CN102835936B - 墙面清洗机器人控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种墙面清洗机器人控制系统，包括处理器单元、控制器、第一吸盘电机、第二吸盘电机、清洗电机、卷扬电机、信号处理器以及机器人，所述的处理器单元发出控制信号至所述控制器，通过所述的控制器把控制信号分为第一驱动信号、第二驱动信号、第三驱动信号和第四驱动信号，所述的第一驱动信号、第二驱动信号、第三驱动信号和第四驱动信号分别控制所述的第一吸盘电机、第二吸盘电机、清洗电机和卷扬电机，其中，通过所述的第一吸盘电机的第一驱动信号、通过所述的第二吸盘电机的第二驱动信号、通过所述的清洗电机的第三驱动信号和通过所述的卷扬电机的第四驱动信号经过信号处理器合成之后，控制机器人的运动。

Description

墙面清洗机器人控制系统

技术领域

本发明是有关于机器人UAV（Unmanned Aerial Vehicle）的技术领域，且特别是有关于墙面清洗机器人控制系统。

背景技术

由于城市景观和建筑艺术的要求，建筑的平面形状和竖向体型日趋复杂，墙面线条、凹凸、开洞也采用较多。幕墙几何造型丰富多彩，有竖直、斜面、圆柱面、棱台面以及球面等，幕墙有明框、隐框、半隐框以及全玻璃幕墙等结构形式。幕墙与房屋主体结构之间柔性连接，在水平、垂直、内外方向上预留微量变形余地，并在相邻玻璃间预留“伸缩缝”，缝隙下部用橡胶条隔开以补偿温度影响。但是经过使用一段时间后会发现：

（1）在其壁面上会有大量的泥块、尘埃、积灰和油垢等污染物，而这些东西无法清洗而导致长时间留在外围的壁墙上，明显影响了建筑的美观；

（2）作为建筑，需要长时间的检查，而高楼的墙面检测属于高空作业，属于危险行业；

（3）墙面每次清洗的费用太高。

爬壁机器人是能够在垂直陡壁上进行作业的机器人，它作为高空极限作业的一种自动机械装置，越来越受到人们的重视。壁面清洗机器人属于移动式服务机器人的一种，它可在垂直壁面及屋顶移动进行物体表面的清洗作业。墙面清洗机器人的使用将大大降低高层建筑的清洗成本，改善工人的劳动环境，提高劳动生产率，具有相当的社会、经济意义和广阔的应用前景。而目前针对此类机器人的研究还没有比较成熟、可靠的方案。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种墙面清洗机器人控制系统，解决了现有墙面清洗的局限性。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种墙面清洗机器人控制系统，包括处理器单元、控制器、第一吸盘电机、第二吸盘电机、清洗电机、卷扬电机、信号处理器以及机器人，所述的处理器单元发出控制信号至所述控制器，通过所述的控制器把控制信号分为第一驱动信号、第二驱动信号、第三驱动信号和第四驱动信号，所述的第一驱动信号、第二驱动信号、第三驱动信号和第四驱动信号分别控制所述的第一吸盘电机、第二吸盘电机、清洗电机和卷扬电机，其中，通过所述的第一吸盘电机的第一驱动信号、通过所述的第二吸盘电机的第二驱动信号、通过所述的清洗电机的第三驱动信号和通过所述的卷扬电机的第四驱动信号经过信号处理器合成之后，控制机器人的运动。

在本发明一个较佳实施例中，所述的处理器单元为一双核处理器，包括DSP处理器、FPGA处理器以及设于DSP处理器和FPGA处理器的上位机系统和运动控制系统，所述的上位机系统包括人机界面模块、障碍物检测模块、水位检测模块、负压模块、位置设定模块以及在线输出模块，所述的运动控制系统包括多轴伺服控制模块、数据采集存储模块以及I/O控制模块，其中，DSP处理器用于控制人机界面模块、障碍物检测模块、水位检测模块、负压模块、位置设定模块、在线输出模块、数据采集存储模块以及I/O控制模块，FPGA处理器用于控制多轴伺服控制模块，且DSP处理器及FPGA处理器之间实时进行数据交换和调用。

