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申请/专利权人：江南大学

摘要：本发明公开了一种磁性微纳机器人的自主导航与控制方法，涉及微纳机器人技术领域，该方法通过交流电流源来驱动三轴亥姆霍兹线圈产生空间旋转磁场以驱动磁性微纳机器人运动，采用显微镜对磁性微纳机器人的工作环境及其位置进行反馈，建立磁性微纳机器人的车辆等效模型，降低了控制的复杂度，然后基于边界扩充和路径平滑改进了RRT‑CONNET路径规划算法，最后设计了基于强化学习的轨迹跟踪控制器，并依据磁性微纳机器人的运动约束设计了回报函数以指导强化学习网络的收敛方向，提高了磁性微纳机器人的轨迹跟踪控制精度。

主权项：1.一种磁性微纳机器人的自主导航与控制方法，其特征在于，所述磁性微纳机器人的自主导航与控制系统包括形成闭环控制的交流电流源、三轴亥姆霍兹线圈、磁性微纳机器人、显微镜和上位机；所述方法包括：建立所述磁性微纳机器人的车辆等效模型，将对所述磁性微纳机器人的控制等效为对微车的转向角和油门的控制；对所述显微镜采集的图像进行图像特征的提取、匹配和融合，从局部地图扩充到全局地图，并利用语义分割和目标检测方法获取所述磁性微纳机器人的状态信息和所处环境信息；利用改进的RRT-CONNET算法，引入边界扩充和曲线平滑算法对原始轨迹进行处理，得到所述磁性微纳机器人在全局地图的最优避障路径；基于所述等效模型和状态信息，对所述磁性微纳机器人进行运动学建模得到状态空间方程；利用所述状态空间方程设计基于强化学习的轨迹跟踪控制器，所述轨迹跟踪控制器依据状态信息输出控制信号至所述交流电流源，从而改变空间旋转磁场以跟踪所述最优避障路径，实现对所述磁性微纳机器人的闭环控制；其中，所述轨迹跟踪控制器依据状态信息输出控制信号至所述交流电流源，包括：向所述轨迹跟踪控制器输入当前时刻的状态空间方程，输出包括转向角和油门控制量的动作空间；将所述动作空间等效为所述空间旋转磁场的旋转角度，对当前时刻的空间旋转磁场值进行磁场转换，得到下一时刻旋转后的空间旋转磁场值；根据所述下一时刻旋转后的空间旋转磁场值计算得到线圈的三轴电流，进而转换为交流电对应的频率和幅值作为控制信号输入至所述交流电流源；其中，将所述动作空间等效为所述空间旋转磁场的旋转角度，对当前时刻的空间旋转磁场值进行磁场转换，得到下一时刻旋转后的空间旋转磁场值，包括：采用四元数方法推导所述空间旋转磁场的产生，对于空间磁场矢量，O:0,0,0表示在空间的原点，设所述当前时刻的空间旋转磁场值M为x,y,z，所述下一时刻旋转后的空间旋转磁场值M’为x’,y’,z’；空间三维旋转视为绕三个基本轴的旋转组合，绕三个基本轴的旋转角度是其中，将旋转矢量的旋转角度等效为微车的转向角控制量，将旋转矢量的旋转角度φ等效为微车的油门控制量，且φ＝∫ωtdt，ω表示旋转角速度；旋转前四元数坐标是通过四元数方法展开磁场值x,y,z后得到的，求解旋转后四元数坐标的过程如下： 其中，代表单位四元数；设三个基本轴的旋转顺序依次为z、y、x，则旋转过程定义为： 所述旋转后四元数坐标基于单位四元数与旋转的关系，定义为： 其中，中间变量分别表示为： 则所述下一时刻旋转后的空间旋转磁场值M’表示为：

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