一種機(jī)器人分布式控制器及控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種機(jī)器人分布式控制器及控制方法，該控制器包括網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器、環(huán)境檢測(cè)傳感器組、位置檢測(cè)傳感器組、姿態(tài)檢測(cè)傳感器組和由第一處理器和第二處理器構(gòu)成的并行控制單元；網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器與第二處理器連接，接收和/或發(fā)射用于與其他機(jī)器人進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)；環(huán)境檢測(cè)傳感器組、位置檢測(cè)傳感器組以及姿態(tài)檢測(cè)傳感器組分別與第一處理器連接，將檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到第一處理器，以使第一處理器根據(jù)該數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制；第二處理器根據(jù)與其他機(jī)器人的通信結(jié)果生成控制命令，將控制命令發(fā)送到第一處理器，以使第一處理器根據(jù)該控制命令對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了一個(gè)對(duì)多個(gè)機(jī)器人的集群控制器，使多個(gè)機(jī)器人能夠更好的協(xié)同運(yùn)行。
【專利說明】
一種機(jī)器人分布式控制器及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)器人控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種機(jī)器人分布式控制器及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]智能機(jī)器人技術(shù)的研究已成為機(jī)器人領(lǐng)域的主要發(fā)展方向，如各種精密裝配機(jī)器人，力/位置混合控制機(jī)器人，多肢體協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)以及先進(jìn)制造系統(tǒng)中的機(jī)器人的研究等?？刂破魇菣C(jī)器人系統(tǒng)的核心，相應(yīng)的，對(duì)機(jī)器人控制器的性能也提出了更高的要求。伴隨著計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制理論的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的需要及相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)歷了3代:(I)可編程的示教再現(xiàn)型機(jī)器人；(2)基于傳感器控制具有一定自主能力的機(jī)器人；(3)智能機(jī)器人。作為機(jī)器人的核心部分，機(jī)器人控制器是影響機(jī)器人性能的關(guān)鍵部分之一O
[0003]從機(jī)器人控制算法的處理方式來看，可分為串行、并行兩種結(jié)構(gòu)類型。其中，串行處理結(jié)構(gòu)是指機(jī)器人的控制算法是由串行機(jī)來處理。對(duì)于這種類型的控制器，從計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)、控制方式來劃分，可分為以下幾種:
[0004]單CPU結(jié)構(gòu)、集中控制方式:用一臺(tái)功能較強(qiáng)的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)全部控制功能。早期的機(jī)器人就采用這種結(jié)構(gòu)，但控制過程中需要許多計(jì)算(如坐標(biāo)變換)，因此這種控制結(jié)構(gòu)速度較慢。
[0005]二級(jí)CPU結(jié)構(gòu)、主從式控制方式:一級(jí)CPU為主機(jī)，擔(dān)當(dāng)系統(tǒng)管理、機(jī)器人語言編譯和人機(jī)接口功能，同時(shí)也利用它的運(yùn)算能力完成坐標(biāo)變換、軌跡插補(bǔ)，并定時(shí)地把運(yùn)算結(jié)果作為關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的增量送到公用內(nèi)存，供二級(jí)CPU讀取;二級(jí)CPU完成全部關(guān)節(jié)位置數(shù)字控制。這類系統(tǒng)的兩個(gè)CPU總線之間基本沒有聯(lián)系，僅通過公用內(nèi)存交換數(shù)據(jù)，是一個(gè)松耦合的關(guān)系。對(duì)采用更多的CPU進(jìn)一步分散功能是很困難的。
[0006]多CPU結(jié)構(gòu)、分布式控制方式:目前，普遍采用這種上、下位機(jī)二級(jí)分布式結(jié)構(gòu)，上位機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)管理以及運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算、軌跡規(guī)劃等。下位機(jī)由多CHJ組成，每個(gè)CPU控制一個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，這些CPU和主控機(jī)聯(lián)系是通過總線形式的緊耦合。這種結(jié)構(gòu)的控制器工作速度和控制性能明顯提高。但這些多CPU系統(tǒng)共有的特征都是針對(duì)具體問題而采用的功能分布式結(jié)構(gòu)，即每個(gè)處理器承擔(dān)固定任務(wù)。目前世界上大多數(shù)商品化機(jī)器人控制器都是這種結(jié)構(gòu)。
