CN107422352A - 一种动物机器人自主导航系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动物机器人自主导航系统及方法，系统包括设置于被控动物身上的GPS模块、多通道神经信号刺激模块和控制模块，GPS模块，被配置为接收GPS卫星信号，并将动物机器人当前的位置信息输出到控制模块；控制模块，被配置为接收GPS模块的当前位置信息，并与设定的目标位置信息相对比，确定导航线路，形成控制指令，多通道神经信号刺激模块，被配置为包括镜像电流源、升压电路和模拟多路开关，通过连接的镜像电流源、升压电路以获取恒定电流，根据控制指令选择模拟多路开关的相应通道输出恒定电流作用于被控动物的神经控制区域，以实现仿真神经编码信息的输出，实现导航。

Description

一种动物机器人自主导航系统及方法

技术领域

本发明涉及一种动物机器人自主导航系统及方法。

背景技术

动物机器人是指利用动物体的运动机能和动力供应体制，从动物的感受或者神经支配入手，将运动功能和现代电子技术、传感技术、网络控制等技术结合来实现对动物运动的人为控制。为了能够实现动物机器人的实用化，自动控制器的设计尤为关键。

现在国内各大高校实验室对动物机器人的控制主要通过无线遥控设备发送相关指令，例如：CN 101127152 A专利公开了一种动物机器人无线遥控装置，利用GPS进行定位和通过GPRS技术传输数据，操控人员通过电脑显示当前的位置，与预定航线比较后发送指令给遥控装置控制动物机器人的运动路线，由于控制命令是需要人工判断然后通过GPRS传送信息实现的，这就造成一定的延时，不能准确的控制动物的运动轨迹。浙江大学开发的一种动物机器人的语音导航系统(CN 103593048A)，操控人员发送的语音指令通过电脑分析后，由无线发射器发送到微刺激器进行控制，这个方法人机交互比较好，但该方法不能进行远距离控制。2013年南京航空航天大学使用3G通信方式控制鸽子飞行，前提是在3G网络覆盖的地方才可以控制，像一些偏远山区、森林以及地震过后进行抢险工作的环境下都是没有3G信号的，而且这种远程控制方式不能准确定位，难以实现动物实时准确的导航控制。

目前动物机器人遥控方式还有使用蓝牙、ZigBee、射频方式和无线数据广播系统等技术。而这些通信技术控制范围有限(<500米)，且可靠性也不高，在发出命令后，容易丢失，还容易受到障碍物的影响。因此，这些通信方式的控制范围一般局限于实验室中，难以实现商业应用。

综上所述，为了实现远程自主导航，解决定位不准确、人工导航遥控距离短和活动范围小的问题，本发明设计了一种小型的动物机器人自主导航系统，能够实现远程超视距实时导航、准确定位和扩大活动范围的功能。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种动物机器人自主导航系统及方法，本发明能够解决现有技术中存在的定位不准确、人工导航遥控距离短和活动范围小的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种动物机器人自主导航系统，包括设置于被控动物身上的GPS模块、多通道神经信号刺激模块和控制模块，其中：

所述GPS模块，被配置为接收GPS卫星信号，并将动物机器人当前的位置信息输出到控制模块；

所述控制模块，被配置为接收GPS模块的当前位置信息，并与设定的目标位置信息相对比，确定导航线路，形成控制指令，传输给多通道神经信号刺激模块；

所述多通道神经信号刺激模块，被配置为包括镜像电流源、升压电路和模拟多路开关，通过连接的镜像电流源、升压电路以获取恒定电流，根据控制指令选择模拟多路开关的相应通道输出恒定电流作用于被控动物的神经控制区域，以实现仿真神经编码信息的输出，实现导航。

进一步的，所述GPS模块通过陶瓷天线将接收到的GPS卫星信号转换为NMEA-0183协议的数据格式，并经过串口UART将位置和运动状态信息输出到控制模块。

进一步的，所述镜像电流源包括两个威尔逊电流源和控制器，所述第一威尔逊电流源的输入端为基准电流源，控制器连接并调节第一威尔逊电流源和第二威尔逊电流源，进而调节脉冲的幅值，第二威尔逊电流源以第一威尔逊电流源的输出作为基准电流，其输出电流值与基准电流源的输入值一致。

