為100Hz，脈沖寬度為4，寬度單位是0.1ms，脈沖的個數(shù)20個，刺激序列為每秒2個的刺激序列的刺激，刺激機器人鳥的古紋狀體，強迫機器人鳥起飛；如果連續(xù)飛行時間小于10分鐘，則微控制器立即發(fā)出刺激強迫機器人鳥起飛。
[0064]在上述導航過程中，所述的模糊控制器的模糊查詢表，設(shè)計過程如下:
[0065]角度偏差E的實際范圍是(-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個語言值{NG(負極大)，NB(負大)，NM(負中)，NS(負小)，Z(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB (正大)，PG(正極大)}，與以上對應的語言值定義為[1，2，3，4，5，6，7，8，9];以上三個變量的隸屬度函數(shù)均采用三角函數(shù)；根據(jù)經(jīng)驗性的控制規(guī)則，并得到基于模糊語言的規(guī)則表，結(jié)合隸屬度和規(guī)則表，得以上規(guī)則所蘊含的模糊關(guān)系R，根據(jù)兩個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]機器人鳥自主導航系統(tǒng)的使用方法為:
[0072](I)通過PC機，將導航目標點的經(jīng)緯度信息寫入微控制器的存儲器中；
[0073](2)將設(shè)置好目標點信息的機器人鳥自主導航系統(tǒng)固定在機器人鳥背上，保持有GPS天線的一面朝上；
[0074](3)將機器人鳥自主導航系統(tǒng)的刺激信號輸出接口的排針連接在機器人鳥頭部的接口上；
[0075](4)將機器人鳥移到一個開闊地帶，以便微GPS模塊獲得有效定位；打開電源，當機器人鳥自主導航系統(tǒng)接收到有效的GPS數(shù)據(jù)，放飛機器人鳥，機器人鳥自主導航系統(tǒng)進入自主導航工作狀態(tài)，無需人工參與。
[0076]具體的，導航過程分析如圖5:
[0077]假設(shè)，A點是導航的起始點，機器人鳥在A點時，微控制器的微處理器通過串口UART讀取微GPS模塊的數(shù)據(jù)。分析處理后，得到A點的經(jīng)、緯度數(shù)據(jù)(Ajdu，Awdu)和該時刻的運動速度Va。如果速度Va大于I米/秒，說明機器人鳥在A點處于飛行狀態(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)，此時機器人鳥飛行至B點。微控制器做同樣的處理，得到對應于B點的一組經(jīng)緯度數(shù)據(jù)(Bjdu，BWdu)和速度Vb。目標點G點的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)(Gjdu，GWdu)已預存于微控制器的微處理器的內(nèi)存中。此時，計算B點距目標點G的平面距離，計算方法如下:
[0078]

【權(quán)利要求】
1.機器人鳥自主導航系統(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)后連接刺激信號輸出接口 ； 微GPS模塊，接收衛(wèi)星信號，并計算出機器人鳥的位置信息，并將信息輸送給微控制器； 微控制器每隔一秒讀取來自微GPS模塊的一幀數(shù)據(jù)，解析得到對應時刻的經(jīng)、緯度和速度信息，這就是機器人鳥在對應時刻的位置和速度信息；根據(jù)這些信息，微控制器算出機器人鳥的實際航向角和目標航向角，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)生一個適宜的刺激強度值；并將該刺激強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)生一個對應于該時刻的刺激序列； 刺激信號輸出接口，微控制器產(chǎn)生相應強度的刺激序列經(jīng)過刺激信號輸出接口輸出到對應的神經(jīng)核團，以調(diào)整機器人鳥的飛行方向，使其回到目標航向上來。
2.機器人鳥自主導航系統(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模塊是否進入有效定位狀態(tài)，若微GPS模塊進入有效定位狀態(tài)，微控制器將從GPS數(shù)據(jù)幀中解析出此時刻的經(jīng)、緯度和速度信息；根據(jù)此時刻機器人鳥所處的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)和目標點的GPS數(shù)據(jù)，計算兩點的平面距離，如果距離小于或等于20米，則說明機器人鳥到達目標點范圍，本次導航結(jié)束； 否則，將繼續(xù)進行如下判斷，若速度不小于I米/秒，則說明機器人鳥處于飛行狀態(tài)；接著，微控制器根據(jù)此時刻和上一時刻的GPS經(jīng)、緯度數(shù)據(jù)，利用兩點一線的計算方法，得到此時的機器人鳥的實際航向角；同理，根據(jù)此時刻的GPS數(shù)據(jù)和目標點的GPS數(shù)據(jù)，計算出此時的目標航向角；實際航向角減去目標航向角可得到此時航向角偏差； 若偏差大于或等于80度，則用刺激強度為頻率為100Hz，脈沖寬度為8，每個寬度單位是0.1ms，脈沖的個數(shù)為30個，刺激序列為每秒2個的刺激序列，刺激機器人鳥大腦左側(cè)的DIVA,使機器人鳥向左偏轉(zhuǎn)；若偏差小于或等于負80度,貝U用如上述同樣的強度刺激機器人鳥大腦右側(cè)的DIVA，使機器人鳥向右偏轉(zhuǎn)； 若航向角偏差的絕對值小于80度，則根據(jù)上一個航向角偏差計算出此時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行模糊化處理，并得兩個變量的模糊值，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度的模糊值，然后對其進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,脈沖的個數(shù)30個，刺激序列為每秒2個的刺激序列，刺激機器人鳥大腦左側(cè)的DIVA，使機器人鳥向左偏轉(zhuǎn)；若U < 0，則用如上述同樣強度的信號刺激機器人鳥大腦右側(cè)的DIVA，使機器人鳥向右偏轉(zhuǎn)= 0，則控制器不輸出刺激。然后，每隔一秒鐘重復以上過程，直到機器人鳥到達目標點20米的范圍內(nèi)，本次導航結(jié)束； 在上述判斷過程中，若機器人鳥的速度小于lm/s時，說明機器人中止了飛行，此時微控制器根據(jù)本次連續(xù)飛行的時間做出如下判斷，若連續(xù)飛行時間大于或等于10分鐘時，讓機器人鳥休息2分鐘；然后，用中等強度，頻率為100Hz，脈沖寬度為4，寬度單位是0.1ms,脈沖的個數(shù)20個，刺激序列為每秒2個的刺激序列的刺激，刺激機器人鳥的古紋狀體，強迫機器人鳥起飛；如果連續(xù)飛行時間小于10分鐘，則微控制器立即發(fā)出刺激強迫機器人鳥起飛。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的機器人鳥自主導航系統(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)計過程如下: 角度偏差E的實際范圍是(-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個語言值{NG(負極大)，NB(負大)，NM(負中)，NS(負小)，Z(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB (正大)，PG(正極大)}，與以上對應的語言值定義為[1，2，3，4，5，6，7，8，9];以上三個變量的隸屬度函數(shù)均采用三角函數(shù)；根據(jù)經(jīng)驗性的控制規(guī)則，并得到基于模糊語言的規(guī)則表，結(jié)合隸屬度和規(guī)則表，得以上規(guī)則所蘊含的模糊關(guān)系R，根據(jù)兩個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】G05D1/10GK104199461SQ201410437283
【公開日】2014年12月10日 申請日期: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, 蘇學成 申請人:山東科技大學