大尺寸球形机器人控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种大尺寸球形机器人控制系统，它包括上位机部分和球形机器人部分。所述上位机部分包括计算机，单片机和无线通信模块，负责系统管理、人机接口、任务规划和动作指令生成等功能。所述球形机器人部分包括主控制器，单片机和姿态传感器，避障传感器，伺服电机控制器，无线通信模块，24V锂电池，5V锂电池,24V继电器，5V继电器。上位机部分的计算机操作通过单片机和无线通信模块向球形机器人发送指令，球形机器人部分的无线通信模块接收指令，单片机根据指令与主控制器通信，主控制器控制继电器、伺服电机控制器动作，并根据姿态传感器和避障传感器反馈调整机器人运动，实现机器人直线和转向运动。
【专利说明】大尺寸球形机器人控制系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及大尺寸球形机器人控制系统，特别是适用于环境探测的大尺寸球形机器人控制系统。
【背景技术】
[0002]在环境探测过程中，通常会遇到崎岖不平，湿地，沼泽，极热或极寒等恶劣的环境，极大的制约着科学考察的开展，因此机器人代替人工进行探测，成为一种新的趋势。目前，出现了轮式、腿式或履带式等机器人应用于科考活动。
[0003]由于球形机器人具有结构简单、控制方便、运动灵活，以及效率高、能耗小，并具有良好的动态和静态平衡性等优点，近些年来得到了快速的发展，广泛应用于环境探测，科学研究，娱乐等领域，国内外都做了大量的研究，并且取得了较好的成果。但是，对比分析了国内外的研究，球形机器人驱动主要分为内驱动和外驱动。对于内驱动的球形机器人，目前国内外通常做得比较小，北京邮电大学的BYQ系列，哈尔滨工业大学研制的球形机器人，北航的BHQ等，通常直径在320mnT600mm，大小不等，主要用于简单的环境探测，因此对应的控制系统采用单一的单片机，DSP或是ARM类控制单元。外驱动的球形机器人，大多是充气型或是结构简单的框架结构，依靠风力驱动，内部结构配置探测环境数据的器件，控制部分很少，自主性比较差，不能按照预定的轨迹运动。
[0004]对于用于环境探测的球形机器人，要能克服越障困难，陷入凹凸不平的缝隙中的各种困难，并且能根据环境的参数进行调整，具有自主性。这些要求制约了尺寸偏小的球形机器人和外驱动球形机器人的应用。为了能适用于恶劣环境的探测，研制了一个直径为I米的大尺寸球形机器人。球形机器人通过驱动电机和转向电机，带动摆杆和配置块运动，改变机器人的质心位置，产生偏心力矩，驱动机器人运动，实现直线运动和转向运动。为了实现这种自主的运动，针对大尺寸的球形机器人，设计发明了一套大尺寸球形机器人的控制系统。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于解决现有的技术存在的问题，为大尺寸球形机器人提供一种能实现直线运动和转向运动的大尺寸球形机器人控制系统。
[0006]为解决上述技术问题，本发明提供一种大尺寸球形机器人控制系统，包括上位机部分和球形机器人部分。所述上位机部分包括计算机，单片机和无线通信模块，负责系统管理、人机接口、任务规划和动作指令生成等功能。所述球形机器人部分的包括主控制器，单片机和姿态传感器，避障传感器，伺服电机控制器，无线通信模块，24V锂电池，5V锂电池，24V继电器，5V继电器。所述控制器连接伺服电机控制器、单片机、姿态传感器、避障传感器和5V继电器，所述24V锂电池经24V继电器和伺服电机控制器连接伺服电机，所述单片机连接24V继电器、无线通信模块、5V锂电池和5V继电器；
上位机部分无线通信模块包括接收和发射两块射频芯片。[0007]球形机器人部分无线通信模块包括接收和发射两块射频芯片。
[0008]所述球形机器人部分的主控制器集成在一块开发板上。
[0009]大尺寸球形机器人的控制系统，计算机操作通过单片机和无线通信模块向球形机器人发送指令，机器人的无线通信模块接收指令，单片机根据指令与主控制器通信，主控制器，控制继电器、伺服电机控制器动作，并根据姿态传感器和避障传感器反馈调整机器人运动，实现机器人直线和转向运动；主控制器通过单片机向计算机发送机器人的状态信息。