在本发明一个较佳实施例中，所述的墙面清洗机器人控制系统还包括电池，所述电池进一步与第一吸盘电机和卷扬电机的输出端连接，且处理器单元进一步分别连接至第一吸盘电机输出端和电池之间的连接点以及卷扬电机输出端和电池之间的连接点。

在本发明一个较佳实施例中，所述的电池进一步与第二吸盘电机和清洗电机的输出端连接，且处理器单元进一步分别连接至第二吸盘电机输出端和电池之间的连接点以及清洗电机输出端和电池之间的连接点。

在本发明一个较佳实施例中，所述的多轴伺服控制模块还包括转换模块，所述的转换模块包括模拟数字转换器及数字模拟转换器。

在本发明一个较佳实施例中，所述的多轴伺服控制模块还包括编码器模块，所述的编码器模块用于检测机器人的实际转速，判断是否符合速度要求，是否过快或过慢，并发出控制信号。

在本发明一个较佳实施例中，所述的多轴伺服控制模块还包括电流模块，所述的电流模块用于调整电池的供电功率达到机器人需要的范围。

在本发明一个较佳实施例中，所述的多轴伺服控制模块还包括速度模块，所述的速度模块与编码器模块通讯连接，当编码器模块检测机器人实际转速过快或过慢，速度模块根据编码器模块检测的结果来调节机器人实际转速。

在本发明一个较佳实施例中，所述的多轴伺服控制模块还包括位移模块，所述的位移模块用于检测机器人是否到达既定位移，如果离既定过远，发出加速指令至控制器；如果离既定位移过近，则发出减速指令至控制器。

本发明的墙面清洗机器人控制系统，为了提高运算速度，保证墙面清洗机器人控制系统的稳定性和可靠性，本发明在单片的DSP处理器中引入FPGA处理器，形成基于DSP+FPGA的双核处理器，此处理器把原有的单片的DSP处理器实现的多控制器系统集中设计，并充分考虑电池在这个系统的作用，实现单一控制器同步控制四轴的功能，把墙面清洗机器人控制系统中工作量最大的四轴伺服系统交给FPGA处理器控制，充分发挥FPGA处理器数据处理速度较快的特点，而人机界面模块、障碍物检测模块、水位检测模块、负压模块、位置设定模块、在线输出模块、数据采集存储模块以及I/O控制模块等功能交给DSP处理器控制，这样就实现了DSP处理器与FPGA处理器的分工，把DSP处理器从繁重的工作量中解脱出来，抗干扰能力大大增强，解决了现有墙面清洗的局限性。

附图说明

图1为本发明较佳实施例的墙面清洗机器人控制系统的方框图；

图2为图1中处理器单元的方框图；

图3为图1中机器人的运行示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

随着微电子技术和计算机集成芯片制造技术的不断发展和成熟，数字信号处理芯片(DSP)由于其快速的计算能力,不仅广泛应用于通信与视频信号处理,也逐渐应用在各种高级的控制系统中。TMS320F2812 是美国TI 公司推出的C2000 平台上的定点32 位DSP 处理器，适合用于工业控制，电机控制等，用途广泛。运行时钟也快可达150MHz，处理性能可达150MIPS，每条指令周期6.67ns，IO口丰富，对用户一般的应用来说足够了，两个串口。具有12位的0~3.3v的AD转换等。具有片内128k×16位的片内FLASH，18K ×16 位的SRAM，一般的应用系统可以不要外扩存储器。加上独立的算术逻辑单元，拥有强大的数字信号处理能力。此外，大容量的RAM被集成到该芯片内，可以极大地简化外围电路设计，降低系统成本和系统复杂度，也大大提高了数据的存储处理能力。

