应用自主跟随控制方法的麦克纳姆轮小车与云端处理器与流程

1.本发明涉及智能领域的智能车，特别是涉及一种应用自主跟随控制方法的麦克纳姆轮小车与云端处理器。

背景技术：

2.智能车作为电子计算机与现代汽车工业相结合的科技产物，现在已经广泛应用于我们日常工作与生活中。而其由于体型较小，便于操纵的特性，越来越多的被应用于环境监测及目标跟随领域。但例如船舱、机舱等转运空间有限，作业通道狭窄的环境，普通轮式智能车的运动方式有很大局限性；智能车在自主跟随过程中需要复杂的工作去整定各种控制参数，且基于图像识别的目标跟随需占用主控芯片大量的cpu内存，选用何种尤其是国产自主研发芯片能高性能地完成图像处理及高速运算功能，是现阶段亟待解决的问题。

技术实现要素：

3.本发明旨在解决背景技术中的上述问题，提供一种应用自主跟随控制方法的麦克纳姆轮小车与云端处理器，能够利用云端处理器的计算功能完成智能车自主跟随控制方法的实现，提高了智能车行进时的跟随效率。
4.本发明解决技术问题所采用的方案是：一种麦克纳姆轮小车自主跟随控制方法：（1）获取跟随目标的状态特征以及麦克纳姆轮小车的运动状态参数；（2）确定智能车的运动学模型和基础跟随控制方法；所述基础跟随控制方法是：1) 通过移动目标点与小车的位置坐标信息，获取当前时刻的相对位置矢量信息；2)根据矢量信息可以得到小车当前时刻的速度大小和方向；3) 将小车速度分解为前向速度和横向速度单独控制，其合速度代表小车跟随目标的速度大小；横向速度的变化决定小车的行进方向。
5.（3）根据运动学模型、所述期望目标的状态特征和所述运动状态参数，优化所述基础跟随控制方法；（4）利用所述优化后自主跟随控制方法解算出麦克纳姆轮小车下一时刻的速度大小和方向。
6.进一步的，一种麦克纳姆轮小车包括直流电机、万向轮、镍镉直流充电电池、麦克纳姆轮和控制系统；麦克纳姆轮小车其车身由积木板搭建而成，上、下两层积木板之间由四个螺柱共同固定；车身的左右两侧均贯穿有麦克纳姆轮，两个麦克纳姆轮分别由独立的直流电机通过齿轮箱控制，直流电机连接有镍镉直流充电电池；车身前部通过螺柱固定一个万向轮方便灵活转向；在麦克纳姆轮小车的积木板上设置有控制系统，控制系统包括图像识别模块、gd32mcu最小系统、无线通讯模块、稳压模块、驱动模块、测速模块及液晶显示模块；
具体步骤如下：首先，通过安卓手机摄像头采集环境信息，并运用gd32mcu最小系统运算opencv开源视觉算法实现目标识别功能并生成目标坐标数据；其次，通过安卓手机蓝牙或wifi将坐标数据发送到云端处理器，能够利用云端处理器的计算能力完成小车自主跟随控制方法的实现，得到下一时刻最优跟随速度和方向；最后，将最优速度和方向发送到gd32mcu最小系统，gd32mcu最小系统会发送下一时刻指令作用于执行器，所述执行器为直流电机。通过pid算法对直流电机进行驱动从而完成对速度和方向的控制，能够高效地完成对目标的跟踪。
7.所述图像识别模块，通过安卓手机摄像头完成周围图像的采集。
8.所述gd32mcu最小系统，除芯片外，还包括外围复位电路、晶振电路、boot启动电路最小系统，通过运算opencv开源视觉算法实现目标识别功能并生成坐标数据，通过pid运动控制算法完成对速度的底层控制。
9.所述无线通信模块，通过安卓手机蓝牙或wifi功能传输位置信息到云端处理器。
10.所述测速模块，其中包含增量式旋转编码器，采用光电传感器作为测速装置，在单位时间内计算低电平数量能求出直流电机转速，进而通过转速比来求得小车速度。
11.所述液晶显示模块，采用一种oled型显示屏，能实现对识别目标的位置坐标及小车运行速度进行更新，并在安卓手机和gd32mcu最小系统通信连接失败时显示故障信息。
12.所述稳压模块，包含5v和3.3v稳压模块；其中编码器电路需要5v电压供电，5v稳压电路选用lm2940低压差稳压芯片；gd32mcu最小系统需要3.3v电压供电，3.3v稳压电路选用lm1117低压差稳压芯片。
13.所述执行模块选用btn7971型驱动芯片。