[0010]上位机部分的单片机，型号为STM32，带有SPI接口，采用串口转USB芯片，通过USB连接计算机。用于控制无线通信的接收和发送。
[0011]所述上位机部分的两块射频芯片，型号为nRF24L01，与单片机连接。用于发射和接受计算机和主控制器的信号
上位机部分与球形机器人部分是通过无线传输通信的方式连接。
[0012]所述球形机器人部分的主控制器型号是S3C6410处理器，主频率为667MHz，运行于Linux2.6平台。安装于开发板上。用于计算机器人的各种姿态信息和控制机器人的各种动作，执行控制算法，发送状态信息等。
[0013]球形机器人的开发板，是安装于球形机器人的内框的控制盒内。用于加快开发速度。
[0014]球形机器人部分的单片机，型号为STM32。通过USB接口与主控制连接，安装于球形机器人的内框控制盒内。主要发挥其外设齐全且编程简单的优势，并为主控制器分担一些任务。
[0015]所述球形机器人部分的两块射频芯片，与单片机连接，接收计算机的信息指令和发射球形机器人的信息。
[0016]球形机器人部分的姿态传感器，，内部包含三轴陀螺仪，三轴加速度以及三轴磁场传感器，用于测量球形机器人的姿态数据。通过USB接口，与主控器连接，其安装于球形机器人的侧板上。
[0017]球形机器人部分的避障传感器，用于判断前方是否有障碍，以调整运动姿态。连接转USB芯片，通过USB接口，与主控制器连接，其安装于球形机器人的侧板上。
[0018]球形机器人部分伺服电机控制器，选用Maxon公司的EP0S2 24/5,安装在伺服电机上，与伺服电机通过24V电线连接。伺服电机控制器通过mini USB接口与主控制器连接。
[0019]球形机器人部分的24V继电器和5V继电器，型号为欧姆龙G5SB-14系列。通过控制线与单片机连接，单片机根据指令控制继电器通断。其特征是安装于球形机器人的内框上。
[0020]球形机器人部分的24V锂电池和5V锂电池，分别为伺服电机和球形机器人的单片机、开发板提供电源，安装在球形机器人的配置块上。
[0021]当电源接通后，球形机器人的STM32单片机工作。STM32单片机接通射频芯片，主控制器，电机控制器附属的继电器模块。主控制器开始自检，完成初始化，创建共享内容，建立两个进程，一个进程判断电机是否启动，是否完成初始化，继电器是否闭合，另一进程通过枚举串口设备后，传送姿态传感器和避障传感器的采集数据。串口设备与姿态传感器和避障传感器相比，其采集的是指令，不需要极其迅速的响应，而姿态传感器和避障传感器需要采集并计算机器人的相关数据，因此串口设备采用延迟100ms，再扫描有无新数据。主控制器读取姿态传感器和避障传感器的数据，转化数据格式，并计算机器人转动角速度，获取机器人的姿态数据和位置数据，执行传感器控制算法，更新指令参数。伺服电机控制器与主控制器连接，执行在共享内存中的电机控制指令，同时采集电机的位置，速度和实时输出的电流信息，并传送到主控制器。主控制器将采集到的传感器信息，伺服电机控制器的信息，通过串口通信进程与上位机联系。通信模块通过两台协同处理信息的辅助控制器STM32单片机完成，并通过两对射频芯片传输数据和执行指令，一对用于无线发射任务，另一对用于无线接收任务。当主控制器完成上位机的指令任务之后，通过串口控制辅助控制器STM32单片机断开继电器模块，机器人则可以进入待机模式。
[0022]本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进
I K
少:
本发明控制系统，能实现大尺寸球形机器人的器件多，负载大的状态，在复杂环境下实现直线运动和转向运动。能够在运动的过程中，根据姿态传感器和避障传感器的反馈，不断调整运动姿态，克服恶劣环境。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1是球形机器人控制系统的框图 图2是球形机器人的外形结构结构
图3是球形机器人控制部件布局图(I)
图4是球形机器人控制部件布局图(2)
图5是球形机器人控制流程图。
【具体实施方式】
[0024]本发明的优选实例集合附图详述如下:
实施例一:
