一種三輪全向移動底盤小車定位系統及方法

本發明涉及三輪全向移動底盤小車，具體涉及一種三輪全向移動底盤小車定位系統及方法。

背景技術：

1、對于智能小車來說，一般通過其自身攜帶的里程計、陀螺儀、攝像機、激光雷達等傳感器進行狀態及環境感知來獲得自身在工作環境中的位置信息，即定位問題。與之對應，根據其運動規則，其定位技術可分成相對和絕對定位兩種。相對定位一般也稱為航跡推算法，即根據機器人自身與目的地的相對位置，來不斷調整其自身的速度和方向。而絕對定位采用導航信標、主動或被動標識、地圖匹配或衛星導航技術(gps)進行定位。

2、三輪全向底盤是由三個獨立的全向輪驅動單元呈等邊三角形排布在底盤上，每個輪系單元產生的速度方向互呈60度。這樣的底盤能夠實現360°全方向移動和旋轉，其中全方向移動可以分解成平面二維方向上的速度矢量，所有的運動狀態都可以看成這幾種運動模式的復合狀態。

3、對于三輪全向底盤智能車來說，迄今暫時沒有通用的室內定位系統被廣泛采納。航跡推算定位是目前最簡單、最方便的定位算法，其應用領域非常廣泛，基于其傳感器種類可分為慣性式和編碼式兩種。其優缺點也十分鮮明，無須參照任何外界條件，但必須知道初始位置，且誤差將隨時間的增加而慢慢積累起來。gps定位由于其精度較高，適用范圍大等優勢被應用至室外導航領域。但對于活動范圍較小，精度要求高等室內場景時，該方式明顯不合適的。

技術實現思路

1、針對背景技術中的問題，本發明結合多傳感器的信息融合技術，在全向移動底盤三個輪子的上方分別安裝3個超聲波和3個紅外傳感器獲取障礙物信息，利用模糊定位算法計算該移動裝置與目標位置的距離，使智能車對環境信息的檢測更加準確，更適合在活動范圍較小、情況復雜的環境中靈活作業。

2、為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

3、一種三輪全向移動底盤小車定位系統，包括三輪全向移動小車系統和模糊定位系統；

4、所述三輪全向移動小車系統包括三輪全向底盤、超聲波傳感器、紅外傳感器、電機驅動模塊，所述三輪全向移動底盤的左、前、右三個方向分別安裝超聲波傳感器和紅外傳感器，每個方向的超聲波傳感器和紅外傳感器組成測距組；所述電機驅動模塊用于驅動三個輪子；

5、所述模糊定位系統包括信息采集電路、模糊控制器、編碼器，所述信息采集電路用于采集測距組信息，所述編碼器用于測量三個輪子的轉速，提供速度反饋信號，所述模糊控制器與信息采集電路和編碼器連接，用于數據采集處理，所述模糊控制器與電機驅動模塊連接，用于輸出各輪子速度來實現避障。

6、優選地，所述控制器為單片機控制。

7、優選地，所述編碼器為光電編碼器。

8、一種三輪全向移動底盤小車定位方法，具體包括以下步驟:

9、1、信息采集

10、底盤左、前、右三個方向的超聲波傳感器和紅外傳感器分別組成底盤左方障礙物測距組、前方障礙物測距組和右方障礙物測距組，每組的距離信息中選較小的數據作為該組的輸入；

11、2、采用模糊控制算法對超聲波和紅外傳感器采集的環境信息進行處理，模糊控制器將三個方向障礙物信息以及目標與移動臺之間的位置關系進行模糊化處理；

12、3、根據經驗規則模糊推理并解模糊輸出全向移動小車人各輪速度以實現避障，使三輪全向移動平臺對環境信息的測試更加準確，能在復雜的環境中靈活作業。

13、優選地，所述步驟2模糊化處理過程為：

14、(1)將模糊控制器的輸入變量設為4個：障礙物左邊距離值ld、前方距離值fd、右邊距離值rd以及目標點相對于小車的角度θ；控制器的輸出變量設為2個：底盤幾何中心的水平速度vx和垂直速度vy；

15、(2)通過模糊語言將3組傳感器檢測環境信息以及目標角度轉換為模糊控制器的輸入變量：

16、障礙物左邊距離值ld、前方距離值fd、右邊距離值rd的模糊語言變量都為{sd，md，bd}＝{small?distance，middle?distance，big?distance}，定義三輪全向移動小車距離障礙物的安全距離；目標點相對于小車的角度θ的模糊語言變量為{l，f，r}＝{left，front，right}，論域為[-90，90]，表示±90°；定義目標角度在±30°以內時為f，小于-30°時為l，大于30°時為r；底盤的水平速度vx和垂直速度vy的模糊語言變量都為{nb，ns，zo，ps，pb}＝{negative?big，negative?small，zero，positive?small，positive?big}，論域為[-0.5，0.5]，表示±0.5m/s；定義水平速度向左為正向，垂直速度向前為正向。

