开放式移动机器人系统的制作方法

专利名称：开放式移动机器人系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种移动机器人系统，特别是涉及一种开放式移动机器人系统。
背景技术：
智能机器人技术是在新技术革命中迅速发展起来的一门新兴学科，它在 众多的科技领域与生产部门中得到了广泛的应用，并显示出强大的生命力。 它是集精密机械、光学、电子学、检测、自动控制、计算机和人工智能等技 术于一体，形成的一门综合性的新技术学科。
目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究，并 朝着智能化和多样化的方向发展。智能机器人按照智能化程度的高低，可以 分为外部受控机器人、半自主机器人和全自主机器人。从行业应用的角度来 讲，机器人可分为工业机器人和服务娱乐机器人。工业机器人包括工作在点 焊、弧焊、喷漆、搬运、码垛等工业现场中的机器人。在不同的应用场合下， 又有水下机器人、空间机器人和农业、林业、牧业、医用机器人等。按移动 机器人的运动方式，机器人又可分为轮式移动机器人、步行移动机器人、履 带式机器人、爬行式机器人和空气推进、水下推进机器人等。
移动机器人可以以各种形式应用于各种场合，如娱乐应用中的玩具机器 人、家庭应用中的自动真空吸尘机器人。排爆机器人能在高温、低温、深水、 宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行危险的任务，如拆除潜在的 爆炸物，或在倒塌的建筑物中进行搜救工作。
在许多这样的应用中，移动机器人需要具有没有过多人为干预的自主行 为能力。这种能力可以大大提高移动机器人自主运作的安全性。
4常规的移动机器人安全运行机制包括使用距离传感器。例如，瑞典
Electrolux AB公司的一种TRILOBITE自动吸尘器机器人，使用声纳传感器 探测附近的障碍物。另一个例子是，Sharperlmage公司的RoboScout个人机
器人，使用红外传感器实现类似的目的。更先进的障碍探测系统可在工业应 用中找到。例如，ActivMedia机器人公司的Pioneer系列的机器人，使用激 光测距仪检测附近的障碍。然而，距离传感器检测的障碍往往不太可靠，而 且价格相对昂贵。举例来说，距离传感器会受到盲点的影响，往往检测不到 障碍物。例如，激光测距仪通常用于表面为平面的障碍物，对于非均匀形状 凹面或凸面的障碍物，激光测距仪可能无法可靠地检测到。
其他机制也可以保证移动机器人的安全运行。例如，iRobot公司的 Roomba自动吸尘器，采用了接触传感器检测机器人和障碍之间的碰撞。检 测到碰撞以后，机器人可后验地调整自己的路径。然而，使用接触传感器检 测机器人和障碍间的碰撞可能会不可靠。例如， 一个碰撞传感器一般只提供 覆盖机器人表面积一小部分的检测，因此，覆盖范围以外的碰撞通常无法检 测到。
由于单一传感器的以上缺陷，采用图像和距离传感器相结合的方式更能 够增强移动机器人的自主运行安全性，但是这也对处理器的运算能力和系统 的可扩展性提出了更高的要求。目前，移动机器人通常采用笔记本电脑或 mini PC (微型电脑)作上位机，其运动控制系统主要采用两层架构，即上 位机作为指令系统，闭环控制算法由运动控制器来完成，上位机主要通过串 口、 CAN (Controller Area Network,控制器局域网)接口和PCI (Peripheral Component Interconnect,外设组件互连标准)接口来连接运动控制器，其主 要缺点是-
1、 用户无法用自己的方式进行控制算法的编写以实现自己的控制算法， 这样对于以教育为目的的教育机器人是不合适的。
2、 不方便扩展，可扩展的接口很少，很多通用板卡无法使用。3、 造价昂贵，无法适应高校教育研究需求。
4、 无法实现一层架构和两层架构间的无缝切换，其中一层架构是指将 上位机作为主控制器的架构，而两层架构是指将DSP (Digital Signal Processing,数字信号处理)运动控制器作为主控制器的架构。
5、 无法在通用的非实时操作系统上实现实时运动控制算法。