基于现场可编程门阵列(FPGA)及现代电子设计自动化(EDA)技术的硬件实现方法是最近几年出现了一种全新的设计思想。虽然FPGA本身只是标准的单元阵列，没有一般的集成电路所具有的功能，但用户可以根据自己的设计需要，通过特定的布局布线工具对其内部进行重新组合连接，在最短的时间内设计出自己的专用集成电路，这样就减小成本、缩短开发周期。由于FPGA处理器采用软件化的设计思想实现硬件电路的设计，这样就使得基于FPGA处理器设计的系统具有良好的可复用和修改性，这种全新的设计思想已经逐渐应用在高性能的交流驱动控制上，并快速发展。

如图2所示，为本发明较佳实施例的墙面清洗机器人控制系统的方框图。本实施例中，墙面清洗机器人控制系统包括电池、处理单元、控制器、第一吸盘电机、第二吸盘电机、清洗电机、卷扬电机、信号处理器以及机器人。其中，所述电池为铅酸电池，是一种供电装置，为整个系统的工作提供工作电压。所述电池进一步与第一吸盘电机和卷扬电机的输出端连接，且处理器单元进一步分别连接至第一吸盘电机输出端和电池之间的连接点以及卷扬电机输出端和电池之间的连接点；所述的电池进一步与第二吸盘电机和清洗电机的输出端连接，且处理器单元进一步分别连接至第二吸盘电机输出端和电池之间的连接点以及清洗电机输出端和电池之间的连接点。

本发明中所述的处理器单元内置控制系统及控制电路，所述的处理器单元发出控制信号至所述的控制器，通过所述的控制器把控制信号分为第一驱动信号、第二驱动信号、第三驱动信号和第四驱动信号，所述的第一驱动信号、第二驱动信号、第三驱动信号和第四驱动信号分别控制所述的第一吸盘电机、第二吸盘电机、清洗电机和卷扬电机，其中，通过所述的第一吸盘电机的第一驱动信号、通过所述的第二吸盘电机的第二驱动信号、通过所述的清洗电机的第三驱动信号和通过所述的卷扬电机的第四驱动信号经过信号处理器合成之后，控制机器人的运动。

本发明为保证墙面清洗机器人的稳定性和快速性的特殊要求，舍弃了单片的DSP处理器的工作模式，提供了DSP+FPGA处理器的全新控制模式。控制板以FPGA处理器为处理核心，实现数字信号的实时处理，把DSP处理器从复杂的工作当中解脱出来，实现部分的信号处理算法和FPGA处理器的控制逻辑，并响应中断，实现数据通信和存储实时信号。

请参阅图2，所述处理器单元为一双核处理器，其包括DSP处理器及FPGA处理器，二者可相互通讯，实时进行数据交换和调用。所述的处理器单元还包括设于DSP处理器和FPGA处理器的上位机系统和运动控制系统，所述的上位机系统包括人机界面模块、障碍物检测模块、水位检测模块、负压模块、位置设定模块以及在线输出模块，所述的运动控制系统包括多轴伺服控制模块、数据采集存储模块以及I/O控制模块。其中，DSP处理器用于控制人机界面模块、障碍物检测模块、水位检测模块、负压模块、位置设定模块、在线输出模块、数据采集存储模块以及I/O控制模块，FPGA处理器用于控制多轴伺服控制模块。

上位机系统包括人机界面模块、障碍物检测模块、水位检测模块、负压模块、位置设定模块以及在线输出模块。人机界面模块包括开始/重启按键及功能选择键；障碍物检测模块、水位检测模块和负压模块主要用于检测是否有障碍物、检测水箱内水位的高低以及检测吸盘的吸附力；位置设定模块用于定位墙面需要清洗的位置以及参数设置；在线输出模块模块用于提示机器人的工作状态，比如是机器人工作过程中或到站状态提示。

运动控制系统包括多轴伺服控制模块、数据采集存储模块以及I/O控制模块。其中，数据采集存储模块模块为一存储器；I/O控制模块包括RS-232串行接口、ICE端口等。多轴伺服控制模块进一步包括转换模块、编码器模块、电流模块、速度模块、位移模块以及高度模块。

