CN101561683B - 环境污染检测机器人的运动控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环境污染检测机器人的运动控制装置，由电机控制模块、具有电机信号采集功能的电机驱动模块、无线通讯模块、嵌入式中央处理器模块、主单片机模块、具有多画面分割功能的图像采集模块以及传感器采集模块组成。电机驱动模块的驱动电流输出端与左右两轮和前导臂的电机的电源输入端连接，用于为电机提供驱动电流。电机控制模块的电机驱动信号输出端与电机驱动模块的电机驱动信号输入端连接，用于控制驱动电流的大小和方向。嵌入式中央处理器模块的电机控制信号输出端与电机控制模块的电机控制信号输入端连接，用于发送电机控制指令控制电机运动。电机控制模块的电机反馈信号输出端与嵌入式中央处理器模块的电机反馈信号输入端连接。

Description

环境污染检测机器人的运动控制装置

技术领域

本发明涉及移动机器人技术以及环境保护领域。要求涉及一种环境污染检测机器人的运动控制装置。

背景技术

在环境污染检测领域中，由于某些特殊情况或恶劣环境，如危险化学品泄漏环境、核废料污染环境，普通环保人员无法接近，使用一般手段无法实施污染检测。如果环保人员携带检测仪器进入污染区域，不仅效率低下、可靠性低，更重要的是环保人员的危险极大，很容易造成人员伤亡。而且目前专门的环境检测车辆体积庞大、行动迟缓，无法进入建筑内部实施检测。

本发明提出的运动控制装置基于小型环境污染检测机器人，通过遥操作进行远程控制，利用三个电机实现各种车体的各种运动，利用传感器和摄像头实现对环境污染现场的各种检测工作。

国内外现有的同类移动机器人均采用嵌入式中央处理器+总线结构，传感器数据未经处理直接送入嵌入式中央处理器，向不同控制单元发送的指令也没有统一的格式，这就导致用户必须使用相应的软件平台才能进行二次开发，一定程度上限制了开发的灵活性，也破坏了底层硬件平台的封装性；其二，由于没有传感器冗余，在传感器发生故障时就无法完成测量功能；此外，同类机器人均使用单电台进行数据和图像的传输，这就要求电台的带宽和发射功率很大，不能满足小型机器人远距离的控制要求。

发明内容

本发明提供一种环境污染检测机器人的运动控制装置，它通过无线通讯接收远程遥控指令，控制环境污染检测机器人快速、安全、准确地进入待检测的环境现场。

本发明采用如下技术方案：

一种环境污染检测机器人的运动控制装置，由电机控制模块、具有电机信号采集功能的电机驱动模块、无线通讯模块、嵌入式中央处理器模块、主单片机模块、具有多画面分割功能的图像采集模块以及传感器采集模块组成。电机驱动模块的驱动电流输出端与左右两轮和前导臂的电机的电源输入端连接，用于为电机提供驱动电流。电机控制模块的电机驱动信号输出端与电机驱动模块的电机驱动信号输入端连接，用于控制驱动电流的大小和方向。嵌入式中央处理器模块的电机控制信号输出端与电机控制模块的电机控制信号输入端连接，用于发送电机控制指令控制电机运动。电机控制模块的电机反馈信号输出端与嵌入式中央处理器模块的电机反馈信号输入端连接，用于反馈电机的状态。传感器采集模块的传感器信息输出端通过RS485总线与主单片机模块的传感器信息输入端连接，用于将测距传感器和GPS/姿态传感器信息依次传送给主单片机模块内的传感器信息汇总电路。主单片机模块的传感器信息输出端与嵌入式中央处理器模块的传感器信息输入端连接，嵌入式中央处理器模块的设备控制命令输出端与主单片机模块的设备控制命令输入端连接，用于将所有传感器的信息送入嵌入式中央处理器模块。主单片机模块的设备控制命令输出端通过RS485总线与图像采集模块的设备控制命令输入端连接，用于控制图像采集模块内的PTZ摄像头和改变图像处理模块的图像分割方式。图像采集模块的图像信号输出端与嵌入式中央处理器模块的图像信号输入端连接，用于将图像信息传输给嵌入式中央处理器模块。嵌入式中央处理器模块的无线通讯端与无线通讯模块的无线通讯端连接，用于通过无线通讯模块与远程端计算机进行无线通讯。无线通讯模块的远程无线通讯端与远程端计算机的无线通讯端连接，用于将数据和图像信号传输给远程端计算机，并将远程端计算机的控制指令传输给机器人端，实现远程控制端计算机对环境污染检测机器人运动的遥操作控制。

