类人体神经系统的机器人多路实时传输网络设计方法

文档序号:10492043来源:国知局
类人体神经系统的机器人多路实时传输网络设计方法
【专利摘要】本发明涉及一种类人体神经系统的机器人多路实时传输网络设计方法,根据人体神经系统的模式,在机器人上应用Flexray总线技术,把Flexray总线的无源星行拓扑、线性无源总线型拓扑和有源星行拓扑结构以及它们之间组成的混合型拓扑结构,分布在机器人内,组成类人体神经系统网络。利用Flexray总线技术实现信息的多路实时传输。这样就可以把分布在机器人身体各个节点ECU上的传感器获取的信息从通讯控制单元经总线通道传入控制器处理后再把命令传出,使机器人迅速作出反应。本发明不仅实现了信息的多路实时传输,同时模拟人体神经系统传输网络及传输信号的方式,更优化了机器人信息的多路实时传输。
【专利说明】
类人体神经系统的机器人多路实时传输网络设计方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种网络传输技术,特别涉及一种类人体神经系统的机器人多路实时传输网络设计方法。
【背景技术】
[0002]近年来随着电子技术的发展,一种具有更高的数据速率、更灵活的数据通信、更安全的拓扑选择和更精准的容错运算的网络通信协议Flexray随之产生。作为一种灵活的车载网络系统,Flexray是继CAN和LIN之后的最新研发成果,可以有效管理多重安全和可靠的功能。
[0003]CAN网络最高性能极限为IMbps,而Fl exray两个通道的数据速率可达到1Mbps,总数据速率可达到20Mbps,因此,在应用中Flexray的网络宽度可能是CAN的20倍之多。
[0004]Flexray还能提供很多CAN网络所不具有的可靠性特点。尤其是Flexray具备的冗余通讯能力可实现通过硬件安全复制网络配置,并进行进度监测。Flexray同时提供灵活的配置,可支持各种拓扑,如总线型、星行、混合型。设计人员可通过两种或两种以上的拓扑来配置分布式系统。
[0005]另外,Flexray可以进行同步(实时)或异步的数据传输,来满足车辆中各种系统的需求。例如,分布式控制系统通常要求同步数据传输。
[0006]为了满足不同的通信需求,Flexray在每个通信周期内都提供静态段和动态段。静态段可以提供有界延迟,而动态段则有助于满足在系统运行时间内出现的不同带宽需求。Flexray帧的固定长度静态段用固定时间触发的方法来传输信息,而动态段则使用灵活时间触发的方法来传输信息。
[0007]Flexray不仅可以像CAN和LIN网络这样的单通道系统一样运行,而且还可以作为一个双通道系统运行。双通道系统可以通过冗余网络传输数据——这也是高可靠系统的一个重要性能。
[0008 ] Fle xray的各种特点均适合实时控制的功能。
[0009]Flexray作为新一代汽车总线技术,它的出现使传统的控制系统结构产生了革命性的变化,并形成了新型网络化数字化分布式控制系统。Flexray总线技术的特点主要有以下几个。
[0010](I)通信带宽。Flexray带宽不受协议机制的限制,可进行单通道最快1Mbps速率的通信,当采用双通道冗余系统时,可达2 X 1Mbps的速率,远高于CAN总线。
[0011](2)时间确定性。Flexray总线采用时分多路的数据传输方式,以循环通信周期为基础,数据在通讯周期中有固定位置,确保消息到达的时效性。
[0012](3)分布式时钟同步。Flexray总线使用基于同步时基的访问方法,且同步时基通过协议自动建立和同步,时基的精确度达到Iys。
