CN104090575A - 一种自动巡线机器人控制系统及自动巡线机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及控制系统技术领域，提供一种自动巡线机器人控制系统及自动巡线机器人，所述系统包括：巡线模块、控制模块以及动力模块，其中，所述巡线模块包括红外寻迹子模块和红外避障子模块，其中，所述红外寻迹子模块用于获取机器人的寻迹信号，并将所述寻迹信号发送到控制模块，所述红外避障子模块用于获取机器人的避障信号，并将所述避障信号发送到控制模块；所述控制模块，用于根据所述寻迹信号和所述避障信号得到机器人的行走指令，并将所述行走指令发送到动力模块；所述动力模块,用于根据所述行走指令，驱动机器人进行行走。本发明能够提高自动巡线机器人控制系统的可靠性。

Description

一种自动巡线机器人控制系统及自动巡线机器人

技术领域

本发明涉及控制系统技术领域，尤其涉及一种自动巡线机器人控制系统及自动巡线机器人。 

背景技术

随着经济的发展，大型商场、物流仓库、机场、车站、医院、会展中心等场所的规模和数量不断扩大，大中城市的高层商用楼日益增多，其保安巡逻任务将日趋繁重。目前保安巡逻工作主要依赖于人力巡逻或CCD(Charge-coupled Device)定点监控，需要耗费大量的人力物力，而且对保安人员素质的依赖程度很高，难以满足日夜保安的要求。巡线机器人在比如灭火、安全巡视、导航等特殊环境中显示了重要的作用。如果将巡线机器人与保安巡逻手段相结合，实行定时定点保安巡逻与巡线机器人不间断流动巡逻相结合的方式是目前的一种最佳的解决方案。目前巡线机器人的控制部分复杂，而导致巡线机器人的成本较高。 

申请号为CN201210454395.3，公开号为CN103019237A的专利，公开了一种利用传感器巡线的新型智能小车，该专利的巡线部分使用的是灰度传感器并且其功能限制于机器人游中国比赛使用，导致其通用性差，并且受环境光强度影响较大，灰度传感器使用复杂，需要对应控制板具有多通道ADC功能，导致其采集时间长，响应速度慢。并且其驱动模块造价较高，从而造成新型智能小车的制作费用较高，其系统只能用于比赛竞速中，并不适合于安全巡线中。 

申请号CN201320544567.6，公开号为CN203502825U的专利，公开了一种循线轨迹车，所描述的是一种廉价简易用于科学探测、日常生活和青少年兴趣培养等多种活动。但其只有两路红外反射组件用于循线，稳定性很差，并且其系统简单，不具有扩展性，不能适应多变的环境。在各类安防环境中所使用的机器人控制系统功能单一，并且需要特殊定制，且控制复杂，不具有可更改性，出错之后难以再次使用或者维护。 

发明内容

本发明的目的在于提出一种自动巡线机器人控制系统及自动巡线机器人，以达到降低自动巡线机器人控制系统的成本，提高系统的可靠性和寻迹效率的目的。 

本发明提供了一种自动巡线机器人控制系统，所述系统包括：巡线模块、控制模块以及动力模块，其中， 

所述巡线模块包括红外寻迹子模块和红外避障子模块，其中，所述红外寻迹子模块用于获取机器人的寻迹信号，并将所述寻迹信号发送到控制模块，所述红外避障子模块用于获取机器人的避障信号，并将所述避障信号发送到控制模块； 

所述控制模块，用于根据所述寻迹信号和所述避障信号得到机器人的行走指令，并将所述行走指令发送到动力模块； 

所述动力模块,用于根据所述行走指令，驱动机器人进行行走。 

可选的，所述自动巡线机器人控制系统，还包括： 

通信模块，用于与外部的控制中心进行数据通信； 

可扩展模块，用于连接外部的扩展设备。 

可选的，所述巡线模块，还包括： 

光感子模块，用于检测机器人所在位置的光线强度； 

光补偿子模块，用于当检测到的光线强度未达到预设的强度阈值时，对机器人所在位置进行光补偿。 

可选的，所述动力模块通过驱动电机驱动机器人进行行走，通过光电编码器计算机器人各轮子的行走速度。 

可选的，所述可扩展模块分别连接射频识别设备、GPS定位设备和姿态识别设备，其中，所述射射频识别设备于识别障碍物的种类，所述GPS定位设备用于对机器人进行定位，所述姿态识别设备用于检测机器人的行走状态。 