其中，所述转换模块包括模拟数字转换器（ADC，Analog to Digital Converter）及数字模拟转换器（DAC，Digital to Analog Converter）；所述编码器模块用于检测机器人的实际转速，判断是否符合速度要求，是否过快或过慢，并发出控制信号。

所述电流模块与电池和控制器、转换模块连接。转换模块根据电池和控制器的电流，判断工作功率，并把功率状况反馈至电池，电流模块用于调整电池的供电功率达到机器人需要的范围。

所述速度模块与编码器模块通讯连接，当编码器模块检测机器人实际转速过快或过慢，速度模块根据编码器模块检测的结果来调节机器人的实际转速。

所述位移模块检测机器人是否到达既定位移，如果离既定过远，发出加速指令至控制器；如果离既定位移过近，则发出减速指令至控制器。

对于处理器单元为一双核处理器，在电源打开状态下，先由人机界面模块工作，再根据实际工作需要，在人机界面模块上选择机器人的规划路径，机器人根据实际传感器运行情况把环境传输参数给处理器单元中的DSP处理器，DSP处理器处理后与FPGA处理器通讯，然后由FPGA处理器处理四个电机的伺服控制，并把处理数据通讯给DSP处理器，由DSP处理器继续处理后续的运行状态。

结合以上描述，上位机系统包括人机界面模块、障碍物检测模块、水位检测模块、负压模块、位置设定模块、在线输出模块等功能；运动控制系统包括多轴伺服控制模块、数据采集存储模块、I/O控制模块等功能。其中工作量最大的多轴伺服控制模块交给FPGA处理器控制，其余的包括上位机系统交给DSP处理器控制，这样就实现了DSP处理器与FPGA处理器的分工，同时二者之间也可以进行通讯，实时进行数据交换和调用。

请参阅图3，本发明中墙面清洗机器人控制系统具体的功能实现如下：

1）在机器人未接到命令之前，它一般会在等待区域等待控制器发出的命令，一旦接到任务后，会沿着等待区域进入正常的清洗区域；

2）机器人进入正常清洗区域，其第一吸盘和第二吸盘的压力传感器将工作，判断其内部的压力是不是设定值，如果压力不够，第一吸盘电机和第二吸盘电机将工作，抽空吸盘腔内的空气，从而使吸盘内出现负压，控制器通过调节供给第一吸盘电机和第二吸盘电机的驱动信号PWM波来调节第一吸盘电机和第二吸盘电机的供给电压，从而改变第一吸盘电机和第二吸盘电机的转速，从而决定吸盘腔内负压的值，如果第一吸盘和第二吸盘的压力传感器始终认为系统不具备足够压力来吸附机器人时，将向DSP处理器发出中断请求，DSP处理器会对中断做第一时间响应，如果DSP处理器的中断响应没有来得及处理，机器人上的自锁装置将被触发，使机器人锁定在目前状态，进而达到保护的功能；

3）如果第一吸盘和第二吸盘提供足够的吸附力，机器人上的清洗电机将工作，此时机器人背负的水箱将自动打开阀门，此时控制器可以通过其输出的PWM波调整清洗电机转速的快慢，从而达到调节清洗刷清洗墙面的快慢；

4）当机器人完成一个区域的清洗后，其第二吸盘电机将给第二吸盘充入空气，使第二吸盘自动脱离，此时机器人的下半部分机构处于可运动状态，此时卷扬电机将把第二吸盘所在的下半部分机构垂直放下一个距离，此时第二吸盘电机将重新抽走第二吸盘的空气，使第二吸盘有足够的吸附力可以保证机器人固定在原位而不下滑，然后，第一吸盘电机将给第一吸盘充入空气，使第一吸盘自动脱离，此时机器人的上半部分机构处于可运动状态，此时卷扬电机将把第一吸盘所在的上半部分机构放下一个距离，此时第一吸盘电机将重新抽走第一吸盘的空气，使得第一吸盘和第二吸盘共同提供吸附力克服机器人的重力，然后进入新一轮的清洗工作；