本发明系统有四个工作过程：

1.远程控制端计算机将操作人员设定的方向、速度、旋转速度的参数通过无线通讯模块内的数据电台发送至嵌入式中央处理器模块。嵌入式中央处理器模块通过计算得到左右两轮和前导臂电机的转速，将此转速信息作为电机控制信号发送到电机控制模块，电机控制模块将此电机控制信号处理后转换为控制左右两轮和前导臂电机的六路PWM信号，控制电机驱动模块的H桥驱动电机，实现车体的前进、后退和转弯以及前导臂的抬起和放下的运动；

2.每隔一个特定时间主单片机模块内的传感器信息汇总电路都会从传感器采集模块中取得机器人的GPS定位、姿态和环境距离信息，并将这些信息送至嵌入式中央处理器模块。嵌入式中央处理器模块将所有传感器信息通过无线通讯模块内的数据电台传送给远程控制端计算机；

3.环境污染检测机器人上携带的一个PTZ摄像头和三个CCD摄像头将获得的现场图像信息经过图像处理模块的压缩、分割和拼接等处理后送入嵌入式中央处理器模块，再经过软件压缩后通过无线通讯模块内的图传电台发送给远程控制端计算机；

4.远程控制端计算机根据操作人员的需要发出设备控制指令，通过无线通讯模块内的数据电台传送至嵌入式中央处理器模块，再通过主单片机处理电路内的设备控制命令处理电路处理后发送至连接各外设的RS485总线，控制PTZ摄像头的运动或改变图像处理模块的处理方式，使远程控制端可以更好地观察现场的污染情况。

与现有技术相比，本发明具体优点如下：

1)采用分布式测控方式：

a)传感器信息采集部分采用分布式控制结构，自上而下分别为嵌入式中央处理器模块、主单片机模块的传感器信息汇总电路和传感器采集模块三级控制单元。传感器采集电路贴近传感器，能够准确快速的控制传感器工作并接受传感器的信息，避免了信号长距离传输可能受到的干扰；传感器信息汇总电路负责协调分散在各处的传感器采集电路的工作，合理使用总线，避免各部分争抢总线导致的阻塞，使各部分传感器信息可以有条不紊的上传，并使传感器信息上传信息频率为可控；嵌入式中央处理器模块集中处理上传的传感器信息并将处理结果返回远程控制端计算机。

b)设备控制命令处理部分采用分布式控制结构，自上而下分别为嵌入式中央处理器、设备控制命令处理电路和外设三级。嵌入式中央处理器向设备控制命令处理电路发送统一格式的命令，经过设备控制命令处理电路处理后向各种设备发送的格式不同的控制命令。

分布式测控方式还可以使环境污染检测机器人的上位机(嵌入式中央处理器模块)和下位机(主单片机模块等)的协议分开，软件工作者可以完全脱离下层硬件复杂的协议而使用规定好的统一的协议进行上层软件的开发，有利于第三方利用本机器人硬件平台进行二次开发。

2)为提高机器人系统可靠性采用了多处设计：

a)每侧的测距传感器组采用3个超声波传感器和2个红外线传感器，不仅可以对所得数据进行过滤处理，在有部分传感器损坏的条件下仍可以完成测距工作；

b)主单片机模块中使用两块单片机分别进行传感器信息汇总和设备控制指令的处理工作，加快设备控制指令的响应速度，即使传输传感器信息的总线发生故障也不会影响对机器人外设的控制；

c)嵌入式中央处理器与远程控制端计算机的无线通讯中使用两个无线传输电台，一个为交换数据信息和控制指令的数据电台，双向，带宽较窄；一个为传输图像的图传电台，由机器人端单向传向远程控制端计算机，带宽较宽。由于图像信息量较大，传输时丢失率较高，数据和图像分开传输可以减少数据包的延迟和丢失，提高数据的实时性和可靠性，使相同条件下机器人可接收控制的距离增大，同时也可以使机器人在控制系统失去控制时仍能传输图像。

3)传感器采集模块可即插即用：传感器采集模块与主单片机模块间采用RS485总线连接，通讯上使用主单片机定时呼叫-从机应答-超时退出的方式，不存在总线竞争问题，传感器采集电路加入总线即能正常工作，退出总线也不会影响到系统其他部分，保证了系统的长期稳定性。

