一种全向机场跑道检测机器人系统及其控制方法与流程

本发明涉及检测与控制技术领域，尤其涉及一种全向机场跑道检测机器人系统及其控制方法。

背景技术：

随着航空业的发展，机场跑道作为飞机起飞降落的重要平台，其安全问题越来越受到重视。对于机场而言，机场跑道路面的完好率和机场跑道是否有异物是飞行安全中非常重要的指标。机场跑道上的缺陷和异物对飞机起降过程的安全带来很大的威胁。因此，机场跑道安全检测系统的设计研究，具有很重要的现实意义。

对于机场跑道检测系统，国外研究开始较早，已经研发相关检测设备，并有相关产品开发完成，如英国的tarsier系统，以色列的foddetect系统，美国的fodfinder系统，新加坡的iferrer系统。尽管这些设备已经在机场安装使用，但仍然有其缺陷。其中，tarsier、foddetect以及iferrer系统都是安装在固定位置如塔架或者跑道边等，机动性差，影响检测和识别精度。fodfinder系统虽然安装在机动车上，但需要专用司机，设备运行成本高，耗时耗力。且以上装置均没有机械手等执行机构，即使发现跑道异物也不能及时清除。当前，国内的机场跑道异物检测系统，大多还处于理论研究和不断尝试阶段，尚未能达到国际上的通用检测标准。综上，国内外得到较多应用的系统在设计成本和维护成本上较高，灵活性较低，且需人工清除异物。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种全向机场跑道检测机器人系统及其控制方法。

为了解决背景技术中所存在的问题，本发明的技术方案为：

一种全向机场跑道检测机器人系统，包括：

采集模块，用于获取本体状态以及机场跑道视频，并将所获取的本体状态发送到远程智能终端，所述本体状态包括全向机场跑道检测机器人的位置、姿态；

控制模块，用于接收远程智能终端发送的机场跑道巡检路线后，根据巡检路线执行轨迹进行运动以及对机场跑道进行视频采集，并根据所采集的视频进行机场跑道裂纹或异物判断：若有裂纹，则将裂纹处的位置发送回远程监控端；若有异物，则控制处理模块对异物进行清理；若无裂纹和异物，则继续执行轨迹跟踪和视频采集；

处理模块，用于控制机械手或吸尘器对异物进行清理。

所述控制模块包括主控模块，所述主控模块上连接有驱动控制模块，所述驱动控制模块上连接有全向运动模块。

所述主控模块为arm11主控制模块，并且所述arm11主控制模块内含嵌入式linux系统。

所述驱动控制模块为dsp驱动控制模块，所述dsp驱动控制模块由两块dsp处理器扩展连接而成，通过uart方式与arm11进行转速数据收发。

所述全向运动模块为mecanum轮全向运动平台，所述mecanum轮全向运动平台由4个mecanum轮、4个直流伺服电机及功率驱动电路构成。

所述采集模块包括与控制模块相连接的视频采集模块和姿态检测模块；所述视频采集模块为cmos摄像头；所述姿态检测模块为stm32位置姿态检测模块，所述stm32位置姿态检测模块由stm32处理器通过iic方式与mpu9250通信，完成姿态检测，通过uart方式与um220-iii通信，完成裂纹处的位置检测。

所述stm32位置姿态检测模块通过gps/北斗系统、陀螺仪、加速度计以及磁力计对机器人进行位置、姿态的检测和信息融合，所述信息融合采用卡尔曼滤波的数据融合，将陀螺仪、加速度计和磁力计数据滤波、融合，计算得到高精度的姿态角度。

所述处理模块为arduino机械手及吸尘器控制模块，所述采用arduino处理器完成6自由度机械手和吸尘器的控制。

一种全向机场跑道检测机器人控制方法，包括：

s1、将本体状态发送到远程智能终端，所述本体状态包括全向机场跑道检测机器人的位置、姿态；

s2、接受远程智能终端根据本体状态发送的机场跑道巡检路线；

s3、根据巡检路线执行轨迹进行运动以及对机场跑道进行视频采集，并根据所采集的视频进行机场跑道裂纹或异物判断：若有裂纹，则将裂纹处的位置发送回远程监控端；若有异物，则对异物进行清理；若无裂纹和异物，则继续执行轨迹跟踪和视频采集。

