一种壁面移动机器人的运动控制系统及其控制方法与流程

本发明涉及一种壁面移动机器人的运动控制系统及其控制方法，属于机器人技术领域。

背景技术

现代城市高楼林立，尤其在工业和建筑业的工作中，经常需要在一些内、外墙面作业。这些墙面的材料一般为玻璃、金属、塑料等，其内、外墙面结构比较复杂，工作条件苛刻，在其内、外墙面作业不仅困难重重，而且充满了危险，所以壁面机器人应运而生。

然而目前的壁面移动机器人一般根据单一的传感器设备检测数据作为其运行与避险越障的依据,缺陷较大。而且机器人的壁面环境适应性、自动导航与人机协同工作的能力以及系统控制能力较差。随着经济、社会和科学技术的发展，运行与避险越障能力强、工作效率高、自动导航与人机协同工作能力优的降低人工成本与作业风险的壁面移动机器人已成为机器人行业的一个热点问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种壁面移动机器人的运动控制系统及其控制方法，通过中央处理单元对驱动系统、导航系统、以及人工控制系统的智能控制与协同工作，解决了目前壁面移动机器人根据单一的传感器设备检测数据作为其运行与避险越障依据所造成的缺陷，实现了壁面移动机器人的自动导航和人机协同工作，提高了运行和避险越障的速度与效率，增强了系统的控制能力达到了智能控制运动的目的。

为解决上述技术问题，本发明提供一种壁面移动机器人的运动控制系统，其特征是，包括：

驱动系统，用于调整和改变壁面移动机器人的运动路径和状态；

导航系统，用于采集壁面移动机器人的运动路径及其周围环境状况和其当前运动状态的相关数据信息，以便根据系统当前状况确定最优的运动路径，起到导航的作用，同时在人工控制模式时协同工作；

人工控制系统，用于提供壁面移动机器人的运动控制系统数据库中所未设定的针对一些危险或特殊情况的应对及处理方式，由人工控制壁面移动机器人的运动路径和状态以避过障碍物或危险区域；

中央处理单元，分别控制驱动系统、导航系统和人工控制系统，而且人工控制系统与驱动系统、导航系统之间通过中央处理单元实现相互协同工作。

优选地，所述驱动系统包括分别与中央处理单元连接的驱动控制器、压力传感器以及湿度传感器，所述驱动控制器通过切换开关模式调节移动足和吸附装置的工作状态，改变壁面移动机器人当前所处的运动路径和状态；所述压力传感器用于感应吸附装置是否贴壁，并将信号传输给中央处理单元；所述湿度传感器用于检测壁面移动机器人当前路径方向及其周围路径的湿度状况，判断当前的环境状况是否适合贴壁运动，并将信号传输给中央处理单元。

优选地，所述驱动控制器采用三棱fx2n系列plc控制器。

优选地，所述导航系统包括分别与中央处理单元连接的gps模块、速度传感器、位移传感器和红外线传感装置，所述gps模块用于获取壁面移动机器人的实时位置信息，确定壁面移动机器人在任意时刻所在的位置，并根据相关的数据信息确定最优路径；所述速度传感器用于采集壁面移动机器人运动时的瞬时速度数据，以确定壁面移动机器人在任意时刻的实时运动速度；所述位移传感器用于采集壁面移动机器人的角位移和直线位移数据信息，通过角位移和直线位移数据信息确定壁面移动机器人的运动方向和路径；所述红外线传感装置用于探测壁面移动机器人的运动路径方向及其周围环境所存在障碍物或危险区域的数据信息，并确定壁面移动机器人与其之间的距离。

优选地，所述人工控制系统包括手柄控制模块、语音控制模块、图像采集模块、通信模块和显示屏，所述语音控制模块、图像采集模块、通信模块和显示屏均集成在手柄控制模块上，中央处理单元与手柄控制模块通过通信模块连接。

