一種機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)境檢測傳感器組、位置檢測傳感器組、姿態(tài)檢測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)射用于與其他機器人進行數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡(luò)信號；環(huán)境檢測傳感器組、位置檢測傳感器組以及姿態(tài)檢測傳感器組分別與第一處理器連接，將檢測數(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)對機器人進行控制；第二處理器根據(jù)與其他機器人的通信結(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)該控制命令對機器人進行控制。本發(fā)明實現(xiàn)了一個對多個機器人的集群控制器，使多個機器人能夠更好的協(xié)同運行。
【專利說明】
一種機器人分布式控制器及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及機器人控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種機器人分布式控制器及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]智能機器人技術(shù)的研究已成為機器人領(lǐng)域的主要發(fā)展方向，如各種精密裝配機器人，力/位置混合控制機器人，多肢體協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)以及先進制造系統(tǒng)中的機器人的研究等?？刂破魇菣C器人系統(tǒng)的核心，相應(yīng)的，對機器人控制器的性能也提出了更高的要求。伴隨著計算機、自動控制理論的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的需要及相關(guān)技術(shù)的進步，機器人的發(fā)展已經(jīng)歷了3代:(I)可編程的示教再現(xiàn)型機器人；(2)基于傳感器控制具有一定自主能力的機器人；(3)智能機器人。作為機器人的核心部分，機器人控制器是影響機器人性能的關(guān)鍵部分之一O
[0003]從機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)是指機器人的控制算法是由串行機來處理。對于這種類型的控制器，從計算機結(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:用一臺功能較強的計算機實現(xiàn)全部控制功能。早期的機器人就采用這種結(jié)構(gòu)，但控制過程中需要許多計算(如坐標變換)，因此這種控制結(jié)構(gòu)速度較慢。
[0005]二級CPU結(jié)構(gòu)、主從式控制方式:一級CPU為主機，擔當系統(tǒng)管理、機器人語言編譯和人機接口功能，同時也利用它的運算能力完成坐標變換、軌跡插補，并定時地把運算結(jié)果作為關(guān)節(jié)運動的增量送到公用內(nèi)存，供二級CPU讀取;二級CPU完成全部關(guān)節(jié)位置數(shù)字控制。這類系統(tǒng)的兩個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)，是一個松耦合的關(guān)系。對采用更多的CPU進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、下位機二級分布式結(jié)構(gòu)，上位機負責整個系統(tǒng)管理以及運動學計算、軌跡規(guī)劃等。下位機由多CHJ組成，每個CPU控制一個關(guān)節(jié)運動，這些CPU和主控機聯(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具體問題而采用的功能分布式結(jié)構(gòu)，即每個處理器承擔固定任務(wù)。目前世界上大多數(shù)商品化機器人控制器都是這種結(jié)構(gòu)。
[0007]機器人控制器是根據(jù)指令以及傳感信息控制機器人完成一定的動作或作業(yè)任務(wù)的裝置，它是機器人的心臟，決定了機器人性能的優(yōu)劣。機器人自誕生以來，特別是工業(yè)機器人所采用的控制器基本上都是開發(fā)者基于自己的獨立結(jié)構(gòu)進行開發(fā)的，其有很多缺陷:
(I)局限于“專用計算機、專用機器人語言、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，不便于對系統(tǒng)進行擴展和改進。(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)容錯性差，由于并行計算中的數(shù)據(jù)相關(guān)性、通訊及同步等內(nèi)在特點，控制器的容錯性能變差，其中一個處理器出故障可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)的癱瘓。(4)擴展性差，目前，機器人控制器的研究著重于從關(guān)節(jié)這一級來改善和提高系統(tǒng)的性能。由于結(jié)構(gòu)的封閉性，難以根據(jù)需要對系統(tǒng)進行擴展。
[0008]從前面提到的機器人控制器來看，其功能單一，且計算能力差，難以保證實時控制的要求，目前，由于人工智能、計算機科學、傳感器技術(shù)及其它相關(guān)學科的長足進步，這樣的機器人控制器已經(jīng)不能滿足當今高水平機器人的研究發(fā)展和應(yīng)用的需求。而且，由于機器人控制算法的復(fù)雜性以及機器人控制性能的亟待提高，許多學者從建模、算法等多方面進行了減少計算量的努力，但仍難以在串行結(jié)構(gòu)控制器上滿足實時計算的要求。

【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)境檢測傳感器組、位置檢測傳感器組、姿態(tài)檢測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)射用于與其他機器人進行數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡(luò)信號，并發(fā)送到所述第二處理器；