所述根据巡检路线执行轨迹进行运动具体包括：全向机场跑道检测机器人对直流伺服电机进行运动控制通过速度与位置姿态的双闭环控制器，完成对于设定巡检路线的轨迹跟踪。

与现有技术相比较，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种全向机场跑道检测机器人系统及其控制方法，通过设置多个模块，对机器人实现多模块的控制，机器人各主要部分实现模块化设计，功能实现灵活，便于更换、升级和维护。另外，由于设置视频处理，使得能够快速进行机场跑道裂纹或异物判断，发现问题，并且通过机械手臂或吸尘器及时处理，及时排除危险隐患，保障了机场安全。

进一步的，本发明机场跑道检测机器人根据内部的双闭环控制算法，具有自主性，可以摆脱频繁的人为操作控制，并且采用arm11+双dsp架构进行全向移动平台运动控制体系，充分挖掘出arm11与dsp的各自功能，arm11侧重管理，运行嵌入式linux系统，实现机器人多进程管理和任务调度功能，而dsp优势在于高精度pwm输出，实现精确的内环速度控制。另外采用arm11+stm32架构，在stm32中进行卡尔曼滤波和数据信息融合，实现各功能模块的解耦，有利于功能版本更新迭代，减小arm11主控制单元的负担，提高机器人控制运行效率。

进一步的，机器人全向运动平台采用4个布局合理的mecanum轮，实现平面三自由度灵活的全方位运动控制。针对机场跑道检测机器人这个多变量、非线性、强耦合、干扰不确定以及模型参数不精确的复杂系统，采用滑模变结构控制器进行外环的位置和姿态控制。

附图说明

图1是本发明模块化结构示意图；

图2为本发明的arm11与dsp及mecanum轮全向运动平台连接图；

图3为本发明的arm11与stm32及位置姿态传感器连接图；

图4位本发明的arm11与arduino及6自由度机械手和吸尘器连接图；

图5为本发明的mecanum轮机械结构图；

图6为本发明的控制技术流程步骤图；

图7为本发明的双闭环控制结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

本发明提供了一种全向机场跑道检测机器人系统，包括：

采集模块，用于获取本体状态以及机场跑道视频，并将所获取的本体状态发送到远程智能终端，所述本体状态包括全向机场跑道检测机器人的位置、姿态；

控制模块，用于接收远程智能终端发送的机场跑道巡检路线后，根据巡检路线执行轨迹进行运动以及对机场跑道进行视频采集，并根据所采集的视频进行机场跑道裂纹或异物判断：若有裂纹，则将裂纹处的位置发送回远程监控端；若有异物，则控制处理模块对异物进行清理；若无裂纹和异物，则继续执行轨迹跟踪和视频采集；

处理模块，用于控制机械手或吸尘器对异物进行清理。

如图1所示，控制模块包括主控模块1，所述主控模块1上连接有驱动控制模块2，所述驱动控制模块2上连接有全向运动模块3。所述主控模块1为arm11主控制模块，并且所述arm11主控制模块内含嵌入式linux系统；所述驱动控制模块2为dsp驱动控制模块，所述dsp驱动控制模块由两块dsp处理器扩展连接而成，通过uart方式与arm11进行转速数据收发。优选的，本发明中主控模块1上连接有用于数据传输的wifi模块6。

优选的，所述全向运动模块3为mecanum轮全向运动平台，所述mecanum轮全向运动平台由4个mecanum轮、4个直流伺服电机及功率驱动电路构成。

所述采集模块包括与控制模块相连接的视频采集模块4和姿态检测模块5；所述视频采集模块4为cmos摄像头；所述姿态检测模块5为stm32位置姿态检测模块，所述stm32位置姿态检测模块由stm32处理器通过iic方式与mpu9250通信，完成姿态检测，通过uart方式与um220-iii通信，完成裂纹处的位置检测。

所述stm32位置姿态检测模块通过gps/北斗系统、陀螺仪、加速度计以及磁力计对机器人进行位置、姿态的检测和信息融合，所述信息融合采用卡尔曼滤波的数据融合，将陀螺仪、加速度计和磁力计数据滤波、融合，计算得到高精度的姿态角度。

