CN103268104A - 一种远程遥控救援机器人的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是公开一种远程遥控救援机器人的控制系统，采用主从式控制设计，操控端计算机为主计算机，车载端计算机为从计算机；机器人端底层控制电路采用模块化设计，包括主控单元模块、底盘驱动电路模块、伸缩主臂驱动电路模块、辅助臂驱动电路模块、遥控器信号接收模块、电源模块。各模块通过插针设计安装于底层电路主板上；操作人员通过遥控器对机器人本体进行姿态和运动控制；主计算机负责图像信息处理与显示、人机交互等功能；从计算机负责MTI惯性姿态参照系统控制命令的收发、底层控制命令的解析生成和收发传感器信息等；主从控制计算机通过无线网络进行通信工作。本发明通用性好、可移植性强、构建灵活、扩展性好、成本低廉。

Description

一种远程遥控救援机器人的控制系统

技术领域

一种远程遥控救援机器人的控制系统，适用于救援机器人、战场机器人和家庭服务机器人等机器人的控制系统和控制方案。属于程序控制机械手领域。

背景技术

全世界每年都会发生大量的自然灾害和人为灾害，随着大量灾情险情的推动，极大的促进了救援机器人技术的发展。巨大的灾害会造成大面积的建筑物坍塌和人员伤亡，灾害发生之后最紧急的事情就是搜救那些被困在废墟中的幸存者。研究表明，如果幸存者能够在48小时之内得到有效的救助，那么死亡的可能性将会大大降低。然而，复杂危险的灾害现场给救援人员的人身安全带来了巨大的威胁，也会阻碍救援工作快速有效地进行，使用救援机器人进行辅助搜救是解决这一难题的有效手段。因此，采用远程无线遥控控制方式对救援机器人本体进行遥控操作也成为了必然选择。

以往的救援机器人控制系统一般遥控操作救援机器人进行简单的移动，当遇到障碍物及其它复杂环境时，不能对机器人的姿态做出更好地控制；而且目前救援机器人等虽然外型结构多有不同，但是运动系统基本上都是采用双辅助臂或者四辅助臂结构的履带式救援机器人，驱动方式上采用直流电机进行驱动。因此，对于此类工作的救援机器人而言，一种安装方便、操作灵活、通用性强的控制系统是实现救援机器人各项功能的关键。

发明内容

本发明的目的是公开一种远程遥控救援机器人的控制系统，采用主从式控制设计，操控端计算机为主计算机，车载端计算机为从计算机；机器人端底层控制电路采用模块化设计，包括主控单元模块、底盘驱动电路模块、伸缩主臂驱动电路模块、辅助臂驱动电路模块、遥控器信号接收模块、电源模块。各模块通过插针设计安装于底层电路主板上；操作人员通过遥控器对机器人本体进行姿态和运动控制；主计算机负责图像信息处理与显示、人机交互等功能；从计算机负责MTI惯性姿态参照系统控制命令的收发、底层控制命令的解析生成和收发传感器信息等；主从控制计算机通过无线网络进行通信工作。本发明通用性好、可移植性强、构建灵活、扩展性好、成本低廉。

为了保护底层控制电路主板和车载计算机不会因为救援机器人在运动过程中发生碰撞而损坏，故将整个底层控制电路主板和车载计算机安装在箱盖可以开合的双层安装箱中，上层箱体内安装车载计算机，下层箱体内安装底层控制电路板，双层安装箱内的底部和中间笔记本支架上有引入与引出各导线的孔，双层安装箱可以安装在救援机器人本体的预留空间内，为方便检修与携带运输，可以将整个双层安装箱与救援机器人本体分离并取出。

由于图像数据信息量较大，为降低主控单元模块信息处理载荷，故将图像数据通过无线网络单独传输至监控计算机。具体地讲就是：云台摄像头端的视频传输模块通过无线网络将云台摄像头拍摄到的图像数据进行传输，由无线路由器进行接收并转发给监控计算机，最终由监控计算机对图像信息进行处理，并将现场图像进行显示。

本发明可以实现对救援机器人本体的遥控操作，使救援机器人本体按照操作人员的控制命令在复杂的灾害现场中运动，实时传回周围环境信息和自身的状态信息，从而实现操控端操控人员与救援机器人本体的实时通讯，让救援人员及时了解灾害现场信息。

本发明具有如下优点：

1.本控制系统具有通用性好，可移植性强等特点，可以作为救援机器人、战场机器人以及家庭服务机器人等多种不同类型的履带式机器人的控制系统解决方案。

2.本控制系统中救援机器人底层电路采用模块化设计，可以根据机器人的具体结构进行调整，具有构建灵活、扩展性好、成本低等优点。

3.整个底层控制电路及车载计算机安装于一个双层保护箱体之中，防止控制系统硬件电路在机器人运动过程中受到损坏，并可将双层保护箱体从救援机器人本体中整体拆卸下来，方便底层控制电路的后期检修和携带运输。