参见图1一图5，本大尺寸球形机器人控制系统，包括上位机部分(114)和球形机器人部分(115)，其特征在于:所述上位机部分(114)是一个计算机(101)经一个单片机(102)连接一个无线通信模块(103)，负责系统管理、人机接口、任务规划和动作指令生成。所述球形机器人部分(115)的包括主控制器(106)、单片机(105)、姿态传感器(107)、避障传感器(108 )、伺服电机控制器(111)、无线通信模块(104 )、24V锂电池(109 )、5V锂电池(112 )、24V继电器(110)和5V继电器(113)，所述控制器(106)连接伺服电机控制器、单片机
(105)、姿态传感器(107)、避障传感器(108)和5V继电器(113)，所述24V锂电池(109)经24V继电器(110)和伺服电机控制器(111)连接伺服电机(117)，所述单片机(105)连接24V继电器(110)、无线通信模块(104)、5V锂电池(112)和5V继电器(113)；
所述上位机部分(114)无线通信模块(103)包括接收和发射两块射频芯片(103-1，103-2)
所述球形机器人部分(115)无线通信模块(104)包括接收和发射两块射频芯片(104-1，104-2)
所述球形机器人部分的主控制器(106)集成在一块开发板(I 16)上。
[0025]所述计算机(101)操作通过单片机(102)和无线通信模块(103)向球形机器人发送指令，球形机器人(115)的无线通信模块(104)接收指令，单片机(105)根据指令与主控制器(106)通信，主控制器(106)控制继电器(110，113)、伺服电机控制器(111)动作，并根据姿态传感器(107)和避障传感器(108)反馈调整机器人运动，实现机器人直线和转向运动；主控制器(106 )通过单片机(105 )向计算机(101)发送状态信息。
[0026]实施例二
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于:所述上位机部分(114)的单片机(102)型号为STM32，带有SPI接口，采用串口转USB芯片，通过USB连接计算机(101 )，用于控制无线通信的接收和发送。所述上位机部分(114)的两块射频芯片(103-1，103-2)型号为nRF24L01，通过SPI接口与单片机(102)连接。用于发射和接受计算机(101)和主控制器(106)的信号。所述上位机部分(114)与球形机器人部分(115)是通过无线传输通信的方式连接。所述球形机器人部分的主控制器(106)采用S3C6410型处理器，主频率为667MHz，运行于Linux2.6平台；该处理器安装于开发板(116)内，该开发板(116)安装在一个控制盒(3)内，用于计算机器人的各种姿态信息和控制机器人的各种动作，执行控制算法，发送状态信息。所述球形机器人部分的开发板(116)型号为0K6410，安装于球形机器人部分(115)的一个内框(2)控制盒(3)内。所述球形机器人部分的单片机(105)，其型号为STM32，通过USB接口与主控制(106)连接，安装于球形机器人(115)的内框的控制盒(3)内；主要发挥其外设齐全且编程简单的优势，并为主控制器(106)分担一些任务。所述球形机器人部分(115)的两块射频芯片(104-1，104-2)型号为nRF24L01，通过SPI接口与单片机(105)连接，用于发射和接受计算机(101)和主控制器(106 )的信号。所述球形机器人部分(115)的姿态传感器(107)型号为xsensMTi，内部包含三轴陀螺仪，三轴加速度以及三轴磁场传感器，用于测量球形机器人的姿态数据；通过USB接口，与主控器(106)连接，其安装于球形机器人(115)的一个侧板(9)上。所述球形机器人部分(115)的避障传感器(108)型号为:E18-D80NK，用于判断前方是否有障碍，以调整运动姿态；其连接USB芯片，通过USB接口，与主控制器(106)连接，安装于球形机器人(115)的一个侧板(9)上。所述球形机器人部分(115)伺服电机控制器(111)，选用Maxon公司的EP0S2 24/5，安装在伺服电机(117)上，与伺服电机(117)通过24V电线连接；伺服电机控制器(111)通过mini USB接口与主控制器(106)连接。所述球形机器人部分(115)的24V继电器(110)和5V继电器(113)，型号为欧姆龙G5SB-14系列；通过控制线与单片机(105)连接，单片机(105)根据指令控制继电器通断；安装于球形机器人部分(115)的内框(2)上。所述球形机器人部分的24V锂电池(109)和5V锂电池(112)分别为伺服电机(117)和单片机(105)、开发板(116)供电，安装在球形机器人的配重盘(6)上。