[0013](4)容错数据传输。Flexray总线具有专用决定性故障容错协议,支持多级别的容错能力,包括通过单通道或双通道模式,提供传输所需要的冗余和可扩展系统容错机制,确保数据传输的可靠性。
[0014](5)灵活性。Flexray总线支持总线型、星行、级联星行及混合型等多种拓扑结构,支持时间触发和事件触发通信方式,具有消息冗余传输或非冗余传输方式,且提供大量配置参数供用户灵活进行系统调整、扩展。
[0015]Flexray用的是TDMA(Time Divis1n Multiple Access)和FTDMA(Flexible TimeDivis1n Multiple Access)两种总线分配方法。Flexray将一个通讯周期分为静态部分、动态部分、网络空闲时间。在静态部分,每个节点会均匀分配时间片,每个节点只有在属于自己的时间片里面才能发送消息,即使某个节点当前无消息可发,该时间片依然会保留。在动态部分,会轮流问询每个节点有没有消息要发,有就发,没有就跳过。静态部分用于发送需要经常性发送的重要性高的数据,动态部分用于发送使用频率不确定、相对不重要的数据。Flexray这种总线分配方式的好处使数据可以多路、实时传输。每个节点都知道在什么时间点接收什么数据,在什么时间发送数据。这样会使得消息能及时的发出和收到。
[0016]基于以上特点,使Flexray具有广泛的应用领域。
[0017](I)代替CAN总线。在数据速率要求超过CAN的应用中会采用两条或多条CAN总线来实现,Flexray将是代替这种多总线解决方案的理想技术。
[0018](2)用做“数据主干网”。Flexray具有很高的数据速率,且支持多种拓扑结构,非常适合于骨干网络,用于连接多个独立网络。
[0019](3)用于分布式控制系统。分布式控制系统用户要求确切知道消息到达的时间,且消息周期偏差非常小,这使得Flexray总线成为具有严格实时要求的分布式控制系统的首选技术,能够应用于如动力系统、底盘系统的一体化控制中。
[0020](4)用于高安全性要求的系统。Flexray本身不能确保系统安全,但它具备大量功能可以支持面向安全的系统设计。
[0021]人类的神经系统是经过漫长进化过程并不断完善而发展起来。它即保持着脊椎动物神经系统的基本模式,又在劳动、语言和社会生活发展的影响下发生了飞跃变化。它借助于感受器接受内、外环境的各种信息,通过感觉神经传入中枢进行整合,再经运动神经传出,控制和调节全身各器官系统的功能活动,使它们协调一致,维持机体内环境的相对稳定,并适应外部环境的变化,保障新陈代谢等生命活动的正常进行。
[0022]在近年来机器人技术飞速发展,但是还不能做到像人类的神经系统这样自如的协调身体的生命活动。本发明就是运用Flexray总线设计类人体神经系统的机器人多路实时传输网络。让机器人可以像人一样能够接受内、外界环境的各种信息,快速做出反应,不仅可以维持机体内环境的相对稳定,还能适应外部环境的变化。

【发明内容】

[0023]本发明是针对机器人还不能做到像人类的神经系统自如的协调身体的问题,提出了一种类人体神经系统的机器人多路实时传输网络设计方法,根据人体神经系统的特点,使用Flexray总线,设计类人体神经系统的机器人多路实时传输网络。同时对提高机器人在传输信息时的速率和安全性,实现数据的多路实时传输。
[0024]本发明的技术方案为:一种类人体神经系统的机器人多路实时传输网络设计方法,根据Flexray总线拓扑结构,结合人体神经系统网络,在机器人各个部位设置各个节点,组成类人体神经系统网络,各节点都分布有电子控制单元(ECU),每个节点的ECU根据功能安装相应的传感器,控制器根据FI exray总线分配方式把各节点的ECU中的传感器采集的信息,从E⑶中的通讯控制单元经总线通道传入的控制器处理后,控制器再输出命令到机器人各个ECU作出相应的反应。
