CN113311826A - 一种基于环形红外阵列的自动跟随系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于环形红外阵列的自动跟随系统及其工作方法，该自动跟随系统包括跟随用移动机器人，所述移动机器人包括驱动轮、嵌入式硬件主控制器，所述主控制器包括主控芯片；还包括基于环形红外阵列的测距模块、移动机器人的目标定位和通讯模块、基于PI D反馈控制的机器人运动跟随模块三个模块；其中，所述基于环形红外阵列的测距模块主要包括多个红外测距传感器及设置在嵌入式硬件主控制器中的数据采集电路；多个所述红外测距传感器呈环形阵列设置；本发明利用距离罗盘设计自动跟随系统，通过传感器测得的目标相对距离以及偏航角，利用PID控制器使得跟随用移动机器人与目标机器人间保持设定的相对距离和相对角度。

Description

一种基于环形红外阵列的自动跟随系统及其工作方法

技术领域

本发明属于仿生技术领域，具体涉及一种基于环形红外阵列的自动跟随系统及其工作方法。

背景技术

目前，智能机器人等领域常使用视觉定位进行定位、路径规划或目标跟踪，视觉定位可以在很多复杂环境中识别目标，识别精度高，但是通过图像处理技术进行导航需要处理器将采集到大量的数据进行分析比对，对微型控制器的处理速度有较高的要求。

现有技术中，视觉定位主要利用相机、激光雷达、惯导等传感设备作为环境感知传感器，进行环境感知实现对目标的定位与跟随，然而综合运用此类硬件设备到智能车上成本十分高昂，远超出了原改装车自身的价格，这对于智能车的普及带来了十分大的阻碍。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于环形红外阵列的自动跟随系统及其工作方法，以解决背景技术中所提出的缺陷或问题。

为实现上述发明目的，本发明的实施例提供一种基于环形红外阵列的自动跟随系统，包括跟随用移动机器人，所述移动机器人包括驱动轮、嵌入式硬件主控制器，所述主控制器包括主控芯片；其特征在于，还包括基于环形红外阵列的测距模块、移动机器人的目标定位和通讯模块、基于P I D反馈控制的机器人运动跟随模块三个模块；

其中，所述基于环形红外阵列的测距模块主要包括多个红外测距传感器及设置在嵌入式硬件主控制器中的数据采集电路；多个所述红外测距传感器呈环形阵列设置；每一所述红外测距传感器包括红外发射器及红外接收器，多个所述红外发射器用于从多个角度对障碍物发射红外光束，多个所述红外接收器用于接受从障碍物上反射回来的红外光束，所述数据采集电路用于将红外测距传感器所监测到的数据信号传输给嵌入式硬件主控制器；

所述移动机器人的目标定位和通讯模块主要包括设置在嵌入式硬件主控制器中的数据处理模块和无线通讯模块；所述数据处理模块用于对数据采集电路所传入的数据进行分析处理；所述无线通讯模块用于将多个红外测距传感器采集到的数据传输给上位机；

所述基于P I D反馈控制的机器人运动跟随模块，包括设置在嵌入式硬件主控制器中的运动控制单元和设置在移动机器人下方的控制电机组；所述运动控制单元根据嵌入式硬件主控制器所发出控制信号来控制电机组的启停、转动方向及转动速度，所述控制电机组带动移动移动机器人的驱动轮行进。

进一步的，所述数据采集电路包括放大滤波电路、模数转换电路；所述红外测距传感器在实现对障碍物距离的测量后产生的电信号进入嵌入硬件的数据采集电路，该电信号经放大滤波电路放大滤波后进入嵌入式硬件中的模数转换通道，再通过模数转换后计算出障碍的距离数据从而实现对障碍物距离的测量。

进一步的，多个所述红外测距传感器按环形阵列排布安装在移动机器人顶部并组成一个大视场环形距离罗盘，用于获取全方位距离信息。

进一步的，所述无线通讯模块将上位机、主控芯片组成分布式测控系统，利用其可组成星型、树型和蜂窝型网状网络结构的特点，来处理和储存所测数据，以便后续的数据分析。

进一步的，所述上位机设置为电脑计算机，所述上位机可实现对数据可视化分析。

进一步的，所述红外测距传感器的个数为16个，16个所述红外测距传感器环状均布在距离罗盘上。

本发明的实施例还提供一种基于环形红外阵列的自动跟随系统的工作方法，其特征在于，包括以下过程：

S1、环形阵列排布的多个红外测距传感器获取全方位距离信息，每一红外测距传感器在实现对障碍物距离的测量后产生的电信号进入嵌入式硬件中的数据采集电路，电信号经放大滤波后进入嵌入式硬件中的模数转换通道，再通过数模转换后计算出障碍的距离数据从而实现对障碍物距离的测量；