[0012]環(huán)境檢測傳感器組，與所述第一處理器連接，用于檢測機器人所在位置的環(huán)境信息，并發(fā)送到所述第一處理器；
[0013]位置檢測傳感器組，與所述第一處理器連接，用于檢測機器人當前的位置信息，并發(fā)送到所述第一處理器；
[0014]姿態(tài)檢測傳感器組，與所述第一處理器連接，用于檢測機器人當前的姿態(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傳感器組、環(huán)境檢測傳感器組和/或姿態(tài)檢測傳感器組上傳的數(shù)據(jù)對機器人進行控制；
[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)器與其他機器人進行數(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機器人進行控制。
[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)器進行通信連接。
[0019 ]其中，所述環(huán)境檢測傳感器組，包括:
[0020]氣壓傳感器，用于檢測機器人所處環(huán)境的氣壓并上傳至所述第一處理器；
[0021]溫濕度傳感器，用于檢測機器人所處環(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，用于檢測機器人所處位置的空氣流速并上傳至所述第一處理器；
[0023]光強度傳感器，用于檢測機器人所處位置的光照強度并上傳至所述第一處理器。
[0024]其中，所述姿態(tài)檢測傳感器組，包括:
[0025]角速度傳感器，用于測量機器人在預(yù)設(shè)區(qū)域?qū)?yīng)的坐標系下繞X、Y和Z軸運動的角速度并上傳至所述第一處理器；
[0026]加速度傳感器，用于測量機器人在所述預(yù)設(shè)區(qū)域?qū)?yīng)的坐標系下，在Χ、Υ和Z三個坐標軸的絕對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轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將得到的數(shù)字信號上傳至所述第一處理器。
[0028]其中，所述位置檢測傳感器組，包括:
[0029]GPS接收器，用于接收機器人相對大地的所在位置的坐標信息，并上傳到所述第一處理器；
[0030]電子羅盤，用于測量機器人在所述預(yù)設(shè)區(qū)域?qū)?yīng)的坐標系下相對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器。
[0032]其中，所述控制器還包括:與所述第一處理器連接的擴展1接口。
[0033 ]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種機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)所述控制指令進行路徑規(guī)劃，得到運行路徑；
[0036]確定所述運行路徑對應(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)所述控制命令對所述機器人的執(zhí)行機構(gòu)進行控制，以使所述機器人根據(jù)按照所述運行路徑進行運行。
[0038]其中，所述方法還包括:
[0039]接收上位機發(fā)送的控制命令，以及位置檢測傳感器組和姿態(tài)檢測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)整所述運行路徑；
[0041]確定調(diào)整后的運行路徑對應(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所述機器人的執(zhí)行機構(gòu)進行控制。
[0042]本發(fā)明的有益效果為:
[0043]本發(fā)明提供的機器人分布式控制器及控制方法，通過并行機制來降低處理器的計算負擔和保證實時控制的要求，通過多傳感器數(shù)據(jù)融合提高機器人運行過程中的抗干擾性能和機器人高速運動的控制精度，實現(xiàn)一個對多個機器人進行集群控制的控制器，當然它不僅具備單個機器人的精確控制的功能，還可以實現(xiàn)對周圍環(huán)境，以及對“同伴”的感知，也就是說在控制器自組網(wǎng)范圍內(nèi)使多個機器人能夠更好的協(xié)同運行。并不是單單提高了單個機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)選實施方式的詳細描述，各種其他的優(yōu)點和益處對于本領(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)選實施方式的目的，而并不認為是對本發(fā)明的限制。而且在整個附圖中，用相同的參考符號表示相同的部件。在附圖中:
[0045]圖1為本發(fā)明實施例提出的機器人分布式控制器的結(jié)構(gòu)框圖；
[0046]圖2為本發(fā)明另一實施例提出的機器人分布式控制器的結(jié)構(gòu)框圖；
[0047]圖3為本發(fā)明另一實施例提出的機器人分布式控制器的結(jié)構(gòu)框圖；
[0048]圖4為本發(fā)明實施例提出的機器人分布式控制器的硬件結(jié)構(gòu)圖；
[0049]圖5為本發(fā)明實施例提出的機器人分布式控制方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0050]下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號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施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。
