CN101797756A - 环境探测机器人辅助开发系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种环境探测机器人辅助开发系统及其方法。该系统由机器人本体设备及远程设备组成。本地设备包括传感器模块、视觉感知模块、电机控制模块、舵机控制模块、无线信号收发模块、电源模块；远程设备包括远程信号收发模块和远程调试模块。基于该系统提出一种环境探测机器人辅助开发方法，环境探测机器人执行探测任务时由远程调试模块记录历史数据，根据历史数据重现需要调试的场景，辅助机器人系统开发与调试。该系统及其方法可以有效地提高环境探测机器人的开发效率；通过仿真模块的预测试提前发现系统的探测功能可能存在的问题；在环境探测机器人运行中发生异常时，可以通过该方法重现问题发生的场景，检测错误原因。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种环境探测机器人辅助开发系统及其方法。
背景技术
环境探测自主移动机器人是机器人领域的重要研究内容，在工业、农业、航空航天、军事、医疗服务及日常生活中有着广泛的应用前景。目前人们开发的自主式移动机器人只有在设计要求的特定环境下才具有良好性能，不像人或动物那样对环境具有良好的适应性。这是因为如果缺乏了特定的环境信息，机器人就无法进行位姿估计、避障、路径规划等其他操作。在环境未知的情况下，就需要机器人在进入该环境时能对环境进行有效的探测，通过获得的感知数据，构建出所处环境的模型来。只有机器人具备了这种能力，才可能实现真正的自主，才可能对普通环境具有良好的适应性。
机器人环境建模是指通过机器人获得物理环境的空间模型，是近二十年以来机器人和人工智能领域中一个非常活跃的研究课题。它被认为是在实现真正的自主移动机器人过程中最重要的问题之一。尽管这一领域已经取得了重要的进步，但仍然面临着种种重大挑战。目前在这一领域研究的热点问题主要有动态环境问题，多机器人协作，非结构体环境，传感器数据与环境模型的匹配问题等。在以上热点问题研究过程中，算法调试耗费了程序开发人员大量的时间和精力，在某些嵌入式机器人系统中，算法的执行细节更是难以捕捉，给开发人员调试系统造成了很大困难。因此需要一种有效的辅助开发方法来辅助环境探测机器人算法研究。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种环境探测机器人辅助开发系统及其方法。
环境探测机器人辅助开发系统包括机器人本体设备及远程设备；机器人本体设备的内部模块连接关系为：主控模块分别与传感器模块、视觉感知模块、无线收发模块、舵机控制模块、电机控制模块、电源模块相连接，传感器模块包括传感器控制板、激光测距传感器、超声测距传感器、红外测距传感器、碰撞传感器；传感器控制板分别与激光测距传感器、超声测距传感器、红外测距传感器、碰撞传感器相连接；视觉感知模块包括相连接的模拟视频摄像头和DSP视频采集单元；主控模块为FPGA主控芯片；电机控制模块包括相连接的电机驱动模块和电机；舵机控制模块包括相连接的舵机驱动模块和舵机，无线信号收发模块包括相连接的FPGA运算单元和一个无线路由单元组成；电源模块包括相连接的电池和电源管理模块；机器人远程设备的内部模块连接关系为：远程信号收发模块通过接口单元与远程调试模块相连接。远程信号收发模块包括相联接的无线路由单元和FPGA运算单；远程调试模块包括相连接的远程计算机单元和显示设备；视觉感知模块采集图像，图像数据贮留于内存中；传感器模块采集各种传感器数据，传感器数据贮留于内存中，主控模块对数据进行处理计算，规划机器人控制信息，并发送控制指令到电机控制模块；电机控制模块将收么的控制指令解析，驱动环境探测机器人动作执行；无线信号收发模块把系统当前信息发送给远程设备；远程计算机单元中设有以写有软件的固件或可装载软件的形式驻留在远程计算机单元中的环境及机器人仿真模块、系统信息记录模块、场景重现模块、环境探测机器人控制算法调试模块。远程信号收发模块组建无线网络并收发模块接收来自机器人本体无线信号收发模块的数据；系统信息记录单元把所有数据按时间先后顺序记录到历史数据文件中；环境探测机器人控制算法开发人员通过场景重现单元指定调试时间点，场景重现单元读取历史数据文件还原该时间点场景。