[0007]機(jī)器人控制器是根據(jù)指令以及傳感信息控制機(jī)器人完成一定的動(dòng)作或作業(yè)任務(wù)的裝置，它是機(jī)器人的心臟，決定了機(jī)器人性能的優(yōu)劣。機(jī)器人自誕生以來，特別是工業(yè)機(jī)器人所采用的控制器基本上都是開發(fā)者基于自己的獨(dú)立結(jié)構(gòu)進(jìn)行開發(fā)的，其有很多缺陷:
(I)局限于“專用計(jì)算機(jī)、專用機(jī)器人語言、專用微處理器”的封閉式結(jié)構(gòu)。封閉的控制器結(jié)構(gòu)使其具有特定的功能、適應(yīng)于特定的環(huán)境，不便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展和改進(jìn)。(2)軟件結(jié)構(gòu)及其邏輯結(jié)構(gòu)依賴于處理器硬件，難以在不同的系統(tǒng)間移植。(3)容錯(cuò)性差，由于并行計(jì)算中的數(shù)據(jù)相關(guān)性、通訊及同步等內(nèi)在特點(diǎn)，控制器的容錯(cuò)性能變差，其中一個(gè)處理器出故障可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓。(4)擴(kuò)展性差，目前，機(jī)器人控制器的研究著重于從關(guān)節(jié)這一級(jí)來改善和提高系統(tǒng)的性能。由于結(jié)構(gòu)的封閉性，難以根據(jù)需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展。
[0008]從前面提到的機(jī)器人控制器來看，其功能單一，且計(jì)算能力差，難以保證實(shí)時(shí)控制的要求，目前，由于人工智能、計(jì)算機(jī)科學(xué)、傳感器技術(shù)及其它相關(guān)學(xué)科的長(zhǎng)足進(jìn)步，這樣的機(jī)器人控制器已經(jīng)不能滿足當(dāng)今高水平機(jī)器人的研究發(fā)展和應(yīng)用的需求。而且，由于機(jī)器人控制算法的復(fù)雜性以及機(jī)器人控制性能的亟待提高，許多學(xué)者從建模、算法等多方面進(jìn)行了減少計(jì)算量的努力，但仍難以在串行結(jié)構(gòu)控制器上滿足實(shí)時(shí)計(jì)算的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]鑒于上述問題，本發(fā)明提出了一種機(jī)器人分布式控制器及控制方法。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種機(jī)器人分布式控制器，該控制器包括網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器、環(huán)境檢測(cè)傳感器組、位置檢測(cè)傳感器組、姿態(tài)檢測(cè)傳感器組以及由第一處理器和第二處理器構(gòu)成的并行控制單元；
[0011]網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器，與所述第二處理器連接用于接收和/或發(fā)射用于與其他機(jī)器人進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，并發(fā)送到所述第二處理器；
[0012]環(huán)境檢測(cè)傳感器組，與所述第一處理器連接，用于檢測(cè)機(jī)器人所在位置的環(huán)境信息，并發(fā)送到所述第一處理器；
[0013]位置檢測(cè)傳感器組，與所述第一處理器連接，用于檢測(cè)機(jī)器人當(dāng)前的位置信息，并發(fā)送到所述第一處理器；
[0014]姿態(tài)檢測(cè)傳感器組，與所述第一處理器連接，用于檢測(cè)機(jī)器人當(dāng)前的姿態(tài)信息，并發(fā)送到所述第一處理器；
[0015]所述第一處理器，用于接收所述位置檢測(cè)傳感器組、環(huán)境檢測(cè)傳感器組和/或姿態(tài)檢測(cè)傳感器組上傳的數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制；
[0016]所述第二處理器，與所述第一處理器連接，用于通過所述網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器與其他機(jī)器人進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，根據(jù)通信結(jié)果生成控制命令，并將生成的控制命令發(fā)送到所述第一處理器；
[0017]所述第一處理器，還用于根據(jù)接收到的控制命令對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制。
[0018]其中，所述控制器還包括:異步收發(fā)器，所述第一處理器與所述第二處理器通過所述異步收發(fā)器進(jìn)行通信連接。
[0019 ]其中，所述環(huán)境檢測(cè)傳感器組，包括:
[0020]氣壓傳感器，用于檢測(cè)機(jī)器人所處環(huán)境的氣壓并上傳至所述第一處理器；
[0021]溫濕度傳感器，用于檢測(cè)機(jī)器人所處環(huán)境的溫度和/或濕度并上傳至所述第一處理器；
[0022]空速傳感器，用于檢測(cè)機(jī)器人所處位置的空氣流速并上傳至所述第一處理器；
[0023]光強(qiáng)度傳感器，用于檢測(cè)機(jī)器人所處位置的光照強(qiáng)度并上傳至所述第一處理器。
[0024]其中，所述姿態(tài)檢測(cè)傳感器組，包括:
[0025]角速度傳感器，用于測(cè)量機(jī)器人在預(yù)設(shè)區(qū)域?qū)?yīng)的坐標(biāo)系下繞X、Y和Z軸運(yùn)動(dòng)的角速度并上傳至所述第一處理器；