[0051]圖1為本發(fā)明實施例提出的機器人分布式控制器的結(jié)構(gòu)框圖，參見圖1，本發(fā)明實施例提供的機器人分布式控制器，包括網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器1、環(huán)境檢測傳感器組2、位置檢測傳感器組3、姿態(tài)檢測傳感器組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)射用于與其他機器人進行數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡(luò)信號，并發(fā)送到所述第二處理器6;環(huán)境檢測傳感器組2，與所述第一處理器5連接，用于檢測機器人所在位置的環(huán)境信息，并發(fā)送到所述第一處理器5;位置檢測傳感器組3，與所述第一處理器5連接，用于檢測機器人當前的位置信息，并發(fā)送到所述第一處理器5;姿態(tài)檢測傳感器組4，與所述第一處理器5連接，用于檢測機器人當前的姿態(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傳感器組2、環(huán)境檢測傳感器組3和/或姿態(tài)檢測傳感器組4上傳的數(shù)據(jù)對機器人進行控制;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)器與其他機器人進行數(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機器人進行控制。
[0052]本實施例中的并行控制單元具備兩個處理器，兩個處理器分別基于ARM Cortex-A9和ARM Cortex-M4內(nèi)核架構(gòu)，兩個處理器上分別運行兩個不同的操作系統(tǒng)。第一處理器在基于ARM Cortex-M4內(nèi)核架構(gòu)的32位微控制器上運行NUTTX實時操作系統(tǒng)，以滿足機器人底層硬件的嚴格實時控制的要求。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)上運行Linux系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上搭建機器人操作系統(tǒng)(ROS ,RobotOperating System)框架，提供各個節(jié)點(各個控制器)之間的數(shù)據(jù)共享，實現(xiàn)兩兩控制節(jié)點之間信息的相互感知，并負責處理對計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，即時定位與地圖構(gòu)建(SLAM，Simultaneous Localizat1n andMapping)。機器人操作系統(tǒng):一種機器人軟件平臺，提供硬件抽象，底層設(shè)備控制，常用功能實現(xiàn)，進程間消息以及數(shù)據(jù)包管理等標準操作系統(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)者可以單獨設(shè)計可執(zhí)行文件。不同節(jié)點的進程能接受、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)。負責各種傳感器數(shù)據(jù)的采集，支持加速度計，陀螺儀，GPS，氣壓計，空速計等傳感器，提供8個脈沖寬度調(diào)制(P麗,Pulse Width Modulat1n)通道，用以控制無刷電機，步進電機，舵機等電氣運動單
J L ο
[0054]本實施例中的網(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)射用以各個控制節(jié)點進行數(shù)據(jù)通信的局域網(wǎng)絡(luò)信號;4G網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器，接收并發(fā)射用以各個控制節(jié)點進行數(shù)據(jù)通信的4G網(wǎng)絡(luò)信號，上述兩個網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器組成網(wǎng)絡(luò)通訊接口，可以使得多個機器人控制器節(jié)點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)境檢測傳感器組2，如圖2所示，包括:氣壓傳感器21，用于檢測機器人所處環(huán)境的氣壓并上傳至所述第一處理器;濕度傳感器22，用于檢測機器人所處環(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，用于檢測機器人所處位置的空氣流速并上傳至所述第一處理器;光強度傳感器24，用于檢測機器人所處位置的光照強度并上傳至所述第一處理器。
[0056]本實施例中，氣壓傳感器，檢測機器人所處環(huán)境的氣壓，通過現(xiàn)有的數(shù)學變換得到機器人控制器所在高度值，將兩個參數(shù)通過地面站軟件反饋給用戶參考，并輸出測量結(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，檢測機器人所處環(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。空速傳感器，檢測機器人周圍空氣流速，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。光強度傳感器，檢測機器人所處環(huán)境的光強度，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)檢測傳感器組4，如圖3所示，包括:角速度傳感器41，用于測量機器人在預(yù)設(shè)區(qū)域?qū)?yīng)的坐標系下繞x、Y和Z軸運動的角速度并上傳至所述第一處理器;加速度傳感器42，用于測量機器人在所述預(yù)設(shè)區(qū)域?qū)?yīng)的坐標系下，在Χ、Υ和Z三個坐標軸的絕對加速度并上傳至所述第一處理器。
[0058]本實施例中，采用陀螺儀作為角速度傳感器，測量機器人在控制器規(guī)定的坐標系下繞Χ、Υ、Ζ軸的角速度，用以感知機器人的飛行姿態(tài)。加速度傳感器，測量機器人在控制器規(guī)定的坐標系下x、Y、z三個軸絕對加速度，與陀螺儀的測量結(jié)果進行數(shù)據(jù)融合得出機器人精確的飛行姿態(tài)。
[0059]進一步地，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轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將得到的數(shù)字信號上傳至所述第一處理器。當角速度傳感器采用陀螺儀實現(xiàn)時，模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于將陀螺儀輸出的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號，輸出給微控制器。
