一种轮式探测移动机器人控制系统及控制方法与流程

本发明属于控制系统设计技术及可靠性和安全性技术领域， 具体涉及一种轮式探测移动机器人控制系统及控制方法。

背景技术：

人类对未知的领域总是充满了好奇，探索是人类开启未知世界大门的第一步。地球上有着众多的未知环境，移动探测机器人则是重要的探测工具，由于未知环境和探测任务的复杂性，要求探测机器人要有较高的安全性和可靠性。轮式移动探测机器人具有较好的机动性能何可靠性，它的运行安全性一直以来都是研究的热点之一。

技术实现要素：

本发明是为了解决现有的轮式移动探测机器人在复杂环境下运行发生侧翻或是仰翻的问题。 现提供一种轮式探测移动机器人控制系统及控制方法。

一种轮式探测移动机器人控制系统及控制方法，它包括车体主体结构和四个驱动轮以及前后转向机构，所述车体主体结构和四个驱动轮以及前后转向机构组成轮式移动机器人，它还包括无线遥控操作单元、 外部通信单元、 主要控制单元、摄像头、GPS 模块、位姿传感器和超声波传感器、驱动控制单元、前转向控制单元、后转向控制单元、 UMAC 运动控制单元。

每个驱动轮用1个伺服电机驱动，每个转向机构用1个伺服电机驱动，所述主要控制单元、位姿传感器和 GPS 模块和 UMAC 运动控制单元均位于车体的内部，所述的超声波传感器和摄像头位于车体前段中间位置，前后转向机构分别位于车体的前后部分。

无线遥控操作单元与外部通信单元之间通过以太网实现数据传输， 外部通信单元与主控单元通过以太网连接，主要控制单元通过 RS485 总线方式与摄像头实现连接，主要控制单元过 RS232 总线方式与 GPS 模块实现连接，主要控制单元过USB接口与位姿传感器实现连接，主要控制单元通过以太网与 UMAC 运动控制单元连接， UMAC 运动控制单元的控制信号输出端连接驱动控制单元的控制信号输入端，UMAC 运动控制单元的反馈信号输入端连接驱动控制单元的反馈信号输出端。

根据一种轮式移动探测机器人控制系统及控制方法，该方法包括的内容为 ：

无线遥控操作单元通过无线通信模块以无线的方式给主要控制单元发送操作指令并实时监控机器人的运行状态，传感器单元用于采集机器人行走时的传感器信息以及机器人运行周围的环境信息，主控单元以以太网的方式给UMAC运动控制器发送操控机器人行走的命令， 控制6个伺服电机的运转， 通过电机的运动带动车轮运转和转向机构的运行，从而实现机器人在复杂环境中的安全运行。