[0026]加速度傳感器，用于測(cè)量機(jī)器人在所述預(yù)設(shè)區(qū)域?qū)?yīng)的坐標(biāo)系下，在Χ、Υ和Z三個(gè)坐標(biāo)軸的絕對(duì)加速度并上傳至所述第一處理器。
[0027]其中，所述控制器還包括:模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端與所述角速度傳感器連接，輸出端與所述第一處理器連接，用于將所述角速度傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將得到的數(shù)字信號(hào)上傳至所述第一處理器。
[0028]其中，所述位置檢測(cè)傳感器組，包括:
[0029]GPS接收器，用于接收機(jī)器人相對(duì)大地的所在位置的坐標(biāo)信息，并上傳到所述第一處理器；
[0030]電子羅盤，用于測(cè)量機(jī)器人在所述預(yù)設(shè)區(qū)域?qū)?yīng)的坐標(biāo)系下相對(duì)于地理北向的角度并上傳至所述第一處理器。
[0031]其中，所述控制器還包括:與所述第一處理器連接的存儲(chǔ)器。
[0032]其中，所述控制器還包括:與所述第一處理器連接的擴(kuò)展1接口。
[0033 ]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種機(jī)器人分布式控制方法，該方法包括:
[0034]接收用戶發(fā)送的控制指令；
[0035]根據(jù)所述控制指令進(jìn)行路徑規(guī)劃，得到運(yùn)行路徑；
[0036]確定所述運(yùn)行路徑對(duì)應(yīng)的位置控制量以及姿態(tài)控制量；
[0037]根據(jù)所述位置控制量以及姿態(tài)控制量生成控制命令，并根據(jù)所述控制命令對(duì)所述機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，以使所述機(jī)器人根據(jù)按照所述運(yùn)行路徑進(jìn)行運(yùn)行。
[0038]其中，所述方法還包括:
[0039]接收上位機(jī)發(fā)送的控制命令，以及位置檢測(cè)傳感器組和姿態(tài)檢測(cè)傳感器組上傳的傳感器信息；
[0040]根據(jù)所述控制命令和/或傳感器信息調(diào)整所述運(yùn)行路徑；
[0041]確定調(diào)整后的運(yùn)行路徑對(duì)應(yīng)的第二位置控制量以及第二姿態(tài)控制量，根據(jù)所述第二位置控制量以及第二姿態(tài)控制量生成第二控制命令，并根據(jù)所述第二控制命令對(duì)所述機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。
[0042]本發(fā)明的有益效果為:
[0043]本發(fā)明提供的機(jī)器人分布式控制器及控制方法，通過并行機(jī)制來降低處理器的計(jì)算負(fù)擔(dān)和保證實(shí)時(shí)控制的要求，通過多傳感器數(shù)據(jù)融合提高機(jī)器人運(yùn)行過程中的抗干擾性能和機(jī)器人高速運(yùn)動(dòng)的控制精度，實(shí)現(xiàn)一個(gè)對(duì)多個(gè)機(jī)器人進(jìn)行集群控制的控制器，當(dāng)然它不僅具備單個(gè)機(jī)器人的精確控制的功能，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境，以及對(duì)“同伴”的感知，也就是說在控制器自組網(wǎng)范圍內(nèi)使多個(gè)機(jī)器人能夠更好的協(xié)同運(yùn)行。并不是單單提高了單個(gè)機(jī)器人的抗干擾性能和控制精度。
【附圖說明】
[0044]通過閱讀下文優(yōu)選實(shí)施方式的詳細(xì)描述，各種其他的優(yōu)點(diǎn)和益處對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將變得清楚明了。附圖僅用于示出優(yōu)選實(shí)施方式的目的，而并不認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。而且在整個(gè)附圖中，用相同的參考符號(hào)表示相同的部件。在附圖中:
[0045]圖1為本發(fā)明實(shí)施例提出的機(jī)器人分布式控制器的結(jié)構(gòu)框圖；
[0046]圖2為本發(fā)明另一實(shí)施例提出的機(jī)器人分布式控制器的結(jié)構(gòu)框圖；
[0047]圖3為本發(fā)明另一實(shí)施例提出的機(jī)器人分布式控制器的結(jié)構(gòu)框圖；
[0048]圖4為本發(fā)明實(shí)施例提出的機(jī)器人分布式控制器的硬件結(jié)構(gòu)圖；
[0049]圖5為本發(fā)明實(shí)施例提出的機(jī)器人分布式控制方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0050]下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。
[0051]圖1為本發(fā)明實(shí)施例提出的機(jī)器人分布式控制器的結(jié)構(gòu)框圖，參見圖1，本發(fā)明實(shí)施例提供的機(jī)器人分布式控制器，包括網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器1、環(huán)境檢測(cè)傳感器組2、位置檢測(cè)傳感器組3、姿態(tài)檢測(cè)傳感器組4以及由第一處理器5和第二處理器6構(gòu)成的并行控制單元；網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器I，與所述第二處理器6連接用于接收和/或發(fā)射用于與其他機(jī)器人進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，并發(fā)送到所述第二處理器6;環(huán)境檢測(cè)傳感器組2，與所述第一處理器5連接，用于檢測(cè)機(jī)器人所在位置的環(huán)境信息，并發(fā)送到所述第一處理器5;位置檢測(cè)傳感器組3，與所述第一處理器5連接，用于檢測(cè)機(jī)器人當(dāng)前的位置信息，并發(fā)送到所述第一處理器5;姿態(tài)檢測(cè)傳感器組4，與所述第一處理器5連接，用于檢測(cè)機(jī)器人當(dāng)前的姿態(tài)信息，并發(fā)送到所述第一處理器5;所述第一處理器5，用于接收所述位置檢測(cè)傳感器組2、環(huán)境檢測(cè)傳感器組3和/或姿態(tài)檢測(cè)傳感器組4上傳的數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制;所述第二處理器6，與所述第一處理器連接，用于通過所述網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器與其他機(jī)器人進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，根據(jù)通信結(jié)果生成控制命令，并將生成的控制命令發(fā)送到所述第一處理器5;所述第一處理器5，還用于根據(jù)接收到的控制命令對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制。
[0052]本實(shí)施例中的并行控制單元具備兩個(gè)處理器，兩個(gè)處理器分別基于ARM Cortex-A9和ARM Cortex-M4內(nèi)核架構(gòu)，兩個(gè)處理器上分別運(yùn)行兩個(gè)不同的操作系統(tǒng)。第一處理器在基于ARM Cortex-M4內(nèi)核架構(gòu)的32位微控制器上運(yùn)行NUTTX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，以滿足機(jī)器人底層硬件的嚴(yán)格實(shí)時(shí)控制的要求。第二處理器在基于ARM Cortex-AQ內(nèi)核架構(gòu)的片上系統(tǒng)(SOC, System on Chip)上運(yùn)行Linux系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上搭建機(jī)器人操作系統(tǒng)(ROS ,RobotOperating System)框架，提供各個(gè)節(jié)點(diǎn)(各個(gè)控制器)之間的數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)兩兩控制節(jié)點(diǎn)之間信息的相互感知，并負(fù)責(zé)處理對(duì)計(jì)算能力要求較高的數(shù)據(jù)信息，這些信息包括并不限于圖像處理，三維重建，即時(shí)定位與地圖構(gòu)建(SLAM，Simultaneous Localizat1n andMapping)。機(jī)器人操作系統(tǒng):一種機(jī)器人軟件平臺(tái)，提供硬件抽象，底層設(shè)備控制，常用功能實(shí)現(xiàn)，進(jìn)程間消息以及數(shù)據(jù)包管理等標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)服務(wù)。支持多種語言開發(fā)，支持多種語言混合使用，以此簡(jiǎn)化開發(fā)者的工作?；贚inux系統(tǒng)，可靠性高。另外，ROS是一種分布式處理框架，開發(fā)者可以單獨(dú)設(shè)計(jì)可執(zhí)行文件。不同節(jié)點(diǎn)的進(jìn)程能接受、發(fā)布各種信息(例如，傳感器信息，控制信息，狀態(tài)信息，規(guī)劃信息)。
[0053]微控制器提供硬件資源有:5個(gè)通用異步收發(fā)傳輸器(UART，Univer salAsynchronous Receiver/Transmitter)，2路串行夕卜設(shè)接口 (SPI, Serial PeripheralInterface), I路集成電路總線(IIC或I2C，Inter-1ntegrated Circuit)。負(fù)責(zé)各種傳感器數(shù)據(jù)的采集，支持加速度計(jì)，陀螺儀，GPS，氣壓計(jì)，空速計(jì)等傳感器，提供8個(gè)脈沖寬度調(diào)制(P麗,Pulse Width Modulat1n)通道，用以控制無刷電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，舵機(jī)等電氣運(yùn)動(dòng)單
J L ο
[0054]本實(shí)施例中的網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器I包括局域網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器和4G網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器。其中，局域網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器，接收并發(fā)射用以各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的局域網(wǎng)絡(luò)信號(hào);4G網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器，接收并發(fā)射用以各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的4G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，上述兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器組成網(wǎng)絡(luò)通訊接口，可以使得多個(gè)機(jī)器人控制器節(jié)點(diǎn)之間支持無線局域網(wǎng)和4G通訊技術(shù)，可以選擇性構(gòu)成一片小型的局域網(wǎng)或大范圍的4G網(wǎng)絡(luò)，用以搭建指揮無人機(jī)陣列控制、集群控制、分布式控制的通信網(wǎng)絡(luò)。