S2、基于环形红外阵列的测距模块在获取全方位距离信息后，数据采集处理模块将其坐标系定义为“主体坐标系”，以初始时刻的主体坐标系作为每次路径规划的“全局坐标系”，最终获得目标机器人在跟随用移动机器人极坐标视野下的坐标，以此完成目标机器人的定位；上位机、主控芯片之间通信的无线通讯模块，可实现设备间的数据传输；

S3、当跟随用移动机器人周围检测范围内存在目标机器人时，其对应方向上红外测距传感器的距离信号将小于其余红外测距传感器信号；将环形阵列红外测距传感器中距离最小值作为目标定位结果，并利用测量得到的空间位置关系控制车体两侧的差动驱动轮，主控制器通过运动控制单元对控制电机组进行驱动，以实现移动机器人的前进、后退、转弯、旋转运动，使移动机器人与目标机器人保持设定的距离与偏航角。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

(1)本发明的基于环形红外阵列的移动机器人的自动跟随系统，将数个主动式红外测距传感器组成具有周向阵列的距离罗盘，探测周围360°视角范围以及10-60厘米的视距范围内的未知环境；利用此距离罗盘设计自动跟随系统，通过传感器测得的目标相对距离以及偏航角，以提高处理速度、降低响应时间，并利用单个红外测距传感器来模拟小眼，具有体积小，成本低的优点；利用PI D控制器使得跟随用移动机器人与目标机器人间保持设定的相对距离和相对角度，跟随机器人采用PID原理的控制律作为控制方式适应性强、控制简单，能够实现快速控制，去除微分环节降低饱提升控制实时性。

(2)本发明采用环形红外阵列，将同构传感器均匀间隔周向排列在距离罗盘上，降低传感器之间的干扰，并实现无死角的视野使机器人检测周围360范围内的环境信息。

(3)本发明的实施例通过实验验证该装置可有效定位目标，满足作为环境感知传感器对目标快速二维定位的设计要求，跟随用移动机器人实现了对目标机器人的跟随任务，证实了该控制系统的可行性。

附图说明

图1为本发明中实施例的系统结构框图；

图2为本发明的实施例中跟随用移动机器人模型图；

图3为本发明的实施例中红外测距采集电路的电路框图；

图4为本发明的实施例中传感器标定结果图；

图5为本发明的实施例中自动跟随模型图；

图6为本发明的实施例中系统控制原理图；

图7为本发明的实施例中上位机程序界面图；

图8为本发明的实施例中自动跟随机器人硬件平台图；

图9为本发明的实施例中轨迹跟随结果图。

附图标记说明：1、移动机器人；2、驱动轮；3、主控制器；4、距离罗盘。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“前”、“后”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作为广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种基于环形红外阵列的自动跟随系统，针对室内空旷环境首先提出一种主动式环形大视场的距离罗盘作为环境感知传感器，通过该距离罗盘可以对移动机器人周围360°范围内的未知环境进行探测，主控芯片中的模数转换通道将采集到的模拟信号转换为数字信号，准确地计算目标车辆的相对距离和方位，运用PID算法将此空间位置关系与预设位置关系比较，使得跟随车辆与目标车辆保持在预定范围，并通过无线传输模块将距离罗盘采集到的数据传输给上位机，从而进行数据可视化分析，系统结构框图如图1所示。

本发明采用具有较强的抗干扰能力、有效测量范围为10～80cm的红外测距传感器，其主要由发送器、接收器和检测电路三部分构成。其中，发送器对遮挡物体发射红外光束，通过接收器接收从遮挡物体上反射回来的红外光束，在接收器后面的检测电路可将从被测物体上反射回来的光强信号转换为电信号，实现对传感器与物体之间距离的测量，