[0060]其中，所述位置檢測傳感器組3，如圖3所示，包括:GPS接收器31，用于接收機器人相對大地的所在位置的坐標信息，并上傳到所述第一處理器；電子羅盤32，用于測量機器人在所述預(yù)設(shè)區(qū)域?qū)?yīng)的坐標系下相對于地理北向的角度并上傳至所述第一處理器。
[0061]本實施例中，電子羅盤，測量機器人在控制器規(guī)定的坐標系下相對于地理北的角度，用于指示當前機器人的運動方向。全球定位系統(tǒng)(GPS)接收器，用以接收控制器相對大地的所在位置的坐標信息，提供給并行控制中心進行處理和反饋。
[0062]其中，所述控制器還包括:與所述第一處理器連接的存儲器。
[0063]本實施例中，存儲器包括片上存儲器和擴展存儲器，用以存儲機器人控制器工作所需數(shù)據(jù)和實時產(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展1接口。其中，擴展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展功能。
[0065]在本發(fā)明的一個可選實施例中，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進行通信連接。
[0066]上述片上系統(tǒng)通過其內(nèi)部的可擴展通信節(jié)點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，實現(xiàn)控制器內(nèi)部控制信息的共享。
[0067]本實施例中，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。
[0068]此外，本發(fā)明實施例還包括:輔助傳感器，包括一組安全開關(guān)，用以機器人姿態(tài)失控檢測、信息傳輸故障檢測、機器人安全狀態(tài)檢測等故障檢測。通用開發(fā)接口:供給開發(fā)者進行開發(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目燒錄到控制器板卡上。
[0069]圖4為本發(fā)明實施例提出的機器人分布式控制器的硬件結(jié)構(gòu)圖。參照圖4，本實施例提供的機器人分布式控制器，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、片上存儲器、擴展存儲器、擴展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)，微處理器上運行NUTTX實時嵌入式操作系統(tǒng)，片上系統(tǒng)運行Linux實時操作系統(tǒng)，并為機器人操作系統(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)境檢測傳感器、輔助傳感器組以及擴展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、片上存儲器、擴展存儲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)部的可擴展通信節(jié)點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，實現(xiàn)控制器內(nèi)部控制信息的共享。該機器人控制器具有模塊化、標準化的開放式結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)通訊功能，通過并行機制來降低處理器的計算負擔和保證實時控制的要求，通過多傳感器數(shù)據(jù)融合提高機器人運行過程中的抗干擾性能和機器人高速運動的控制精度。
[0070]綜上，本實施例提供的控制器安裝于特定的機器人上并進行相關(guān)外置接口連接后發(fā)揮作用。此處機器人具有廣泛意義，可以是可移動機器人，如一架無人機，一輛搬運小車，一個家庭作業(yè)機器人;也可以是不可移動機器人，如一架焊接機器人，一架流水線裝配機器人。
[0071]圖5為本發(fā)明實施例提出的機器人分布式控制方法的流程圖。參見圖5，本發(fā)明實施例提供的機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)所述控制指令進行路徑規(guī)劃，得到運行路徑；
[0074]S13、確定所述運行路徑對應(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)所述控制命令對所述機器人的執(zhí)行機構(gòu)進行控制，以使所述機器人根據(jù)按照所述運行路徑進行運行。
[0076]其中，所述方法還包括以下圖中未示出的步驟:
[0077]S15、接收上位機發(fā)送的控制命令，以及位置檢測傳感器組和姿態(tài)檢測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)整所述運行路徑;確定調(diào)整后的運行路徑對應(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所述機器人的執(zhí)行機構(gòu)進行控制。
[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現(xiàn)控制信息共享。
[0081 ]下面通過具體的實施例對本發(fā)明進行清楚的解釋說明。
[0082]1、機器人底層控制流程:
[0083]用戶通過命令控制器或遙控器向機器人控制器發(fā)送指令。
[0084]位置估算器對GPS和電子羅盤的輸出信息進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)估算器對加速度傳感器和陀螺儀的輸出信息進行處理并結(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)行機構(gòu)的控制量，然后將其輸出到電機驅(qū)動器上驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，從而實現(xiàn)機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現(xiàn)，而電機驅(qū)動器則為被控制機器人的一部分，并不包含于此控制器中。
[0091 ] 2、機器人控制器微控制器運行過程:
[0092]接收來自片上系統(tǒng)的控制命令；
[0093]讀取傳感器信息；
[0094]進行傳感器數(shù)據(jù)融合；
[0095]對機器人進行姿態(tài)控制；
[0096]輔助傳感器檢測機器人運行狀態(tài)；