优选地，所述语音控制模块包括语音单元、对讲机和单片机，采集远距离语音信号的对讲机与语音单元连接，单片机连接用于采集语音指令信号的语音单元，单片机分析语音信号并发送相关数据信息到中央处理单元。

优选地，所述图像采集模块与中央处理单元连接，用于采集和处理各传感装置和模块所探测到的壁面移动机器人运动路径及其周围环境状况的图像数据信息，并发送至中央处理单元和显示屏，以便于对壁面移动机器人运行状态的观察和控制。

优选地，所述通信模块主要包括信号接收器和遥控器，信号接收器与中央控制单元连接，遥控器通过信号接收器向中央控制单元发送信号，以实现远程控制。

优选地，所述显示屏用于显示图像数据和传感数据，实时观测壁面移动机器人的运动状态、位置以及其周围运动环境状况，方便遇到紧急情况及时预警和处理。

本发明还提供一种壁面移动机器人的运动控制方法，其特征是，包括：

压力传感器检测吸附装置是否贴壁，如果贴壁则由湿度传感器继续检测当前环境湿度是否适合运行，若这两个检测结果任意一个都不符合运行要求，则系统会停止运行并发出警报；若这两个检测结果都符合运行要求，则中央处理单元会发出相关运行指令，使驱动系统、导航系统相互协同工作，实现壁面移动机器人自动导航运行；

在运动过程中，若遇到障碍或危险的特殊情况，系统会发出预警并根据当前所采集的数据信息判断采用自动导航还是人工控制方式，若采用自动导航则中央处理单元会根据数据库和当前相关数据信息自动选择最优路径；若采用人工控制则需要考虑使用语音控制还是手柄控制，然后由人工判断选择最优路径；

最优路径确定之后，中央处理单元根据相关数据信息发出指令改变机器人的运动路径和状态，直至到达目的地。

本发明所达到的有益效果：通过对多种环境数据的采集和利用，提高了其运行与避险越障的速度和效率，实现了壁面移动机器人的自动导航和人机协同工作，达到了智能运行的效果。解决了目前壁面移动机器人根据单一的传感器设备检测数据作为其运行与避险越障依据所造成的缺陷。同时该机器人的运动控制系统结构简单、对环境适应能力强、便于操作且易于编程、降低了人工成本和作业风险，对壁面移动机器人的发展和研究有一定的实际意义。

附图说明

图1是本发明的具体实施方式的一种壁面移动机器人运动控制系统的结构框架图；

图2是本发明的具体实施方式的一种壁面移动机器人运动控制方法的流程图；

图3是本发明的具体实施方式的基于tps767d301的中央处理单元tms320f28335电源电路原理图；

图4是本发明的具体实施方式的中央处理单元tms320f28335与pc串口通信原理图；

图5是本发明的具体实施方式的外设报警电路图。

附图的标记为：1-中央处理单元（tms320f28335），2-驱动系统，3-导航系统，4-人工控制系统，5-驱动控制器（fx2n系列plc），6-压力传感器，7-湿度传感器，8-gps模块，9-速度传感器，10-位移传感器，11-红外线传感装置，12-手柄控制模块，13-语音控制模块，14-图像采集模块，15-通信模块，16-显示屏。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种壁面移动机器人运动控制系统的结构框架图，主要由四个部分即中央处理单元1、驱动系统2、导航系统3、以及人工控制系统4组成。中央处理单元主要采用tms320f28335芯片，此芯片主频率高，拥有32位定点结构和浮点运算单元，运算性能好、外设丰富、性能强大。如图3所示，是基于tps767d301的中央处理单元tms320f28335电源电路原理图。

