CN101612733B - 一种分布式多传感器移动机器人系统 - Google Patents
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Abstract
本发明一种分布式多传感器移动机器人系统，包括：采用数字媒体片上系统DMSoC双核处理器和定制的嵌入式系统构架来构建上层控制部；底层控制部由多个DSP单元组成；上层控制部与底层控制部的各个单元通过CAN总线相连，构成分布式控制网络，实现机器人功能单元的并行处理。本发明采用高性能专用DMSoC处理器和定制的嵌入式系统构架来构建上层控制部，采用多个DSP单元组成底层控制部，各单元可以实现并行处理，并通过高速可靠的CAN总线实现局部网络通信，系统具备高速数据处理能力和实时数据通信能力，实现同时减小了移动机器人平台的体积，降低了系统的功耗和成本，提高了移动机器人系统的可扩展性，有利于拓展移动机器人的应用。
Description
技术领域
本发明属于机器人领域，涉及一种移动机器人控制系统。
背景技术
移动机器人是机器人研究的重要领域，它是一个包括环境感知、规划与决策、控制与执行等多种功能的综合智能控制系统。通常移动机器人包括移动机构、感知系统和主控系统三个部分。移动机构是机器人的载体，决定机器人的运动空间，有步行机构、轮式机构、履带式机构等；感知系统有CCD摄像头、激光测距仪、超声传感器、接触传感器、接近传感器、红外传感器、雷达定位传感器、全球定位传感器等；主控系统相当于机器人的大脑，它综合感知系统获取的环境信息以控制移动机构执行相应的动作。
以往的移动机器人系统大多是以PC104或嵌入式计算机为主控制系统，负责完成机器人的规划与决策，其移动机构和感知系统由单片机来实现，它们之间采用串口来实现通信。这种结构的优势主要是结构简单，成本较低，但是单片机系统的信号处理和运算能力有限，通信速率较低，不能处理比较复杂的传感器信号，尤其是视觉信号，这使得机器人的整体响应速度难以提高，从而不能满足复杂环境下的工作要求。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明的目的在于开发一种以DMSoC双核处理器搭建上层控制部，并和底层控制部的多个DSP单元通过CAN总线连成局部网络，构成分布式控制系统的移动机器人平台，将机器人的传感器信号处理、伺服控制、规划与决策等任务实现并行处理，为此本发明提出一种分布式多传感器移动机器人系统。
为了实现上述目的，本发明一种分布式多传感器移动机器人系统，包括：
上层控制部，采用DMSoC双核(DSP+ARM)处理器和定制的嵌入式系统构架实现，具有一个语音接口、一个视觉接口和一个CAN总线连接端口；底层控制部包括：语音传感器、视觉传感器、超声传感器、红外传感器和接近传感器，光电码盘，移动机构，定点运动DSP单元、漫游DSP单元、避障DSP单元和定位及伺服DSP单元组成，其中：超声传感器、红外传感器和接近传感器分别与相对应的定点运动DSP单元、漫游DSP单元、避障DSP单元串联连接；光电码盘和移动机构与定位及伺服DSP单元并联连接；定点运动DSP单元、漫游DSP单元、避障DSP单元和定位及伺服DSP单元分别配置一个CAN总线连接端口；上层控制部和底层控制部的定点运动DSP单元、漫游DSP单元、避障DSP单元和定位及伺服DSP单元通过CAN总线连接端口连接到CAN总线，通过CAN总线相连实现局部网络通信，构成分布式控制系统。
其中，上层控制部的DMSoC双核处理器和定制的嵌入式系统构架实现，包括：一DSP内核与底层控制部的语音传感器和视觉传感器，负责处理底层控制部的视觉、语音传感器信息；一ARM内核一端与DSP内核单元相连，ARM内核另一端分别与人机接口和CAN总线连接端口相连，负责信息综合、定位导航、外部通信、任务调度和控制决策；一CAN总线连接端口实现上层控制部的CAN总线连接，用于与底层控制部进行CAN总线通信。一人机接口用于接收外部用户的控制指令和显示机器人当前的运行状态。
其中，底层控制部的各DSP单元采用并行处理方式。
其中，底层控制部包括：