环境探测机器人辅助开发方法包括如下步骤：
1)开启环境探测机器人辅助开发系统；
2)无线收发模块与远程信号收发模块组建无线网络；
3)视觉感知模块采集图像，图像数据贮留于内存中；
4)距离传感器模块采集各种传感器数据，传感器数据贮留于内存中，主控模块对数据进行处理计算，规划环境探测机器人控制信息，并发送控制指令到电机控制模块；
5)电机控制模块和舵机控制模块接收控制指令解析，驱动环境探测机器人动作执行；
6)无线信号收发模块把系统当前信息发送给远程设备；
7)重复步骤3)～步骤6)，实现环境探测机器人环境探测；
8)远程信号收发模块接收来自环境探测机器人无线信号收发模块的数据；
9)系统信息记录模块把所有数据按时间先后顺序记录到历史数据文件中；
10)利用场景重现模块指定调试时间点，场景重现模块读取历史数据文件还原该时间点场景；
11)调试环境探测机器人；
12)重复步骤8)～步骤11)，实现环境探测机器人调试；
13)启动环境及机器人仿真模块；
14)待调试主控模块与环境及机器人仿真模块通过无线连接互联；
15)环境及机器人仿真模块向主控模块提供图像及距离传感器数据；
16)环境及机器人仿真模块接收来自主控模块的控制指令，模拟环境探测机器人运动，当前运行状态在显示设备上显示；
17)重复步骤14)～步骤16)，实现环境探测机器人功能仿真测试。
本发明与现有技术相比具有的有益效果：
1)在仿真模块中可以自由搭建机器人结构，因此该方法适用于多种结构的环境探测机器人；
2)在仿真模块中可以根据需要构建各种复杂地形，可以为机器人系统提供丰富的调试场景；
3)在调试过程中减小了价格昂贵硬件设备损坏的概率；
4)可以多人同时调试，不受机器人硬件设备限制；
5)该方法还原运行场景，有助于调试人员发现错误产生的原因；
6)有助于调试人员了解算法执行细节。
附图说明
图1为本发明的环境探测机器人本体电路框图；
图2为本发明的环境探测机器人远程设备电路框图；
图3为本发明的环境探测机器人环境探测方法框图；
图4为本发明的环境探测机器人调试方法框图；
图5为本发明的环境探测机器人功能测试方法框图。
具体实施方式
如图1、2所示，环境探测机器人辅助开发系统包括机器人本体设备及远程设备；机器人本体设备的内部模块连接关系为：主控模块分别与传感器模块、视觉感知模块、无线收发模块、舵机控制模块、电机控制模块、电源模块相连接，传感器模块包括传感器控制板、激光测距传感器、超声测距传感器、红外测距传感器、碰撞传感器；传感器控制板分别与激光测距传感器、超声测距传感器、红外测距传感器、碰撞传感器相连接；视觉感知模块包括相连接的模拟视频摄像头和DSP视频采集单元；主控模块为FPGA主控芯片；电机控制模块包括相连接的电机驱动模块和电机；舵机控制模块包括相连接的舵机驱动模块和舵机，无线信号收发模块包括相连接的FPGA运算单元和一个无线路由单元组成；电源模块包括相连接的电池和电源管理模块；机器人远程设备的内部模块连接关系为：远程信号收发模块通过接口单元与远程调试模块相连接。