环境污染检测机器人运动控制装置可以通过遥操作的手段安全、快速、有效地控制环境污染检测机器人进出污染现场，为环境污染检测工作提供相当大的便利。

附图说明

图1为本发明的模块框图。

图2为本发明的模块分布图。

图3为本发明电机控制模块电路原理图。

图4为本发明电机驱动模块电路原理图。

图5为本发明传感器信息汇总电路原理图。

图6为本发明设备控制命令处理电路原理图。

图7为本发明测距模块传感器分布图。

图8为本发明测距模块电路原理图。

图9为本发明GPS/姿态模块电路原理图。

具体实施方式

下文结合附图及具体实施例对本发明环境污染检测机器人的运动控制装置进行详细描述。

如图1所示，一种环境污染检测机器人的运动控制装置，由电机驱动模块1、具有电机信号采集功能的电机控制模块2、无线通讯模块3、嵌入式中央处理器模块4、主单片机模块5、具有多画面分割功能的图像采集模块6以及传感器采集模块7组成。电机驱动模块1的电机驱动电流输出端与左右两轮和前导臂的电机的电源输入端连接，用于为电机提供驱动电流。电机控制模块2的电机驱动信号输出端与电机驱动模块1的电机驱动信号输入端连接，用于控制驱动电流的大小和方向。嵌入式中央处理器模块4的电机控制信号输出端与电机控制模块2的电机控制信号输入端连接，用于发送电机控制指令控制电机运动。电机控制模块2的电机反馈信号输出端与嵌入式中央处理器模块4的电机反馈信号输入端连接，用于反馈电机的状态。传感器采集模块7的传感器信息输出端通过第一RS485总线与主单片机模块5的传感器信息输入端连接，用于将测距传感器和GPS/姿态传感器信息依次传送给主单片机模块5内的传感器信息汇总电路。主单片机模块5的传感器信息输出端与嵌入式中央处理器模块4的传感器信息输入端连接，嵌入式中央处理器模块4的设备控制命令输出端与主单片机模块5的设备控制命令输入端连接，用于将所有传感器的信息送入嵌入式中央处理器模块4。主单片机模块5的设备控制命令输出端通过第二RS485总线与图像采集模块6的设备控制命令输入端连接，用于控制图像采集模块6内的PTZ摄像头和改变图像处理模块的图像分割方式。图像采集模块6的图像信号输出端与嵌入式中央处理器模块4的图像信号输入端连接，用于将图像信息传输给嵌入式中央处理器模块4。嵌入式中央处理器模块4的数据通讯端与无线通讯模块3的数据通讯端连接，用于通过无线通讯模块3与远程端计算机进行无线数据通讯。嵌入式中央处理器模块4的图像信号输出端与无线通讯模块3的图像信号输入端连接，用于通过无线通讯模块3向远程端计算机传输视频信号。无线通讯模块3的远程数据通讯端与远程端计算机的数据通讯端连接，用于将数据传输给远程端计算机，并将远程端计算机的控制指令通过无线通讯模块3传输给机器人端。无线通讯模块3的图像信号输出端与远程端计算机的视频输入接口连接，用于将视频信号传输给远程端计算机。实现远程控制端计算机对环境污染检测机器人运动的遥操作控制。

如图2所示，电机传感器安装在车体前方的电机与传动机构箱内。电机驱动模块、电机控制模块中的电机控制电路、无线通讯模块、嵌入式中央处理器模块、主单片机模块、图像采集模块及传感器采集模块中的GPS/姿态模块电路均安装在车体中心箱体内。电机控制模块中的电机传感器安装在电机及传动机构箱内，传感器采集模块中的测距模块电路分布在车体的前、后、左、右侧，前侧位于电机与传动机构箱之前、两个前导臂的中间，后侧位于中心箱体之后，左右两侧分别在前后轮以及上下履带之间。PTZ摄像头位于中心箱体后部的上方，三个CCD摄像头分布于车体上。

本发明各模块具体情况介绍如下：

1)电机驱动模块：如图4所示，电机驱动模块由场效应管搭成的三个H桥、两个光耦隔离器电路以及三个继电器电路组成。光耦隔离器电路的六个输入端PWM1-PWM6与电机控制模块的电机驱动信号输出端连接，作为所述的电机驱动模块的电机驱动信号输入端之一，用于隔离电机控制信号和电机驱动信号。光耦隔离器电路的六个输出端MOTOR1A、MOTOR1B、MOTOR2A、MOTOR2B、MOTOR3A、MOTOR3B与H桥的六个相应输入端连接，用于控制三个H桥分别输出一定大小和方向的电流。三个H桥的六个电流输出端B1_A、B1_B、B2_A、B2_B、B3_A、B3_B分别与三个电机的电源连接，作为所述的电机驱动模块的电机驱动电流输出端，用于驱动电机转动。三个继电器电路的输入端与电机控制模块的电机驱动信号输出端连接，作为所述的电机驱动模块的电机驱动信号输入端之一，用于分别控制三个电机电源的通断。