壁面移动机器人运动控制方法流程如图2所示，系统启动之后，各系统、模块等待中央处理单元的相关工作指令。首先是压力传感器检测吸附装置是否贴壁，如果贴壁则由湿度传感器继续检测当前环境湿度是否适合运行，若这两个检测结果任意一个都不符合运行要求，则系统会停止运行并发出警报，警报电路图如图5所示。若这两个检测结果都符合运行要求，则中央处理单元会发出相关运行指令，使驱动系统、导航系统等相互协同工作，实现壁面移动机器人自动导航运行。在运动过程中，若遇到障碍或危险等特殊情况，系统会发出预警并根据当前所采集的数据信息判断采用自动导航还是人工控制方式。若采用自动导航则中央处理单元会根据数据库和当前相关数据信息自动选择最优路径；若采用人工控制则需要考虑使用语音控制还是手柄控制，然后由人工判断选择最优路径。最优路径确定之后，中央处理单元根据相关数据信息发出指令改变机器人的运动路径和状态，直至到达目的地。

壁面移动机器人运动控制系统的驱动系统2主要包括驱动控制器5、压力传感器6以及湿度传感器7。它受中央处理单元1控制，主要是用来调整和改变壁面移动机器人的运动路径和状态。其中驱动控制器5采用三棱fx2n系列plc控制器，此系列plc系统配置灵活方便、具有在线和离线编程功能以及高速处理功能，基本上能够满足各种工业控制要求。在壁面移动机器人处于运行状态，遇到障碍物或危险区域等特殊情况时，中央处理单元1会发出预警并发送相关运动指令至驱动控制器5，驱动控制器5通过切换电磁阀、气缸、气源等开关模式调节移动足和吸附装置的工作状态，改变壁面移动机器人当前所处的运动路径和状态。

本系统的压力传感器6与中央处理单元1连接，用于感应吸附装置是否贴壁，并将信号传输给中央处理单元1。当感应到吸附装置贴壁时向中央处理单元1发送信号，中央处理单元1分析处理之后发送控制命令给驱动控制器5让吸附装置中的真空发生器工作。压力传感器6的添加还可防止真空发生器过早进入工作状态，可降低能耗。而湿度传感器7也与中央处理单元1连接，用于检测壁面移动机器人当前路径方向及其周围路径的湿度状况，判断当前的环境状况是否适合贴壁运动，并将数据传输给中央处理单元1。若湿度传感器7检测到当前运动路径方向及其周围路径的湿度过大不适合继续运动，则中央处理单元1会根据传输来的数据给驱动控制器5发出指令，让其停止运动并发出警报。若只是前进路径方向湿度过大而其周围路径湿度尚可运动，中央处理单元1会根据当前采集到的多种环境数据信息，自动调整运动路径和状态，实现自动导航。若当前环境过于复杂，中央处理单元1会切换到人工控制的模式，由人工判断选择最优的运动路径，改变当前的运动路径和状态。

壁面移动机器人的运动控制系统中的导航系统3主要包括gps模块8、速度传感器9、位移传感器10和红外线传感装置11。它的主要作用是采集壁面移动机器人的运动路径及其周围环境状况以及其当前运动状态的相关数据信息，以便根据系统当前状况确定最优的运动路径，起到自动导航的作用。导航系统3受中央处理单元1控制，同时也会反馈相关的数据信息并反作用于中央处理单元1。其中的gps模块8用于获取壁面移动机器人的实时位置信息，确定壁面移动机器人在任意时刻所在的位置，并根据相关的数据信息确定最优路径，实现导航作用。

而速度传感器9与中央处理单元1连接，用于采集壁面移动机器人运动时的瞬时速度数据，以确定壁面移动机器人在任意时刻的实时运动速度，便于系统观察和控制。位移传感器10也与中央处理单元1连接，用于采集壁面移动机器人的角位移和直线位移数据信息，通过角位移和直线位移数据信息确定壁面移动机器人的运动方向和路径。红外线传感装置11同样与中央处理单元1连接，用以探测壁面移动机器人的运动路径方向及其周围环境所存在障碍物或危险区域的大小、形状、覆盖范围等数据信息，并确定壁面移动机器人与其之间的距离，以便于其运动控制系统提前做好相关的应对措施和预警。在将相关探测数据发送至中央处理单元1后，中央处理单元1会根据壁面移动机器人当前所处位置及其运动状态数据向系统数据库中查询应对相关状况而预先设定的方案信息，获取壁面移动机器人运动路径和状态调整的数据信息。然后中央处理单元1会发送相关指令至驱动控制器5调整壁面移动机器人的运行路径和状态，改变其当前运动状态，避开障碍物或危险区域，通过导航系统3到达目的地。如果在数据库中没有查询到应对该种情况下如何调整的具体数据信息，则中央处理单元1会自动切换到人工控制系统模式并向操作人员示警，由人工控制壁面移动机器人的运动路径和状态，以避过障碍物或危险区域。导航系统3的加入使得壁面移动机器人的运动控制系统在运动状态和路径上的定位精度、自动导航能力以及系统的运动控制性能都得到了显著提高和增强。