为实现近乎360°的无死角视野，本发明采用16个测距传感器组成周向阵列，但由于多个测距传感器在检测时可能会出现干扰的情况，为了最大程度的降低测距传感器之间的干扰，将十六个同构传感器分为4组如图2所示间隔周向排列在距离罗盘上，同组传感器标记为1、2、3、4，构成了具有测距传感器阵列的大视场测距模型(如图2所示)。测量时，标记相同数字的四个测距传感器在同一时刻工作，然后在标记不同数字测距传感器之间延迟一定时间T_s，防止各组之间出现干扰，这样的设计不仅能够使机器人检测周围360°范围内的环境信息，而且测距传感器之间的干扰也大大的降低，几乎无干扰。

红外测距采集模块使用4组模拟开关对单片机上的模数转换接口进行拓展，使得单片机4路模数转换通道拓展为16路模数转换，四组四路红外测量电路每路均包含1个收发一体式的红外测量探头、红外发射电路、红外接收电路，且四组均有一个滤波放大电路并共享STM32控制内核以及无线通讯模块。本发明采用无线通讯模块，可实现一对一、一对点、多对多设备间的数据传输，利用其可组成星型、树型和蜂窝型网状网络结构的特点与上位机组成分布式测控系统，并利用上位机来处理和储存所测数据，以便后续进行数据分析。

本发明的控制器以STM32为控制核心，四组红外测距回路并行执行，STM32同时选中四组回路的同一通道，红外传感器发射出的红外波在遇到障碍后，返回经过各自的通道进入放大滤波电路后进入STM32的模数转换通道，经过数模转换后经计算得出最后的障碍距离，并同时保存测得距离的传感器所在的通路即可获得障碍物的方位。将上述过程重复4次，即可完成16个传感器的测距工作，并获得目标机器人在跟随移动机器人极坐标视野下的坐标

图3为红外测距采集电路设计框图。

本发明的控制器内部的程序设定如下：

一、测距传感器标定

所用红外测距传感器能够根据物体的距离提供模拟电压输出，距离越近输出电压越大，且输出电压与距离呈非线性关系，因此，需要对传感器输入输出关系进行参数标定。

在传感器的10-80cm量程范围内，每隔5cm取一个测量点，分别记录实际距离以及传感器输出的电压值，为了减少在测量过程中产生的误差，重复实验十次取平均值，获取15个测量点传感器输入输出数据平均值，将这15个数据点输入Matlab中，利用Matlab中曲线拟合工具箱对该特性曲线进行拟合，拟合结果如图4所示。

拟合结果表明，拟合的误差平方和(SSE)为0.0023，相关系数(R-square)为0.9993，拟合效果较好.该曲线的具体函数形式如式所示，式中，ρ为传感器与被测物体的实际距离；U(ρ)为红外测距传感器输出的电压值；

U(ρ)＝18.407ρ^-0.87 (1)

二、定位模型

跟随移动机器人顶部安装有大视场环形距离罗盘，距离罗盘可用于扫描周围环境信息，图5所示坐标系定义为“主体坐标系”，以初始时刻的主体坐标系作为每次路径规划的“全局坐标系”。单个测距传感器扫描的数据可以表示为

其中，ρ_i，

分别表示为以机器人为中心相对障碍的距离和方向，每个采样周期对i＝1，...，N(N＝16)进行分组采样。图5左图为距离罗盘在右图示例环境下的测量情况，当跟随机器人周围检测范围内存在目标机器人时，其对应方向上传感器的距离信号将小于其余传感器信号。将16个传感器中距离最小值作为目标定位结果

利用测量得到的空间位置关系控制车体两侧的差动驱动轮以实现移动机器人的前进、后退、转弯、旋转等运动，使移动机器人与目标机器人保持设定的距离d_ω与偏航角

三、跟随机器人的数学模型

如图1所示，假设两轮差速驱动移动机器人质心C在两驱动轮轴线中心位置，(x_c，y_c)为机器人的质心坐标，R为驱动轮半径，机器人的位姿向量为：P＝(x_c，y_c，θ)。根据刚体力学可得两轮差速驱动移动机器人的运动学方程为：