进一步的，所述第二威尔逊电流源的输入端连接有电容，以防止输入电源电路的波动对恒流源电路造成影响。

进一步的，所述第二威尔逊电流源与第一威尔逊电流源之间设置有电阻，以分担部分压降，保护威尔逊电流源中的三极管，使三极管工作在合适的电压区间。

基于上述系统的导航方法，包括以下步骤：

(1)在被控动物机器人身上设置自主导航系统，设定好目标位置信息后启动，设定各IO口的初始状态，打开中断允许；

(2)对GPS初始化，对卫星的捕获、跟踪和电文获取，以获取动物机器人准确的位置信息，并将进行传输给控制模块；

(3)对GPS提供的目标位置信息与指定路径进行比较，并控制多通道神经信号刺激模块向动物发送模拟信息，使动物机器人沿指定的航线运动；

(4)当动物机器人到达目标位置后，输出停止刺激信号。

所述步骤(3)中，控制模块建立以当前位置信息为坐标原点，目标位置为终点的直角坐标系，确定导航线路，生成控制指令。

所述步骤(3)中，根据目标位置所在的象限，依据逐点比较直线插补原理确定导航路线。

所述步骤(3)中，利用控制模块发送的控制指令，生成相应的多通道神经信号，模拟多路开关发送适宜的恒流脉冲，刺激被控动物机器人两侧的古纹状体后部强迫动物机器人运动。

所述步骤(4)中，在飞行过程中判断当前位置和目标位置距离是否在一定范围内，如果是，则说明已到达终点，停止刺激，发送控制命令刺激动物相应核团，控制动物停止运动；如果不是重复这一过程继续导航直至到达目标位置。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明采用镜像电流源实现了带负载能力强的恒流脉冲刺激，可以有效地刺激动物核团控制其运动行为；

(2)本发明实现了自主控制动物机器人，可以实现动物机器人沿指定路线自主运动，不需要操控人员发送指令实现，实现超视距导航；

(3)本发明进一步发展了动物机器人的功能，扩大了动物机器人可控运动范围，为动物机器人早日实现商业应用奠定了基础。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明装置系统框图。

图2是本发明系统整体电路图。

图3是本发明装置升降压电路的框图。

图4是本发明系统整体流程图。

图5是本发明直线插补原理的示意图。

图6是本发明输出恒流脉冲的流程图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在动物机器人遥控方式控制范围有限(<500米)，且可靠性也不高，在发出命令后，容易丢失，还容易受到障碍物的影响不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种动物机器人自主导航系统及方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，是一种小型的动物机器人自主导航系统的微控制器框图。它包括GPS模块、多通道神经信号刺激模块和控制模块。控制模块分别连接GPS模块、多通道神经信号刺激模块。多通道神经信号刺激模块由镜像电流源、模拟多路开关和升降压电路构成。

如图2所示，是一种小型的动物机器人自主导航系统的微控制器电路原理图，其中，GPS模块1选用的主芯片是U-BLOX G7020，封装尺寸为16.0*18.0*5.0mm，通过陶瓷天线将接收到的GPS卫星信号转换为NMEA-0183协议的数据格式，并经过串口UART将位置和运动状态信息输出到控制模块。

其中，镜像电流源2主要由两个威尔逊电流源组成，+25V电源由升压电路提供，用于提高单片机输出电流的带负载能力，为微控制器提供恒定电流。U2和U6左侧的三极管组成第一个镜像电流源，左侧输入IDA0为镜像电流源的基准电流，通过单片机调节IDA0输出的大小，进而调节脉冲的幅值。U7和U6右侧的三极管组成第二个镜像电流源，以第一个镜像电流源的输出作为基准电流，经过两个镜像电流源后，V0输出的电流等于IDA0的电流。电路中电阻的作用为分担部分压降，保护三极管，使三极管工作在合适的电压区间。电路中电容的作用为：C7作用是防止+25V输入电源电路的波动对恒流源电路造成影响；C9作用是消除切换负载时产生的波动对恒流源电路造成的影响。

其中，模拟多路开关3选用MAX309，由两片MAX309的配合与单片机数字输出端口相连，实现正负脉冲的输出和通道的选择。两个芯片都采用单电源供电，U5的输入由恒流源电路的输出V0提供，U3的输入由U5的输出RL+和RL-提供。为了防止多余通道对电路造成干扰，将多余通道全部接地，同时串联51K电阻对其形成保护；加入电容C104，去除25V电源的波动对电路的干扰。

其中，控制模块4的主控芯片采用C8051F330单片机，这是一款完全集成的混合信号系统级芯片，时钟信号采用内部振荡器，频率为24.5MHz。C8051F330内部有一个电流模式数/模转换器(IDA0),可以输出0-2mA的电流，为镜像电流源提供基准电流。C8051F330单片机负责控制其他模块的工作状态，并接收GPS模块提供的当前位置信息(经度、纬度)和运动状态信息，经程序处理后由多通道神经信号刺激模块产生恒流脉冲信号控制动物的运动轨迹。

如图3所示，是升、降压电路的框图，用于为微控制器提供电源，此电路主要由两个升降压芯片构成，采用3.7V聚合物锂电池供电。一个升压芯片LT3473升至+25V，为多通道神经信号控制模块供电；另外一个降压芯片LTC3441降至3.3V，为控制模块和GPS模块供电。

本发明工作原理及过程：

首先将微控制器安装于动物身上，设定好目标位置信息后启动所述装置。整体流程图如图4所示：

1.GPS模块通过陶瓷天线接收卫星信号，并经过内部的数据处理电路生成标准的NMEA-0183格式数据，以1Hz的更新频率通过串口UART(RXD,TXD)传送给控制芯片C8051F330，并引起C8051F330的串口接收中断。在串口接收中断服务程序中，C8051F330完成数据接收并缓存到内部的RAM中，整理出位置、海拔和运动姿态的信息。