语音传感器和视觉传感器与上层控制部的DSP内核相连，用于采集机器人环境的语音和视觉信息，并传输给DSP内核进行处理；超声传感器与定点运动DSP单元相连，用于采集机器人环境的超声信息，并传输给定点运动DSP单元；红外传感器与漫游DSP单元相连，用于采集机器人环境的红外信息，并传输给漫游DSP单元；接近传感器与避障DSP单元相连，用于采集机器人与周围物体的距离信息，并传输给避障DSP单元；光电码盘与定位及伺服DSP单元相连，用于确定机器人运动的角位移信息，并传输给定位及伺服DSP单元；移动机构与定位及伺服DSP单元相连，用于根据定位与伺服DSP单元的控制命令实现机器人的具体运动；定点运动DSP单元与超声传感器和CAN总线相连，从超声传感器接收超声信息，通过CAN总线从漫游DSP单元接收红外信息、从避障DSP单元接收与环境中障碍物的距离信息，对超声、红外、距离信息进行数据融合，并根据上层控制部给出的机器人位置和目标点信息，规划出一条自由路径，把运动路径通过CAN总线发送给定位及伺服DSP单元，实现机器人的定点运动；漫游DSP单元与红外传感器和CAN总线相连，从红外传感器接收红外信息，通过CAN总线从避障DSP单元接收与环境中障碍物的距离信息，通过局部路径规划，实现机器人的漫游行为，漫游动作命令通过CAN总线发送给定位及伺服DSP单元，红外信息通过CAN总线发送给定点运动DSP单元；避障DSP单元与接近传感器和CAN总线相连，从接近传感器接收与环境中障碍物的距离信息，通过动态避障算法实现机器人动态避障，避障动作命令通过CAN总线发送给定位及伺服DSP单元，与环境中障碍物的距离信息通过CAN总线发送给定点运动DSP单元和漫游DSP单元；定位及伺服DSP单元与光电码盘和CAN总线相连，定位模块从光电码盘接收机器人的角位移信息以实现粗定位，并根据通过CAN总线接收的其他DSP单元的传感器信息实现精确定位；伺服模块通过自适应模糊PID控制实现机器人驱动轮的伺服控制，控制命令发送给移动机构执行。
本发明为了提高移动机器人的运算处理能力，可以采用分布式的定制嵌入式系统来实现机器人控制。嵌入式系统以应用为中心，软硬件可裁剪，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的系统。对移动机器人的各个单元采用定制的嵌入式系统来实现，可以针对不同单元的特点定制最合适的软硬件实现。各个单元以分布式的结构实现并行处理，通过高速通信网络实现局部控制网络，从而可以极大地提高系统的运算能力，其灵活的结构使得机器人系统的成本和功耗都很容易控制。本发明采用定制的嵌入式系统构架和高性能专用DMSoC处理器构建上层控制部，采用多个DSP单元组成底层控制部，各单元可以实现并行处理，并通过高速可靠的CAN总线实现局部网络通信，系统具备高速数据处理能力和实时数据通信能力，实现同时减小了移动机器人平台的体积，降低了系统的功耗和成本，提高了移动机器人系统的可扩展性，有利于拓展移动机器人的应用。
附图说明
图1为本发明移动机器人的体系结构图；
图2为本发明移动机器人的系统结构图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明技术方案中所涉及的各个细节问题。应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
请参阅图1本发明移动机器人的体系结构图，图中是基于分布式结构的多传感器移动机器人系统采用分层体系结构，把机器人控制系统分为四层：任务协调层、行为规划层、信息感知层和运动控制层。
任务协调层和行为规划层构成上层控制，通过对传感器感知的环境信息和机器人的运行状态全局信息的分析和推理，有效实施对底层控制中各功能模块的任务调度和故障处理，以保证移动机器人整体运行的高效性和可靠性。信息感知层和运动控制层构成底层控制，分别完成光电码盘、接近、红外、超声、语音、视觉等传感器信号的处理以及运动控制、定位、避障、漫游、定点运动、识别跟踪、语音命令处理等功能。
具体地说，任务协调层与控制中心或者其他机器人进行交互，接受指定的任务并根据一定的调度策略进行任务协调，最后把任务进行分解并传送到行为规划层；信息感知层根据码盘、接近传感器、红外传感器、超声传感器、视觉传感器和语音传感器等感知外界环境和机器人的运动状态，并把处理后的信息传送给行为规划层；行为规划层根据从任务协调层接收到的任务和从信息感知层接收的传感器信息进行分析推理和信息综合，然后把要执行的任务分解为具体的行为控制命令，并传送到运动控制层；运动控制层根据行为规划层发送的行为控制命令，控制移动机器人的运动执行机构实现指定方式的运动，同时通过码盘把自身的运动状态传送给信息感知层。