UMAC运动控制器通过驱动6个伺服驱动器带动6个伺服电机的转动分别带动四个驱动轮和前后转向机构运行的流程为 ：

步骤一、 UMAC 运动控制器上电启动，接收 6 个伺服电机的电机运转指令， 执行步骤二，

步骤二、 判断位姿传感器，所采集的车体的运行参数是否都在安全范围内， 如果是，则执行步骤四，如果否， 则执行步骤三，

步骤三、 UMAC运动控制器控制伺服电机停止运行， 执行步骤四，

步骤四、采集摄像头、位姿传感器和超声波传感器的实时数进行融合处理后反馈到UMAC运动控制器，执行步骤五，

步骤五、判断轮式移动探测机器人当前的运行环境是否有障碍物， 如果有障碍物， 则执行步骤六，如果没有，则执行步骤十，

步骤六、根据摄像头和超声波传感器采集的障碍物信息，前后转向电机控制转向机构运行使车体完成转向功能，绕过障碍物继续运行，执行步骤十

步骤七、判断轮式移动机器人当前的运行环境是否有斜坡， 如果有斜坡， 则执行步骤八，如果都没有，则执行步骤十，

步骤八、机器人进行爬坡运行，通过位姿传感器实施采集车体姿态参数判断机器人是否具会发生侧翻或是仰翻，如果是， 则执行步骤九，如果都没有，则执行步骤十，

步骤九、机器人按原路后退之爬坡起始位置，执行步骤六，

步骤十、机器人继续运行， 执行步骤十，

步骤十一、 判断是否有机器人行走结束指令， 如果是，则执行步骤十， 如果否， 则重复执行步骤四、 步骤五、 步骤六和步骤七，

步骤十二、 机器人停止行走。

本发明的有益效果为 ：本发明的无线遥控操作单元采用 PC 机的形式， 放置在机器人机体外易于操作员控制的位置，与无线通信模块用以太网方式连接，通过外部通信单元给主要控制单元发送指令并接收从主要控制单元反馈的数据 ； 外部通信单元实现遥控操作单元与主要控制的数据交换；主要控制单元采用以太网方式连接无线通信模块和 UMAC 运动控制器，从而实现与无线遥控操作单元的信息交互、 传感器单元信息监控以及与运动控制单元数据通信的功能， 驱动控制单元和前后转向控制单元用于接收运动控制单元指令并实现电机转动， 电机作为最终的执行机构， 实现轮式移动机器人在不同模式下运动；轮式机器人通过采集多种传感器的实时数据，利用反馈调节的控制方式可以实现机器人在复杂环境下安全运行。

本发明有以下有益效果 ：

1. 采用反馈调节的控制方式，费用低，可靠性和实时性高，相比较于采用力传感器控制机器人在复杂环境中的运行方式，在节约了项目成本的同时， 确保了机器人行走的安全性与可靠性。

2. 轮式移动探测机器人控制系统基于模块化思想，各个模块功能划分清晰， 无线遥控操作单元和主要控制单元负责控制指令发送和数据显示，运动控制单元、驱动控制单元、前后转向控制单元和传感器数据采集单元负责通过算法实现 6 个伺服电机协调转动，简化了系统结构，提高了移动机器人反应速度。

3. 基于运动学分析，可以实现机器人在不同模式下的运动，机器人功能更加多样化，针对不同路况可以选择不同的运行方式实现机器人任务的完成。

4. 摄像机、GPS模块位、姿传感器和超声波传感器连接在主控单元，将采集的数据信息融合处理后反馈给控制器，把车体的位置状态融合到机器人控制算法中，通过实时检测车体姿态和位置状态，判断车体的运行位置和运行状体， 从保证机器人在复杂路面行走的安全性。

5.UMAC 运动控制器具有机械限位等可扩展的接口，方便实时对硬件进行扩展 ；软件方面功能实现多样，可通过修改相应部分代码增改相关功能。

附图说明

图 1为具体实施方式一所述的一种轮式探测移动机器人控制系统的原理示意图，

图 2 为本发明所述的一种轮式探测移动机器人及其主要组成元器件的的位置结构示意图，

图 3 为具体实施方式九所述的根据一种轮式探测移动机器人控制系统及控制方法实现的控制方法的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一 ：参照图 1 具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种轮式移动探测机器人控制系统，它包括车体基本框架和四个驱动轮以及前后转向机构，所述车体基本框架和四个驱动轮以及前后转向机构组成轮式移动机器人，它还包括摄像头 1-4-1、GPS 模块1-4-2、位姿传感器1-4-3、超声波传感器1-4-4、主要控制单元 1-2、外部通信单元 1-3、无线遥控操作单元 1-4、UMAC 运动控制单元 1-5、驱动控制单元 1-6、前转向控制单元1-7、后转向控制单元1-8；

所述每个驱动轮用一个直流伺服电机驱动，所述每个转向机构用一个流伺服电机驱动，所述摄像头 1-4-1、GPS 模块1-4-2、位姿传感器1-4-3、主要控制单元 1-2、和 UMAC 运动控制单元 1-5 均位于车体基本框架的内部， 所述的位姿传感器 1-4-3位于车体基本框架的几何中心处；

