CN103317513B - 一种基于多cpu的网络化机器人控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多CPU的网络化机器人控制系统。解决现有控制器由一个CPU完成所有功能，功能和性能受到很大的限制的问题。系统包括规划级CPU模块和若干与规划级CPU模块通过网络连接的采集和控制级CPU模块，规划级CPU模块包括有信息融合单元和决策单元，决策单元与信息融合单元相连，采集和控制级CPU模块包括有处理单元和信息采集单元，信息采集单元和网络通信单元分别与处理单元相连，信息采集单元与传感器相连接，处理单元与执行单元相连，网络通信单元连接到信息融合单元上。本发明的优点是：具有多个CPU模块，通过不同层级的CPU模块，多个同一层级CPU模块组合实现机器人控制，功能和性能得到很大改善和提高。

Description

一种基于多CPU的网络化机器人控制系统

技术领域

本发明涉及一种机器人控制系统，尤其是涉及一种能够满足机器人运行环境复杂、要求多的基于多CPU的网络化机器人控制系统。

背景技术

控制器作为机器人系统的核心控制单元，直接决定着机器人的性能；同时，随着机器人技术的日趋成熟，机器人技术在工业、服务业中的应用也日益复杂，这对机器人控制器的通用性、兼容性、复杂程度以及模块化程序提出了更高的要求。

机器人控制器除具备基本的运动控制外，还应具有一定的智能性、自适应性，借助外部传感系统感知机器人周围的环境信息，使其能适应复杂环境的变化，具有一定的智能性、自适应性。

网络和总线作为机器人控制器与外部控制器的主要通讯手段，为适应当前网络技术、总线技术的发展，新一代的机器人控制器和外部应具备有灵活、标准、开放的多种网络通讯功能。

随着生产任务、生产环境的日趋复杂，人们对机器人技术的柔性和通用性提出了更高的要求，因此，机器人控制器还应具备很好的扩展性和可重构性，以满足复杂工艺的要求。

工业应用中，机器人周围环境噪音大，电磁干扰严重，为保证机器人控制系统正常运行，机器人控制器还应具备各种抗干扰能力。在机器人控制系统异常时，还应具备数据保存功能。

现有的机器人控制器是由一个CPU来完成所有功能，其功能（处理能力、对环境感知能力、决策能力）和性能（实时性、可靠性、稳定性）受到了很大的限制，而且对CPU本身的要求也比较高，因此现有的机器人控制器仅能完成机器人的基本运动控制和一些简单的数字量与模拟量信号检测，不能满足当前机器人运行环境、应用复杂的要求。

如申请号为201120300612.4，名称为仿人机器人控制系统的中国发明申请，该系统包括通过CAN总线及CAN控制器连接并实现数据通信的上位机和下位机，其中所述上位机主要由基于ARM9内核的S3C2440嵌入式芯片构成，所述下位机主要由以TMS320F2812芯片为核心的DSP仿人机器人关节控制器构成，该机器人的外部传感器以及执行机器人运动的电机装置连接在该下位机DSP上，该系统就是由一个控制器完成所有控制功能，下位机DSP控制各传感器进行控制，控制它们对采集各关节的运动状态、位置参数、姿态等相关参数，并接收这些参数进行处理，然后将处理后的信息发送给上位机，且下位机DSP还将接收来自上位机控制指令和控制参数，进行转换解释，并结合运动控制算法完成对机器人关节的控制，即通过控制与其连接的电机来驱动机器人运动。这就存在上述的缺点，由一个控制器完成所有功能，其功能、性能受到了很大的限制，而且对控制器要求较高，不能满足当前机器人运行环境、应用复杂的要求。

发明内容

本发明主要是解决现有机器人控制器由一个CPU完成所有功能，其功能和性能受到很大的限制的问题，提供了一种基于多CPU的网络化机器人控制系统，通过不同层级的CPU模块、多个同一层级CPU模块组合来实现机器人控制的，机器人控制系统的功能和性能得到很大改善和提高。