17、優選地，所述步驟3模糊推理用mamdani的max-min合成法，采用if-then條件語言，組成n＝3×3×3×3＝81條模糊控制規則，在三輪全向移動底盤小車工作時，由紅外和超聲波傳感器采集環境信息數據，經模糊處理后，輸入到設計好的模糊規則表中進行匹配判斷，然后根據判斷結果去模糊化輸出底盤水平速度和垂直速度；之后用最大隸屬度平均值法作為非模糊化處理方法得到三輪底盤的水平速度和垂直速度。

18、優選地，所述模糊控制規則為：

19、(1)if(ld?is?sd)and(fd?is?fd)and(rd?is?fd)and(θis?l)then(vx?is?ns)and(vy?is?pb)；

20、(2)if(fd?is?sd)and(ld?is?fd)and(rd?is?fd)and(θis?l)then(vx?is?ns)and(vy?is?zo)；

21、(3)if(rd?is?sd)and(fd?is?fd)and(ld?is?fd)and(θis?l)then(vx?is?ns)and(vy?is?pb)；

22、(4)......。

23、相對于現有技術，本發明具有如下有益效果：

24、1、三輪全向移動底盤小車適合復雜多變的環境，有時候是不確定的模糊環境，要應對這樣的環境，單一的傳感器顯然有點捉襟見肘，所獲取的信息不那么可靠與準確，難以確切的反映其周圍環境的準確信息，本發明采用多個不同傳感器來檢測障礙物，結合多傳感器的信息融合技術，在硬件移動平臺底盤的左、前、右三個方向分別安裝超聲波傳感器和紅外傳感器獲取未知環境的障礙物距離信息，利用模糊定位算法計算該移動裝置與目標位置的距離。使智能車對環境信息的探究更加準確，更適合在活動范圍較小、情況復雜的環境中靈活作業。

25、2、該定位方法依據相關控制經驗或相關知識，不需要建立被控對象的精確的數學模型，因而使得控制機理和策略易于接受與理解，設計簡單，便于應用。適用那些數學模型難以獲取，動態特性不易掌握或變化非常顯著的對象。

技術特征：

1.一種三輪全向移動底盤小車定位系統，其特征在于：包括三輪全向移動小車系統和模糊定位系統；

2.如權利要求1所述的一種三輪全向移動底盤小車定位系統，其特征在于：所述控制器為單片機控制。

3.如權利要求1所述的一種三輪全向移動底盤小車定位系統，其特征在于：所述編碼器為光電編碼器。

4.一種三輪全向移動底盤小車定位方法，其特征在于：具體包括以下步驟:

5.如權利要求1所述的一種三輪全向移動底盤小車定位方法，其特征在于：所述步驟(2)模糊化處理過程為：

6.如權利要求5所述的一種三輪全向移動底盤小車定位方法，其特征在于：所述步驟(3)模糊推理用mamdani的max-min合成法，采用if-then條件語言，組成n＝3×3×3×3＝81條模糊控制規則，在三輪全向移動底盤小車工作時，由紅外和超聲波傳感器采集環境信息數據，經模糊處理后，輸入到設計好的模糊規則表中進行匹配判斷，然后根據判斷結果去模糊化輸出底盤水平速度和垂直速度；之后用最大隸屬度平均值法作為非模糊化處理方法得到三輪底盤的水平速度和垂直速度。

7.如權利要求6所述的一種三輪全向移動底盤小車定位方法，其特征在于：所述模糊控制規則為：

技術總結
本發明涉及涉及三輪全向移動底盤小車技術領域，具體涉及一種三輪全向移動底盤小車定位系統及方法。本發明采用多個不同傳感器來檢測障礙物，結合多傳感器的信息融合技術，在硬件移動平臺底盤的左、前、右三個方向分別安裝超聲波傳感器和紅外傳感器獲取未知環境的障礙物距離信息，利用模糊定位算法計算該移動裝置與目標位置的距離，使智能車對環境信息的探究更加準確，更適合在活動范圍較小、情況復雜的環境中靈活作業。該定位方法依據相關控制經驗或相關知識，不需要建立被控對象的精確的數學模型，因而使得控制機理和策略易于接受與理解，設計簡單，便于應用，適用那些數學模型難以獲取，動態特性不易掌握或變化非常顯著的對象。

技術研發人員：曹億,王麗華,文雁宇,張波
受保護的技術使用者：南京工業大學
技術研發日：
技術公布日：2024/1/13