一種機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種采用多傳感器技術(shù)和運(yùn)動(dòng)控制算法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]在機(jī)器人系統(tǒng)中，定位是一項(xiàng)核心技術(shù)，是機(jī)器人研究領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。機(jī)器人導(dǎo)航的基本任務(wù)有二點(diǎn):
[0003](I)基于環(huán)境理解的全局定位:通過(guò)環(huán)境中景物的理解，識(shí)別人為路標(biāo)或具體的實(shí)物，以完成對(duì)機(jī)器人的定位，為路徑規(guī)劃提供素材；
[0004](2)安全保護(hù):能對(duì)機(jī)器人工作環(huán)境中出現(xiàn)的障礙和移動(dòng)物體作出分析并避免對(duì)機(jī)器人造成的損傷。
[0005]機(jī)器人有多種導(dǎo)航方式，根據(jù)環(huán)境信息的完整程度、導(dǎo)航指示信號(hào)類型等因素的不同，可以分為基于地圖的導(dǎo)航、基于創(chuàng)建地圖的導(dǎo)航和無(wú)地圖的導(dǎo)航三類。根據(jù)導(dǎo)航采用的硬件的不同，可將導(dǎo)航系統(tǒng)分為視覺(jué)導(dǎo)航和非視覺(jué)傳感器組合導(dǎo)航。在自主移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航中，無(wú)論是局部實(shí)時(shí)避障還是全局規(guī)劃，都需要精確知道機(jī)器人或障礙物的當(dāng)前狀態(tài)及位置，以完成導(dǎo)航、避障及路徑規(guī)劃等任務(wù)，這就是機(jī)器人的定位問(wèn)題。
[0006]傳統(tǒng)的導(dǎo)航技術(shù)數(shù)據(jù)源較為單一，因此使得對(duì)機(jī)器人周邊信息掌握的不夠準(zhǔn)確，嚴(yán)重影響機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性，甚至導(dǎo)致其因?yàn)榭呐?、摔倒產(chǎn)生了損壞，影響了使用可靠性。為了克服這一問(wèn)題，有人提出了比較成熟的定位系統(tǒng)可分為被動(dòng)式傳感器系統(tǒng)和主動(dòng)式傳感器系統(tǒng)。而單一地采用上述系統(tǒng)，依舊不能精確地反映檢測(cè)對(duì)象的特性，無(wú)法消除信息的不確定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]鑒于現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問(wèn)題，本實(shí)用新型的主要目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，為機(jī)器人裝備多種傳感器，通過(guò)多源信息融合產(chǎn)生更準(zhǔn)確、更全面的信息，提高機(jī)器人使用的可靠性。
[0008]本實(shí)用新型提供了一種機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制模塊，包括超聲波測(cè)距單元、紅外測(cè)距單元、防跌落單元、加速度測(cè)量單元、電機(jī)控制單元、陀螺儀單元，其特征在于:其中:
[0009]所述超聲波測(cè)距單元包括在機(jī)器人前后面設(shè)置的多個(gè)超聲波測(cè)距傳感器，所述的超聲波測(cè)距傳感器帶有實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償功能，并設(shè)置在一條總線上，所述總線最多可掛接20個(gè)超聲波測(cè)距傳感器，所述多個(gè)超聲波測(cè)距傳感器采用分時(shí)采集的方法，當(dāng)一個(gè)超聲波完成測(cè)量后，啟動(dòng)另一個(gè)超聲波測(cè)量，以此解決相互干擾；
[0010]所述紅外測(cè)距單元，包括在機(jī)器人前面設(shè)置多個(gè)紅外測(cè)距傳感器，主要分布在機(jī)器人兩側(cè)的邊緣以及所述超聲波測(cè)距傳感器之間，用以彌補(bǔ)超聲波系統(tǒng)中存在的死區(qū)部分;