14.再进一步的，一种云端处理器，包括：存储器，用于存储由一种麦克纳姆轮小车自主跟随控制方法所编写的程序；处理器，用于执行所述计算机程序以实现所述一种麦克纳姆轮小车自主跟随控制方法。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果为：(1) 本发明根据所述期望目标的状态特征以及麦克纳姆轮小车的运动状态参数优化所述基础跟随控制方法，能够得到最优行进轨迹，充分利用云端的计算能力自动实现基础跟随控制方法的优化，避免了人工实验控制参数的过程，减少整定算法参数的时间与人力成本，使麦克纳姆轮小车更加符合实际场景的需求。
16.(2) 本发明采用麦克纳姆轮的小车，相比传统两轮差速小车，本发明可直接横向移动，在狭窄处仍能灵活运作；(3) 本发明基于国产芯片gd32mcu，能够实现对目标的图像识别，之后根据云端解算的数据，来确定是应该前进、后退或平移，从而跟随所识别的目标。通过设计基于gd32mcu的底层控制机制，也能完成对小车的控制；(4) 本发明的测速模块采用增量式旋转编码器，通过将电信号转变成计数脉冲，计算低电平数量能够算出电机转速，进而通过转速比来求得小车速度；(5) 本发明成功将手机摄像头与gd32mcu、opencv源代码相结合，能够通过目标轮廓或颜对目标进行识别，更加具有实用性。
17.综上，适宜作为一种应用自主跟随控制方法的麦克纳姆轮小车与云端处理器应用。
附图说明
18.图1为麦克纳姆轮小车控制系统的结构框图；图2为麦克纳姆轮小车结构立体图。
19.图中，1.麦克纳姆轮小车；2.gd32mcu最小系统；3.直流电机；4.测速模块；5.稳压模块；6.散热片；7.安卓手机；8.万向轮；9.镍镉直流充电电池；10.麦克纳姆轮；11.液晶显示模块；12.驱动模块。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.一种麦克纳姆轮小车自主跟随控制方法，该方法包括：(1)获取跟随目标的状态特征以及麦克纳姆轮小车1的运动状态参数；本实施例中，状态特征可以是目标的形态或颜；麦克纳姆轮小车1运动状态参数为通过车载传感器所获取的小车位置、车速及方向。
22.(2)确定智能车的运动学模型和基础跟随控制方法；本实施例中，运动学模型可由车辆力学推导得出。
23.基础跟随控制方法确定为：1)设定目标点坐标为，麦克纳姆轮小车1的坐标为。通过目标点当前时刻与跟随点的位置坐标信息，获取当前时刻的相对位置矢量信息2)根据矢量信息可以得到小车当前时刻的速度大小和方向：（1）3)将小车速度分解为前向速度和横向速度单独控制，其合速度代表小车跟随目标的速度大小；横向速度的变化决定小车的行进方向。
24.(3)根据运动学模型、所述期望目标的状态特征和所述运动状态参数，优化所述基础跟随控制方法；(4)利用所述优化后自主跟随控制方法解算出麦克纳姆轮小车1下一时刻的速度大小和方向。
25.具体的，本实施例中通过云端处理器完成上述算法流程的实现，将算法输出的结
果通过无线通信模块传输给主控芯片，主控芯片根据最优速度和方向对执行器发送指令，能够实现小车的跟随效果。
26.据图2所示，一种麦克纳姆轮小车包括直流电机3、万向轮8、镍镉直流充电电池9、麦克纳姆轮10和控制系统；麦克纳姆轮小车1其车身由积木板搭建而成，上、下两层积木板之间由四个螺柱共同固定；车身的左右两侧均贯穿有麦克纳姆轮10，两个麦克纳姆轮10分别由独立的直流电机3通过齿轮箱控制，直流电机3连接有镍镉直流充电电池9；车身前部通过螺柱固定一个万向轮8方便灵活转向；在设计中充分考虑emc，尽量避免在主控电路下走高速信号，故采用双层板电路以增强其抗干扰性；在麦克纳姆轮小车1的积木板上设置有控制系统，控制系统包括图像识别模块、gd32mcu最小系统2、无线通讯模块、稳压模块5、驱动模块12、测速模块4及液晶显示模块11。