2)电机控制模块：由电机传感器部分和电机控制电路部分组成。

a)电机传感器部分由三个电机电流检测传感器和三个电机码盘组成。三个电机电流检测传感器用于分别测量三个电机的工作电流，输出模拟电压信号。三个电机码盘用于分别测量三个电机的速度，输出PWM信号。

b)电机控制电路部分如图3所示，由型号为TMS320LF2407A的数字信号处理器DSP、型号为MAX3232的电平转换芯片MAX3232、型号为74HC08的与门以及型号为CY7C1021的扩展内存RAM组成。数字信号处理器DSP的PWM1-PWM6引脚分别为三个电机的正向和反向共六个驱动信号的输出引脚，与电机驱动模块的电机驱动信号输入端连接，作为电机控制模块的电机驱动信号输出端之一，用于控制电机电流的大小和方向。数字信号处理器DSP的ADCIN0-ADCIN2引脚分别与三个电机电流检测传感器的输出端连接，用于接收电流检测传感器的模拟电压信号。数字信号处理器DSP的CAP1-CAP3引脚分别与三个电机码盘的输出端连接，用于接收电机码盘的PWM信号。数字信号处理器DSP的SCITXD和SCIRXD引脚与电平转换芯片MAX3232的T1I、R1O引脚连接。电平转换芯片MAX3232的T1O为所述的电机控制模块1的电机反馈信号输出端，用于向嵌入式中央处理器模块发送电机反馈信号。电平转换芯片MAX3232的R1I引脚为所述的电机控制模块1的电机控制信号输入端，用于接收嵌入式中央处理器模块的电机控制信号。数字信号处理器DSP的/PS、/DS引脚分别与与门74HC08的输入引脚连接，与门74HC08的输出引脚与扩展内存RAM的/CE连接，用于选通扩展内存RAM，数字信号处理器DSP的/WE、/RD引脚分别与扩展内存RAM的/WE、/OE引脚连接，用于选择扩展内存RAM的工作方式。数字信号处理器DSP的A0-A15、D0-D15引脚分别与扩展内存RAM的A0-A15、IO0-IO15引脚连接，分别用于传输扩展内存RAM的地址和数据。数字信号处理器DSP的IOPC5-IOPC7引脚与电机驱动模块1的电机驱动信号输入端连接，作为所述的电机控制模块2的电机驱动信号输出端之一，用于控制电机电源的通断。

3)无线通讯模块：负责嵌入式中央处理器与远程控制端计算机间的无线通讯。由两组不同频率的无线传输电台组成。

a)数据电台通讯方式为带宽较窄的双向通讯。机器人端数据电台的网线接口与嵌入式中央处理器模块的数据通讯端连接，作为所述的无线通讯模块的数据通讯端，用于将机器人端传感器信息通过数据电台传给远程端计算机。远程端数据电台的网线接口与远程端计算机的无线通讯端连接，作为所述的无线通讯模块的远程数据通讯端，用于将远程端计算机的控制命令通过数据电台传给机器人端。

b)图传电台通讯方式为带宽较宽的单向通讯。机器人端图传电台的视频接口与嵌入式中央处理器模块的图像信号输出端连接，作为所述的无线通讯模块的图像信号输入端，用于将机器人端的视频信号通过图传电台传向远程端计算机。远程端图传电台的视频输出接口与远程端计算机的视频输入接口连接，作为所述的无线通讯模块的图像信号输出端，用于将图像信号传给远程端计算机。

由于图像信息量较大，传输时丢失率较高，数据和图像分开传输可以减少数据包的延迟和丢失，提高数据的实时性和可靠性，同时也可以使机器人在控制系统失去控制时仍能传输图像。

4)嵌入式中央处理器模块：由PC104总线结构的嵌入式中央处理器组成，嵌入式中央处理器的串口COM1与电机控制模块的电机控制信号输入端和电机反馈信号输出端连接，作为所述的嵌入式中央处理器模块的电机控制信号输出端和电机反馈信号输入端。嵌入式中央处理器的串口COM2与主单片机模块的传感器信息输出端和设备控制命令输入端连接，作为所述的嵌入式中央处理器模块的传感器信息输入端和设备控制命令输出端。嵌入式中央处理器的视频输入接口与图像采集模块的图像信号输出端连接，作为所述的嵌入式中央处理器模块的图像信号输入端。嵌入式中央处理器的网线接口与无线通讯模块的数据通讯端连接，作为所述的嵌入式中央处理器模块的数据通讯端。嵌入式中央处理器的视频输出接口与无线通讯模块的图像信号输入端连接，作为所述的嵌入式中央处理器模块的图像信号输出端。