[0011]所述防跌落單元，包括在機(jī)器人底盤近地面邊緣設(shè)置多個(gè)紅外測(cè)距傳感器，可測(cè)量該部位到地面的距離，這樣每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的前后兩側(cè)機(jī)器人底盤的正前方和正后方都能檢測(cè)到，并在發(fā)生異常時(shí)能夠及時(shí)將數(shù)據(jù)反饋到控制器，達(dá)到有效的預(yù)防；
[0012]所述加速度測(cè)量單元，用于當(dāng)機(jī)器人摔倒或跌落時(shí)，且防跌落單元未發(fā)出有效反饋時(shí)，能夠監(jiān)測(cè)到這種異常行為，并及時(shí)通知控制器進(jìn)行相應(yīng)的處理；
[0013]所述電機(jī)控制單元，包括帶霍爾反饋輸出的直流電機(jī)，將電機(jī)反饋?zhàn)鳛樵隽渴絇ID控制的輸入量計(jì)算對(duì)電機(jī)的輸出控制，用以解決由于采樣周期不準(zhǔn)確帶來(lái)的計(jì)算結(jié)果偏大或偏小造成的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)忽快忽慢的問(wèn)題；
[0014]所述陀螺儀單元，設(shè)置在在電機(jī)控制單元中，接受電機(jī)反饋來(lái)計(jì)算機(jī)器人相對(duì)于初始位置的位移，通過(guò)所述陀螺儀計(jì)算出機(jī)器人轉(zhuǎn)過(guò)的角度，根據(jù)距離和角度的關(guān)系就能算出當(dāng)下機(jī)器人的坐標(biāo)。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例的底盤紅外避障傳感器分布圖。
[0016]圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例的機(jī)器人前面?zhèn)鞲衅鞣植紙D。
[0017]圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例的機(jī)器人后面?zhèn)鞲衅鞣植紙D。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做出詳細(xì)的說(shuō)明。
[0019]本實(shí)用新型實(shí)施例提供了一種機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，包括:
[0020]超聲波測(cè)距單元，其采用KS103超聲波測(cè)距探測(cè)器，并包含實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償?shù)木嚯x探測(cè)，能夠?qū)崿F(xiàn)高探測(cè)精度；即便在電源電壓受干擾或噪音較大時(shí)，仍可正常工作；所述的超聲波測(cè)距探測(cè)器的測(cè)距范圍為2m時(shí)，一次測(cè)量過(guò)程僅需20ms，測(cè)量角度可達(dá)60°，機(jī)器人可設(shè)置多個(gè)超聲波測(cè)距傳感器，為其提供20個(gè)可修改的IIC地址，即一條總線上最多可掛接20個(gè)傳感器；在機(jī)器人身上共有5個(gè)超聲波組成一個(gè)超聲波測(cè)量系統(tǒng)，因各個(gè)超聲波都是可獨(dú)立發(fā)送和接收的，為避免各個(gè)超聲波模塊同時(shí)進(jìn)行發(fā)射造成不同超聲波之間的干擾，將超聲波分為2組，圖2中的1、2、3為I組，圖3中的1、2為I組，每組都采用分時(shí)采集的方法，當(dāng)一個(gè)超聲波完成測(cè)量后，啟動(dòng)另一個(gè)超聲波測(cè)量，這樣就解決了相互之間的干擾，并提高了整體的更新周期，使底層在60ms內(nèi)就能完成所有的超聲波數(shù)據(jù)采集工作；5個(gè)超聲波的分布情況如圖2和圖3 ;如圖2，以機(jī)器人的中心點(diǎn)為圓心，前殼上的3個(gè)超聲波以分別間隔30°的方式排布，這樣的排布可保證能夠測(cè)量整個(gè)機(jī)器人前方的空間是否有障礙物；如圖3，后殼上有2個(gè)超聲波在后殼上平行排布，間距為17.2cm，可在機(jī)器人進(jìn)行后退時(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單的避障處理。