所述无线遥控操作单元 1-4 与外部通信单元 1-3 之间通过以太网实现数据传输，外部通信单元 1-3 与主要控制单元 1-2 通过 以太网实现连接，主控单元 1-2通过 RS485 总线方式与摄像头 1-4-1 实现连接，主控单元 1-2 通过 RS232 总线方式与 GPS 模块 1-4-2 实现连接，主控单元 1-2 通过 USB 串行接口方式与位姿传感器 1-4-3和超声波传感器1-4-4实现连接，同时，主控单元 1-2 通过以太网与 UMAC 运动控制单元 1-5 连接， UMAC 运动控制单元 1-5 的控制信号输出端连接驱动控制单元 1-6、前转向控制单元1-7和后转向控制单元1-8的控制信号输入端， UMAC 运动控制单元 1-5 的反馈信号输入端连接驱动控制单元 1-6、前转向控制单元1-7和后转向控制单元1-8的反馈信号输出端；

本实施方式中，UMAC 运动控制单元1-5通过控制伺服驱动器，控制伺服电机带动车轮和前后转向机构运动，当车体进行爬坡运行时，位姿传感器将采集车体运行的实时姿态角度数值，数据经处理后反馈给主要控制单元，再由主要控制单元发送出相应控制指令给运动控制单元，控制伺服电机的运转；

本实施方式中， UMAC 运动控制单元 1-5 采用 32 轴的 UMAC 运动控制器，具有与主控单元数据通信，规划驱动控制单元的功能；

驱动控制单元， 用于接收运动控制单元指令并实现电机协调转动 ； 传感器单元用于检测车体的运行环境和车体的运行姿态信息，并将检测结果反馈给主要控制制单元；

无线遥控操作单元程序和主控单元程序基于 VC++6.0 开发 ；运动控制单元和前后转向控制单元程序基于UMAC 中的 PLC 程序和运动控制程序开发；

无线遥控操作单元和主要控制单元，负责指令的发送，接收以及信息的显示；运动控制单元、 驱动控制单元、前后转向控制单元和传感器采集单元， 负责环境和车体运行参数的采集及控制电机转动从而带动轮式移动机器人运动。

具体实施方式二 ：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种轮式探测移动机器人控制系统作进一步说明，本实施方式中，外部通信单元 1-3 包括主无线通信模块和从无线通信模块，所述主无线通信模块和从无线通信模块采用无线方式连接，主无线通信模块与无线遥控操作单元 1-4 通过以太网方式连接，从无线通信模块与主要控制单元 1-2 通过以太网方式连接。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种轮式探测移动机器人控制系统作进一步说明，本实施方式中，摄像头(1-1-1)采用索尼工业级高分辨率的 XC-ES50系列工业数字摄像机实现， GPS 模块 (1-1-2) 采用GSTAR工业级低功耗的GS-89m-J型号实现，位姿传感器(1-1-3)采用XSENS的MTI-G型号实现。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种轮式探测移动机器人控制系统作进一步说明，本实施方式中，每个驱动轮和前后转向机构机各包含有一个伺服电机，驱动控制单元1-6包括4个伺服驱动器1-6-1和4个伺服电机1-6-2，前转向控制单元1-7包括1个伺服驱动器1-7-1和1个伺服电机1-7-2，后转向控制单元1-8包括1个伺服驱动器1-8-1和1个伺服电机1-8-2， 每个伺服电机控制一个驱动轮或是转向机构运转。

所述 UMAC 运动控制单元 1-5 的 6个控制信号输出端分别连接 6 个伺服驱动器1-6-1、1-7-1和1-8-1的控制信号输入端， 6 个伺服驱动器1-6-2、1-7-2和1-8-2的控制信号输出端分别连接 6个伺服电机 1-6-1、1-7-1和1-8-1的控制信号输入端， 6 个伺服电机1-6-2、1-7-2和1-8-2的反馈信号输出端分别连接 6 个伺服驱动器1-6-1、1-7-1和1-8-1的反馈信号输入端， 6 个伺服驱动器1-6-1、1-7-1和1-8-1的反馈信号输出端分别连接 UMAC运动控制单元 1-5 的 6个反馈信号输入端。

具体实施方式五 ：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种轮式探测移动机器人控制系统作进一步说明，本实施方式中， 无线遥控操作单元 1-4 采用 PC 机实现。

具体实施方式六 ：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种轮式探测移动机器人控制系统作进一步说明，本实施方式中，主要控制单元 1-2 采用型号为 PC104 的主板实现。