5)主单片机模块：由传感器信息汇总电路和设备控制命令处理电路组成。

a)传感器信息汇总电路如图5所示，由型号为C8051F020的单片机C8051F020、型号为MAX232的电平转换器MAX232以及型号为MAX485的电平转换器MAX485组成。单片机C8051F020的P0.0、P0.1引脚分别与电平转换器MAX232的T2IN、R2OUT脚连接，将串口数据转换为RS232电平，单片机C8051F020的P0.7引脚与电平转换器MAX485的DCON和RCON引脚连接，用于控制电平转换器MAX485读写方式，单片机C8051F020的P0.2、P0.3引脚分别与电平转换器MAX485的D、R引脚连接，将串口数据转换为RS485电平，电平转换器MAX232的T2OUT引脚为所述的主单片机模块的传感器信息输出端，用于将所有传感器信息输出至嵌入式中央处理器模块。电平转换器MAX485的A和B引脚与第一RS485总线连接，作为所述的主单片机模块的传感器信息输入端，用于通过第一RS485总线接收来自传感器采集模块的数据。

b)设备控制命令处理电路如图6所示，由型号为C8051F340的单片机C8051F340、型号为MAX232的电平转换器MAX232以及型号为MAX485的电平转换器MAX485组成，单片机C8051F340的P0.4、P0.5引脚分别与电平转换器MAX232的T2IN、R2OUT引脚连接，用于将串口数据转换为RS232电平，单片机C8051F340的P0.7引脚与电平转换器MAX485的DCON和RCON引脚连接，用于控制电平转换器MAX485读写方式，单片机C8051F340的P0.0、P0.1引脚分别与电平转换器MAX485的D、R引脚连接，用于将串口数据转换为RS232电平。电平转换器MAX232的R2IN引脚作为所述的主单片机模块的设备控制命令输入端，用于接收嵌入式中央处理器模块发送的设备控制命令。电平转换器MAX485的A和B引脚与第二RS485总线连接，作为所述的主单片机模块的设备控制命令输出端，用于通过第二RS485总线向图像采集模块的PTZ摄像头和图像处理模块发送控制命令。

6)图像采集模块：由一个PTZ摄像头、三个CCD摄像头和图像处理模块组成，负责采集现场图像信息并进行转换和压缩。PTZ摄像头可根据控制命令转动云台和变焦。图像处理模块可根据控制命令改变转换和压缩方式，实现不同方式的压缩以及四画面、单路和画中画组合显示。四个摄像头的视频输出接口与图像处理模块的视频输入接口连接，用于将视频信号传入图像处理模块进行处理。图像处理模块的视频输出接口与嵌入式中央处理器模块的图像信号输入端连接，作为所述的图像采集模块的图像信号输出端，用于将处理后的图像信号送给嵌入式中央处理器模块。PTZ摄像头的控制信号输入口与第二RS485总线连接，作为图像采集模块的设备控制信号输入端之一，用于控制PTZ摄像头云台的转动和变焦。图像处理模块的控制信号输入口与第二RS485总线连接，作为图像采集模块的设备控制信号输入端之一，用于控制图像处理模块的转换和压缩方式。

7)传感器采集模块：四个测距模块电路、四个测距传感器组、GPS/姿态模块电路、GPS传感器和倾角传感器组成。一个测距传感器组和一个测距模块电路组成一个测距模块，四个测距模块分布在车体的四周，负责测量车体与四周障碍物之间的距离；GPS/姿态模块电路接收GPS定位信息和倾斜传感器的信息，得到车体当前的位置和姿态情况，为远程端操作人员提供辅助信息。

a)测距传感器组由三个超声波传感器和两个红外传感器组成。超声波传感器测量距离为40cm-10m，有一个开始信号输入口，用于控制超声波传感器开始检测，有一个回波信号输出口，用于输出回波信号。红外传感器测量距离为10cm-60cm，有一个电压模拟信号输出口。GPS传感器有一个RS232串口，可输出GPS定位信息。倾角传感器有一个SPI接口，可输出X、Y方向的姿态信息。

b)测距传感器组传感器分布如图7所示，超声波和红外传感器在同一垂直面和同一水平面上交替放置，方向均朝向机器人外侧，各传感器中心相隔5cm。红外传感器弥补了超声波传感器测量的盲区，两者协同工作实现机器人的测距功能。同向使用多个相同测距传感器使测距模块可靠性更高，不仅可以对数据进行过滤处理，还可以在有传感器损坏的情况下仍能完成测距功能。