壁面移动机器人的运动控制系统中的人工控制系统4主要包括手柄控制模块12、语音控制模块13、图像采集模块14、通信模块15和显示屏16。人工控制系统4主要用于处理壁面移动机器人运动控制系统数据库中所未设定的针对一些危险或特殊情况的应对及处理方式。遇到所述情况中央处理单元就会自动预警并切换到人工控制模式，由人工控制壁面移动机器人的运动路径和状态以避过障碍物或危险区域。

其中语音控制模块13、图像采集模块14、通信模块15和显示屏16都集成在手柄控制模块12上，中央处理单元1与控制手柄通过通信模块15连接。除此外控制手柄上还有控制壁面移动机器人运动方向和状态的按键，如前后左右、加速、减速，停止等等。图像采集模块14与中央处理单元1连接，主要用于采集和处理，各传感装置和模块所探测到的壁面移动机器人运动路径及其周围环境状况的图像数据信息，并发送至中央处理单元1和显示屏16，以便于对壁面移动机器人运行状态的观察和控制。通信模块15主要负责人工控制系统4与中央处理单元1之间的数据信息传递，起通讯联络的作用。通信模块15主要包括信号接收器和遥控器，信号接收器与中央控制单元1连接，遥控器通过信号接收器向中央控制单元1发送信号，以实现远程控制。通信模块15设有2个串行通信接口sci模块，sci模块支持cpu与其他使用标准格式的异步外设之间的数字通信。通信模块15主要负责人工控制系统4与中央处理单元1之间的数据信息传递，起通讯联络的作用。如图4所示，是中央处理单元tms320f28335与pc串口通信原理图。控制手柄上设置的显示屏16，用于显示图像数据和传感数据，可以实时观测其运动状态、位置以及其周围运动环境状况，方便遇到紧急情况好及时预警和处理。

为了增强对壁面移动机器人的控制，同时防止手柄控制壁面移动机器人运动时出现故障的现象，故在人工控制系统中增加了语音控制模块13。所述语音控制模块13主要包括语音单元、对讲机和单片机。采集远距离语音信号的对讲机与语音单元连接，单片机连接用于采集语音指令信号的语音单元，用来分析语音信号并发送相关数据信息到中央处理单元1。语音单元采用语音芯片isd1760并利用非特定人（si）的语音识别技术。单片机采用32位的stc89c51单片机，通过芯片的语音识别系统将语音信号传送给单片机，由单片机发出控制命令至中央处理单元。中央处理单元1根据单片机发来的指令控制驱动模块，改变壁面移动机器人的运动状态，从而完成壁面移动机器人的语音控制过程。语音单元采用语音芯片型号为isd1760，采用非特定人（si）的语音识别技术，对识别声音没有特殊要求，可以识别中文普通话、简单的地方方言、英语等。语音单元内设有抗噪音电路，抗噪音电路连接在语音单元上对接受的语音信号进行降噪滤波处理，具有显著地抗噪音性能。在30db下，基本上能够完成语音的识别。单片机根据接收到的语音发出指令到中央处理单元是通过检索语音信号的相应语音关键词作为指令，如语音控制系统检索到“向前”语音，将数据信号传输给中央处理单元1后，在其分析处理后则会发出控制命令至驱动控制器5，让壁面移动机器人向前运动。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。