本实施方式中，主要控制单元采用研华 A E C - 6 9 2 0 主板，用于实现与遥控操作单元的信息交互、传感器单元信息监控以及与运动控制单元数据通信的功能。

具体实施方式七 ：根据具体实施方式一所述的一种轮式探测移动机器人控制系统方法， 该方法包括的内容为 ：

无线遥控操作单元1-4通过主无线通信模块以无线的方式给主要控制单元1-2发送操作指令并实时监控机器人的运行状态， 摄像头 1-4-1 、GPS 模块 1-4-2和位姿传感器1-4-3 采集机器人运行时的传感器信息， 将信息传给主要控制单元 1-2，主要控制单元 1-2 通过以太网给 UMAC 运动控制器 1-5发送操控机器人行走的命令，从而 UMAC 运动控制器 1-5 通过驱动 6 个伺服驱动器 1-6-1、1-7-1和1-8-1带动 6 个伺服电机1-6-2、1-7-2和1-8-2的协调转动驱动四个驱动轮和两个转型机构运行；

本实施方式中，遥控操作单元和主控单元基于服务器 - 客户端的方式实现无线通信，无线遥控操作单元通过给主要控制单元发送操作人员指令实现机器人的运动以及接收主控单元传来的机器人位姿角度等数据实现相关参数的显示；

基于位置环、速度环和电流环三环控制方式 ,UMAC 运动控制器给驱动控制单元发送模拟量控制单个电机的转动，通过编码器反馈获得电机位置信息；利用 UMAC 运动控制器实现 6个伺服电机协调转动，从而带动移动机器人在不同的路况环境下运动；

轮式移动机器人在复杂环境中行走时，通过实时检测车体周围环境和车体运行姿态角度的变化，确定车体运行前方有无障碍物以及车是否正可以安全的完成爬坡运行，并把车体环境监测和运行姿态角度的变化信息融入到机器人的控制算法中，基于 UMAC 运动控制器控制伺服电机协调转动，从而带动轮式机器人进行避障以及确实是否可以安全的进行爬坡运行，实现机器人在复杂环境中的安全运行。

具体实施方式八：参照图 3 具体说明本实施方式，根据具体实施方式七所述的一种轮式探测移动机器人控制系统方法实现的控制方法， UMAC 运动控制器 1-5 通过驱动 6个伺服驱动器 1-6-1、1-7-1和1-8-1带动 6 个伺服电机 1-6-2、1-7-2和1-8-2的协调转动带动四个驱动轮和两个转向机构运动的流程为 ：

步骤一、 UMAC 运动控制器 (1-5) 上电启动，接收6个伺服电机 (1-6-2) 、(1-7-2)和 (1-8-2)的电机运转指令，执行步骤二，

步骤二、 判断位姿传感器(1-4-3)，所采集的车体的运行参数是否都在安全范围内，如果是，则执行步骤四，如果否，则执行步骤三，

步骤三、 UMAC运动控制器(1-5)控制伺服电机停止运行，执行步骤四，

步骤四、采集摄像头 (1-4-1) 、位姿传感器(1-4-4)和超声波传感器 (1-4-4) 的实时数进行融合处理后反馈到UMAC运动控制器(1-5)，执行步骤五，

步骤五、判断轮式移动机器人当前的运行环境是否有障碍物，如果有障碍物， 则执行步骤六，如果没有，则执行步骤十，

步骤六、根据摄像头 (1-4-1)和超声波传感器 (1-4-4)采集的障碍物信息，前后转向电机控制转向机构运行使车体完成转向功能，绕过障碍物继续运行，执行步骤十，

步骤七、判断轮式移动机器人当前的运行环境是否有斜坡， 如果有斜坡， 则执行步骤八，如果都没有，则执行步骤十，

步骤八、机器人进行爬坡运行，通过位姿传感器(1-4-4)实施采集车体姿态参数判断机器人是否具会发生侧翻或是仰翻，如果是， 则执行步骤九，如果都没有，则执行步骤十，

步骤九、机器人按原路后退之爬坡起始位置，执行步骤六，

步骤十、机器人继续运行， 执行步骤十，

步骤十一、 判断是否有机器人行走结束指令，如果是，则执行步骤十，如果否，则重复执行步骤四、步骤五、步骤六和步骤七，

步骤十二、 机器人停止行走。