其中，ν为机器人质心处的线速度；ω为机器人的转向角速度；ν_i和ν_r机器人的左右驱动轮线速度；θ为方向角，即机器人运动方向与x轴的夹角；l为机器人两驱动轮的轮距。当两轮差速驱动移动机器人运动满足纯滚动而无滑动条件时，机器人的运动满足如下约束：

定义：

u＝[v ω]^T，A(q)＝[-sinθ cosθ 0]，

则可改写为：

容易验证广义速度

满足非完整约束方程：

一般情况下，为了方便程序控制，需要将式离散化，设置采样时间为T，离散后得：

四、跟随机制

跟随机器人的PID控制原理如图6所示，为快速实现控制，选定适应性强、控制简单的PID(proportional-integral-differential)控制律作为样机控制方式，同时考虑到样机控制属于实时性较强控制场景，引入微分环节容易导致饱和，最终确定控制方式为PID控制。设t时刻目标车辆在距离罗盘坐标系中的坐标为(x_t，y_t)，则t时刻跟随机器人与目标之间的垂直距离为y_t，偏航角

实际测量距离

设定移动机器人与目标机器人之间距离和偏航角的参考值

则测量值与参考值之间的误差err(t)＝Y(t)-W(t)。控制器输出跟随机器人的线速度与角速度的控制量U(t)＝[v_t ω_t]^T.则连续系统中的PID控制律控制方程为：

式中：U(t)为控制器输出；err(t)为设定值与实际值之差；K_p为比例系数；K_d为微分系数。设定err(t)为时刻t所对应采样值，采样周期为T，以一阶后向差分近似代替微分，则PID控制律的离散化方程为：

U(k)＝K_p*err(k)+K_d*(err(k)-err(k-1)) (9)

五、数据处理

数据采集系统程序主要在软件LabVIEW中编写完成，该程序利用计算机串口(COM接口)技术可以实现对距离罗盘数据以及移动机器人路径的可视化采集，其操作界面，如图7所示。主控芯片在接收到距离罗盘的数据后，会将实时距离信号编码成带有校验核的字符串传送回上位机程序中；用于定位机器人的室内定位系统将实时记录机器人二维坐标，直接通过串口上传至上位机。上位机循环接收上述传感器信号，并在极坐标以及平面直角坐标系中分别绘制距离罗盘以及跟随路径的数据。

本发明采用跟随移动机器人对目标机器人进行自动跟随，实验验证如下：

跟随移动机器人的硬件平台如图8所示。移动机器人1的下方具有驱动轮2和方向轮，上方具有主控制器，主控制器3的上方具有距离罗盘4，跟随移动机器人采用双轮差速，差速电机选用直流减速电机，额定功率7w，空载转速可达500rpm，该型号电机自带高精度AB双相光电编码器，尾部500线AB输出，减速比1:30的电机减速器输出轴旋转一圈，可以输出15000个完整脉冲。主控芯片选用内核为STM32F103的单片机，单片机是系统的控制中心，控制着其它模块的工作，其主要任务是采集距离罗盘的模拟信号并转换成距离信号和控制机器人运动，通过无线串口将数据传输给上位机中的LabVIEW软件，从而进行可视化分析。

为初步试验搭载距离罗盘的跟随机器人在小范围内无障碍环境下的自动跟随效果，设定目标机器人始终处于跟随机器人前方某处不动，并引入全局平面坐标系，用于描述移动机器人的跟随运动轨迹。初始时刻，全局平面坐标系与移动机器人初始坐标系重合.设定跟随控制器的相关参数d_w＝0.2m，

v_max＝0.5m/s，d_max＝0.4m，a_max＝0.2m/s，

跟随机器人宽度为l＝0.4m。由于试验在平地上进行，不考虑目标机器人在跟随机器人坐标系垂直于地面的方向位置变化，启动自动跟随功能，并记录试验过程中距离罗盘的观测数据以及移动机器人的运动轨迹。

图9显示“8”字形轨迹和方形轨迹的跟随结果，如图9所示，跟随机器人轨迹变化连续，跟随过程中未出现丢失目标情况，能够执行预期动作，准确跟随目标车辆，表明本设计的跟踪效果稳定和距离罗盘的实用性。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于环形红外阵列的自动跟随系统，包括跟随用移动机器人，所述移动机器人包括驱动轮、嵌入式硬件主控制器，所述主控制器包括主控芯片；其特征在于，还包括基于环形红外阵列的测距模块、移动机器人的目标定位和通讯模块、基于PID反馈控制的机器人运动跟随模块三个模块；