对应于机器人体系结构的分层设计思想，机器人控制系统的硬件实现分为上层控制部1和底层控制部2，两者之间通过CAN总线实现局部网络通信，其中底层控制部2又由多个DSP单元组成，请参阅图2，下面介绍本发明移动机器人的系统结构，包括：
上层控制部1，采用DMSoC双核(DSP+ARM)处理器和定制的嵌入式系统构架实现，具有一个语音接口、一个视觉接口和一个CAN总线连接端口；底层控制部2包括：语音传感器、视觉传感器、超声传感器、红外传感器和接近传感器，光电码盘，移动机构，定点运动DSP单元、漫游DSP单元、避障DSP单元和定位及伺服DSP单元组成，其中：超声传感器、红外传感器和接近传感器分别与相对应的定点运动DSP单元、漫游DSP单元、避障DSP单元串联连接；光电码盘和移动机构与定位及伺服DSP单元并联连接；定点运动DSP单元、漫游DSP单元、避障DSP单元和定位及伺服DSP单元分别配置一个CAN总线连接端口；上层控制部1和底层控制部2的定点运动DSP单元、漫游DSP单元、避障DSP单元和定位及伺服DSP单元通过CAN总线连接端口连接到CAN总线，通过CAN总线相连实现局部网络通信，构成分布式控制系统。其中底层控制部2的多个DSP单元采用并行处理方式。
所述上层控制部1采用的DMSoC双核(DSP+ARM)处理器，包括：一DSP内核与底层控制部2的语音传感器和视觉传感器相连，负责处理底层控制部2采集的视觉、语音传感信息；一ARM内核分别与DSP内核单元和CAN总线连接端口相连，负责信息综合、定位导航、外部通信、任务调度和控制决策；一CAN总线连接端口实现上层控制部1的CAN总线连接，用于与底层控制部2进行CAN总线通信；一人机接口用于接收外部用户的控制指令和显示机器人当前的运行状态。
所述底层控制部2包括：语音传感器和视觉传感器与上层控制部1的DSP内核相连，用于将采集机器人环境的语音和视觉信息，并传输给DSP内核进行处理；超声传感器与定点运动DSP单元相连，用于采集机器人环境的超声信息，并传送给定点运动DSP单元；红外传感器与漫游DSP单元相连，用于采集机器人环境的红外信息，并传输给漫游DSP单元；接近传感器与避障DSP单元相连，用于采集机器人与周围物体的距离信息，并传输给避障DSP单元；光电码盘与定位及伺服DSP单元相连，用于确定机器人运动的角位移信息，并传输给定位及伺服DSP单元；移动机构与定位及伺服DSP单元相连，用于根据定位与伺服DSP单元的控制命令实现机器人的具体运动；定点运动DSP单元与超声传感器和CAN总线相连，从超声传感器接收超声信息，通过CAN总线从漫游DSP单元接收红外信息、从避障DSP单元接收与环境中障碍物的距离信息，根据各种传感器信息进行数据融合，并根据上层控制部1给出的机器人位置和目标点信息，规划出一条自由路径，把运动路径通过CAN总线发送给定位及伺服DSP单元，实现机器人的定点运动；漫游DSP单元与红外传感器和CAN总线相连，从红外传感器接收红外信息，通过CAN总线从避障DSP单元接收与环境中障碍物的距离信息，通过局部路径规划，实现机器人的漫游行为，漫游动作通过CAN总线发送给定位及伺服DSP单元，红外信息通过CAN总线发送给定点运动DSP单元；避障DSP单元与接近传感器和CAN总线相连，从接近传感器接收与环境中障碍物的距离信息，通过动态避障算法实现机器人动态避障，避障动作通过CAN总线发送给定位及伺服DSP单元，与环境中障碍物的距离信息通过CAN总线发送给定点运动DSP单元和漫游DSP单元；定位及伺服DSP单元与光电码盘和CAN总线相连，定位模块从光电码盘接收机器人的角位移信息以实现粗定位，并根据通过CAN总线接收的其他DSP单元的传感器信息实现精确定位；伺服模块通过自适应模糊PID控制实现机器人驱动轮的伺服控制，控制命令发送给移动机构执行。
本发明的上层控制部1基于数字多媒体片上系统DMSoC和多DSP单元的分布式控制系统，该系统能够并行处理包括视觉、语音、超声、红外、接触和码盘等各种传感器感知的环境信息。
所述数字多媒体片上系统DMSoC是一种功能强大的DSP嵌入式产品，包括DSP和ARM两个处理器核，其中DSP处理器专用于处理多媒体信息，而ARM处理器负责外围扩展和计算功能。DMSoC处理器非常适合用于搭建机器人的主控制系统，首先它具有较高的运算能力和丰富的外围接口，其次它特殊的双核结构中的DSP内核可以直接实现视觉、语音等复杂的多媒体信息的处理，提高了系统的集成度，避免了额外的多媒体传感器信号处理子系统的开发。