c)测距模块电路如图8所示，由型号为C8051F330的单片机C8051F330，型号为MAX485的电平转换器MAX485以及型号为54VHC4051M的多路选通器54VHC4051M组成。单片机C8051F330的P1.3-P1.5引脚分别与三个超声波传感器开始信号输入口连接，用于控制超声波传感器开始测量。单片机C8051F330的P1.6-1.7引脚分别与多路选通器54VHC4051M的选通脚A和B连接，用于选通当前工作的超声波传感器的回波信号线。单片机C8051F330的P1.0、P1.1引脚与红外线传感器的输出端连接，用于接收红外线传感器的电压模拟信号。单片机C8051F330的P1.2引脚与电平转换器MAX485的收发控制脚DCON和RCON引脚连接，用于控制电平转换器MAX485的工作方式。多路选通器54VHC4051M的X0-X2引脚分别与三个超声波传感器的回波信号输出口连接，单片机C8051F330的P0.0引脚与多路选通器54VHC4051M的输出脚X连接，用于接收超声波传感器的回波信号。单片机C8051F330的P0.4、P0.5引脚分别与电平转换器MAX485的D、R引脚连接，用于将串口数据转换至RS485电平。电平转换器MAX485的A和B引脚与第一RS485总线连接，为所述的传感器采集模块的传感器信息输出端之一，用于将采集到的距离信息传送到主单片机模块。

d)GPS/姿态模块电路如图9所示，由型号为C8051F340的单片机C8051F340，型号为MAX232的电平转换器MAX232以及型号为MAX485的电平转换器MAX485组成。单片机C8051F340的P0.4、P0.5引脚与电平转换器MAX232的T2IN、R2OUT脚连接，用于将串口数据转换为RS232电平。单片机C8051F340的P0.0-P0.3引脚与倾角传感器的SPI接口连接，用于接收倾角传感器的姿态信息。单片机C8051F340的P2.0引脚与电平转换器MAX485的DCON、RCON引脚连接，用于控制电平转换器MAX485的工作方式。单片机C8051F340的P1.0、P1.1引脚分别与电平转换器MAX485的D、R脚连接，用于将串口数据转换为RS485电平。电平转换器MAX232的T2OUT、R2IN引脚与GPS传感器的RS232串口连接，用于接收GPS传感器的GPS定位信息。电平转换器MAX485的A和B引脚与第一RS485总线连接，为所述的传感器采集模块的传感器信息输出端之一，用于将采集到的距离信息传送到主单片机模块。

各控制部分工作方式介绍如下：

1)电机控制方式：嵌入式中央处理器模块通过串口COM1将电机控制信号输入电机控制模块，电机控制模块的电平转换器MAX3232的R1I引脚接收电机控制信号，经过电平转换后由R1O输入数字信号处理器DSP的SCIRXD引脚。电机控制信号经过数字信号处理器处理后获得每个电机的期望速度。数字信号处理器DSP根据期望速度由PWM1-PWM6引脚输出相应的六路PWM驱动信号至电机驱动模块。电机驱动模块的两个光耦隔离器的输入端接收六路PWM驱动信号，输出隔离后的六路PWM驱动信号至H桥的六个输入端。H桥根据输入的六路电机驱动信号产生相应的电流控制三个电机的转动。三个电机码盘分别输出码盘PWM信号至电机控制模块的数字信号处理器DSP的CAP1-CAP3引脚，数字信号处理器DSP根据码盘PWM信号计算出当前电机的转速，与设定的速度进行比较后对输出的PWM信号进行调整，用于维持电机恒定转速。同时，电机电流检测传感器输出电压模拟信号至电机控制模块的数字信号处理器DSP的ADCIN0-ADCIN2引脚，数字信号处理器DSP根据电压模拟信号计算出当前通过电机的电流大小，一旦电机出现异常状况，导致电流过大超出初始设置的电流阈值，数字信号处理器DSP的IOPC5-IOPC7输出信号至电机驱动模块的相应继电器电路，用于切断H桥电源并进入锁定状态等待处理，避免电机过热烧毁。数字信号处理器的SCITXD引脚输出电机反馈信号至电平转换器MAX3232的T1I引脚，经过电平转换后由T1O引脚输出至嵌入式中央处理器模块的串口COM1，用于反馈电机的工作状态。

2)传感器采集部分工作方式：

a)传感器信息汇总方式：传感器信息汇总电路的单片机C8051F020的P0.2引脚定时输出各传感器模块电路的地址信号，经过电平转换器MAX485进行电平转换后，由电平转换器MAX的A、B引脚输出至第一RS485总线。测距模块电路的电平转换器MAX485的A、B引脚接收到所述的地址信号，经过电平转换器MAX485进行电平转换后输入单片机C8051F330的P0.5引脚。单片机C8051F330判断是否为自己地址，若不是则不做处理，若是则将测距信息内存中储存的测距信息通过P0.4引脚输出至电平转换器MAX485的D引脚，经过电平转换后由电平转换器MAX485的A、B引脚输出至第一RS485总线。GPS/姿态模块电路的电平转换器MAX485的A、B引脚接收到所述的地址信号，经过电平转换器MAX485进行电平转换后输入单片机C8051F340的P0.5引脚。单片机C8051F340判断是否为自己地址，若不是则不做处理，若是则将GPS/姿态信息内存中储存的GPS和姿态信息通过P0.4引脚输出至电平转换器MAX485的D引脚，经过电平转换后由电平转换器MAX485的A、B引脚输出至第一RS485总线。传感器信息汇总电路的电平转换器MAX485的A、B引脚接收到传感器信息，经过电平转换器MAX485进行电平转换后输入单片机C8051F020的P0.3引脚。单片机C8051F020将传感器信息存入相应传感器信息内存中。待所需的传感器信息全部汇总后，单片机C8051F020的P0.0接口输出传感器信息至电平转换器MAX232的T2IN引脚，经过电平转换器MAX232进行电平转换后，由T2OUT引脚输出至嵌入式中央处理器模块的串口COM2。