[0055]其中，所述環(huán)境檢測(cè)傳感器組2，如圖2所示，包括:氣壓傳感器21，用于檢測(cè)機(jī)器人所處環(huán)境的氣壓并上傳至所述第一處理器;濕度傳感器22，用于檢測(cè)機(jī)器人所處環(huán)境的溫度和/或濕度并上傳至所述第一處理器;空速傳感器23，用于檢測(cè)機(jī)器人所處位置的空氣流速并上傳至所述第一處理器;光強(qiáng)度傳感器24，用于檢測(cè)機(jī)器人所處位置的光照強(qiáng)度并上傳至所述第一處理器。
[0056]本實(shí)施例中，氣壓傳感器，檢測(cè)機(jī)器人所處環(huán)境的氣壓，通過現(xiàn)有的數(shù)學(xué)變換得到機(jī)器人控制器所在高度值，將兩個(gè)參數(shù)通過地面站軟件反饋給用戶參考，并輸出測(cè)量結(jié)果到微控制器，根據(jù)此結(jié)果做出相應(yīng)自定義控制操作。溫濕度傳感器，檢測(cè)機(jī)器人所處環(huán)境的溫度和濕度，通過地面站軟件反饋給用戶參考，并輸出測(cè)量結(jié)果到微控制器，根據(jù)此結(jié)果做出相應(yīng)自定義控制操作?？账賯鞲衅鳎瑱z測(cè)機(jī)器人周圍空氣流速，通過地面站軟件反饋給用戶參考，根據(jù)此結(jié)果做出相應(yīng)自定義控制操作。光強(qiáng)度傳感器，檢測(cè)機(jī)器人所處環(huán)境的光強(qiáng)度，通過地面站軟件反饋給用戶參考，根據(jù)此結(jié)果做出相應(yīng)自定義控制操作。
[0057]其中，所述姿態(tài)檢測(cè)傳感器組4，如圖3所示，包括:角速度傳感器41，用于測(cè)量機(jī)器人在預(yù)設(shè)區(qū)域?qū)?yīng)的坐標(biāo)系下繞x、Y和Z軸運(yùn)動(dòng)的角速度并上傳至所述第一處理器;加速度傳感器42，用于測(cè)量機(jī)器人在所述預(yù)設(shè)區(qū)域?qū)?yīng)的坐標(biāo)系下，在Χ、Υ和Z三個(gè)坐標(biāo)軸的絕對(duì)加速度并上傳至所述第一處理器。
[0058]本實(shí)施例中，采用陀螺儀作為角速度傳感器，測(cè)量機(jī)器人在控制器規(guī)定的坐標(biāo)系下繞Χ、Υ、Ζ軸的角速度，用以感知機(jī)器人的飛行姿態(tài)。加速度傳感器，測(cè)量機(jī)器人在控制器規(guī)定的坐標(biāo)系下x、Y、z三個(gè)軸絕對(duì)加速度，與陀螺儀的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)融合得出機(jī)器人精確的飛行姿態(tài)。
[0059]進(jìn)一步地，所述控制器還包括:模數(shù)轉(zhuǎn)換器7，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端與所述角速度傳感器連接，輸出端與所述第一處理器連接，用于將所述角速度傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將得到的數(shù)字信號(hào)上傳至所述第一處理器。當(dāng)角速度傳感器采用陀螺儀實(shí)現(xiàn)時(shí)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于將陀螺儀輸出的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號(hào)，輸出給微控制器。
[0060]其中，所述位置檢測(cè)傳感器組3，如圖3所示，包括:GPS接收器31，用于接收機(jī)器人相對(duì)大地的所在位置的坐標(biāo)信息，并上傳到所述第一處理器；電子羅盤32，用于測(cè)量機(jī)器人在所述預(yù)設(shè)區(qū)域?qū)?yīng)的坐標(biāo)系下相對(duì)于地理北向的角度并上傳至所述第一處理器。
[0061]本實(shí)施例中，電子羅盤，測(cè)量機(jī)器人在控制器規(guī)定的坐標(biāo)系下相對(duì)于地理北的角度，用于指示當(dāng)前機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向。全球定位系統(tǒng)(GPS)接收器，用以接收控制器相對(duì)大地的所在位置的坐標(biāo)信息，提供給并行控制中心進(jìn)行處理和反饋。
[0062]其中，所述控制器還包括:與所述第一處理器連接的存儲(chǔ)器。
[0063]本實(shí)施例中，存儲(chǔ)器包括片上存儲(chǔ)器和擴(kuò)展存儲(chǔ)器，用以存儲(chǔ)機(jī)器人控制器工作所需數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。
[0064]其中，所述控制器還包括:與所述第一處理器連接的擴(kuò)展1接口。其中，擴(kuò)展1接口提供了 40根用戶可接觸的微控制器引腳，便于用戶為此控制器擴(kuò)展功能。
[0065]在本發(fā)明的一個(gè)可選實(shí)施例中，所述控制器還包括:異步收發(fā)器7，所述第一處理器5與所述第二處理器6通過所述異步收發(fā)器7進(jìn)行通信連接。
[0066]上述片上系統(tǒng)通過其內(nèi)部的可擴(kuò)展通信節(jié)點(diǎn)與微處理器通過通用異步收發(fā)器電氣連接，遵循MAVLink(Micro Air Vehicle Link，一種用于小型無人載具的通信協(xié)議)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)控制器內(nèi)部控制信息的共享。