5）如果位于机器人底部的传感器探测到有障碍物进入运行范围，其第二吸盘电机将给第二吸盘充入空气，使第二吸盘自动脱离，此时机器人的下半部分机构处于可运动状态，此时卷扬电机把下半部分机构卷起一个角度，然后把第二吸盘所在的下半部分机构放下一个距离躲过障碍物，然后在把下半部分机构放回垂直状态，使第二吸盘紧贴墙面，此时第二吸盘电机将重新抽走第二吸盘的空气，使第二吸盘有足够的吸附力可以保证机器人不下滑。然后第一吸盘电机将给第一吸盘充入空气，使第一吸盘自动脱离，此时机器人的上半部分机构处于可运动状态，此时卷扬电机把上半部分机构卷起一个角度，然后把第一吸盘所在的上半部分机构放下一个距离躲过障碍物，然后在把上半部分机构放回垂直状态，使第一吸盘紧贴墙面，此时第一吸盘电机将重新抽走第一吸盘的空气，使得第一吸盘和第二吸盘共同提供吸附力克服机器人的重力，然后进入新一轮的清洗工作；

6）在整个清洗过程中，液位传感器将对箱内水位进行检测，当水箱水位低于设定门槛时，将向DSP处理器发出停止清洗请求，然后控制器会控制机器人回到地面充水区域，然后人为的对机器人水箱进行充水，进行下一个周期的运动；

7）为了更好的保护电池，当系统进入低压区域时，机器人上的电压传感器会自动开启，当读到低压反馈时，墙面清洗机器人控制器会停止机器人清洗工作，然后沿着工作区域回到地面充电区域，然后由地面工作人员完成其充电或更换电池；

8）墙面清洗机器人按固定路径行驶走时，系统上的多种声光报警系统将工作，很轻易的探测到周围各种障碍物的存在，当有危险存在时，控制器会发出停止清洗信号，然后避开这个区域的清洗，这样有利于保护机器人本体。

本发明墙面清洗机器人控制系统具有的有益效果是：

1：由于采用了机器人进行墙面清洗，使得墙面的清洗容易程度大大增加，并且只是一个简单的机器人运动，所以费用大大降低；

2：在运动过程中，充分考虑了电池在这个系统中的作用，基于DSP+FPGA处理器时刻都在对机器人的运行状态和放电电流进行监测和运算，所以从根本上解决了电池过度放电的现象发生，避免了铅酸电池过度老化现象的发生；

3：为了更好的保护电池，当系统遇到低压时，机器人上的电压传感器会自动开启，当读到低压反馈时，机器人控制器会发出远程警报给地面工作人员，然后沿着工作区域回到地面设定地点，然后有工作人员更换电池或给其充电；

4：由FPGA处理器处理运动控制电机的全数字伺服控制，大大提高了运算速度，解决了单片的DSP处理器运行较慢的瓶颈，缩短了开发周期短，并且系统可移植能力强；

5：完全实现了单板控制，不仅节省了控制板占用空间，减少了控制板在机器人有限空间内占用的体积，而且还完全实现了多路电机控制信号的同步，有利于提高机器人的稳定性和动态性能；