[0097]機器人狀態(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，微控制器上運行NUTTX實時操作系統(tǒng)，各個過程以進程的形式實現(xiàn)并行執(zhí)行。
[0100]3、機器人控制器片上系統(tǒng)運行過程:
[0101 ]接收來自外部命令控制器或遙控器的控制指令
[0102]運行用戶在機器人操作系統(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現(xiàn)控制信息共享。
[0105]綜上所述，本發(fā)明實施例提供的機器人分布式控制器及控制方法，通過并行機制來降低處理器的計算負擔和保證實時控制的要求，通過多傳感器數(shù)據(jù)融合提高機器人運行過程中的抗干擾性能和機器人高速運動的控制精度，實現(xiàn)一個對多個機器人的進行集群控制，當然它不僅具備單個機器人的精確控制的功能，還可以實現(xiàn)對周圍環(huán)境，以及對“同伴”的感知，也就是說在控制器自組網(wǎng)范圍內(nèi)使多個機器人能夠更好的協(xié)同運行。并不是單單提高了單個機器人的抗干擾性能和控制精度。
[0106]以上實施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(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)明的專利保護范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。
【主權(quán)項】
1.一種機器人分布式控制器，其特征在于，所述控制器包括網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器、環(huán)境檢測傳感器組、位置檢測傳感器組、姿態(tài)檢測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)射用于與其他機器人進行數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡(luò)信號，并發(fā)送到所述第二處理器； 環(huán)境檢測傳感器組，與所述第一處理器連接，用于檢測機器人所在位置的環(huán)境信息，并發(fā)送到所述第一處理器； 位置檢測傳感器組，與所述第一處理器連接，用于檢測機器人當前的位置信息，并發(fā)送到所述第一處理器； 姿態(tài)檢測傳感器組，與所述第一處理器連接，用于檢測機器人當前的姿態(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傳感器組、環(huán)境檢測傳感器組和/或姿態(tài)檢測傳感器組上傳的數(shù)據(jù)對機器人進行控制； 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)器與其他機器人進行數(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機器人進行控制。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)境檢測傳感器組，包括: 氣壓傳感器，用于檢測機器人所處環(huán)境的氣壓并上傳至所述第一處理器； 溫濕度傳感器，用于檢測機器人所處環(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，用于檢測機器人所處位置的空氣流速并上傳至所述第一處理器； 光強度傳感器，用于檢測機器人所處位置的光照強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)檢測傳感器組，包括: 角速度傳感器，用于測量機器人在預(yù)設(shè)區(qū)域?qū)?yīng)的坐標系下繞X、Y和Z軸運動的角速度并上傳至所述第一處理器； 加速度傳感器，用于測量機器人在所述預(yù)設(shè)區(qū)域?qū)?yīng)的坐標系下，在Χ、Υ和Z三個坐標軸的絕對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轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將得到的數(shù)字信號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，所述位置檢測傳感器組，包括: GPS接收器，用于接收機器人相對大地的所在位置的坐標信息，并上傳到所述第一處理器； 電子羅盤，用于測量機器人在所述預(yù)設(shè)區(qū)域?qū)?yīng)的坐標系下相對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器。8.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項所述的控制器，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展1接口。9.一種基于權(quán)利要求1-8任一機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)所述控制指令進行路徑規(guī)劃，得到運行路徑； 確定所述運行路徑對應(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)所述控制命令對所述機器人的執(zhí)行機構(gòu)進行控制，以使所述機器人根據(jù)按照所述運行路徑進行運行。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: 接收上位機發(fā)送的控制命令，以及位置檢測傳感器組和姿態(tài)檢測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)整所述運行路徑； 確定調(diào)整后的運行路徑對應(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所述機器人的執(zhí)行機構(gòu)進行控制。
【文檔編號】G05B19/414GK105824292SQ201610345398
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年5月23日
【發(fā)明人】孫明健, 周金山, 黃龍瑞, 錢行, 馮佳時, 陳譽文, 沈敏康
【申請人】威海明達創(chuàng)新科技有限公司