[0021]紅外測(cè)距單元采用夏普的GP2Y0A21，夏普GP2Y0A21型距離測(cè)量傳感器時(shí)基于PSD的微距傳感器，其有效的測(cè)量距離在80cm以內(nèi)，有效的測(cè)量角度大于40°，輸出的信號(hào)為模擬電壓，在0~8cm左右的范圍內(nèi)與距離成正比非線性的關(guān)系，在10~80cm的距離范圍內(nèi)成反比非線性關(guān)系，平均功耗約為30mA，反應(yīng)時(shí)間為5ms，并且對(duì)背景光及溫度的適應(yīng)性較強(qiáng)。
[0022]在圖2中可以看出在超聲波測(cè)量的系統(tǒng)中存在明顯的死區(qū)部分，包括I和2之間、2和3之間、3和4之間、I和7之間，所以在圖2的4、5、6、7位置分別加裝了一個(gè)紅外測(cè)距傳感器，從而增加避障的可靠性，這樣的設(shè)計(jì)即可以保證機(jī)器人在行走的過(guò)程中兩側(cè)部分不會(huì)與障礙物摩擦或碰撞，又可以彌補(bǔ)超聲波系統(tǒng)中間部分存在的死區(qū)；因考慮機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用情況，所以在后面只采用2個(gè)超聲波避障而沒(méi)有加紅外測(cè)距傳感器，此設(shè)計(jì)足以滿足當(dāng)前的避障要求，而且也可以降低成本。
[0023]防跌落單元，防跌落部分采用夏普的GP2Y0A51SK，其有效的測(cè)量距離在2~15cm，用于預(yù)防機(jī)器人跌落或摔倒，因機(jī)器人底盤到地面的距離是固定的，距離為4cm，所以2~15cm的測(cè)量距離足以滿足防跌落的需求；
[0024]如圖1，為達(dá)到預(yù)防跌落的目的，在機(jī)器人底盤8個(gè)不同部位，分別裝有I個(gè)GP2Y0A51SK，可測(cè)量該部位到地面的距離，分布情況即圖1中標(biāo)示的1~8，以機(jī)器人中心為中心點(diǎn)半徑為15.3cm的圓上，這樣每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的兩側(cè)、每個(gè)轉(zhuǎn)向輪的前后兩側(cè)、2個(gè)轉(zhuǎn)向輪正前方都能檢測(cè)到，并在發(fā)生異常時(shí)能夠及時(shí)將數(shù)據(jù)反饋到控制器，達(dá)到有效的預(yù)防。
[0025]加速度計(jì)單元，雖然機(jī)器人用了 6個(gè)GP2Y0A51SK進(jìn)行防跌落處理，但突發(fā)的異常情況還是可能令機(jī)器人跌落或摔倒，所以增加了加速度計(jì)模塊，當(dāng)機(jī)器人摔倒或跌落時(shí)，可以檢測(cè)到這種異常行為，并及時(shí)通知控制器進(jìn)行相應(yīng)的處理，此模塊安裝在機(jī)器人內(nèi)部。
[0026]電機(jī)控制單元，電機(jī)采用帶霍爾反饋輸出的直流電機(jī)，將電機(jī)反饋?zhàn)鳛樵隽渴絇ID控制的輸入量計(jì)算對(duì)電機(jī)的輸出控制，采樣周期定為5ms，若采樣周期過(guò)短，會(huì)使系統(tǒng)負(fù)擔(dān)過(guò)重降低系統(tǒng)的性能，采樣周期過(guò)長(zhǎng)則控制效果變差，所以采樣周期根據(jù)系統(tǒng)性能定為5ms，為保證采樣周期的精確性，將PID控制過(guò)程放入定時(shí)器中斷中進(jìn)行處理，使系統(tǒng)能夠保證每隔5ms必能進(jìn)行一次PID調(diào)節(jié)控制，這樣可以解決由于采樣周期不準(zhǔn)確帶來(lái)的計(jì)算結(jié)果偏大或偏小造成的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)忽快忽慢的現(xiàn)象。
[0027]陀螺儀單元，在電機(jī)控制部分，電機(jī)的反饋除了可以作為PID控制的輸入外，還可以用來(lái)計(jì)算機(jī)器人相對(duì)于初始位置的位移，但根據(jù)電機(jī)的反饋只能測(cè)試輪子轉(zhuǎn)過(guò)的距離，而無(wú)法確定位移，所以就需要陀螺儀的輔助才能完成位移的計(jì)算，陀螺儀能夠計(jì)算出機(jī)器人轉(zhuǎn)過(guò)的角度，根據(jù)距離和角度的關(guān)系就能算出當(dāng)下機(jī)器人的坐標(biāo)，此模塊安裝在機(jī)器人的內(nèi)部。