b)测距信息采集方式：测距模块电路的单片机C8051F330的P1.3-P1.5引脚定时发送超声波传感器测量开始信号至超声波传感器的测量开始信号输入端，用于启动超声波传感器测量过程。单片机C8051F330的P1.6-P1.7引脚输出多路选通器选通信号至多路选通器54VHC4051M选通脚A、B，用于选通相应超声波回波信号线路。超声波传感器接收到回波后，由回波信号输出端输出回波信号至多路选通器54VHC4051M的X引脚，经过选通后由X0-X2中的一路输出至单片机C8051F330的P0.0引脚。单片机C8051F330对测量过程计时后计算出距离信息，存储在测距信息内存中。单片机C8051F330的P1.0、P1.1引脚定时读取红外传感器模拟电压输出端输出的电压模拟信号，经过AD转换后计算出距离信息，存储在测距信息内存中。

c)GPS/姿态信息采集方式：GPS/姿态模块电路的电平转换器MAX232的R2IN引脚接收GPS传感器RS232串口定时发送的GPS定位信息，经过电平转换器MAX232进行电平转换后，由R2OUT引脚输出至单片机C8051F340的P1.1引脚。单片机C8051F340对GPS定位信息进行处理后存储在GPS信息内存中。单片机C8051F340的P0.0-P0.3引脚定时接收倾角传感器输出的姿态信息，经过处理后存储在姿态信息内存中。

3)设备控制部分工作方式：设备控制命令处理电路的电平转换器MAX232的R2IN引脚接收嵌入式中央处理器模块的串口COM2发送的设备控制命令，经过电平转换器MAX232进行电平转换后由R2OUT引脚输出至单片机C8051F340的P0.5引脚。单片机C8051F340对命令进行转换后由P0.0引脚输出至电平转换器MAX485的D引脚，经过电平转换器MAX485进行电平转换后由A、B引脚输入第二RS485总线。图像采集模块的PTZ摄像头接收到设备控制命令中的摄像头控制命令后进行云台转动和变焦动作，图像采集模块的图像处理模块接收到设备控制命令中的图像处理控制信号后改变图像处理的工作方式，用于使远程端控制人员更好地观察现场的情况。

Claims (9)

1.一种环境污染检测机器人的运动控制装置，其特征在于由电机驱动模块(1)、具有电机信号采集功能的电机控制模块(2)、无线通讯模块(3)、嵌入式中央处理器模块(4)、主单片机模块(5)、具有多画面分割功能的图像采集模块(6)以及传感器采集模块(7)组成，电机驱动模块(1)的电机驱动电流输出端与左右两轮和前导臂的电机的电源输入端连接，电机控制模块(2)的电机驱动信号输出端与电机驱动模块(1)的电机驱动信号输入端连接，嵌入式中央处理器模块(4)的电机控制信号输出端与电机控制模块(2)的电机控制信号输入端连接，电机控制模块(2)的电机反馈信号输出端与嵌入式中央处理器模块(4)的电机反馈信号输入端连接，传感器采集模块(7)的传感器信息输出端通过第一RS485总线与主单片机模块(5)的传感器信息输入端连接，主单片机模块(5)的传感器信息输出端与嵌入式中央处理器模块(4)的传感器信息输入端连接，嵌入式中央处理器模块(4)的设备控制命令输出端与主单片机模块(5)的设备控制命令输入端连接，主单片机模块(5)的设备控制命令输出端通过第二RS485总线与图像采集模块(6)的设备控制命令输入端连接，图像采集模块(6)的图像信号输出端与嵌入式中央处理器模块(4)的图像信号输入端连接，嵌入式中央处理器模块(4)的数据通讯端与无线通讯模块(3)的数据通讯端连接，嵌入式中央处理器模块(4)的图像信号输出端与无线通讯模块(3)的图像信号输入端连接，无线通讯模块(3)的远程数据通讯端与远程端计算机的网线接口连接，无线通讯模块(3)的图像信号输出端与远程端计算机的视频输入接口连接。