发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术扩展性低、无法在非实时 操作系统上实现实时控制等缺陷，提供一种扩展性高且可以在非实时操作系 统上实现实时控制的开放式移动机器人系统。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的
一种开放式移动机器人系统，其特点在于，其包括通过通用计算机通讯 接口依次连接的一传感模块、 一控制模块和一动力模块，该控制模块包括通 过通用计算机通讯接口相互连接的一计算机和一 DSP运动控制器，该计算 机使用非实时操作系统，根据该传感模块输入的数据运行闭环控制算法，通 过与该DSP运动控制器通讯对该动力模块进行实时运动控制。
其中，该DSP运动控制器通过一驱动器驱动该动力模块的一电机，并 通过一编码器采集该电机的位置参数。
其中，该传感模块包括模拟输入设备和传感器，该模拟输入设备的数据 被DSP数据采集卡采集并通过通用计算机通讯接口传输至该计算机，该传 感器的数据直接通过通用计算机通讯接口传输至该计算机。
其中，该传感器包括全景摄像机、双目视觉摄像机、云台摄像机、三维 数字罗盘、三维激光测距仪、GPS设备和网络设备中的一个或多个。
其中，该计算机的实时控制结果通过输出设备进行输出。
其中，该输出设备包括显示器、打印机和网络设备中的一个或多个。
其中，该通用计算机通讯接口为PCI接口 、 USB接口 、 1394接口 、 RS232接口或CAN接口。
其中，该非实时操作系统为Windows2000操作系统、WindowsXP操作 系统或Linux操作系统。
其中，该动力模块采用两轮差分驱动方式。
其中，该动力模块包括一个或多个360度的万向轮。
本发明的积极进步效果在于本发明的移动机器人系统采用了开放式的 接口，软硬件可以灵活扩展，还能够进行多种教学实验和科技活动；本发明 的移动机器人系统采用了商用主板和处理器来实现上层控制，可以方便地扩 展PCI接口、 USB接口以及串口的各种传感器和设备；本发明的移动机器人 系统采用了模块化设计，便于系统调试或扩展设备；本发明的移动机器人系 统在控制结构上提供了一层架构和两层架构的无缝切换，同时实现了在通用 的非实时Windows或Linux平台上实现实时运动控制算法。


图1为本发明的开放式移动机器人系统的系统架构图。
图2为本发明的开放式移动机器人系统的运动控制结构图。
具体实施例方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。 本发明的目的是提供一种采用开放式接口、软硬件可以灵活扩展、能进 行多种教学实验和科技活动的开放式移动机器人系统。
本发明中的移动机器人采用模块化设计，用户可以根据自己的需要采用 不同的模块来实现自己制定的任务。具体地，在机械结构上采用了三层架构， 分别为顶箱、中箱和底箱，并依次对应于该开放式移动机器人系统的一传感 模块、 一控制模块，以及一动力模块，该三个模块化箱体可分拆，以便于系 统调试或扩展设备。其中，顶箱，即传感模块，位于中箱，即控制模块上方，通过通用计算机通讯接口，如PCI接口、 USB接口、 RS232接口、 1394接 口或CAN接口等，与中箱相连；中箱，即控制模块，位于底箱，即动力模 块上方，通过通用计算机通讯接口，如PCI接口、 USB接口、 RS232接口、 1394接口或CAN接口等，与底箱相连。该动力模块采用两轮差分驱动方式， 另外，该动力模块还包括一个或多个360度的万向轮。
图1所示为本发明的开放式移动机器人系统的系统架构图，包含传感模 块中的模拟输入设备101、 DSP数据采集卡102、通用传感器103;控制模 块中的一使用商用主板的计算机104、 一DSP运动控制器106;以及动力模 块中的一电机107。其中模拟输入设备101的数据被DSP数据采集卡102采 集，通过通用计算机通讯接口，如PCI接口、 USB接口、 RS232接口、 1394 接口或CAN接口等，传输到使用商用主板的计算机104。通用传感器103， 如全景摄像机、双目视觉摄像机、带云台的摄象机、三维数字罗盘、三维激 光测距仪、GPS设备和网络设备中的一个或多个，通过通用计算机通讯接口， 如PCI接口、 USB接口、 RS232接口、 1394接口或CAN接口等，将数据传 输到使用商用主板的计算机104。