[0027]当电源接通后，球形机器人(I 15)接通STM32单片机(105)。STM32单片机接通射频芯片(104-1 104-2)，主控制器(106)，伺服电机控制器(111)及继电器(110，113)。主控制器(106)开始自检，完成初始化，创建共享内容，建立两个进程，一个进程判断电机是否启动，是否完成初始化，继电器(110，113)是否闭合，另一进程通过枚举串口设备后，传送姿态传感器(107)和避障传感器(108)的采集数据。串口设备与姿态传感器(107)和避障传感器(108)相比，其采集的是指令，不需要极其迅速的响应，而姿态传感器(107)和避障传感器(108)需要采集并计算机器人的相关数据，因此串口设备采用延迟100ms，再扫描有无新数据。主控制器(106)读取姿态传感器(107)和避障传感器(108)的数据，转化数据格式，并计算机器人转动角速度，获取机器人的姿态数据和位置数据，执行传感器控制算法，更新指令参数。伺服电机控制器(111)与主控制器(106)连接，执行在共享内存中的电机控制指令，同时采集电机的位置，速度和实时输出的电流信息，并传送到主控制器(106)。主控制器
(106)将采集到的姿态传感器(107)和避障传感器(108)信息，伺服电机控制器(111)的信息，通过串口通信进程与上位机(114)联系。无线通信模块(103，104)通过通过两对射频芯片(103-1，103-2，104-1，104-2)传输数据和执行指令，一对用于无线发射任务，另一对用于无线接收任务。当主控制器(106)完成上位机(114)的指令任务之后，通过串口控制球形机器人的STM32单片机(105)断开继电器模块(110，113)，机器人则可以进入待机模式。
[0028]结合图5，控制单元的流程:
a)开启开关，控制单元初始化，共享内存
b)创建子进程，判断电机是否启动，是否初始化，并枚举设备并初始化传感器模块
c)判断电机是否初始化完成
d)串口通信线程延时IOOms
e)主控制器读取姿态传感器和避障传感器数据，转化数据格式，并计算机器人姿态数据和位置数据，执行控制算法，判断是否需要更新指令参数，重新调整机器人姿态。
[0029]f)电机初始化完成，主控制器读取两个电机指令，采集两个电机的状态数据，判断电机状态，是否需要发送新的运动指令。
[0030]g)主控制器通过串口通信，结合辅助控制器向上位机发送机器人状态信息，并接收控制指令，判断是否有新的指令，如果有，执行新的指令。
[0031]h)判断是否有终止程序，如果有，机器人结束任务。
【权利要求】
1.一种大尺寸球形机器人控制系统，包括上位机部分(114)和球形机器人部分(115)，其特征在于:所述上位机部分(114)是一个计算机(101)经一个单片机(102)连接一个无线通信模块(103)，负责系统管理、人机接口、任务规划和动作指令生成；所述球形机器人部分(115)的包括主控制器(106)、单片机(105)、姿态传感器(107)、避障传感器(108)、伺服电机控制器(111)、无线通信模块(104)、24V锂电池(109)、5V锂电池(112)、24V继电器(110)和5V继电器(113)，所述控制器(106)连接伺服电机控制器、单片机(105)、姿态传感器(107)、避障传感器(108)和5V继电器(113)，所述24V锂电池(109)经24V继电器(110)和伺服电机控制器(111)连接伺服电机(117)，所述单片机(105)连接24V继电器(110)、无线通信模块(104)、5V锂电池(112)和5V继电器(113)； 所述上位机部分(114)无线通信模块(103)包括接收和发射两块射频芯片(103-1，103-2) 所述球形机器人部分(115)无线通信模块(104)包括接收和发射两块射频芯片(104-1，104-2) 所述球形机器人部分的主控制器(106)集成在一块开发板(116)上；所述计算机(101)操作通过单片机(102)和无线通信模块(103)向球形机器人发送指令，球形机器人(115)的无线通信模块(104)接收指令，单片机(105)根据指令与主控制器(106)通信，主控制器(106)控制继电器(110，113)、伺服电机控制器(111)动作，并根据姿态传感器(107)和避障传感器(108)反馈调整机器人运动，实现机器人直线和转向运动；主控制器(106)通过单片机(105)向计算机(101)发送状态信息。
