一種模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的六足機(jī)器人自主導(dǎo)航閉環(huán)控制器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種六足機(jī)器人控制器，特別涉及一種模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的六足機(jī)器人自主導(dǎo)航閉環(huán)控制器，屬于機(jī)器人導(dǎo)航控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]機(jī)器人的自主導(dǎo)航是移動(dòng)機(jī)器人研宄領(lǐng)域中的核心技術(shù)之一，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、服務(wù)和醫(yī)療等領(lǐng)域都發(fā)揮了重要作用；傳統(tǒng)的自主導(dǎo)航算法有人工勢(shì)場(chǎng)法、柵格法和自由空間法等，通常要求周圍環(huán)境已知，存在環(huán)境信息難以獲取和路徑優(yōu)化效率低等問題；目前，對(duì)于機(jī)器人自主導(dǎo)航的研宄更多的偏于向智能化方向發(fā)展，已經(jīng)提出了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯控制以及模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的導(dǎo)航算法；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)訓(xùn)練能力，但缺少對(duì)于模糊信息的處理與描述能力；模糊邏輯控制具有邏輯推理能力，但學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力的薄弱限制了其在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的應(yīng)用；采用模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的辦法可以使系統(tǒng)兼具有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)訓(xùn)練能力和模糊控制的模糊推理能力；但目前提出的這些算法采用的是開環(huán)控制方法，相對(duì)于閉環(huán)控制方法來說在機(jī)器人路徑選擇和速度控制方面性能有所欠缺；現(xiàn)有技術(shù)中的機(jī)器人避障會(huì)設(shè)置多個(gè)超聲波傳感器，而超聲波傳感器由于超聲波波束角的存在導(dǎo)致超聲波傳感器不能準(zhǔn)確獲得障礙物的邊界信息；另外機(jī)器人行走的安全性在自主導(dǎo)航系統(tǒng)中是十分關(guān)鍵的，當(dāng)出現(xiàn)機(jī)器人緊貼著障礙物邊緣行走或轉(zhuǎn)角的情況時(shí)，會(huì)導(dǎo)致過近問題的產(chǎn)生，因此機(jī)器人需與障礙物保持一定的安全距離執(zhí)行轉(zhuǎn)向繞行的行為，這個(gè)安全距離的判定取決于機(jī)器人的外形尺寸與行進(jìn)速度這兩個(gè)因素；現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)于安全距離都是單一定義一定距離，造成的路徑冗余問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003](一 )要解決的技術(shù)問題
[0004]為解決上述問題，本發(fā)明提出了一種模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的六足機(jī)器人自主導(dǎo)航閉環(huán)控制器，通過一個(gè)超聲波轉(zhuǎn)動(dòng)采集信息，同時(shí)采用了具有反饋功能的閉環(huán)控制方法，另外通過將安全距離隨著速度的變化實(shí)時(shí)的改變，提高了控制器的靈活性。
[0005]( 二)技術(shù)方案
[0006]本發(fā)明的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的六足機(jī)器人自主導(dǎo)航閉環(huán)控制器，包括六足機(jī)器人，所述六足機(jī)器人由殼體和舵機(jī)構(gòu)成；還包括導(dǎo)航控制系統(tǒng)；及內(nèi)置于導(dǎo)航控制系統(tǒng)的安全距離SD判定模塊、模糊BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)系數(shù)訓(xùn)練與調(diào)整模塊；及設(shè)置于六足機(jī)器人中心處的一探測(cè)舵機(jī)和方位傳感器；及設(shè)置于探測(cè)舵機(jī)上的一超聲波傳感器；所述方位傳感器由電子羅盤與GPS構(gòu)成；所述方位傳感器和超聲波傳感器電連接導(dǎo)航控制系統(tǒng)；所述導(dǎo)航控制系統(tǒng)電連接舵機(jī)的控制端；通過方位傳感器和超聲波傳感器將感知的環(huán)境信息作為輸入提供給導(dǎo)航控制系統(tǒng)，在模糊BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，得到機(jī)器人的行走速度及轉(zhuǎn)向角信息，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制機(jī)器人行走，同時(shí)將舵機(jī)速度和轉(zhuǎn)角反饋回導(dǎo)航控制系統(tǒng)，對(duì)導(dǎo)航控制系統(tǒng)的輸入信息進(jìn)行修正調(diào)整。