上层控制部1由基于DMSoC双核处理器的定制嵌入式系统构成，其主要功能包括三个部分：一是实现与用户的人机接口，包括接受外部用户的控制指令和显示机器人当前的运行状态；二是实现与其他机器人的信息交互，以便于在多机器人环境中实现机器人团队协调工作；三是实现与底层感知系统和执行系统的通信，获取机器人感知的环境信息和机器人的运行状态，通过对全局信息的分析和推理实现移动机器人的任务调度和故障处理，保证机器人的可靠运行。
基于DMSoC双核处理器的上层控制部1的另外一个重要的特点是，由于DMSoC处理器中包含一个专用于处理媒体信息的DSP内核，用于处理视觉和语音传感器信息，所以它也包括了部分底层控制部2的功能。视觉和语音信息可以直接由专用DSP内核进行处理，并且不需要通过专用的数据传输总线，可以极大的提高多媒体信息的处理速度。移动机器人采集实时图像信息可以实现目标识别、目标定位与目标跟踪，根据语音数据可以执行指定的语音命令。
底层控制部2主要功能包括采集各种传感器信号，为机器人运动提供必要的环境信息以及及其热自身的运动状态，控制机器人的移动机构完成快速准确的运动。具体而言，底层控制部2包括定点运动DSP单元、漫游DSP单元、避障DSP单元、定位及伺服控制DSP系统。
定点运动DSP单元通过硬件中断和轮巡采集等方法实现超声传感器数据采集的实时性和可靠性，软件上采用传感器数据融合算法和容错设计方法保证系统可以达到高采集速率和高精度。通过CAN总线通信，可以将超声测距值以很高的通信速率可靠地发送给上层控制部1。定点运动DSP单元根据数据融合得出的超声传感器信息和上层控制部1给出的机器人位置和目标点信息，按照某种优化指标，采用人工势场法在起始点和目标点之间规划出一条自由路径。
漫游DSP单元用于实现移动机器人的漫游行为，系统实时采集红外传感器信号，一方面通过CAN总线通信将采集到的传感器信号发送给机器人的定点运动DSP单元和上层控制部1，另一方面利用采集到的红外传感器信号和避障DSP单元发送来的接近传感器信号进行局部路径规划，实现移动机器人的漫游行为。
避障DSP单元用于实现移动机器人的避障行为，通过多路接近传感器信号采用动态避障算法实现，同时将采集到的接近传感器信号通过CAN总线发送给运动控制层中的漫游DSP单元、定点运动DSP单元和上层控制部1。
定位及伺服控制DSP系统用于实现移动机器人的定位和马达伺服控制单元。定位模块用于实时测定当前机器人的坐标和方位，首先根据电机光电码盘的输出信息得到粗定位，然后根据定点运动DSP单元发送来的超声传感器信息以及上层控制部1发送来的视觉、语音等其他信息来达到精确定位。驱动轮的伺服控制采用自适应模糊PID控制方法来实现，在误差较大时采用比例控制，电机快速运行，以迅速减小误差；在误差较小时采用自动增益调整的PID控制，实现驱动轮伺服系统的无超调运行，以达到移动机器人高精度、高速度运动。
上层控制部1中的DMSoC双核处理器均采用TI公司的TMS320DM6446，它包含一个主频为594MHz的DSP内核和一个主频为297MHz的ARM内核，支持CCD和CMOS图像传感器接口以及各种视频信号接口，并包括4个视频模数转换器，支持音频串行接口，处理视觉和语音信号相当方便。其他的外围接口包括USB、UART、EMAC、ATA、DIO等，可以简化外围电路设计。
底层控制部2中的各DSP单元的处理器均采用TI公司的TMS32020LF2407A，它是专门针对控制领域应用的DSP芯片，具有高速信号处理和数字控制功能所必需的体系机构，其指令执行速度高达40MIPS，绝大部分指令可以在一个25ns的单指令周期内完成。另外，它还具有非常丰富的外设资源，包括ADC、CAN、SCI、SPI、DIO等等，可以降低系统成本。
上层控制部1与底层控制部2之间的CAN总线通过CAN协议控制器来实现。CAN协议控制器一般采用I/O总线或SPI接口与MCU进行通信，本发明用SJA1000实现CAN总线接口的扩展。SJA1000采用24MHz的时钟频率，最高数据传输率可达1Mb/s，它增加了一种新的PeliCAN工作模式，支持具有很多新特性的CAN 2.0B协议，扩展了可读/写访问的错误计数器、可编程的错误报警限制、验收滤波器扩展(4字节代码，4字节屏蔽)、自身信息接收(自接收请求)等功能。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (1)
