专利名称：一种基于协调控制的智能轮椅室外导航方法
技术领域：
本发明涉及自动化领域，特别是一种导航方法。
背景技术：
通常情况下，老年人和残障人士的行动能力和反应能力都低于普通人，因此为他们设计的辅助工具不仅要具备良好的移动能力，更要具备自主思考能力以及能够与使用者方便进行交流的能力。智能轮椅作为一种智能型电动轮椅，不但能够通过电机进行驱动，更具备了高端移动机器人的智能性，拥有良好的人机接口且能实现自主控制，是做为老年人和残障人士辅助工具的最佳选择。普通智能轮椅要在室外环境下达到实用还存在一些问题在未知环境中导航效果不佳；导航算法实时性不足，难以适应动态环境；导航算法鲁棒性较低，在传感器精度不足或者存在陷阱区域的情形下导航效果不佳；有时候需要对环境进行预处理，系统成本较高。
发明内容
本发明的目的就是提供一种基于协调控制的智能轮椅室外导航方法，它可以降低室外导航系统的成本，提高实时性和系统的鲁棒性。本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，它包括有模糊控制器、协调控制器、 一个GPS定位装置和三个超声传感器，其步骤如下
1)轮椅和障碍物信息采集GPS定位装置和三个超声传感器实时采集信息，GPS定位装置用于轮椅本身的自定位，三个超声传感器分别位于轮椅的左、右两侧和正前方，对障碍物进行监测；
2)设计趋向行为根据GPS定位装置的数据推算出轮椅的位置和姿态，利用轮椅的位置和姿态信息作为输入信息，通过模糊控制器处理设计出轮椅的趋向行为，即轮椅朝着目标前进的运动行为；
3)设计避障行为轮椅正前方超声传感器采集到的障碍物距离数据，通过模糊控制器设计出避障行为，即轮椅绕开障碍物的运动行为；
4)设计沿墙走行为利用位于轮椅两侧的超声传感器采集到的两侧障碍物距离信息， 通过模糊控制器设计沿墙走行为，即轮椅对障碍物边沿进行跟踪并保持一定距离的运动行为；
5)步骤2)、3)、4)所述的三个基本独立运动行为，通过神经网络设计行为协调控制器对三个行为进行协调控制，进而得到导航目的性的整体行为，即轮椅的实际运动行为。进一步，所述步骤2)中设计趋向行为的模糊控制器的输入变量是轮椅与目标之间
的距离rf以及当前趋向角的值-，输出是轮椅的线速度&和角速度；
d越大轮椅距离目标点越远，控制线速度G越大，d越小轮椅距离目标点越近，控制线速度4越小；运动方向偏向目标点左边-取负值，偏向右边妒取正值，妒的绝对值越大，控制H70越大，反之炉的绝对值越小，控制,G越小，轮椅根据-的正负来决定转动方向。
进一步，轮椅与目标之间的距离d根据GPS定位装置可以进行实时测量； 当前趋向角的值妒可以根据以下公式测得
权利要求
1.一种基于协调控制的智能轮椅室外导航方法，它包括有模糊控制器、协调控制器、 一个GPS定位装置和三个超声传感器，其步骤如下1)轮椅和障碍物信息采集GPS定位装置和三个超声传感器实时采集信息，GPS定位装置用于轮椅本身的自定位，三个超声传感器分别位于轮椅的左、右两侧和正前方，对障碍物进行监测；2)设计趋向行为根据GPS定位装置的数据推算出轮椅的位置和姿态，利用轮椅的位置和姿态信息作为输入信息，通过模糊控制器处理设计出轮椅的趋向行为，即轮椅朝着目标前进的运动行为；3)设计避障行为轮椅正前方超声传感器采集到的障碍物距离数据，通过模糊控制器设计出避障行为，即轮椅绕开障碍物的运动行为；4)设计沿墙走行为利用位于轮椅两侧的超声传感器采集到的两侧障碍物距离信息， 通过模糊控制器设计沿墙走行为，即轮椅对障碍物边沿进行跟踪并保持一定距离的运动行为；5)步骤2)、3)、4)所述的三个基本独立运动行为，通过神经网络设计行为协调控制器对三个行为进行协调控制，进而得到导航目的性的整体行为，即轮椅的实际运动行为。
2.如权利要求1所述的一种基于轮调控制的智能轮椅室外导航方法，其特征在于所述步骤2)中设计趋向行为的模糊控制器的输入变量是轮椅与目标之间的距离t以及当前趋向角的值妒，输出是轮椅的线速度。和角速度& ；d越大轮椅距离目标点越远，控制线速度I越大f越小轮椅距离目标点越近，控制线速度&越小；运动方向偏向目标点左边妒取负值，偏向右边炉取正值妒的绝对值越大，控制,G越大，反之f 的绝对值越小，控制,G越小，轮椅根据-的正负来决定转动方向。
3.如权利要求2所述的一种基于协调控制的智能轮椅室外导航方法，其特征在于轮椅与目标之间的距离 根据GPS定位装置可以进行实时测量；当前趋向角的值炉可以根据以下公式测得
4.如权利要求1所述的一种基于协调控制的智能轮椅室外导航方法，其特征在于所述步骤3)中设计避障行为的模糊控制器的输入为轮椅前方超声传感器探测的障碍物距离,左侧超声传感器探测的障碍物距离Λ，右侧超声传感器探测的障碍物距离dr ,输出为轮椅的线速度。和角速度％。
5.如权利要求1所述的一种基于协调控制的智能轮椅室外导航方法，其特征在于所述步骤4)中设计沿墙走行为的模糊控制器的输为为左侧、前方、右侧超声传感器探测的轮椅和墙的距离λ、df、dr ,输出为轮椅运动的线速度&以及角速度ff。
6.
7.如权利要求6所述的一种基于协调控制的智能轮椅室外导航方法，其特征在于所述权重值与预设阈值k进行比较，权重值小于k时默认为0，大于k时为计算出的实际值。
8.如权利档求6所述的一种基于协调控制的智能轮椅室外导航方法，其特征在于 为t时刻轮椅与目标点的距离，为下一个采样时刻轮椅与目标点的距离，dt+1 kd1 ,表示轮椅正向着目标点靠近，/为初始值. clt^l >dt表示轮椅向着背离目标点的方向运动，反映出轮椅进入了陷阱区域，/的值由初始值x变为。
全文摘要
一种基于协调控制的智能轮椅室外导航方法，它通过GPS和超声传感器采集外部环境信息，首先采用基于行为的控制方法配合模糊逻辑算法设计不同功能的行为模块，其次利用神经网络算法设计行为协调控制器，通过对各个行为模块的协调控制而实现具有较高智能性的自主导航功能。它可以降低室外导航系统的成本，提高实时性和系统的鲁棒性。
文档编号G05D1/00GK102323819SQ20111021058
公开日2012年1月18日 申请日期2011年7月26日 优先权日2011年7月26日
发明者张军, 张毅, 李敏, 林海波, 罗元, 胡豁生, 蔡军, 谢颖 申请人:重庆邮电大学