本发明上述的技术问题主要是通过以下的技术方案得以解决的：一种基于多CPU的网络化机器人控制系统包括一个规划级CPU模块和若干与规划级CPU模块通过网络相连接的采集和控制级CPU模块，所述规划级CPU模块包括信息融合单元和决策单元，决策单元与信息融合单元相连，所述采集和控制级CPU模块包括处理单元和信息采集单元，信息采集单元和处理单元相连，信息采集单元与外部传感器相连接，处理单元还与用于驱动机器人动作的执行单元相连。所述的采集和控制级CPU模块包括多个，采集和控制级CPU模块中的信息采集单元与外部传感器相连用于采集外部数字量、模拟量传感器信息，并发送给处理单元；所述的处理单元能控制外部传感器的启动、停止或以规划的模式运行，处理单元通过信息采集单元接收外部传感器的信息，对接收的信息进行符号化处理后发送给规划级CPU模块。规划级CPU模块中的信息融合单元接收由各采集和控制级CPU模块采集并处理的信息，剔除无用和错误的信息，提取正确和有用的信息，然后采用嵌入约束发、证据组合法、人工神经网络法及其组合等对各信息进行融合，得到机器人周围运行环境、本体运行状态及目标信息。信息融合单元将融合后的信息发送给决策单元，决策单元根据输入的指令信息，以及执行单元中的电机正交编码信息，输出当前指令信息，当前指令信息包括各电机运行所需的控制信号或传感器的控制信号，该控制信号再返回至信息融合单元，然后通过网络反馈给各控制和采集CPU模块的处理单元，处理单元再根据控制命令控制相应的执行单元或传感器进行工作，使得机器人系统完成工作。本发明采用多个采集和控制级CPU模块，各自分工，分别完成不同的功能，提高了系统的处理能力、对环境的感知能力和决策能力，增强了机器人系统整体性能，同时降低了对CPU的要求，更能满足当前机器人运行环境、应用复杂的要求。本发明机器人控制器与外部控制器之间通过网络连接，可以进行远程控制，使得控制更加灵活、方便。

作为一种优选方案，所述采集和控制级CPU模块具有四个，各采集和控制级CPU模块分别为基于不同功能的CPU模块，它们分别为图像CPU模块、音频CPU模块、运动CPU模块和网络CPU模块；所述传感器为与其连接的采集和控制级CPU模块功能相对应的传感器，这些传感器分别为图像传感器、音频传感器、运动传感器和网络传感器。各采集和控制级CPU模块根据功能分别与对应的传感器系统连接，即：图像传感器与图像CPU模块连接，音频传感器与音频CPU模块连接，运动传感器与运动CPU模块连接，网络传感器与网络CPU模块。各传感器系统分别为常用的传感器，如音频传感器系统为语音采集器，图像传感器系统为视频传感器，运动传感器包括速度传感器、位置传感器和检测电机参数的电机检测传感器，网络传感器系统为网络系统中检测有网络参数的网络检测传感器。各采集和控制级CPU模块分别对四种对象进行信息采集。

作为一种优选方案，所述决策单元包括运动规划子单元和运动控制子单元，运动控制子单元连接到运动规划子单元上，运动规划子单元连接到信息融合单元上，该运动规划子单元上还连接有指令输入端口，运动规划子单元接收信息融合单元处理的信息，以及指令输入端口输入的控制信息进行运动规划，运动控制子单元接收运动规划子单元输出的信息、并接收电机正交编码信号后生成电机控制信号，再输出给运动规划子单元。运动规划子单元接收机器人的运动指令，该指令可以为由信息融合单元处传输而来，或是由指令输入端口传输而来，运动规划子单元根据运动指令生成运动规划，比如为前进运动，接着运动规划子单元将运动规划传输给运动控制子单元，运动控制子单元根据运动规划生成控制信号，比如控制电机等执行单元执行该运动规划所需的控制信号，接着运动控制子单元将控制信号传送至采集和控制级CPU模块处，并最终传输到对应的控制机器人前进的电机上。如要控制传感器工作，则由决策单元直接生成传感器指令，然后发送给采集和控制级CPU模块

作为一种优选方案，所述的各采集和控制级CPU模块均连接有网络通讯单元，该网络通讯单元与处理单元相连接，在所述的规划级CPU模块上也连接有网络通讯单元，该网络通讯单元与信息融合单元相连接，连接各采集和控制级CPU模块的网络通讯单元通过网络分别连接到与规划级CPU模块相连的网络通讯单元上，所有的各网络通讯单元均包括并联设置的CAN驱动芯片、以太网控制芯片和串口通讯芯片，在CAN驱动芯片、以太网控制芯片和串口通讯芯片的前后端上还分别连接有光电隔离单元。所述的光电隔离单元可以为一块多路的光电隔离芯片，或由几块光电隔离芯片构成，这些都根据需要而定。采集和控制级CPU模块与规划级CPU模块之间可以通过以太网、CAN总线或SCI总线进行通讯，满足不同方式的通讯需求。