[0067]本實(shí)施例中，上述模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用逐次逼近式16位ADS8341，上述陀螺儀分為陀螺儀I和陀螺儀2，陀螺儀I采用ID G - 5 O O，陀螺儀2采用IZ X - 5 O O，上述加速度傳感器采用SCA3100，上述電子羅盤采用HMC5843，上述氣壓傳感器采用BPM085，上述傳感器皆不限于指定型號(hào)。
[0068]此外，本發(fā)明實(shí)施例還包括:輔助傳感器，包括一組安全開關(guān)，用以機(jī)器人姿態(tài)失控檢測(cè)、信息傳輸故障檢測(cè)、機(jī)器人安全狀態(tài)檢測(cè)等故障檢測(cè)。通用開發(fā)接口:供給開發(fā)者進(jìn)行開發(fā)的電氣連接接口，用以將開發(fā)環(huán)境中編寫好的工程項(xiàng)目燒錄到控制器板卡上。
[0069]圖4為本發(fā)明實(shí)施例提出的機(jī)器人分布式控制器的硬件結(jié)構(gòu)圖。參照?qǐng)D4，本實(shí)施例提供的機(jī)器人分布式控制器，包括并行控制單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、陀螺儀、加速度傳感器、電子羅盤、環(huán)境檢測(cè)傳感器、輔助傳感器組、網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器、全球定位系統(tǒng)(GPS)接收器、片上存儲(chǔ)器、擴(kuò)展存儲(chǔ)器、擴(kuò)展1口以及通用開發(fā)接口。其中，并行控制中心包括ARM Cortex-M4內(nèi)核架構(gòu)的微處理器和ARM CorteX-A9內(nèi)核架構(gòu)的片上系統(tǒng)，微處理器上運(yùn)行NUTTX實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，片上系統(tǒng)運(yùn)行Linux實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，并為機(jī)器人操作系統(tǒng)框架搭建系統(tǒng)環(huán)境。環(huán)境狀態(tài)傳感器包括氣壓傳感器、溫濕度傳感器、空速傳感器、光強(qiáng)度傳感器。網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器包括局域網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器、4G網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器。模數(shù)轉(zhuǎn)換器、陀螺儀、加速度傳感器、電子羅盤、環(huán)境檢測(cè)傳感器、輔助傳感器組以及擴(kuò)展1 口直接與微處理器電氣連接，網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器、全球定位系統(tǒng)(GPS)接收器、片上存儲(chǔ)器、擴(kuò)展存儲(chǔ)器接口以及通用開發(fā)接口與片上系統(tǒng)電氣連接。片上系統(tǒng)通過其內(nèi)部的可擴(kuò)展通信節(jié)點(diǎn)與微處理器的通用異步收發(fā)器電氣連接，遵循MAVLink(Micro Air Vehicle Link，一種用于小型無人載具的通信協(xié)議)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)控制器內(nèi)部控制信息的共享。該機(jī)器人控制器具有模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的開放式結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)通訊功能，通過并行機(jī)制來降低處理器的計(jì)算負(fù)擔(dān)和保證實(shí)時(shí)控制的要求，通過多傳感器數(shù)據(jù)融合提高機(jī)器人運(yùn)行過程中的抗干擾性能和機(jī)器人高速運(yùn)動(dòng)的控制精度。
[0070]綜上，本實(shí)施例提供的控制器安裝于特定的機(jī)器人上并進(jìn)行相關(guān)外置接口連接后發(fā)揮作用。此處機(jī)器人具有廣泛意義，可以是可移動(dòng)機(jī)器人，如一架無人機(jī)，一輛搬運(yùn)小車，一個(gè)家庭作業(yè)機(jī)器人;也可以是不可移動(dòng)機(jī)器人，如一架焊接機(jī)器人，一架流水線裝配機(jī)器人。
[0071]圖5為本發(fā)明實(shí)施例提出的機(jī)器人分布式控制方法的流程圖。參見圖5，本發(fā)明實(shí)施例提供的機(jī)器人分布式控制方法，具體包括以下步驟:
[0072]S11、接收用戶發(fā)送的控制指令；
[0073]S12、根據(jù)所述控制指令進(jìn)行路徑規(guī)劃，得到運(yùn)行路徑；
[0074]S13、確定所述運(yùn)行路徑對(duì)應(yīng)的位置控制量以及姿態(tài)控制量；
[0075]S14、根據(jù)所述位置控制量以及姿態(tài)控制量生成控制命令，并根據(jù)所述控制命令對(duì)所述機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，以使所述機(jī)器人根據(jù)按照所述運(yùn)行路徑進(jìn)行運(yùn)行。
[0076]其中，所述方法還包括以下圖中未示出的步驟:
[0077]S15、接收上位機(jī)發(fā)送的控制命令，以及位置檢測(cè)傳感器組和姿態(tài)檢測(cè)傳感器組上傳的傳感器信息;根據(jù)所述控制命令和/或傳感器信息調(diào)整所述運(yùn)行路徑;確定調(diào)整后的運(yùn)行路徑對(duì)應(yīng)的第二位置控制量以及第二姿態(tài)控制量，根據(jù)所述第二位置控制量以及第二姿態(tài)控制量生成第二控制命令，并根據(jù)所述第二控制命令對(duì)所述機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。
[0078]S16、接收來自外部命令控制器或遙控器的控制指令；