27.图像识别模块利用摄像头进行图像识别，通过gd32mcu调用开源视觉算法解算出目标的位置信息，通过蓝牙或wifi将最优跟随算法解算的最优行进方向传输给gd32mcu最小系统2，液晶显示模块11能实时更新小车及目标的状态信息，测速模块4能测出小车速度，依据速度能在gd32mcu最小系统2进行底层控制程序的编写，最终利用运算结果控制pwm脉冲的占比来实现对加在电机两端电压的调节，进而控制电机转速，构成闭环。
28.本实施例中，主控芯片选用北京兆易公司的gd32f307单片机，其具有卓越的抗干扰性能，flash更新频率快，在功耗和集成度方面有不俗的表现，与stm32相比功能类似，但价格比同类的st芯片便宜15%，具有更高的性价比。在电路设计中，由于gd32mcu是裸片，所以还搭载了外围复位电路、晶振电路、boot启动模式选择来共同构成最小系统。
29.本实施例中，图像识别模块和无线通信模块均可通过安卓手机7的功能来实现。小车在通电后，通过蓝牙或者wifi将云端处理器与gd32mcu完成通信连接，按下电路启动键即可通过安卓手机7手机摄像头对目标进行识别，目标的识别与定位是系统跟随的基础，通过gd32mcu运算opencv开源视觉算法实现目标颜或者目标形态的识别，并用python语言实现对目标定位后，计算出目标的二维坐标信息并传输到云端处理器。
30.本实施例中，液晶显示模块11主要是对识别目标的位置坐标及小车的运动速度进行更新，并在小车运行故障时显示故障信息。液晶显示模块用oled12864显示屏，相比于led屏，oled显示技术具有自发光、广视角、几乎无穷高的对比度、较低耗电、极高反应速度等优点。
31.本实施例中，测速模块4采用增量式旋转编码器作为测速装置，其具体做法是将电机轴上固定一圆盘，且其边缘上有个等分凹槽，在圆盘的一侧固定一个发光二极管，其位置对准凹槽处，在另一侧和发光二极光平行的位置上固定一光敏三极管，如果电动机转到凹槽处时，发光二极管通过缝隙将光照射到光敏三极管上，三极管导通，反之三极管截止，这样就可根据低电平的数量来计算电机此时转速。其计算公式为：（2）式中，电机转速的误差主要是由圆盘边缘上的凹槽数的多少决定的，为减少系统误差应尽量提高凹槽的数量，在设计中取凹槽数为260，采样时间为10ms。
32.根据电机转速能够获得电机型号所对应的速度，最小系统通过中断采样能获取当前速度的精确值，本发明底层控制采用pid方法对速度进行控制，具体做法为
它能根据当前速度与上一时刻速度的控制偏差对速度进行反馈校正，其控制规律为：（3）式中，为比例系数，为积分系数，为微分系数。
33.本实施例中，驱动模块12选用btn7971型驱动芯片，该款半桥芯片在25℃时集成的pmos与nmos导通内阻分别为7毫欧与9毫欧，驱动电流峰值可以达到77a，工作电压范围在4.4v至28v之间，足以驱动电机转动。
34.本实施例中，整个硬件电路的电源全部由7.2v，2a/h的镍镉直流充电电池9提供。由于不同电路模块所需要的工作电压、电流各不相同，因此在设计过程中电源电路包含5v和3.3v稳压模块5。其中编码器电路需要5v电压供电，5v稳压电路选用lm2940低压差稳压芯片；gd32mcu最小系统2需要3.3v电压供电，3.3v稳压电路选用lm1117低压差稳压芯片。作为常规的技术选择，稳压模块5上设置有散热片6。
35.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种麦克纳姆轮小车自主跟随控制方法，其特征是：1）获取跟随目标的状态特征以及麦克纳姆轮小车（1）的运动状态参数；2）确定智能车的运动学模型和基础跟随控制方法；3）根据运动学模型、期望目标的状态特征和所述运动状态参数，优化所述基础跟随控制方法；4）利用所述优化后自主跟随控制方法解算出麦克纳姆轮小车（1）下一时刻的速度和方向；具体步骤如下：首先，通过安卓手机（7）摄像头采集环境信息，运用gd32mcu最小系统（2）运算opencv开源视觉算法实现目标识别功能并生成坐标数据；其次，通过安卓手机（7）蓝牙或wifi能将坐标数据发送到云端处理器，能够利用云端处理器的计算能力完成小车自主跟随控制方法的实现，得到最优跟随指令；最后，将最优跟随指令发送到gd32mcu最小系统（2），gd32mcu最小系统（2）会将指令作用于执行器结构，能够高效地完成对目标的跟踪。