2.根据权利要求1所述的环境污染检测机器人的运动控制装置，其特征在于主单片机模块(5)由传感器信息汇总电路和设备控制命令处理电路两个子模块组成。

3.根据权利要求2所述的环境污染检测机器人的运动控制装置，其特征在于传感器信息汇总电路由型号为C8051F020的单片机C8051F020、型号为MAX232的电平转换器MAX232以及型号为MAX485的电平转换器MAX485组成，单片机C8051F020的P0.0、P0.1引脚分别与电平转换器MAX232的T2IN、R2OUT引脚连接，单片机C8051F020的P0.7引脚与电平转换器MAX485的RCON和DCON引脚连接，单片机C8051F020的P0.2、P0.3引脚分别与电平转换器MAX485的D、R引脚连接，电平转换器MAX232的T2OUT引脚为所述的主单片机模块(5)的传感器信息输出端，电平转换器MAX485的A和B引脚与RS485总线连接，为所述的主单片机模块(5)的传感器信息输入端。

4.根据权利要求2所述的环境污染检测机器人的运动控制装置，其特征在于设备控制命令处理电路由型号为C8051F340的单片机C8051F340、型号为MAX232的电平转换器MAX232以及型号为MAX485的电平转换器MAX485组成，单片机C8051F340的P0.4、P0.5引脚分别与电平转换器MAX232的T2IN、R2OUT引脚连接，单片机C8051F340的P0.7引脚与电平转换器MAX485的RCON和DCON引脚连接，单片机C8051F340的P0.0、P0.1引脚分别与电平转换器MAX485的D、R引脚连接，电平转换器MAX232的R2IN引脚为所述的主单片机模块(5)的设备控制命令输入端，电平转换器MAX485的A和B引脚与RS485总线连接，为所述的主单片机模块(5)的设备控制命令输出端。

5.根据权利要求1所述的环境污染检测机器人的运动控制装置，其特征在于传感器采集模块(7)由四个测距模块电路、四个测距传感器组、GPS/姿态模块电路、GPS传感器和倾角传感器组成，四个测距模块电路分别安装在四个测距传感器组后方，分布在环境污染检测机器人的前、后、左、右侧。

6.根据权利要求5所述的环境污染检测机器人的运动控制装置，其特征在于测距模块电路由型号为C8051F330的单片机C8051F330、型号为MAX485的电平转换器MAX485以及型号为54VHC4051M的多路选通器54VHC4051M组成，单片机C8051F330的P1.3-P1.5引脚分别与三个超声波传感器开始信号接收脚连接，单片机C8051F330的P1.6-1.7引脚分别与多路选通器54VHC4051M的选通脚A和B连接，单片机C8051F330的P1.0、P1.1引脚与红外线传感器的输出端连接，单片机C8051F330的P1.2引脚与电平转换器MAX485的收发控制脚RCON、DCON引脚连接，单片机C8051F330的P0.0引脚与多路选通器54VHC4051M的输出脚X连接，单片机C8051F330的P0.4、P0.5引脚分别与电平转换器MAX485的D、R脚连接，多路选通器54VHC4051M的X0-X2引脚分别与三个超声波传感器的回波信号输出脚连接，电平转换器MAX485的A和B引脚与RS485总线连接，为所述的传感器采集模块(7)的传感器信息输出端之一。

7.根据权利要求5所述的环境污染检测机器人的运动控制装置，其特征在于测距传感器组由三个超声波传感器和两个红外线传感器组成，超声波和红外传感器在同一垂直面或同一水平面上交替放置，方向均朝向机器人外侧，各传感器中心相隔5cm。

8.根据权利要求5所述的环境污染检测机器人的运动控制装置，其特征在于GPS/姿态模块由型号为C8051F340的单片机C8051F340、型号为MAX232的电平转换器MAX232以及型号为MAX485的电平转换器MAX485组成，单片机C8051F340的P0.4、P0.5引脚分别与电平转换器MAX232的T2IN、R2OUT引脚连接，单片机C8051F340的P0.0-P0.3引脚与倾角传感器的姿态信息输出端连接，单片机C8051F340的P2.0引脚与电平转换器MAX485的RCON和DCON引脚连接，单片机C8051F340的P1.0、P1.1引脚分别与电平转换器MAX485的D和R引脚连接，电平转换器MAX232的T2OUT、R2IN引脚与GPS传感器的GPS信息输出端连接，电平转换器MAX485的A和B引脚与RS485总线连接，为所述的传感器采集模块(7)的传感器信息输出端之一。

9.根据权利要求1所述的环境污染检测机器人的运动控制装置，其特征在于无线通讯模块(3)由一组数据电台和一组图传电台组成，数据电台为带宽较窄的双向电台，图传电台为机器人端向远程控制端单向传输、带宽较宽的单向电台。

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