2.根据权利要求1所述大尺寸球形机器人控制系统，其特征在于:所述上位机部分(114)的单片机(102)型号为STM32，带有SPI接口，采用串口转USB芯片，通过USB连接计算机(101 )，用于控制无线通信的接收和发送。`
3.根据权利要求1所述大尺寸球形机器人控制系统，其特征在于:所述上位机部分(114)的两块射频芯片(103-1，103-2)型号为nRF24L01，通过SPI接口与单片机(102)连接；用于发射和接受计算机(101)和主控制器(106)的信号。
4.根据权利要求1所述大尺寸球形机器人控制系统，其特征在于:所述上位机部分(114)与球形机器人部分(115)是通过无线传输通信的方式连接。
5.根据权利要求1所述大尺寸球形机器人控制系统，其特征在于:所述球形机器人部分的主控制器(106)采用S3C6410型处理器，主频率为667MHz，运行于Linux2.6平台；该处理器安装于开发板(116)内，该开发板(116)安装在一个控制盒(3)内，用于计算机器人的各种姿态信息和控制机器人的各种动作，执行控制算法，发送状态信息。
6.根据权利要求1所述大尺寸球形机器人控制系统，其特征在于:所述球形机器人部分的开发板(116 )型号为0K6410，安装于球形机器人部分(115 )的一个内框(2 )控制盒(3 )内。
7.根据权利要求1所述大尺寸球形机器人控制系统，其特征在于:所述球形机器人部分的单片机(105)，其型号为STM32，通过USB接口与主控制(106)连接，安装于球形机器人(115)的内框的控制盒(3)内；主要发挥其外设齐全且编程简单的优势，并为主控制器(106)分担一些任务。
8.根据权利要求1所述大尺寸球形机器人控制系统，其特征在于:所述球形机器人部分(115)的两块射频芯片(104-1，104-2)型号为nRF24L01，通过SPI接口与单片机(105)连接，用于发射和接受计算机(101)和主控制器(106)的信号。
9.根据权利要求1所述大尺寸球形机器人控制系统，其特征为:所述球形机器人部分(115)的姿态传感器(107)型号为xsensMTi，内部包含三轴陀螺仪，三轴加速度以及三轴磁场传感器，用于测量球形机器人的姿态数据；通过USB接口，与主控器(106)连接，其安装于球形机器人(115)的一个侧板(9 )上。
10.根据权利要求1所述大尺寸球形机器人控制系统，其特征在于:所述球形机器人部分(115)的避障传感器(108)型号为:E18-D80NK，用于判断前方是否有障碍，以调整运动姿态；其连接USB芯片，通过USB接口，与主控制器(106)连接，安装于球形机器人(115)的一个侧板(9)上。
11.根据权利要求1所述大尺寸球形机器人控制系统，其特征在于:所述球形机器人部分(115 )伺服电机控制器(111)，选用Maxon公司的EP0S2 24/5，安装在伺服电机(117 )上，与伺服电机(117)通过24V电线连接；伺服电机控制器(111)通过mini USB接口与主控制器(106)连接。
12. 根据权利要求1所述大尺寸球形机器人控制系统，其特征在于:所述球形机器人部分(115)的24V继电器(110)和5V继电器(113)，型号为欧姆龙G5SB-14系列；通过控制线与单片机(105)连接，单片机(105)根据指令控制继电器通断；安装于球形机器人部分(115)的内框(2)上。
13.根据权利要求1所述大尺寸球形机器人控制系统，其特征在于:所述球形机器人部分的24V锂电池(109)和5V锂电池(112)分别为伺服电机(117)和单片机(105)、开发板(116 )供电，安装在球形机器人的配重盘(6 )上。
【文档编号】G05D1/02GK103777634SQ201410011463
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年1月10日 优先权日:2014年1月10日
【发明者】谢少荣, 陈继清, 罗均, 姚骏峰, 邹旭东, 祝川, 冯凯 申请人:上海大学