[0025]所述机器人中脑部和脊髓采用有源星行拓扑结构;与脊髓相连的腰从、骶从及腿采用无源星行拓扑结构;与脊髓相连的手臂采用线性无源总线型拓扑;机器人各部分组成的混合型拓扑结构构成类人体神经系统的传输网络。
[0026]所述控制器包括作为主控制器的脑部有源星行设备和作为次控制器的脊髓内有源星行设备,主控制器与次控制器相互通信。
[0027]所述机器人各部位节点的ECU包括A/D转换模块、CPU处理器、传感器和通讯控制单元,传感器检测的信号通过A/D转换模块转为数字信号后送CPU处理器处理,CPU处理器通过通讯控制单元输出或接收信号。
[0028]所述主控制器与眼部、耳部、鼻部和嘴部的各个ECU相连,其他各部位的ECU与次控制器相连。
[0029]所述主控制器与脑部一个ECU相连,E⑶集中采集眼部、耳部、鼻部、嘴部传感器信息。
[0030]本发明的有益效果在于:本发明类人体神经系统的机器人多路实时传输网络设计方法,提高了机器人在传输信息时的速率和安全性、实现数据的多路实时传输。在机器人上使用Flexray总线技术,不仅实现了信息的多路实时传输,同时模拟人体神经系统传输网络及传输信号的方式,更优化了机器人信息的多路实时传输。使机器人不仅可以维持机体内环境的相对稳定,还能适应外部环境的变化。
【附图说明】
[0031]图1为本发明Flexray总线混合型拓扑示例图;
图2为本发明Flexray总线应用在机器人中的拓扑图。
【具体实施方式】
[0032]把Flexray总线技术应用在机器人上,Flexray用的是TDMA(时分多址)和FTDMA(灵活的时分多址)两种分配方法。Flexray这种总线分配方式的好处使数据可以多路、实时传输。每个节点都知道在什么时间点接收什么数据,在什么时间发送数据。这样会使得消息能及时的发出和收到。Flexray总线的这种特点可以实现信息的多路实时传输。而且根据Flexray总线拓扑结构的灵活性,可以把无源星行拓扑、线性无源总线型拓扑和有源星行拓扑结构以及它们之间组成的混合型拓扑结构,分布在机器人内,组成类人体神经系统网络。根据人体神经系统的特点,在机器人中脑部和脊髓采用有源星行拓扑结构(Active StarNetwork)。与脊髓相连的腰从、骶从及腿采用无源星行拓扑结构(Passive Star Network)。与脊髓相连的手臂采用线性无源总线型拓扑(Linear Passive Bus)。则它们之间组成的混合型拓扑结构构成了类人体神经系统的传输网络。在机器人的类人体神经系统传输网络的各节点都分布有ECU(电子控制单元),根据每个节点的ECU的功能分配与之相应功能的传感器,机器人脑部的有源星行设备即中央总线监视器(CBG)根据Flexray总线分配方式把各节点的ECU中的传感器获取的信息,从ECU中的通讯控制单元经总线通道传入的控制器处理后,再把命令传回各个ECU,使机器人快速做出反应。人体的脊髓是许多简单反射的中枢。例如人体的膝跳反射,膝跳反射(Knee-jerk Reflex)是一种最为简单的反射类型,它仅包含两个神经元。膝跳反射的神经中枢是低级神经中枢,位于脊髓的灰质内。根据人体神经体统的这种特点,在机器人内脊髓的有源星行设备(BG)为次要控制器。处理一些简单的行为。
[0033]机器人身体各部位ECU包括A/D转换模块、CPU处理器、传感器模块、通讯控制单元模块。但是,各部位ECU上传感器的类型根据具体要实现的功能会有所不同。传感器检测的信号通过A/D转换模块转为数字信号后送CPU处理器处理,CPU处理器通过通讯控制单元输出或接收信号。