附图说明

图1：救援机器人控制系统方案框架图；

图2：底层控制电路主板模块连接示意图；

图3：双层安装箱结构示意图；

图4：本方案实施的场景示意图。

图中：1.监控计算机，2.无线路由器，3.无线网卡，4.车载计算机，5.MTI惯性姿态参照系统，6.视频传输模块，7.云台摄像头，8.云台摄像头驱动电路模块，9.伸缩主臂驱动电路模块，10.辅助臂驱动电路模块，11.底盘驱动电路模块，12.主控单元模块，13.电源模块，14.遥控器信号接收模块，15.遥控器，16.底层控制电路主板，17.箱盖，18.支架紧固螺栓，19.侧肋，20.支架，21.底层电路板固定螺栓，22.底部导线引孔，23.中间导线引孔，24.双层安装箱，25.救援机器人本体。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施方式并结合附图加以说明。

本发明是为哈尔滨工程大学机械设计及理论研究所研发的可变形履带式救援机器人HEU-RB设计的已申请专利，专利授权名称：主臂伸缩可变构型式越障机构，申请号：201110174696，授权公告号：CN202130524U。该系统支持双辅助臂或者四辅助臂等可变形履带式机器人等。

如图1、2所示，一种遥控操作救援机器人的控制系统，通过无线网络对救援机器人本体25进行远程操作，包括：操控端监控计算机1、遥控器15、车载计算机4、主控单元模块12、底盘驱动电路模块11、伸缩主臂驱动电路模块9、辅助臂驱动电路模块10、云台摄像头驱动电路模块8、遥控器信号接收模块14和电源模块13；其中，车载计算机4与主控单元模块12通过USB接口连接，主控单元模块12与底盘驱动电路模块11、伸缩主臂驱动电路模块9、辅助臂驱动电路模块10、云台摄像头驱动电路模块8、遥控器信号接收模块14通过插针式接口设计安装于底层控制电路主板16上，电源模块13与主控单元模块12连接并为主控单元模块12、遥控器信号接收模块14及各芯片提供所需的电能。

监控计算机1采用普通台式计算机，操作系统为windows xp系统，无线路由器2采用TP-LINK740无线路由器，与监控计算机1相连，并建立无线网络。车载计算机4采用Acer Aspire one D270-26Ckk便携式笔记本，向下通过USB接口与底层控制电路的主控单元模块12相连，实现与底层控制电路的数据传输工作。向上用笔记本用自带的IEEE802.11g标准的无线网卡3通过无线网络与操控端无线路由器2相连，从而实现主计算机和从计算机的数据传输工作。

主控单元模块12以飞思卡尔MC9S12XS128单片机为主控芯片，用于控制底盘驱动电路模块11、伸缩主臂驱动电路模块9、辅助臂驱动电路模块10和云台摄像头驱动电路模块8，并与遥控器信号接收模块14连接。底盘驱动电路模块11、辅助臂驱动电路模块10和云台摄像头驱动电路模块8是由MOSFET IRF3205芯片搭建的H桥电路、MC33883EG芯片作为驱动芯片共同组成的直流电机驱动电路，用于控制各驱动电机的转向与转速。其中，辅助臂驱动电路模块10的数量可根据救援机器人本体25的具体结构进行选择。而伸缩主臂驱动电路模块9是为可变形履带式救援机器人而设计的，由于伸缩主臂结构特殊，驱动电机要求大电流大功率，因此伸缩臂驱动电路模块采用的是专用于直流电机控制的集成芯片VNH3SP30的大电流直流电机驱动器，用于控制伸缩臂驱动电机的转向和转速。

如图3所示，为保护底层控制电路和车载计算机4，将底层控制电路主板16安装于双层安装箱24的下层箱体内，用底层电路板固定螺栓21将底层控制电路主板16固定于箱体底部，电机导线通过底部导线引孔22引出。将车载计算机4安装于双层安装箱24的上层箱体内，首先将车载计算机4固定在支架20上，其次再将支架20用支架紧固螺栓18固定在双层安装箱24内壁上的侧肋19上，通过中间导线引孔23将车载计算机4与底层控制电路主板16间的连接线引出。最后，将箱盖17合上，将双层安装箱24安装于救援机器人机器人本体25预留的空间内。

操作人员通过遥控器15发出对救援机器人本体25操作的电波信号，机器人端遥控器信号接收模块14接收电波信号并将指令发送至主控单元模块12。主控单元模块12对控制指令进行解析，再将控制指令发送给目标驱动电路模块，最后通过目标驱动电路模块对电机转向和转速进行控制并作出调整，从而达到对救援机器人本体25姿态的调整和移动。现将各驱动模块功能进行详细描述：底盘驱动电路模块11接收主控单元模块12发出的指令，控制底盘驱动电机的转速和转向，从而控制救援机器人本体25的前进、后退和转向，并控制救援机器人本体25的运动速度。伸缩主臂驱动电路模块9接收主控单元模块12发出的指令，控制伸缩主臂驱动电机的转速和转向，从而控制伸缩主臂运动的方向和速度，使救援机器人本体25的外形按照控制命令进行调整和改变。辅助臂驱动电路模块10接收主控单元模块12发出的指令，控制辅助臂驱动电机的转速和转向，从而控制辅助臂运动的方向和速度，使辅助臂按照控制命令进行运动。云台摄像头驱动电路模块8接收主控单元模块12发出的指令，控制云台摄像头升降电机的转速与转向，从而调整云台摄像头7高度。