远程信号收发模块包括相联接的无线路由单元和FPGA运算单；远程调试模块包括相连接的远程计算机单元和显示设备；视觉感知模块采集图像，图像数据贮留于内存中；传感器模块采集各种传感器数据，传感器数据贮留于内存中，主控模块对数据进行处理计算，规划机器人控制信息，并发送控制指令到电机控制模块；电机控制模块将收么的控制指令解析，驱动环境探测机器人动作执行；无线信号收发模块把系统当前信息发送给远程设备；远程计算机单元中设有以写有软件的固件或可装载软件的形式驻留在远程计算机单元中的环境及机器人仿真模块、系统信息记录模块、场景重现模块、环境探测机器人控制算法调试模块。远程信号收发模块组建无线网络并收发模块接收来自机器人本体无线信号收发模块的数据；系统信息记录单元把所有数据按时间先后顺序记录到历史数据文件中；环境探测机器人控制算法开发人员通过场景重现单元指定调试时间点，场景重现单元读取历史数据文件还原该时间点场景。
如图3、4、5所示，环境探测机器人辅助开发方法包括如下步骤：
1)开启环境探测机器人辅助开发系统；
2)无线收发模块与远程信号收发模块组建无线网络；
3)视觉感知模块采集图像，图像数据贮留于内存中；
4)距离传感器模块采集各种传感器数据，传感器数据贮留于内存中，主控模块对数据进行处理计算，规划环境探测机器人控制信息，并发送控制指令到电机控制模块；
5)电机控制模块和舵机控制模块接收控制指令解析，驱动环境探测机器人动作执行；
6)无线信号收发模块把系统当前信息发送给远程设备；
7)重复步骤3)～步骤6)，实现环境探测机器人环境探测；
8)远程信号收发模块接收来自环境探测机器人无线信号收发模块的数据；
9)系统信息记录模块把所有数据按时间先后顺序记录到历史数据文件中；
10)利用场景重现模块指定调试时间点，场景重现模块读取历史数据文件还原该时间点场景；
11)调试环境探测机器人；
12)重复步骤8)～步骤11)，实现环境探测机器人调试；
13)启动环境及机器人仿真模块；
14)待调试主控模块与环境及机器人仿真模块通过无线连接互联；
15)环境及机器人仿真模块向主控模块提供图像及距离传感器数据；
16)环境及机器人仿真模块接收来自主控模块的控制指令，模拟环境探测机器人运动，当前运行状态在显示设备上显示；
17)重复步骤14)～步骤16)，实现环境探测机器人功能仿真测试。
远程计算机单元中环境及机器人仿真单元拥有一个物理引擎。该模块可以利用简单的刚体模型组合成复杂的三维环境。该模块可以模拟机器人模型和各种传感器数据，该模块可以由使用者指定机器人模型；仿真模块具有三维环境及机器人状态显示功能；主控模块可以脱离实物平台，直接利用仿真模块提供的模拟数据运行。
环境及机器人仿真模块从结构上说主要分为物理引擎、传感器信号仿真、机器人运动控制、动静态环境生成、地图数据生成与存储、3D图形显示等几个部分。物理引擎用于构建仿真机器人模型和环境模型。在物理引擎中，所有物体都是由一些初等形状的刚体组成。这些刚体包括球体、立方体、圆柱体、射线、面等。一个刚体包含以下的属性：参考位置的位置矢量、线速度、刚体的方向、角速度矢量、质量、质量的中心位置、惯性矩阵。物理引擎在模拟整个刚体系统运行时，系统时间前进指定的量，系统中所有的刚体的状态也将更新到新的时间点上。刚体和刚体之间可以采用关节连接，关节有多种类型，包括球槽、铰链、滑槽、二维铰链、固定连接等。这些关节使得它们的相对位置和相对方向被约束在一种特定的规律下面。
系统信息记录模块布置在远程设备上，记录接收到来自无线信号收发模块的数据。系统信息记录模块中包含高精度计时模块，用于记录策略执行时间。在机器人执行任务的过程中，系统信息记录模块会把机器人运行过程中各种传感器数据以及系统参数变化输出到历史数据文件中。输出的历史数据文件以当前的时间为文件名，保证文件名无重复，后面生成的文件不会覆盖先前的文件。