[0034]与大脑中央总线监视器(CBG)相连的眼部、耳部、鼻部、嘴部ECU有视觉、听觉、嗅觉、触觉、位置、压觉、温度等传感器感知外界环境的变化,使之有类似人体的眼睛、耳朵、鼻子、嘴巴神经感受器的功能。
[0035]眼部ECU上会有实现类人体眼睛功能的传感器,例如人体的眼睛可以感受光,根据情况需求,可以在机器人的眼部ECU安装上光传感器。还可以根据具体情况安装红外线、视觉等传感器。
[0036]耳部ECU上会有实现类人体耳朵功能的传感器,也可以根据具体的情况安放上传感器。例如人的耳朵可以听见声音,机器人则可以用声音传感器来获取声音。还可以根据情况安装位移、加速度等传感器。
[0037]鼻部ECU上会有实现类人体鼻子功能的传感器,也可以根据具体的情况安装上传感器。例如机器人需要检测到空气中的甲烷,则可以安装上甲烷气体传感器。还可以根据具体情况安装二氧化碳、迦伐尼电池式氧气等传感器。
[0038]嘴部ECU上会有实现类人体嘴巴功能的传感器,也可以根据具体的情况安装上传感器。例如机器人需要做美食家,则可以安装上酸、盐等浓度传感器。还可以根据具体情况安装温度、触觉等传感器。
[0039]与脊髓总线监视器(BG)相连的类人体神经系统的各个部位ECU的传感器类型根据实际应用功能,会有不同,如下:
颈部ECU根据情况需求,例如可以在机器人的颈部ECU安装触觉传感器,当外界发生触碰时,可以及时作出反应。还可以有触觉、压觉等传感器来感知外界环境的变化,使之有类似人体的颈部神经感受器的功能。
[0040]手臂的肩部ECU根据情况需求,例如可以在机器人的肩部ECU安装重量传感器,当外界的一个重物放在机器人肩部时,可以感应出物体的重量。还可以有触觉、压觉等传感器。手肘ECU根据情况需求,例如可以在机器人的手肘ECU安装压觉传感器,当机器人的手肘立在桌子上时,可以获取来自手臂下半部分的压力,可以调整角度或者姿势可以使手臂立在桌子上获取最佳感觉。手部ECU根据情况需求,例如可以在机器人的手部ECU安装上触觉、压觉、重量传感器,当拿起一本书时,机器人可以根据传感器获取的信息,用恰当的力拿起一本书。还可以有温度、接近觉等传感器。
[0041 ]通过恰当的传感器传递外界信息,则可以实现机器人本身要手臂实现的功能,也可以使手臂有类似人体的手臂神经感受器的功能。
[0042]腰部ECU有中的传感器类型,根据具体情况,例如当有人用手拍打机器人的腰部时,这时会需要触觉、接近觉、速度传感器,则机器人会感觉到外界的拍打或者避免这个拍打。还可以有压觉、位置、温度传感器感知外界环境的变化,使之有类似人体的腰部神经感受器的功能。
[0043]骶部E⑶中的传感器类型,根据具体情况,例如机器人坐在板凳上,则会需要触觉、压觉、接近觉传感器的配合。还可以有重量、温度等传感器感知外界环境的变化,使之有类似人体的腰部神经感受器的功能。
[0044]腿的大腿部ECU、腿弯ECU、脚部ECU根据机器人本身的功能,根据传感器感知外界环境的变化,从而有类似人体的手臂神经感受器的功能。
[0045]颈部、四肢、腰部和骶部的E⑶将信息传到脊髓总线监视器(BG)后,再由脊髓总线监视器(BG)上传至大脑中央总线监视器(CBG)。
[0046]类人体神经系统借助于脑部、手、脚、腿、手臂、腰、颈、肘等部位的传感器,将外界信息传入ECU中,ECU的通讯控制单元将整合的信息通过Flexray总线通道传入中央总线监视器(CBG),再通过分支传出信息,控制和调节机器人各关节部位做出反应。
[0047]除了可以使眼部、耳部、鼻部、嘴部ECU分别与大脑中央总线监视器(CBG)相连,使之有类似人体的眼睛、耳朵、鼻子、嘴巴神经感受器的功能。还可以使类似有眼部、耳部、鼻部、嘴部功能的传感器集成在一个ECU上,只需要一个ECU与CBG相连。前者则功能更强大,准确性更高。后者成本相对较低。在应用时可以根据实际情况决定方案。