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，包括復(fù)數(shù)個(gè)功能單元，其特征在于:包括超聲波測(cè)距單元和防跌落單元； 所述的超聲波測(cè)距單元，包括在機(jī)器人前后面設(shè)置的多個(gè)超聲波測(cè)距傳感器，所述的超聲波測(cè)距傳感器帶有實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償功能，并設(shè)置在一條總線上，所述多個(gè)超聲波測(cè)距傳感器采用分時(shí)測(cè)量； 所述防跌落單元，包括在機(jī)器人底盤設(shè)置多個(gè)紅外測(cè)距傳感器，所述多個(gè)紅外測(cè)距傳感器分布在機(jī)器人底盤的驅(qū)動(dòng)輪前后，將所測(cè)量的到地面的距離數(shù)據(jù)及時(shí)反饋到控制器。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的總線最多可掛接20個(gè)超聲波測(cè)距傳感器。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括紅外測(cè)距單元，包括在機(jī)器人前面設(shè)置多個(gè)紅外測(cè)距傳感器，主要分布在機(jī)器人兩側(cè)的邊緣以及所述超聲波測(cè)距傳感器之間，用以對(duì)所述超聲波測(cè)距單元中存在的死區(qū)進(jìn)行探測(cè)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括加速度測(cè)量單元，用于當(dāng)機(jī)器人摔倒或跌落時(shí)，且所述防跌落單元未發(fā)出有效反饋時(shí)，能夠監(jiān)測(cè)到這種異常行為，并及時(shí)通知控制器進(jìn)行相應(yīng)的處理。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括電機(jī)控制單元，采用帶霍爾反饋輸出的直流電機(jī)，將所述霍爾反饋?zhàn)鳛樵隽渴絇ID控制的輸入量，通過(guò)計(jì)算對(duì)電機(jī)的輸出進(jìn)行控制。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括陀螺儀單元，設(shè)置在所述電機(jī)控制單元中，接受電機(jī)反饋來(lái)計(jì)算機(jī)器人相對(duì)于初始位置的位移，通過(guò)所述陀螺儀計(jì)算出機(jī)器人轉(zhuǎn)過(guò)的角度，根據(jù)距離和角度的關(guān)系獲得當(dāng)下機(jī)器人的坐標(biāo)。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的超聲波測(cè)距傳感器按以下方式分布:前殼上的3個(gè)超聲波測(cè)距傳感器以機(jī)器人前殼中心為圓心，以間隔30°的方式排布；后殼上的2個(gè)超聲波測(cè)距傳感器平行排布。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的紅外測(cè)距單元采用夏普GP2Y0A21型距離測(cè)量傳感器。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的防跌落單元設(shè)置8個(gè)，并安裝在以機(jī)器人底盤中心為圓心的圓周上。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的電機(jī)控制單元中，所述增量式PID控制的調(diào)節(jié)周期為5ms。
【專利摘要】本實(shí)用新型提供一種機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，具體為機(jī)器人采用發(fā)射和接收一體的超聲波模塊、紅外傳感器模塊、陀螺儀、加速度計(jì)模塊、直流電機(jī)控制模塊，共同完成機(jī)器人的行走、避障、防跌落以及其他的運(yùn)動(dòng)行為；本實(shí)用新型中的超聲波模塊、陀螺儀、加速度計(jì)模塊均采用低電壓低功耗直流電路，且使用iic總線形式，掛接在同一總線上，控制方便，紅外傳感器皆采用模擬輸出，可方便通過(guò)AD（模數(shù)轉(zhuǎn)換）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理。
【IPC分類】G01C21/20, G05D1/02, G01C21/28, G01C21/34
【公開號(hào)】CN204904091
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520586253
【發(fā)明人】賈彥卿
【申請(qǐng)人】北京家度科技有限公司
【公開日】2015年12月23日
【申請(qǐng)日】2015年8月6日