作为一种优选方案，采集和控制级CPU模块还包括有信息预处理单元，信息预处理单元连接于信息采集单元与传感器连接的线路之间，所述信息预处理单元包括并联设置的光电隔离单元和滤波电路。该信息预处理单元接收传感器信号，其中，光电隔离单元接收数字量输入信号，滤波电路接收模拟量输入信号，通过光电隔离单元和滤波电路对输入信号进行滤波、去噪处理，提高了机器人的抗干扰能力。

作为一种优选方案，所述各采集和控制级CPU模块均连接有第一数据存储单元、第一系统配置单元和第一复位晶振单元。该第一系统配置单元用于对传感器进行初始化配置，主要配置采集和控制级CPU模块的网络和总线。第一数据存储单元用于读取该采集和控制级CPU模块各种配置或运行调试得到的数据，且在系统异常时，能对数据进行保存。

作为一种优选方案，所述规划级CPU模块上还连接有第二数据存储单元、第二系统配置单元和第二复位晶振单元。该第二系统配置单元用于对规划级CPU模块内各单元进行初始化配置，主要配置各网络和总线。第二数据存储单元用于保存读取规划级CPU模块各种配置或运行调试得到的数据，且在系统异常时，能对数据进行保存。

作为一种优选方案，在所述各采集和控制CPU级模块上还连接有扩展单元。该扩展单元可以用于扩张各种数字量、模拟量传感器，实现二次开发。该扩展单元具体的可以连接至处理单元上。

因此，本发明的优点是：1.通过不同层级的多CPU模块，且同一层级中又有多个CPU模块这种组合实现对机器人的控制，使得机器人系统的功能和性能得到很大改善和提高；2.具有多种网络通讯功能，能适应不通的需求；3.具备信息融合功能，实现机器人运动控制、规划功能；4.模块化且具有可扩展性，实现二次开关；5.具有抗电磁干扰的功能。

附图说明

附图1是本发明系统的一种结构框图；

附图2是本发明中采集和控制级CPU模块的一种结构框图；

附图3是本发明中规划级CPU模块的一种结构框图；

附图4是本发明中网络通讯单元的一种结构框图；

附图5是本发明中信息预处理单元的一种结构框图；

附图6是本发明中信息融合单元中的工作流程图。

图中：1、规划级CPU模块2、采集和控制级CPU模块3、网络通讯单元4、传感器单元5、执行单元6、电压单元7、处理单元8、信息采集单元9、第一数据存储单元10、第一系统配置单元11、第一复位晶振单元12、信息融合单元13、决策单元14、运动规划子单元15、运动控制子单元16、第二数据存储单元17、第二系统配置单元18、第二复位晶振单元19、CAN驱动芯片20、以太网控制芯片21、串口通讯芯片22、光电隔离单元23、信息预处理单元24、滤波电路25、扩展单元。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

一种基于多CPU的网络化机器人控制系统，如图1所示，包括有一个规划级CPU模块1和多个采集和控制级CPU模块2，采集和控制级CPU模块、规划级CPU模块上均连接有网络通讯单元3，各采集和控制级CPU模块上连接的网络通讯单元通过网络分别连接到与规划级CPU模块相连接的网络通讯单元上。这些采集和控制级CPU模块分别为对不同对象如图像、音频等进行处理的CPU模块，在本实施例中所述的采集和控制级CPU模块分为四个，它们分别为图像CPU模块、音频CPU模块、运动CPU模块和网络CPU模块。在每个采集和控制级CPU模块上连接有传感器单元4，这些传感器单元根据不同对象而分别为不同功能的传感器，本实施例中的传感器的功能与采集和控制级CPU模块的功能相对应，本实施例中对应图像CPU模块的传感器单元为图像传感器，对应音频CPU模块的传感器单元为音频传感器，对应运动CPU模块的传感器单元为运动传感器，对应网络CPU模块的传感器单元为网络传感器，各传感器单元分别对应与相同功能的采集和控制级CPU模块连接，即图像传感器系统与图像CPU模块连接，音频传感器系统与音频CPU模块连接，运动传感器与运动CPU模块连接，网络传感器与网络CPU模块连接。各采集和控制级CPU模块还分别连接至用于驱动机器人动作的执行单元5上。本系统还具有电源单元6，电源单元分别连接到各采集和控制级CPU模块上和规划级CPU模块上。

如图2所示，每一个采集和控制级CPU模块均包括有处理单元7、信息采集单元8和信息预处理单元23，信息采集单元与信息预处理单元22相连接，信息预处理单元连接至传感器单元4。在每个采集和控制级CPU模块上还连接有第一数据存储单元9、第一系统配置单元10、第一复位晶振单元11和扩展单元25，处理单元还与用于驱动机器人动作的执行单元以及网络通讯单元相连接。