MTI惯性姿态参照系统5与车载计算机4相连，将救援机器人本体25的姿态信息发送给车载计算机4，再由车载计算机4将信息进行解析发送给主控单元模块12，最后由主控单元模块12将救援机器人本体的姿态调整命令发送给目标驱动电路模块，从而达到对救援机器人本体25的姿态进行调整的目的。

云台摄像头7采用的是KaiCong sip1018云台摄像头，支持802.11b/g/n协议，内置WIFI模块，与无线路由器2搭建的无线网络进行连接，可以通过无线网络将云台摄像头7拍摄到的图像数据进行传输，由无线路由器2进行接收并转发给监控计算机1，最终由监控计算机1对图像信息进行处理，并将现场图像进行显示。

如图4所示，对救援机器人本体25的遥控操作过程是：操作人员在操作端通过遥控器15对救援机器人本体25进行遥控操作将救援机器人本体25移动至灾害救援现场，并且在救援机器人本体25行进过程中视频传输模块6将云台摄像头7拍摄的图像信息发送到监控计算机1，操控人员通过监控计算机1显示的现场图像了解救援机器人本体25的周围环境信息，并通过遥控器15对救援机器人本体25的姿态及行进速度进行调整，使救援机器人本体25能够更好的通过障碍区域到达灾害救援现场。此操作过程为闭环操作，提高了系统的稳定性。

本发明通用性好、可移植性强、构建灵活、扩展性好、成本低廉。

Claims (3)

1.一种遥控操作救援机器人的控制系统，其特征在于：包括操控端监控计算机（1）、遥控器（15）、车载计算机（4）、主控单元模块（12）、底盘驱动电路模块（11）、伸缩主臂驱动电路模块（9）、辅助臂驱动电路模块（10）、云台摄像头驱动电路模块（8）、遥控器信号接收模块（14）和电源模块（13）；其中，车载计算机（4）与主控单元模块（12）通过USB接口连接；主控单元模块（12）与底盘驱动电路模块（11）、伸缩主臂驱动电路模块（9）、辅助臂驱动电路模块（10）、云台摄像头驱动电路模块（8）、遥控器信号接收模块（14）通过插针式接口设计安装于底层控制电路主板（16）上；电源模块（13）与主控单元模块（12）连接并为主控单元模块（12）、遥控器信号接收模块（14）及各芯片提供所需的电能；监控计算机（1）采用普通台式计算机，操作系统为windows xp系统；无线路由器（2）采用TP-LINK740无线路由器，与监控计算机（1）相连，并建立无线网络；车载计算机（4）采用Acer Aspire one D270-26Ckk便携式笔记本，向下通过USB接口与底层控制电路的主控单元模块（12）相连，实现与底层控制电路的数据传输工作；向上用笔记本自带的IEEE802.11g标准的无线网卡（3）通过无线网络与操控端无线路由器（2）相连，实现主计算机和从计算机的数据传输工作。

2.如权利要求1所述的一种遥控操作救援机器人的控制系统，其特征在于：主控单元模块（12）以飞思卡尔MC9S12XS128单片机为主控芯片，用于控制底盘驱动电路模块（11）、伸缩主臂驱动电路模块（9）、辅助臂驱动电路模块（10）和云台摄像头驱动电路模块（8），并与遥控器信号接收模块（14）连接；底盘驱动电路模块（11）、辅助臂驱动电路模块（10）和云台摄像头驱动电路模块（8）是由MOSFET IRF3205芯片搭建的H桥电路、MC33883EG芯片作为驱动芯片共同组成的直流电机驱动电路，用于控制各驱动电机的转向与转速；其中，伸缩主臂驱动电路模块（9）采用专用于直流电机控制的集成芯片VNH3SP30的大电流直流电机驱动器，用于控制伸缩臂驱动电机的转向和转速。

3.如权利要求1所述的一种遥控操作救援机器人的控制系统，其特征在于：底层控制电路主板（16）安装于双层安装箱（24）的下层箱体内，用底层电路板固定螺栓（21）将底层控制电路主板（16）固定于箱体底部，电机导线通过底部导线引孔（22）引出；车载计算机（4）安装于双层安装箱（24）的上层箱体内，首先将车载计算机（4）固定在支架（20）上，其次再将支架（20）用支架紧固螺栓（18）固定在双层安装箱（24）内壁上的侧肋（19）上，通过中间导线引孔（23）将车载计算机（4）与底层控制电路主板（16）间的连接线引出，最后，合上箱盖（17），将双层安装箱（24）安装于救援机器人机器人本体（25）预留的空间内。

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