使用商用主板的计算机104使用非实时操 作系统，如Windows2000操作系统、WindowsXP操作系统或Linux操作系 统，根据模拟输入设备101和/或通用传感器103输入的数据运行闭环控制算 法，对以上各种数据信号进行实时处理和综合，并将处理后的结果通过通用 输出设备105，如显示器、打印机和网络设备中的一个或多个，进行输出。 同时使用商用主板的计算机104通过与DSP运动控制器106的通讯，可以 实现一层架构的实时运动控制，DSP运动控制器106输出PWM(Pulse Width Modulation,脉宽调制)波信号控制电机107运行。
图2所示为本发明的开放式移动机器人系统的运动控制结构图，包含使 用商用主板的计算机104、 DSP运动控制器106、 一驱动器108、 一编码器 109和电机107。
该运动控制结构采用的是一层架构，各部件之间的控制关系为-使用商用主板的计算机104——DSP运动控制器106——驱动器108—— 电机107——编码器109——DSP运动控制器106——使用商用主板的计算 机104。
具体地，使用商用主板的计算机104通过通用计算机通讯接口，如PCI 接口、 USB接口、 RS232接口、 1394接口或CAN接口等，采集开放式DSP 运动控制器106获得的电机速度数据和DSP时钟信号，并将之与设定的速 度值进行比较运算，运用PID (Proportion Integration Differentiation,比例 积分微分)速度控制算法计算出新的控制变量输出到开放式DSP运动控制 器106。开放式DSP运动控制器106据此生成新的PWM占空比，输出到驱 动器108，驱动器108将该新的PWM占空比转换为新的电压信号驱动电机 107运行。同时，编码器109采集电机的位置参数到开放式DSP运动控制器 106，然后开放式DSP运动控制器106计算出电机运行的实时速度，并和当 时的DSP时钟信号一起传输给使用商用主板的计算机104。上述过程被反复 执行以实现实时的运动控制。由于这里采用的是一层架构，所以控制算法的 运算执行单元是使用商用主板的计算机104，而开放式DSP运动控制器106 负责的是数据采集和控制信号的输出，并提供精确的定时给使用商用主板的 计算机104。
本发明的移动机器人系统的最大的特点就是其开放性。所使用的操作系 统是通用的非实时的Windows 2000/XP或Linux操作系统，而使用的开发工 具则是通用的VC (—种编译器)或gcc (—种编译器)。另外，该移动机器 人的控制系统也是开放的，用户可以通过对PID控制过程进行参数设置来对 控制系统的底层进行操作，还可以通过下载DSP程序的方法替换底层运动 控制算法。另外，该移动机器人的结构也是开放的，任何厂家开发的各种功 能板卡只要能在PC机上工作的，都可以直接应用在本发明的移动机器人系 统上，这大大方便了系统开发和系统集成。而由于采用了商用主板和处理器 实现本发明的移动机器人系统的上层控制，便可以方便地扩展PCI接口 、USB接口以及串口的各种传感器和设备。本发明的移动机器人系统有5个PCI槽 可供扩展其它板卡，同时还外接了 8个USB2.0接口以供使用。此外，该移 动机器人系统上已经配备了 AD (Analog to Digital,模数)采集卡、声纳测 距卡可供扩展使用，还可以扩展三维激光测距仪和双目视觉摄像机，以实现 距离传感器和立体视觉相结合的自主漫游和避障。
除此之外，本发明的移动机器人系统还解决了在非实时操作系统上的定 时问题，并实现了一层架构和两层架构的无缝切换，在开放式运动控制器上 实现了高精度运动控制，具体说明如下。
本发明的移动机器人系统通过采用一层架构，将使用商用主板的计算机 作为控制系统的主控制器，闭环控制算法由使用通用的非实时Windows或 Linux操作系统的计算机来完成，实现了在非实时的Windows或Linux平台 上实现实时运动控制的目的。
同时，本发明的开放式移动机器人系统还可以实现一层架构和两层架构 的无缝切换。在两层架构中各部件之间的控制关系为