在开发人员需要调试算法时，场景重现模块读取信息记录模块记录的历史数据文件，利用场景重现模块内置的文件解析模块对历史数据文件进行解析。文件解析成功后，开发人员可以对数据时间点进行选择，调试算法执行细节。调试结果输出到仿真模块显示执行结果。
算法调试人员可以利用仿真模块提供的接口，直接利用仿真模块验证环境探测相关算法。其算法执行效果由仿真模块提供，并利用三维渲染模块给出直观显示。
Claims (2)
1.一种环境探测机器人辅助开发系统，其特征在于包括机器人本体设备及远程设备；机器人本体设备的内部模块连接关系为：主控模块分别与传感器模块、视觉感知模块、无线收发模块、舵机控制模块、电机控制模块、电源模块相连接，传感器模块包括传感器控制板、激光测距传感器、超声测距传感器、红外测距传感器、碰撞传感器；传感器控制板分别与激光测距传感器、超声测距传感器、红外测距传感器、碰撞传感器相连接；视觉感知模块包括相连接的模拟视频摄像头和DSP视频采集单元；主控模块为FPGA主控芯片；电机控制模块包括相连接的电机驱动模块和电机；舵机控制模块包括相连接的舵机驱动模块和舵机，无线信号收发模块包括相连接的FPGA运算单元和一个无线路由单元组成；电源模块包括相连接的电池和电源管理模块；机器人远程设备的内部模块连接关系为：远程信号收发模块通过接口单元与远程调试模块相连接。远程信号收发模块包括相联接的无线路由单元和FPGA运算单；远程调试模块包括相连接的远程计算机单元和显示设备；视觉感知模块采集图像，图像数据贮留于内存中；传感器模块采集各种传感器数据，传感器数据贮留于内存中，主控模块对数据进行处理计算，规划机器人控制信息，并发送控制指令到电机控制模块；电机控制模块将收么的控制指令解析，驱动环境探测机器人动作执行；无线信号收发模块把系统当前信息发送给远程设备；远程计算机单元中设有以写有软件的固件或可装载软件的形式驻留在远程计算机单元中的环境及机器人仿真模块、系统信息记录模块、场景重现模块、环境探测机器人控制算法调试模块。远程信号收发模块组建无线网络并收发模块接收来自机器人本体无线信号收发模块的数据；系统信息记录单元把所有数据按时间先后顺序记录到历史数据文件中；环境探测机器人控制算法开发人员通过场景重现单元指定调试时间点，场景重现单元读取历史数据文件还原该时间点场景。
2.一种使用如权利要求1所述系统的环境探测机器人辅助开发方法，其特征在于包括如下步骤：
1)开启环境探测机器人辅助开发系统；
2)无线收发模块与远程信号收发模块组建无线网络；
3)视觉感知模块采集图像，图像数据贮留于内存中；
4)距离传感器模块采集各种传感器数据，传感器数据贮留于内存中，主控模块对数据进行处理计算，规划环境探测机器人控制信息，并发送控制指令到电机控制模块；
5)电机控制模块和舵机控制模块接收控制指令解析，驱动环境探测机器人动作执行；
6)无线信号收发模块把系统当前信息发送给远程设备；
7)重复步骤3)～步骤6)，实现环境探测机器人环境探测；
8)远程信号收发模块接收来自环境探测机器人无线信号收发模块的数据；
9)系统信息记录模块把所有数据按时间先后顺序记录到历史数据文件中；
10)利用场景重现模块指定调试时间点，场景重现模块读取历史数据文件还原该时间点场景；
11)调试环境探测机器人；
12)重复步骤8)～步骤11)，实现环境探测机器人调试；
13)启动环境及机器人仿真模块；
14)待调试主控模块与环境及机器人仿真模块通过无线连接互联；
15)环境及机器人仿真模块向主控模块提供图像及距离传感器数据；
16)环境及机器人仿真模块接收来自主控模块的控制指令，模拟环境探测机器人运动，当前运行状态在显示设备上显示；
17)重复步骤14)～步骤16)，实现环境探测机器人功能仿真测试。
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