2.控制模块在主程序中建立以当前位置信息为坐标原点，目标位置为终点的直角坐标系，根据目标位置所在的象限来确定具体的导航算法，自主导航算法主要依据逐点比较直线插补原理，如图5所示。以第一象限为例，假设目标位置坐标为A(Xe,Ye)，当前位置坐标为m(Xm,Ym)，定义偏差公式为Fm＝YmXe-XmYe。若Fm＝0，表明当前位置m在OA直线段上；若Fm>0，表明当前位置m在OA直线段上方；若Fm<0,表明当前位置m在OA直线段下方。

以控制鸽子作为本发明的一个实例来具体说明这一原理，鸽子从坐标原点出发，如图6配置参数，输出适宜的恒流脉冲来刺激古纹状体后部的适宜位点，以强迫鸽子起飞。在主程序中实时判断Fm的大小，当Fm＝0时，不发送刺激命令；当Fm>0时，如图6配置参数，输出适宜的恒流脉冲来刺激动物左侧DIVA相应位点，以控制动物沿+x轴(右)方向飞行；当Fm<0时，如图6配置参数，输出适宜的恒流脉冲来刺激动物右侧DIVA相应位点，以控制动物沿+y轴(左)方向飞行。在飞行过程中判断当前位置和目标位置距离是否在一定范围内，如果是说明已到达终点，停止刺激，发送控制命令刺激动物相应核团，控制动物停止运动；如果不是重复这一过程继续导航直至到达目标位置。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种动物机器人自主导航系统，其特征是：包括设置于被控动物身上的GPS模块、多通道神经信号刺激模块和控制模块，其中：

所述GPS模块，被配置为接收GPS卫星信号，并将动物机器人当前的位置信息输出到控制模块；

所述控制模块，被配置为接收GPS模块的当前位置信息，并与设定的目标位置信息相对比，确定导航线路，形成控制指令，传输给多通道神经信号刺激模块；

所述多通道神经信号刺激模块，被配置为包括镜像电流源、升压电路和模拟多路开关，通过连接的镜像电流源、升压电路以获取恒定电流，根据控制指令选择模拟多路开关的相应通道输出恒定电流作用于被控动物的神经控制区域，以实现仿真神经编码信息的输出，实现导航。

2.如权利要求1所述的一种动物机器人自主导航系统，其特征是：所述GPS模块通过陶瓷天线将接收到的GPS卫星信号转换为NMEA-0183协议的数据格式，并经过串口UART将位置和运动状态信息输出到控制模块。

3.如权利要求1所述的一种动物机器人自主导航系统，其特征是：所述镜像电流源包括两个威尔逊电流源和控制器，所述第一威尔逊电流源的输入端为基准电流源，控制器连接并调节第一威尔逊电流源和第二威尔逊电流源，进而调节脉冲的幅值，第二威尔逊电流源以第一威尔逊电流源的输出作为基准电流，其输出电流值与基准电流源的输入值一致。

4.如权利要求3所述的一种动物机器人自主导航系统，其特征是：所述第二威尔逊电流源的输入端连接有电容，以防止输入电源电路的波动对恒流源电路造成影响。

5.如权利要求3所述的一种动物机器人自主导航系统，其特征是：所述第二威尔逊电流源与第一威尔逊电流源之间设置有电阻，以分担部分压降，保护威尔逊电流源中的三极管，使三极管工作在合适的电压区间。

6.基于如权利要求1-5中任一所述的系统的导航方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)在被控动物机器人身上设置自主导航系统，设定好目标位置信息后启动，设定各IO口的初始状态，打开中断允许；

(2)对GPS初始化，对卫星的捕获、跟踪和电文获取，以获取动物机器人准确的位置信息，并将进行传输给控制模块；

(3)对GPS提供的目标位置信息与指定路径进行比较，并控制多通道神经信号刺激模块向动物发送模拟信息，使动物机器人沿指定的航线运动；

(4)当动物机器人到达目标位置后，输出停止刺激信号。

7.如权利要求6所述的导航方法，其特征是：所述步骤(3)中，控制模块建立以当前位置信息为坐标原点，目标位置为终点的直角坐标系，确定导航线路，生成控制指令。

8.如权利要求6所述的导航方法，其特征是：所述步骤(3)中，根据目标位置所在的象限，依据逐点比较直线插补原理确定导航路线。

9.如权利要求6所述的导航方法，其特征是：所述步骤(3)中，利用控制模块发送的控制指令，生成相应的多通道神经信号，模拟多路开关发送适宜的恒流脉冲，刺激被控动物机器人两侧的古纹状体后部强迫动物机器人运动。

10.如权利要求6所述的导航方法，其特征是：所述步骤(4)中，在飞行过程中判断当前位置和目标位置距离是否在一定范围内，如果是，则说明已到达终点，停止刺激，发送控制命令刺激动物相应核团，控制动物停止运动；如果不是重复这一过程继续导航直至到达目标位置。