[0007]進(jìn)一步地，所述探測(cè)舵機(jī)以固定的30°角轉(zhuǎn)動(dòng)5個(gè)角度。
[0008]進(jìn)一步地，所述安全距離SD判定模塊采集導(dǎo)航控制系統(tǒng)與舵機(jī)的控制端連接端口的數(shù)據(jù)；并將數(shù)據(jù)送至模糊BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊反饋端；所述安全距離SD判定模塊內(nèi)側(cè)預(yù)設(shè)有殼體尺寸數(shù)據(jù)。
[0009]進(jìn)一步地，所述模糊BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)系數(shù)訓(xùn)練與調(diào)整模塊交互。
[0010]有益效果
[0011]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的六足機(jī)器人自主導(dǎo)航閉環(huán)控制器，采用了具有反饋功能的閉環(huán)控制方法，系統(tǒng)輸入的障礙物距離信息由超聲波傳感器扇形掃描得到，避免了波束角的干擾和信號(hào)串?dāng)_問題造成的誤差；通過模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和安全距離SD判定模塊運(yùn)算可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人安全、快速的到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，且無冗余路徑產(chǎn)生。
【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明的閉環(huán)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型示意圖；
[0013]圖2是本發(fā)明的超聲波傳感器探測(cè)角示意圖；
[0014]圖3是本發(fā)明的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練流程示意圖；
[0015]圖4是本發(fā)明的開環(huán)控制系統(tǒng)行走路徑示意圖；
[0016]圖5是本發(fā)明的閉環(huán)控制系統(tǒng)行走路徑示意圖；
[0017]圖6是本發(fā)明的開環(huán)控制系統(tǒng)輸出速度示意圖；
[0018]圖7是本發(fā)明的閉環(huán)控制系統(tǒng)輸出速度示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]實(shí)施例1:
[0020]如圖1所示的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的六足機(jī)器人自主導(dǎo)航閉環(huán)控制器，包括六足機(jī)器人，所述六足機(jī)器人由殼體和舵機(jī)構(gòu)成；還包括導(dǎo)航控制系統(tǒng)；及內(nèi)置于導(dǎo)航控制系統(tǒng)的安全距離SD判定模塊、模糊BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)系數(shù)訓(xùn)練與調(diào)整模塊；及設(shè)置于六足機(jī)器人中心處的一探測(cè)舵機(jī)和方位傳感器；及設(shè)置于探測(cè)舵機(jī)上的一超聲波傳感器；所述方位傳感器由電子羅盤與GPS構(gòu)成；所述方位傳感器和超聲波傳感器電連接導(dǎo)航控制系統(tǒng)；所述導(dǎo)航控制系統(tǒng)電連接舵機(jī)的控制端；本發(fā)明以BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為基本框架，加入了模糊邏輯層和反饋功能層構(gòu)建一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，將輸出的速度與轉(zhuǎn)向角信息反饋回輸入端，并對(duì)輸入信息進(jìn)行修正判定，同時(shí)通過訓(xùn)練樣本的多次訓(xùn)練學(xué)習(xí)調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值系數(shù)，保證了整個(gè)系統(tǒng)的收斂速度和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人安全、快速的自主導(dǎo)航功能；另外，本文引入方位傳感器來探測(cè)目標(biāo)點(diǎn)方位信息，保證機(jī)器人安全避障的同時(shí)得到一個(gè)最優(yōu)行走路徑。
[0021]如圖2所示，所述探測(cè)舵機(jī)以固定的30°角轉(zhuǎn)動(dòng)5個(gè)角度；既解決了由于超聲波傳感器波束角的存在導(dǎo)致超聲波傳感器不能準(zhǔn)確獲得障礙物的邊界信息問題，同時(shí)也能夠節(jié)省超聲波傳感器數(shù)量，通過探測(cè)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，超聲波傳感器能夠以固定30°轉(zhuǎn)動(dòng)共探測(cè)5個(gè)角度的障礙物距離。