[0079]運(yùn)行指定應(yīng)用程序，并發(fā)送自定義控制指令到微控制器；
[0080]接收所述微控制器的反饋信息以實(shí)現(xiàn)控制信息共享。
[0081 ]下面通過具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行清楚的解釋說明。
[0082]1、機(jī)器人底層控制流程:
[0083]用戶通過命令控制器或遙控器向機(jī)器人控制器發(fā)送指令。
[0084]位置估算器對(duì)GPS和電子羅盤的輸出信息進(jìn)行處理得到估算位置。
[0085]路徑規(guī)劃器利用命令控制器或遙控器和位置估算器的結(jié)果進(jìn)行路徑規(guī)劃，并將結(jié)果輸出到位置控制器。
[0086]位置控制器利用路徑規(guī)劃器和位置估算器的結(jié)果計(jì)算位置控制量，結(jié)果輸出到姿態(tài)控制器。
[0087]姿態(tài)估算器對(duì)加速度傳感器和陀螺儀的輸出信息進(jìn)行處理并結(jié)合位置估算器的結(jié)果得到估算姿態(tài)，結(jié)果輸出到姿態(tài)控制器。
[0088]姿態(tài)控制器利用位置控制器和姿態(tài)估算器的結(jié)果計(jì)算姿態(tài)控制量，結(jié)果輸出到混合控制器。
[0089]混合控制器是將來自姿態(tài)控制器的姿態(tài)控制量轉(zhuǎn)換為控制用戶自定義執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制量，然后將其輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器上驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制器通用控制的特性。
[0090]需要說明的是，上述過程中，路徑規(guī)劃器、位置估算器、姿態(tài)估算器、位置控制器、姿態(tài)控制器、混合控制器皆以程序的形式實(shí)現(xiàn)于所述微控制器上。上述過程中，命令控制器可以具體由地面站軟件實(shí)現(xiàn)，而電機(jī)驅(qū)動(dòng)器則為被控制機(jī)器人的一部分，并不包含于此控制器中。
[0091 ] 2、機(jī)器人控制器微控制器運(yùn)行過程:
[0092]接收來自片上系統(tǒng)的控制命令；
[0093]讀取傳感器信息；
[0094]進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)融合；
[0095]對(duì)機(jī)器人進(jìn)行姿態(tài)控制；
[0096]輔助傳感器檢測(cè)機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)；
[0097]機(jī)器人狀態(tài)信息反饋到片上系統(tǒng)；
[0098]片上系統(tǒng)發(fā)送命令。
[0099]需要說明的是，上述過程中，微控制器上運(yùn)行NUTTX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，各個(gè)過程以進(jìn)程的形式實(shí)現(xiàn)并行執(zhí)行。
[0100]3、機(jī)器人控制器片上系統(tǒng)運(yùn)行過程:
[0101 ]接收來自外部命令控制器或遙控器的控制指令
[0102]運(yùn)行用戶在機(jī)器人操作系統(tǒng)下開發(fā)的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)自定義功能
[0103]發(fā)送自定義控制指令到微控制器
[0104]接收來自微控制器的反饋信息以實(shí)現(xiàn)控制信息共享。
[0105]綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例提供的機(jī)器人分布式控制器及控制方法，通過并行機(jī)制來降低處理器的計(jì)算負(fù)擔(dān)和保證實(shí)時(shí)控制的要求，通過多傳感器數(shù)據(jù)融合提高機(jī)器人運(yùn)行過程中的抗干擾性能和機(jī)器人高速運(yùn)動(dòng)的控制精度，實(shí)現(xiàn)一個(gè)對(duì)多個(gè)機(jī)器人的進(jìn)行集群控制，當(dāng)然它不僅具備單個(gè)機(jī)器人的精確控制的功能，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境，以及對(duì)“同伴”的感知，也就是說在控制器自組網(wǎng)范圍內(nèi)使多個(gè)機(jī)器人能夠更好的協(xié)同運(yùn)行。并不是單單提高了單個(gè)機(jī)器人的抗干擾性能和控制精度。
[0106]以上實(shí)施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對(duì)本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護(hù)范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種機(jī)器人分布式控制器，其特征在于，所述控制器包括網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器、環(huán)境檢測(cè)傳感器組、位置檢測(cè)傳感器組、姿態(tài)檢測(cè)傳感器組以及由第一處理器和第二處理器構(gòu)成的并行控制單元； 網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器，與所述第二處理器連接用于接收和/或發(fā)射用于與其他機(jī)器人進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，并發(fā)送到所述第二處理器； 環(huán)境檢測(cè)傳感器組，與所述第一處理器連接，用于檢測(cè)機(jī)器人所在位置的環(huán)境信息，并發(fā)送到所述第一處理器； 