DSP运动控制器——驱动器——电机——编码器——DSP运动控制器。
在两层架构中，将开放式DSP运动控制器作为控制系统的主控制器，闭 环控制算法由DSP运动控制器来完成，而使用商用主板的计算机则仅仅被 作为运动控制的指令系统。在本发明的移动机器人系统中，可以在无需对整 个移动机器人的组成结构进行任何拆装和改变的前提下，仅仅通过便捷的程 序设置步骤，便可以将控制系统的主控制器在使用商用主板的计算机和DSP 运动控制器之间灵活改变，这便实现了一层架构和两层架构之间的无缝切 换。
另外，本发明的移动机器人系统还提供了良好的开发函数库，包括网络 控制、立体视觉、人脸识别、运动目标跟踪、运动控制、语音识别、声纳测 距、AD采集等。在此基础上用户可以方便地开发自己的应用程序。
另外，本发明的移动机器人系统还提供了大量的可供选择的配件，包括全景摄像机、机械手臂、双目视觉摄像机、带云台的摄象机、三维数字罗盘、 三维激光测距仪等等。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式
，但是本领域的技术人员应当理 解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这 些实施方式做出多种变更或修改。因此，本发明的保护范围由所附权利要求 书限定。
权利要求
1、一种开放式移动机器人系统，其特征在于，其包括通过通用计算机通讯接口依次连接的一传感模块、一控制模块和一动力模块，该控制模块包括通过通用计算机通讯接口相互连接的一计算机和一DSP运动控制器，该计算机使用非实时操作系统，根据该传感模块输入的数据运行闭环控制算法，通过与该DSP运动控制器通讯对该动力模块进行实时运动控制。
2、 如权利要求1所述的开放式移动机器人系统，其特征在于，该DSP 运动控制器通过一驱动器驱动该动力模块的一电机，并通过一编码器采集该 电机的位置参数。
3、 如权利要求1所述的开放式移动机器人系统，其特征在于，该传感 模块包括模拟输入设备和传感器，该模拟输入设备的数据被DSP数据采集 卡采集并通过通用计算机通讯接口传输至该计算机，该传感器的数据直接通 过通用计算机通讯接口传输至该计算机。
4、 如权利要求3所述的开放式移动机器人系统，其特征在于，该传感 器包括全景摄像机、双目视觉摄像机、云台摄像机、三维数字罗盘、三维激 光测距仪、GPS设备和网络设备中的一个或多个。
5、 如权利要求1所述的开放式移动机器人系统，其特征在于，该计算 机的实时控制结果通过输出设备进行输出。
6、 如权利要求5所述的开放式移动机器人系统，其特征在于，该输出 设备包括显示器、打印机和网络设备中的一个或多个。
7、 如权利要求1所述的开放式移动机器人系统，其特征在于，该通用 计算机通讯接口为PCI接口、 USB接口、 1394接口、 RS232接口或CAN接 □。
8、 如权利要求1所述的开放式移动机器人系统，其特征在于，该非实 时操作系统为Windows2000操作系统、WindowsXP操作系统或Linux操作 系统。
9、 如权利要求1所述的开放式移动机器人系统，其特征在于，该动力 模块采用两轮差分驱动方式。
10、 如权利要求1所述的开放式移动机器人系统，其特征在于，该动力模块包括一个或多个360度的万向轮。
全文摘要
本发明公开了一种开放式移动机器人系统，其包括通过通用计算机通讯接口依次连接的一传感模块、一控制模块和一动力模块，该控制模块包括通过通用计算机通讯接口相互连接的一计算机和一DSP运动控制器，该计算机使用非实时操作系统，根据该传感模块输入的数据运行闭环控制算法，通过与该DSP运动控制器通讯对该动力模块进行实时运动控制。本发明提高了移动机器人系统的可扩展性，解决了在通用的非实时操作系统上实现实时控制的问题，并通过采用开放的接口，使移动机器人的软硬件得以扩展，满足了设计灵活多样的教学实验的需求，在普及教育方面具有较好的推广价值。
文档编号B25J5/00GK101537613SQ20091004567
公开日2009年9月23日 申请日期2009年1月21日 优先权日2009年1月21日
发明者成 龚 申请人:上海广茂达伙伴机器人有限公司