[0048]如图1所示,在数据速率要求超过CAN的应用中会采用两条或多条CAN总线来实现,Flexray则具有很高的数据速率,且支持多种拓扑结构,非常适合于骨干网络,用于连接多个独立网络。Flexray拓扑结构的灵活性、支持时间触发和事件触发通信方式、具有消息冗余传输或非冗余传输方式,可提供大量配置参数供用户灵活进行系统调整、扩展。图1便是Flexray拓扑结构灵活性的一种示例。
[0049]人体神经系统包括位于颅腔内的脑和椎管内的脊髓,以及与脑和脊髓相连接的周围神经。如图2所示,这是一幅由Flexray总线设计而成的类人体神经系统的多路实时数据传输网络。人体神经系统包括位于颅腔内的脑和椎管内的脊髓,以及与脑和脊髓相连接的周围神经。该图根据人体神经系统的特点,脑部和脊髓采用有源拓扑结构Active StarNetwork(有源星)。与脊髓相连的腰从、骶从及腿采用无源星行拓扑结构Passive StarNetwork(无源星)。与脊髓相连的手臂采用线性无源总线型拓扑Linear Passive Bus。脑部的眼、耳、口、鼻都分布有类人体神经系统感受器的传感器,这些传感器集成在ECU上。手臂的类人体神经上分布有肩部、手肘和手部的ECU,腿部的类人体神经上分布有脚部、腿弯大腿部ECU,腰部与骶从的ECU都集成了该部位本身所特有的和所需要的传感器。以实现类人体神经系统的功能。
【主权项】
1.一种类人体神经系统的机器人多路实时传输网络设计方法,其特征在于,根据Flexray总线拓扑结构,结合人体神经系统网络,在机器人各个部位设置各个节点,组成类人体神经系统网络,各节点都分布有电子控制单元(ECU),每个节点的ECU根据功能安装相应的传感器,控制器根据FIexray总线分配方式把各节点的ECU中的传感器采集的信息,从E⑶中的通讯控制单元经总线通道传入的控制器处理后,控制器再输出命令到机器人各个ECU作出相应的反应。2.根据权利要求1所述类人体神经系统的机器人多路实时传输网络设计方法,其特征在于,所述机器人中脑部和脊髓采用有源星行拓扑结构;与脊髓相连的腰从、骶从及腿采用无源星行拓扑结构;与脊髓相连的手臂采用线性无源总线型拓扑;机器人各部分组成的混合型拓扑结构构成类人体神经系统的传输网络。3.根据权利要求1或2所述类人体神经系统的机器人多路实时传输网络设计方法,其特征在于,所述控制器包括作为主控制器的脑部有源星行设备和作为次控制器的脊髓内有源星行设备,主控制器与次控制器相互通信。4.根据权利要求1或2所述类人体神经系统的机器人多路实时传输网络设计方法,其特征在于,所述机器人各部位节点的ECU包括A/D转换模块、CPU处理器、传感器和通讯控制单元,传感器检测的信号通过A/D转换模块转为数字信号后送CPU处理器处理,CPU处理器通过通讯控制单元输出或接收信号。5.根据权利要求3所述类人体神经系统的机器人多路实时传输网络设计方法,其特征在于,所述主控制器与眼部、耳部、鼻部和嘴部的各个ECU相连,其他各部位的ECU与次控制器相连。6.根据权利要求3所述类人体神经系统的机器人多路实时传输网络设计方法,其特征在于,所述主控制器与脑部一个ECU相连,ECU集中采集眼部、耳部、鼻部、嘴部传感器信息。
【文档编号】G05B13/04GK105847103SQ201610366529
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月30日
【发明人】张凤登, 刘鲁平, 车蕊, 杨涛远, 邵文学, 郭超
【申请人】上海理工大学
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