其中，所述基于环形红外阵列的测距模块主要包括多个红外测距传感器及设置在嵌入式硬件主控制器中的数据采集电路；多个所述红外测距传感器呈环形阵列设置；每一所述红外测距传感器包括红外发射器及红外接收器，多个所述红外发射器用于从多个角度对障碍物发射红外光束，多个所述红外接收器用于接受从障碍物上反射回来的红外光束，所述数据采集电路用于将红外测距传感器所监测到的数据信号传输给嵌入式硬件主控制器；

所述移动机器人的目标定位和通讯模块主要包括设置在嵌入式硬件主控制器中的数据处理模块和无线通讯模块；所述数据处理模块用于对数据采集电路所传入的数据进行分析处理；所述无线通讯模块用于将多个红外测距传感器采集到的数据传输给上位机；

所述基于PID反馈控制的机器人运动跟随模块，包括设置在嵌入式硬件主控制器中的运动控制单元和设置在移动机器人下方的控制电机组；所述运动控制单元根据嵌入式硬件主控制器所发出控制信号来控制电机组的启停、转动方向及转动速度，所述控制电机组带动移动移动机器人的驱动轮行进。

2.根据权利要求1所述的一种基于环形红外阵列的自动跟随系统，其特征在于，所述数据采集电路包括放大滤波电路、模数转换电路；所述红外测距传感器在实现对障碍物距离的测量后产生的电信号进入嵌入硬件的数据采集电路，该电信号经放大滤波电路放大滤波后进入嵌入式硬件中的模数转换通道，经模数转换后计算出障碍的距离，从而实现对障碍物距离的测量。

3.根据权利要求1所述的一种基于环形红外阵列的自动跟随系统，其特征在于，多个所述红外测距传感器按环形阵列排布安装在移动机器人顶部并组成一个大视场环形距离罗盘，用于获取全方位的距离信息。

4.根据权利要求1所述的一种基于环形红外阵列的自动跟随系统，其特征在于，所述无线通讯模块将上位机、主控芯片组成分布式测控系统，利用其可组成星型、树型和蜂窝型网状网络结构的特点，来处理和储存所测数据，以便后续的数据分析。

5.根据权利要求1所述的一种基于环形红外阵列的自动跟随系统，其特征在于，所述上位机设置为电脑计算机，所述上位机可实现对数据可视化分析。

6.根据权利要求1所述的一种基于环形红外阵列的自动跟随系统，其特征在于，所述红外测距传感器的个数为16个，16个所述红外测距传感器环状均布在距离罗盘上。

7.根据权利要求1所述的一种基于环形红外阵列的自动跟随系统，其特征在于，所述控制电机组选用两个差速电机。

8.一种根据权利要求1所述的基于环形红外阵列的自动跟随系统的工作方法，其特征在于，包括以下过程：

S1、环形阵列排布的多个红外测距传感器获取全方位距离信息，每一红外测距传感器在实现对障碍物距离的测量后产生的电信号进入嵌入式硬件中的数据采集电路，电信号经放大滤波后进入嵌入式硬件中的模数转换通道，经数模转换后计算出障碍的距离数据，从而实现对障碍物距离的测量；

S2、基于环形红外阵列的测距模块在获取全方位距离信息后，数据采集处理模块将其坐标系定义为“主体坐标系”，以初始时刻的主体坐标系作为每次路径规划的“全局坐标系”，最终获得目标机器人在跟随用移动机器人极坐标视野下的坐标，以此完成目标机器人的定位；上位机、主控芯片之间通信的无线通讯模块，可实现设备间的数据传输；

S3、当跟随用移动机器人周围检测范围内存在目标机器人时，其对应方向上红外测距传感器的距离信号将小于其余红外测距传感器信号；将环形阵列红外测距传感器中距离最小值作为目标定位结果，并利用测量得到的空间位置关系控制车体两侧的差动驱动轮，主控制器通过运动控制单元对控制电机组进行驱动，以实现移动机器人的前进、后退、转弯、旋转运动，使移动机器人与目标机器人保持设定的距离与偏航角。

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