[0022]所述安全距離SD判定模塊采集導(dǎo)航控制系統(tǒng)與舵機(jī)的控制端連接端口的數(shù)據(jù)；并將數(shù)據(jù)送至模糊BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊反饋端；所述安全距離SD判定模塊內(nèi)側(cè)預(yù)設(shè)有殼體尺寸數(shù)據(jù)；機(jī)器人需與障礙物保持一定的安全距離執(zhí)行轉(zhuǎn)向繞行的行為，這個(gè)安全距離的判定取決于機(jī)器人的外形尺寸與行進(jìn)速度這兩個(gè)因素；設(shè)六足機(jī)器人在未知環(huán)境中行走速度V的范圍為O?30cm/s，轉(zhuǎn)向角M的范圍為0°?60°角；本發(fā)明安全距離SD判定模塊內(nèi)側(cè)預(yù)設(shè)有殼體尺寸數(shù)據(jù)；因此安全距離SD判定模塊只要實(shí)時(shí)采集舵機(jī)的轉(zhuǎn)向角和行進(jìn)速度；本發(fā)明的安全距離隨著速度的變化實(shí)時(shí)的改變，避免了單一定義安全距離造成的路徑冗余問題，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和靈活性。
[0023]如圖3所示，所述模糊BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)系數(shù)訓(xùn)練與調(diào)整模塊交互；模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練時(shí)，通過方位傳感器和超聲波傳感器將實(shí)際輸出值數(shù)據(jù)送至神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)系數(shù)訓(xùn)練與調(diào)整模塊；通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)系數(shù)訓(xùn)練與調(diào)整模塊實(shí)際輸出值對(duì)期望輸出值計(jì)算得到學(xué)習(xí)誤差，判斷是否達(dá)到收斂誤差值，如沒達(dá)到再根據(jù)BP反向傳播算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，最終得到適當(dāng)?shù)臋?quán)值系數(shù)W。
[0024]實(shí)施例1:
[0025]如圖4至圖7所示，通過建模方式，分別對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的自主導(dǎo)航開環(huán)控制器和本發(fā)明的自主導(dǎo)航閉環(huán)控制器在MATLAB上對(duì)其進(jìn)行了仿真；建立一個(gè)二維坐標(biāo)系系統(tǒng)，模擬六足機(jī)器人上的兩種傳感器來探測(cè)未知環(huán)境中的障礙物和目標(biāo)點(diǎn)信息，然后將這些信息輸入給建立的導(dǎo)航控制系統(tǒng)，輸出相應(yīng)的行進(jìn)速度V和轉(zhuǎn)角M控制機(jī)器人行走；分別對(duì)開環(huán)和閉環(huán)導(dǎo)航控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，得到在開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)中機(jī)器人都可以安全地繞行障礙物到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，為了更好的表現(xiàn)機(jī)器人的行走狀態(tài)，本文用小圓點(diǎn)表示機(jī)器人，并記錄了機(jī)器人每秒鐘的位置信息；小圓點(diǎn)組成的曲線代表機(jī)器人行走路徑，相鄰小圓點(diǎn)間的距離代表速度值，距離越大代表速度越高，距離越小代表速度越低；機(jī)器人起始點(diǎn)A設(shè)為(0，0)，目標(biāo)點(diǎn)B為(500，500)，行進(jìn)速度范圍為O?30cm/s ;從圖中可以看出開環(huán)系統(tǒng)中機(jī)器人的行走時(shí)遇到障礙物繞行較遠(yuǎn)，行走路徑相對(duì)于閉環(huán)系統(tǒng)來說有冗余；同時(shí)從仿真中機(jī)器人從起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的實(shí)時(shí)速度值、平均速度值和時(shí)間，可以看出機(jī)器人在閉環(huán)導(dǎo)航控制系統(tǒng)中行進(jìn)時(shí)間為34s，相對(duì)于開環(huán)導(dǎo)航控制系統(tǒng)中的44s減少了 22.7%;同時(shí)機(jī)器人在閉環(huán)系統(tǒng)中的平均速度為24.6158cm/s，相對(duì)于開環(huán)系統(tǒng)中的21.8044cm/s提高了 12.9%。
[0026]由于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯控制方式在現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)有了足夠的研宄，其算法也比較完善，而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊邏輯控制具有許多相同的特性，它們可單獨(dú)或組合起來對(duì)某過程實(shí)行控制；本發(fā)明以BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為基本框架，加入了模糊邏輯層和反饋功能層構(gòu)建一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，模糊邏輯層能夠與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)很好地組合起來對(duì)某過程實(shí)行控制；在此不再贅述。