位置檢測(cè)傳感器組，與所述第一處理器連接，用于檢測(cè)機(jī)器人當(dāng)前的位置信息，并發(fā)送到所述第一處理器； 姿態(tài)檢測(cè)傳感器組，與所述第一處理器連接，用于檢測(cè)機(jī)器人當(dāng)前的姿態(tài)信息，并發(fā)送到所述第一處理器； 所述第一處理器，用于接收所述位置檢測(cè)傳感器組、環(huán)境檢測(cè)傳感器組和/或姿態(tài)檢測(cè)傳感器組上傳的數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制； 所述第二處理器，與所述第一處理器連接，用于通過所述網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器與其他機(jī)器人進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，根據(jù)通信結(jié)果生成控制命令，并將生成的控制命令發(fā)送到所述第一處理器； 所述第一處理器，還用于根據(jù)接收到的控制命令對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其特征在于，所述控制器還包括:異步收發(fā)器，所述第一處理器與所述第二處理器通過所述異步收發(fā)器進(jìn)行通信連接。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其特征在于，所述環(huán)境檢測(cè)傳感器組，包括: 氣壓傳感器，用于檢測(cè)機(jī)器人所處環(huán)境的氣壓并上傳至所述第一處理器； 溫濕度傳感器，用于檢測(cè)機(jī)器人所處環(huán)境的溫度和/或濕度并上傳至所述第一處理器； 空速傳感器，用于檢測(cè)機(jī)器人所處位置的空氣流速并上傳至所述第一處理器； 光強(qiáng)度傳感器，用于檢測(cè)機(jī)器人所處位置的光照強(qiáng)度并上傳至所述第一處理器。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其特征在于，所述姿態(tài)檢測(cè)傳感器組，包括: 角速度傳感器，用于測(cè)量機(jī)器人在預(yù)設(shè)區(qū)域?qū)?yīng)的坐標(biāo)系下繞X、Y和Z軸運(yùn)動(dòng)的角速度并上傳至所述第一處理器； 加速度傳感器，用于測(cè)量機(jī)器人在所述預(yù)設(shè)區(qū)域?qū)?yīng)的坐標(biāo)系下，在Χ、Υ和Z三個(gè)坐標(biāo)軸的絕對(duì)加速度并上傳至所述第一處理器。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的控制器，其特征在于，所述控制器還包括:模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端與所述角速度傳感器連接，輸出端與所述第一處理器連接，用于將所述角速度傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將得到的數(shù)字信號(hào)上傳至所述第一處理器。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其特征在于，所述位置檢測(cè)傳感器組，包括: GPS接收器，用于接收機(jī)器人相對(duì)大地的所在位置的坐標(biāo)信息，并上傳到所述第一處理器； 電子羅盤，用于測(cè)量機(jī)器人在所述預(yù)設(shè)區(qū)域?qū)?yīng)的坐標(biāo)系下相對(duì)于地理北向的角度并上傳至所述第一處理器。7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的控制器，其特征在于，所述控制器還包括:與所述第一處理器連接的存儲(chǔ)器。8.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的控制器，其特征在于，所述控制器還包括:與所述第一處理器連接的擴(kuò)展1接口。9.一種基于權(quán)利要求1-8任一機(jī)器人分布式控制器的控制方法，其特征在于，所述方法包括: 接收用戶發(fā)送的控制指令； 根據(jù)所述控制指令進(jìn)行路徑規(guī)劃，得到運(yùn)行路徑； 確定所述運(yùn)行路徑對(duì)應(yīng)的位置控制量以及姿態(tài)控制量； 根據(jù)所述位置控制量以及姿態(tài)控制量生成控制命令，并根據(jù)所述控制命令對(duì)所述機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，以使所述機(jī)器人根據(jù)按照所述運(yùn)行路徑進(jìn)行運(yùn)行。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法還包括: 接收上位機(jī)發(fā)送的控制命令，以及位置檢測(cè)傳感器組和姿態(tài)檢測(cè)傳感器組上傳的傳感器信息； 根據(jù)所述控制命令和/或傳感器信息調(diào)整所述運(yùn)行路徑； 確定調(diào)整后的運(yùn)行路徑對(duì)應(yīng)的第二位置控制量以及第二姿態(tài)控制量，根據(jù)所述第二位置控制量以及第二姿態(tài)控制量生成第二控制命令，并根據(jù)所述第二控制命令對(duì)所述機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。
【文檔編號(hào)】G05B19/414GK105824292SQ201610345398
【公開日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2016年5月23日
【發(fā)明人】孫明健, 周金山, 黃龍瑞, 錢行, 馮佳時(shí), 陳譽(yù)文, 沈敏康
【申請(qǐng)人】威海明達(dá)創(chuàng)新科技有限公司