所述处理模块为arduino机械手及吸尘器控制模块7，所述采用arduino处理器完成6自由度机械手和吸尘器的控制。

本发明的机场跑道检测机器人控制系统包括arm11主控制模块、dsp驱动控制模块、mecanum轮全向运动平台、stm32位置姿态检测模块、视频采集模块、arduino机械手及吸尘器控制模块以及wifi通信模块。各模块之间通过图1所示的方式连接。其中，arm11主控制模块中，除了完成轨迹跟踪控制之外，还要实现上位机指令的解析以及与其它协处理器的数据交互功能等。

dsp驱动控制模块与mecanum轮全向运动平台如图2所示，arm11与dsp28335之间采用uart的通信方式连接，两片dsp之间也采用uart连接，完成mecanum轮转速数据的传输。dsp对mecanum轮转速的控制需要高精度pwm借助功率驱动l298n实现，而mecanum轮的转速反馈需要通过dsp的eqep测量。通过4个mecanum轮的合理布局，机器人在平面内可实现三个自由度上任意的全向运动。

stm32位置姿态检测模块如附图3所示，arm11与stm32之间采用uart的通信方式连接，stm32与姿态传感器mpu9250采用i2c通信方式连接，完成陀螺仪、加速度计、磁力计数据的采集。而stm32与北斗/gps双模定位um220-iii采用uart连接，完成经纬度位置信息的采集。

arduino机械手及吸尘器控制模块如附图4所示，arm11与arduino通过uart的通信方式连接，arduino的pwm输出控制机械手的6个关节舵机，完成6自由度机械手的抓取控制。arduino的io接口通过功率驱动器控制吸尘器的开闭，完成吸尘器对机场跑道轻质异物的清除。

mecanum轮的机械结构如图5所示，由1个中心轮毂及固定在其外周的12个轮辊组成，其中，轮毂与轮辊呈45度角分布。

与此同时，本发明并提供了一种全向机场跑道检测机器人控制方法，如图6所示：

s1、机场跑道检测机器人开始上电并初始化，将本体状态发送到远程智能终端，所述本体状态包括全向机场跑道检测机器人的位置、姿态；

s2、接受远程智能终端根据本体状态通过wifi发送的机场跑道巡检路线；所述远程智能终端设定的机场跑道巡检路径或者轨迹，并通过wifi通信模块将指令以tcp协议的方式发送至机场跑道检测机器人。

s3、根据巡检路线执行轨迹进行运动以及对机场跑道进行视频采集，并根据所采集的视频进行机场跑道裂纹或异物判断：若有裂纹，则将裂纹处的位置发送回远程监控端；若有异物，则对异物进行清理；若无裂纹和异物，则继续执行轨迹跟踪和视频采集。

具体的，机场跑道检测机器人对接收到的巡检路线执行轨迹跟踪，此过程中完成机器人的位姿闭环控制。具体来说，就是将设定轨迹与实际位姿作差并进行滑模控制，将产生的机器人控制输出量通过dsp作用于直流电机，驱动移动平台完成轨迹跟踪运动控制；机场跑道检测机器人在轨迹跟踪的同时，执行机场跑道视频采集并分析判断是够有机场跑道裂纹，若有，将裂纹出现的位置(即经度和纬度)信息通过wifi发送回远程智能终端，若无裂纹，继续执行轨迹跟踪和视频采集；机场跑道检测机器人在轨迹跟踪的同时，执行机场跑道视频采集并分析判断是够有机场跑道异物，若无，继续执行轨迹跟踪和视频采集，若有，机器人停车，如果是异物是金属、石头等大密度时，控制机械手抓取，如果是纸片、树叶等小密度异物时，控制吸尘器吸取。

所述根据巡检路线执行轨迹进行运动具体包括：全向机场跑道检测机器人对直流伺服电机进行运动控制通过速度与位置姿态的双闭环控制器，完成对于设定巡检路线的轨迹跟踪。本发明并提供的位置姿态控制采用双闭环的控制方式，如图7所示。内环在dsp28335中实现mecanum轮的转速pid控制；外环在arm11中实现位置、姿态的滑模变结构控制，外环的输出作为内环的输入。

对于本领域技术人员而言，显然能了解到上述具体实施例只是本发明的优选方案，因此本领域的技术人员对本发明中的某些部分所可能作出的改进、变动，体现的仍是本发明的原理，实现的仍是本发明的目的，均属于本发明所保护的范围。