[0027]上面所述的實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本發(fā)明的構(gòu)思和范圍進(jìn)行限定。在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)構(gòu)思的前提下，本領(lǐng)域普通人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做出的各種變型和改進(jìn)，均應(yīng)落入到本發(fā)明的保護(hù)范圍，本發(fā)明請(qǐng)求保護(hù)的技術(shù)內(nèi)容，已經(jīng)全部記載在權(quán)利要求書中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的六足機(jī)器人自主導(dǎo)航閉環(huán)控制器，包括六足機(jī)器人，所述六足機(jī)器人由殼體和舵機(jī)構(gòu)成；其特征在于:還包括導(dǎo)航控制系統(tǒng)；及內(nèi)置于導(dǎo)航控制系統(tǒng)的安全距離SD判定模塊、模糊BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)系數(shù)訓(xùn)練與調(diào)整模塊；及設(shè)置于六足機(jī)器人中心處的一探測(cè)舵機(jī)和方位傳感器；及設(shè)置于探測(cè)舵機(jī)上的一超聲波傳感器；所述方位傳感器由電子羅盤與GPS構(gòu)成；所述方位傳感器和超聲波傳感器電連接導(dǎo)航控制系統(tǒng)；所述導(dǎo)航控制系統(tǒng)電連接舵機(jī)的控制端。2.根據(jù)權(quán)利要求1所示的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的六足機(jī)器人自主導(dǎo)航閉環(huán)控制器，其特征在于:所述探測(cè)舵機(jī)以固定的30°角轉(zhuǎn)動(dòng)5個(gè)角度。3.根據(jù)權(quán)利要求1所示的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的六足機(jī)器人自主導(dǎo)航閉環(huán)控制器，其特征在于:所述安全距離SD判定模塊采集導(dǎo)航控制系統(tǒng)與舵機(jī)的控制端連接端口的數(shù)據(jù)；并將數(shù)據(jù)送至模糊BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊反饋端；所述安全距離SD判定模塊內(nèi)側(cè)預(yù)設(shè)有殼體尺寸數(shù)據(jù)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所示的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的六足機(jī)器人自主導(dǎo)航閉環(huán)控制器，其特征在于:所述模糊BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)系數(shù)訓(xùn)練與調(diào)整模塊交互。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的六足機(jī)器人自主導(dǎo)航閉環(huán)控制器；包括六足機(jī)器人，所述六足機(jī)器人由殼體和舵機(jī)構(gòu)成；還包括導(dǎo)航控制系統(tǒng)；及內(nèi)置于導(dǎo)航控制系統(tǒng)的安全距離SD判定模塊、模糊BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)系數(shù)訓(xùn)練與調(diào)整模塊；及設(shè)置于六足機(jī)器人中心處的一探測(cè)舵機(jī)和方位傳感器；及設(shè)置于探測(cè)舵機(jī)上的一超聲波傳感器。本發(fā)明的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的六足機(jī)器人自主導(dǎo)航閉環(huán)控制器，采用了具有反饋功能的閉環(huán)控制方法，系統(tǒng)輸入的障礙物距離信息由超聲波傳感器扇形掃描得到，避免了波束角的干擾和信號(hào)串?dāng)_問題造成的誤差；通過模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和安全距離SD判定模塊運(yùn)算可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人安全、快速的到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，且無冗余路徑產(chǎn)生。
【IPC分類】G05D1/02
【公開號(hào)】CN104914867
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510335446
【發(fā)明人】杜巧玲, 李雙紅, 張穎, 韓博宇
【申請(qǐng)人】吉林大學(xué)
【公開日】2015年9月16日
【申請(qǐng)日】2015年6月12日