6：由于采用FPGA处理器处理大量的数据与算法，并充分考虑了周围的干扰源，并把DSP处理器从繁重的工作量中解脱出来，抗干扰能力大大增强；

7：机器人加入了自动下降功能，当遇到障碍物时，控制器会发出自动下降功能指令，此时机器人上的卷扬电机帮助其上下吸附装置躲过障碍物；

8：当机器人遇到其中一个吸盘出现泄压时，剩下的一个吸盘电机会工作并使其自身吸盘内部压力增加，防止由于压力不够造成机器人吸附力不足而导致机器人滑落的现象发生；

9：洗机器人加入了水位检测模块，避免了机器人没有水而工作的可能；

10：采用机器进行墙面清洗人后，使得人工劳动力参加的情况减少。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种墙面清洗机器人控制系统，其特征在于，包括处理器单元、控制器、第一吸盘电机、第二吸盘电机、清洗电机、卷扬电机、信号处理器以及机器人，所述的处理器单元发出控制信号至所述控制器，通过所述的控制器把控制信号分为第一驱动信号、第二驱动信号、第三驱动信号和第四驱动信号，所述的第一驱动信号、第二驱动信号、第三驱动信号和第四驱动信号分别控制所述的第一吸盘电机、第二吸盘电机、清洗电机和卷扬电机，其中，通过所述的第一吸盘电机的第一驱动信号、通过所述的第二吸盘电机的第二驱动信号、通过所述的清洗电机的第三驱动信号和通过所述的卷扬电机的第四驱动信号经过信号处理器合成之后，控制机器人的运动，

上述中，所述的处理器单元为一双核处理器，包括DSP处理器和FPGA处理器，在电源打开状态下，先由人机界面模块工作，再根据实际工作需要，在人机界面模块上选择机器人的规划路径，机器人根据实际传感器运行情况把环境传输参数给处理器单元中的DSP处理器，DSP处理器处理后与FPGA处理器通讯，然后由FPGA处理器处理四个电机的伺服控制，并把处理数据通讯给DSP处理器，由DSP处理器继续处理后续的运行状态，

其中，所述的处理器单元还包括设于DSP处理器和FPGA处理器的上位机系统和运动控制系统，所述的上位机系统包括人机界面模块、障碍物检测模块、水位检测模块、负压模块、位置设定模块以及在线输出模块，所述的运动控制系统包括多轴伺服控制模块、数据采集存储模块以及I/O控制模块，其中，DSP处理器用于控制人机界面模块、障碍物检测模块、水位检测模块、负压模块、位置设定模块、在线输出模块、数据采集存储模块以及I/O控制模块，FPGA处理器用于控制多轴伺服控制模块，且DSP处理器及FPGA处理器之间实时进行数据交换和调用。

2.根据权利要求1所述的墙面清洗机器人控制系统，其特征在于，所述的墙面清洗机器人控制系统还包括电池，所述电池进一步与第一吸盘电机和卷扬电机的输出端连接，且处理器单元进一步分别连接至第一吸盘电机输出端和电池之间的连接点以及卷扬电机输出端和电池之间的连接点。

3.根据权利要求2所述的墙面清洗机器人控制系统，其特征在于，所述的电池进一步与第二吸盘电机和清洗电机的输出端连接，且处理器单元进一步分别连接至第二吸盘电机输出端和电池之间的连接点以及清洗电机输出端和电池之间的连接点。

4.根据权利要求1所述的墙面清洗机器人控制系统，其特征在于，所述的多轴伺服控制模块还包括转换模块，所述的转换模块用于把数字信号转换成模拟信号。

5.根据权利要求1所述的墙面清洗机器人控制系统，其特征在于，所述的多轴伺服控制模块还包括编码器模块，所述的编码器模块用于检测机器人的实际转速，判断是否符合速度要求，是否过快或过慢，并发出控制信号。

6.根据权利要求2所述的墙面清洗机器人控制系统，其特征在于，所述的多轴伺服控制模块还包括电流模块，所述的电流模块用于调整电池的供电功率达到机器人需要的范围。

7.根据权利要求5所述的墙面清洗机器人控制系统，其特征在于，所述的多轴伺服控制模块还包括速度模块，所述的速度模块与编码器模块通讯连接，当编码器模块检测机器人实际转速过快或过慢，速度模块根据编码器模块检测的结果来调节机器人实际转速。

8.根据权利要求1所述的墙面清洗机器人控制系统，其特征在于，所述的多轴伺服控制模块还包括位移模块，所述的位移模块用于检测机器人是否到达既定位移，如果离既定过远，发出加速指令至控制器；如果离既定位移过近，则发出减速指令至控制器。