如图5所示，该信息预处理单元22包括并联设置的光电隔离单元23和滤波电路24，光电隔离单元和滤波电路的一端均连接传感器单元，另一端均连接信息采集单元。各采集和控制CPU级模块内的处理单元上还连接有扩展单元，该扩展单元为一连接端口，该连接端口上具有数字量输入信号通道和模拟量输入信号通道，为了起到抗干扰的作用，在该扩展单元上也连接有一个信息预处理单元。

如图3所示，该规划级CPU模块1包括有信息融合单元12和决策单元13，决策单元与信息融合单元相连接，信息融合单元与连接至该规划级CPU模块的网络通讯单元3连接，该决策单元还包括运动规划子单元14和运动控制子单元15，运动控制子单元连接在运动规划子单元上，运动规划子单元与信息融合单元连接，在规划级CPU模块1上还连接有第二数据存储单元16、第二系统配置单元17和第二复位晶振单元18。

如图4所示，该网络通讯单元3包括并联设置的CAN驱动芯片19、以太网控制芯片20和串口通讯芯片21，在CAN驱动芯片、以太网控制芯片和串口通讯芯片的前后端上还分别连接有光电隔离单元22。

本系统的工作流程为：

首先，传感器单元采集信息并发生给处理单元，由处理单元对信息进行符号化后，将信息按一定数据格式通过网络发送至规划级CPU模块。

开始工作，由各采集和控制级CPU模块中的处理单元控制与其连接的传感器单元进行工作，传感器单元分别将检测到信息传送给处理单元，在信息传送到处理单元过程中通过信息预处理单元，信息预处理单元对信息滤波降噪处理。

传感器单元的信息通过信息采集单元后传送至处理单元，该处理单元将传感器单元的非符号化信息进行符号化处理。

如在图像CPU模块内，与其连接的图像传感器采集的是图像数据（YUV或RGB信息），图像CPU模块的处理单元首先采集一帧图像数据，根据规划级CPU模块给定的目标/特征对象的YUV/RGB值，得到该目标/特征对象在采集的一帧图像中的坐标位置；

在音频CPU模块内，与其连接的传感器检测的是环境语音信息，音频CPU模块的处理单元对信息进行语音识别，将识别的结构以规划级CPU规定的编码方式进行编码，如将01标示“前进”语音，02表示“后退”语音，03表示“停止”语音；

在运动CPU模块内，与其连接的运动传感器检测的是机器人本体的加速度、速度、世界坐标系统下的位移信息，运动CPU模块的处理单元则是采用通用传感器数据表达方式对信息进行处理；

在网络CPU模块内，与其连接的网络传感器检测网络中特定的传输参数，如Zigbee网络中的RSSI信息值，GSM网络中的控制指令，GPRS网络中的位置信息，网络CPU模块的处理单元将这些信息按照通用传感器数据表达方式进行处理。

在各处理单元对传感器单元信息进行符号化后，再将这些信息按照一定数据格式编译成传感器信息表达式，该信息表达式结构如下：

帧头设备ID设备类型信息字节数信息数据……信息数据校验帧尾

其中，帧头表示一帧传感数据的首字节；设备ID表示具体由哪个CPU模块传输的数据；设备类型表示该CPU模块具体采集的是那种类型的传感设备，如图像、音频、运动、网络；信息字节数表示该帧传感数据里具体包含多少个字节的数据；信息数据则是符号化后的具体传感数据；校验则是采用CRC校验对整帧数据进行校验；帧尾表示一帧传感数据的尾字节。

处理单元将处理后的信息通过网络通讯单元发送给规划级CPU模块。

其次，规划级CPU模块对信息进行融合，并根据融合后的信息和输入的指令，对机器人进行规划，生成对执行单元的控制命令或对传感器单元的控制命令，规划级CPU模块将控制命令发送回各采集和控制级CPU模块。

规划级CPU模块通过网络通讯模块接收到各采集和控制级CPU模块的信息，信息先传送到规划级CPU模块内的信息融合单元内，信息融合单元对信息进行处理，提取有效的传感数据，CRC校验数据采用通用的方式，若校验数据不对，则剔除错误信息。信息融合单元采用合适的信息融合手段，如嵌入约束法、证据组合法、人工神经网络法对提取的信息进行融合，本实施例中具体操作如图6所示，由各CPU模块传输而来的信息，包括里程计信息（△X，△Y）、GPRS位置信息（XOY）、一帧图像信息、语音信息，里程计信息与GPRS位置信息通过蒙特卡罗概率论算法进行信息融合，最后得到当前实际位置（XOY），另外信息融合单元对获取的一帧图像信息进行阈值分割得到特征点坐标（xoy），对语音信息进行语音识别得到控制信息，然后将这些处理后的信息传送给决策单元。