2.一种基础跟随控制方法，其特征是：1)通过移动目标点与小车的位置坐标信息，获取当前时刻的相对位置矢量信息；2)根据矢量信息可以得到小车当前时刻的速度大小和方向；3)将小车速度分解为前向速度和横向速度单独控制，其合速度代表小车跟随目标的速度大小；横向速度的变化决定小车的行进方向。3.一种麦克纳姆轮小车，其特征是：包括直流电机（3）、万向轮（8）、镍镉直流充电电池（9）、麦克纳姆轮（10）和控制系统；麦克纳姆轮小车（1）其车身由积木板搭建而成，上、下两层积木板之间由四个螺柱共同固定；车身的左右两侧均贯穿有麦克纳姆轮（10），两个麦克纳姆轮（10）分别由独立的直流电机（3）通过齿轮箱控制，直流电机（3）连接有镍镉直流充电电池（9）；车身前部通过螺柱固定一个万向轮（8）方便灵活转向；在麦克纳姆轮小车（1）的积木板上设置有控制系统，控制系统包括图像识别模块、gd32mcu最小系统（2）、无线通信模块、稳压模块（5）、驱动模块（12）、测速模块（4）及液晶显示模块（11）；安卓手机（7）摄像头采集周围环境信息，并运用gd32mcu最小系统（2）运算opencv开源视觉算法，实现目标颜或者目标形态的识别；通过云端处理器运行自主跟随控制方法程序能解算出麦克纳姆轮小车（1）下一时刻的速度和方向；将解算出的下一时刻的速度和方向作为输入值并通过安卓手机（7）蓝牙或wifi等通信方式传输给gd32mcu最小系统（2）；gd32mcu最小系统（2）通过控制pwm脉冲来控制驱动模块（12）带动直流电机（3）运转，从而完成追随任务。4.根据权利要求2所述的一种麦克纳姆轮小车，其特征是：所述图像识别模块，利用安卓手机（7）摄像头完成图像的采集，并运用opencv开源视觉算法识别到目标位置；所述无线通信模块，通过安卓手机（7）蓝牙或wifi功能传输位置信息到gd32mcu最小系统（2）。
5.根据权利要求2所述的一种麦克纳姆轮小车，其特征是：所述gd32mcu最小系统（2），除芯片外，还包括外围复位电路、晶振电路、boot启动电路最小系统，通过与opencv开源视觉算法相结合解算出目标位置坐标，通过pid运动控制算法完成对速度的底层控制。6.根据权利要求2所述的一种麦克纳姆轮小车，其特征是：所述测速模块（4），其中包含增量式旋转编码器，采用光电传感器作为测速装置，在单位时间内计算低电平数量能求出直流电机（3）转速，进而通过转速比来求得小车速度。7.根据权利要求2所述的一种麦克纳姆轮小车，其特征是：所述液晶显示模块（11），采用oled型显示屏，能实现对识别目标的位置坐标及小车运行速度进行更新，并在安卓手机（7）和gd32mcu最小系统（2）通信连接失败时显示故障信息。8.根据权利要求2所述的一种麦克纳姆轮小车，其特征是：所述稳压模块（5），包含5v和3.3v稳压模块；其中编码器电路需要5v电压供电，5v稳压电路选用lm2940低压差稳压芯片；gd32mcu最小系统（2）需要3.3v电压供电，3.3v稳压电路选用lm1117低压差稳压芯片。9.一种云端处理器，其特征是：包括：存储器，用于存储由一种麦克纳姆轮小车自主跟随控制方法所编写的计算机程序；及处理器，用于执行所述计算机程序以实现所述一种麦克纳姆轮小车自主跟随控制方法。

技术总结

本发明提出的是应用自主跟随控制方法的麦克纳姆轮小车与云端处理器。通过安卓手机摄像头采集环境信息，运用GD32MCU最小系统运算opencv开源视觉算法实现目标识别并生成坐标数据，在GD32MCU最小系统通过PID算法对电机进行驱动从而完成对速度的控制，通过手机蓝牙或WiFi将坐标数据发送到云端服务器，利用云端服务器的计算能力实现小车自主跟随控制。本发明充分利用云端的计算能力整定跟随控制方法的参数，避免人工实验控制参数的过程，减少了时间与人力成本；可实现零度转角，在狭小空间作业更加灵活；可通过摄像头识别目标并完成视觉追随任务。适宜作为一种应用自主跟随控制方法的麦克纳姆轮小车与云端处理器应用。的麦克纳姆轮小车与云端处理器应用。的麦克纳姆轮小车与云端处理器应用。