1.一种分布式多传感器移动机器人系统，其特征在于，包括：
上层控制部，采用DMSoC双核处理器和定制的嵌入式系统构架实现，具有一个语音接口、一个视觉接口、一个人机接口和一个CAN总线连接端口；所述DMSoC双核处理器包括DSP内核和ARM内核；
底层控制部包括：语音传感器、视觉传感器、超声传感器、红外传感器和接近传感器，光电码盘，移动机构，定点运动DSP单元、漫游DSP单元、避障DSP单元和定位及伺服DSP单元组成，其中：
超声传感器、红外传感器和接近传感器分别与相对应的定点运动DSP单元、漫游DSP单元、避障DSP单元串联连接；
光电码盘、移动机构与定位及伺服DSP单元串联连接；定点运动DSP单元、漫游DSP单元、避障DSP单元和定位及伺服DSP单元分别配置一个CAN总线连接端口；
上层控制部的双核处理器和底层控制部的定点运动DSP单元、漫游DSP单元、避障DSP单元和定位及伺服DSP单元通过CAN总线连接端口连接到CAN总线，通过CAN总线相连实现局部网络通信，上层控制部和底层控制部的各处理单元并行运行，构成分布式控制系统；
上层控制部基于所述DMSoC和所述多DSP单元的分布式控制系统，该系统并行处理包括视觉、语音、超声、红外、接触和码盘的各种传感器感知的环境信息；
上层控制部的DSP内核通过视觉传感器获取视觉信息，底层控制部的定点运动DSP通过超声传感器获取环境中物体距离机器人的距离信息，两个DSP并行处理传感器信息；
所述上层控制部的DMSoC双核处理器和定制的嵌入式系统构架的实现包括：
一DSP内核与底层控制部的语音传感器和视觉传感器，负责处理底层控制部的视觉、语音传感器信息；
一ARM内核一端与DSP内核单元相连，ARM内核另一端分别与人机接口和CAN总线连接端口相连，负责信息综合、定位导航、外部通信、任务调度和控制决策；
一CAN总线连接端口实现上层控制部的CAN总线连接，用于与底层控制部进行CAN总线通信；
一人机接口用于接收外部用户的控制指令和显示机器人当前的运行状态；
所述底层控制部包括：
语音传感器和视觉传感器与上层控制部的DSP内核相连，用于采集机器人环境的语音和视觉信息，并传输给DSP内核进行处理；
超声传感器与定点运动DSP单元相连，用于采集机器人环境的超声信息，并传输给定点运动DSP单元；
红外传感器与漫游DSP单元相连，用于采集机器人环境的红外信息，并传输给漫游DSP单元；
接近传感器与避障DSP单元相连，用于采集机器人与物体的距离信息，并传输给避障DSP单元；
光电码盘与定位及伺服DSP单元相连，用于确定机器人运动的角位移信息，并传输给定位及伺服DSP单元；
移动机构与定位及伺服DSP单元相连，用于根据定位与伺服DSP单元的控制命令实现机器人的具体运动；
定点运动DSP单元与超声传感器和CAN总线相连，从超声传感器接收超声信息，通过CAN总线从漫游DSP单元接收红外信息、从避障DSP单元接收与环境中障碍物的距离信息，对超声、红外、距离信息进行数据融合，并根据上层控制部给出的机器人位置和目标点信息，规划出一条自由路径，把运动路径通过CAN总线发送给定位及伺服DSP单元，实现机器人的定点运动；
漫游DSP单元与红外传感器和CAN总线相连，从红外传感器接收红外信息，通过CAN总线从避障DSP单元接收与环境中障碍物的距离信息，通过局部路径规划，实现机器人的漫游行为，漫游动作命令通过CAN总线发送给定位及伺服DSP单元，红外信息通过CAN总线发送给定点运动DSP单元；
避障DSP单元与接近传感器和CAN总线相连，从接近传感器接收与环境中障碍物的距离信息，通过动态避障算法实现机器人动态避障，避障动作命令通过CAN总线发送给定位及伺服DSP单元，与环境中障碍物的距离信息通过CAN总线发送给定点运动DSP单元和漫游DSP单元；
定位及伺服DSP单元与光电码盘和CAN总线相连，定位模块从光电码盘接收机器人的角位移信息以实现粗定位，并根据通过CAN总线接收的其他DSP单元的传感器信息实现精确定位；伺服模块通过自适应模糊PID控制实现机器人驱动轮的伺服控制，控制命令发送给移动机构执行。
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