决策单元内的运动规划子单元接收信息融合单元传送来的信息，并接收指令输入端口输入的指令，进行运动规划，使得机器人能够以期望路径、目标位置运动或完成信息采集任务。运动规划子单元将处理后信息发送给运动控制子单元，运动控制子单元还接收电机正交编码信息，根据运动规划，运动控制子单元选取执行该运动，如指令为前进，则选取使机器人前进的电机，生成控制该电机正转的控制信号，运动控制子单元然后将控制信号传输给运动规划子单元，运动规划子单元在通过融合单元、网络通讯单元将控制命令传送给各采集和控制级CPU模块，由其中一个采集和控制级CPU模块的处理单元控制对应的执行单元中的电机进行工作，控制机器人前进。其他运动指令如后退、停止，或对传感器控制命令，通过同样的方式进行操作。

本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本发明较多地使用了规划级CPU模块、采集和控制级CPU模块、网络通讯单元、传感器单元、执行单元等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (7)

1.一种基于多CPU的网络化机器人控制系统，其特征在于：包括一个规划级CPU模块（1）和若干与规划级CPU模块通过网络相连接的采集和控制级CPU模块（2），所述规划级CPU模块包括信息融合单元（12）和决策单元（13），决策单元与信息融合单元相连，所述采集和控制级CPU模块包括有处理单元（7）和信息采集单元（8），信息采集单元与处理单元相连，信息采集单元与外部传感器单元（4）相连接，处理单元还与用于驱动机器人动作的执行单元（5）相连，所述决策单元（13）包括运动规划子单元（14）和运动控制子单元（15），运动控制子单元连接到运动规划子单元上，运动规划子单元连接到信息融合单元（12）上，该运动规划子单元上还连接有指令输入端口，运动规划子单元接收信息融合单元处理的信息，以及指令输入端口输入的控制信息，进行运动规划，运动控制子单元，接收运动规划子单元输出的信息，并接收电机正交编码信号，生成电机控制信号，再输出给运动规划子单元。

2.根据权利要求1所述的一种基于多CPU的网络化机器人控制系统，其特征是所述采集和控制级CPU模块具有四个，各采集和控制级CPU模块（2）分别为基于不同功能的CPU模块，它们分别为图像CPU模块、音频CPU模块、运动CPU模块和网络CPU模块；所述传感器单元（4）为与其连接的采集和控制级CPU模块功能相对应的传感器单元，这些传感器单元分别为图像传感器、音频传感器、运动传感器和网络传感器。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于多CPU的网络化机器人控制系统，其特征是在所述的各采集和控制级CPU模块（2）上均连接有网络通讯单元（3），该网络通讯单元与处理单元（7）相连接，在所述的规划级CPU模块（1）上也连接有网络通讯单元，该网络通讯单元与信息融合单元（12）相连接，连接各采集和控制级CPU模块的网络通讯单元通过网络分别连接到与规划级CPU模块相连的网络通讯单元上，所述网络通讯单元包括并联设置的CAN驱动芯片（19）、以太网控制芯片（20）和串口通讯芯片（21），在CAN驱动芯片、以太网控制芯片和串口通讯芯片的前后端上还分别连接有光电隔离单元。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于多CPU的网络化机器人控制系统，其特征是采集和控制级CPU模块还包括有信息预处理单元（23），信息预处理单元连接于信息采集单元（8）与传感器单元（4）连接的线路之间，所述信息预处理单元包括并联设置的光电隔离单元（22）和滤波电路（24）。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于多CPU的网络化机器人控制系统，其特征是所述各采集和控制级CPU模块（2）均连接有第一数据存储单元（9）、第一系统配置单元（10）和第一复位晶振单元（11）。

6.根据权利要求1或2所述的一种基于多CPU的网络化机器人控制系统，其特征是所述各规划级CPU模块（1）上还连接有第二数据存储单元（16）、第二系统配置单元（17）和第二复位晶振单元（18）。

7.根据权利要求1或2所述的一种基于多CPU的网络化机器人控制系统，其特征是在所述采集和控制CPU级模块（2）上还连接有扩展单元（25）。