可选的，所述姿态识别设备包括：加速度传感器、陀螺仪传感器、气压计和数字罗盘中的一种或多种。 

对应地，本发明还提供了一种自动巡线机器人，所述自动巡线机器人包括本发明任意实施例提供的自动巡线机器人控制系统。 

本发明提供的一种自动巡线机器人控制系统及自动巡线机器人，各模块通过采用低功耗32位单片机作为自动巡线机器人控制系统的基础，可以在非常低成本的情况下，完成机器人的自动巡线、定位、障碍物识别等功能，本发明提供的自动巡线机器人控制系统各模块相对独立，可配合现有的自动巡线机器人使用，各部分模块化使得系统装卸灵活方便，易于控制，因此本发明的通用性更高，并通过光补偿子模块可以在检测到的光线强度未达到预设的强度阈值时，对机器人所在位置进行光补偿，能够使机器人不受外界光线强度的影响而正常的运行，通过红外寻迹子模块和红外避障子模块，获取寻迹信号和避障信号能够使机器人正常巡线，在机器人偏离循迹线时能够使机器人回到循迹线上或机器人前方存在障碍物时进行避障，增加了系统的安全性，提高机器人自动巡线系统的可靠性和巡线效率，通过无线串口与外部控制中心进行数据通信，维护简单，通信效率高，通过设置可扩展模块，使系统具有良好的可维护性、可扩展性和较好的经济性，扩展简便易行，从而使本发明的系统应用更方便，应用成本更低。 

附图说明

图1为本发明实施例提供的自动巡线机器人控制系统的结构示意图； 

图2为本发明实施例提供的自动巡线机器人控制系统中部分模块的连接情况示意图； 

图3是本发明实施例提供的自动巡线机器人控制系统中动力模块的工作流程示意图； 

图4是本发明实施例提供的自动巡线机器人控制系统中通信模块的工作流程示意图； 

图5是本发明实施例提供的自动巡线机器人控制系统中可扩展模块的工作流程示意图； 

图6是本发明实施例提供的自动巡线机器人控制系统的工作流程示意图。 

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。 

图1为本发明实施例提供的自动巡线机器人控制系统的结构示意图。图2为本发明实施例提供的自动巡线机器人控制系统中部分模块的连接情况示意图。如图1和2所示，本发明实施例提供的自动巡线机器人控制系统包括：巡线模块101、控制模块102以及动力模块103。本发明实施例提供的自动巡线机器人控制系统的主板可以采用STM32F103ZET6单片机。 

巡线模块101。 

所述巡线模块101包括红外寻迹子模块1011和红外避障子模块1012，其中，所述红外寻迹子模块1011用于获取机器人的寻迹信号，并将所述寻迹信号发送到控制模块102，所述红外避障子模块1012用于获取机器人的避障信号，并将所述避障信号发送到控制模块102。 

巡线模块101通过红外寻迹子模块1011探测机器人行走路径上的循迹线，通过红外避障子模块1012探测机器人前方的障碍物，得到寻迹信号和避障信号，其中，所述寻迹信号是指反映机器人当前循迹线上的位置信息的信号，所述避障信号是指反映机器人前方障碍物信息的信号，所述寻迹信号和所述避障信号可以分别是n位的I/O信号，具体的可以通过二进制编码来表示。所述红外寻迹子模块1011和所述红外避障子模块1012可以分别由红外发射管和红外接收管组成。所述循迹线可以在机器人行走的路线上预先铺设,如果机器人行走的地面是高反光的，则可以使用不反光的循迹线，如果机器人行走的地面是不反光的，则可以使用高反光的循迹线，循迹线的宽度可以在1.5cm-4cm范围内。具体的，所述红外寻迹子模块1011可以使用STM32F103ZET6单片机的PC2、PC3、PC4、PC5、PC6、PC7、PC8、PC9端口，所述红外避障子模块1012可以使用STM32F103ZET6单片机的PD1、PD2、PD3、PD4、PD5、PD6端口。 

优选的，所述巡线模块101，还可以包括：光感子模块1013和光补偿子模块1014，其中，所述光感子模块1013，用于检测机器人所在位置的光线强度； 光补偿子模块1014，用于当检测到的光线强度未达到预设的强度阈值时，对机器人所在位置进行光补偿，光补偿子模块1014可以包括例如LED等的发光设备。例如，通过光补偿使机器人所在位置的光线强度达到室内正常日光灯的光照强度100Lux。具体的，所述光感子模块1013可以使用STM32F103ZET6单片机的PD7端口，所述光补偿子模块1014可以使用STM32F103ZET6单片机的PD8端口。本发明通过设置光感子模块1013和光补偿子模块1014在检测机器人所在位置的光线强度未达到预设强度阈值时对机器人所在位置的光线强度进行光补偿，能够增加自动巡线机器人控制系统的稳定性，使机器人在光线较弱的情况下也能够正常工作。 

控制模块102。 

所述控制模块102，用于根据所述寻迹信号和所述避障信号得到机器人的行走指令，并将所述行走指令发送到动力模块103。具体的，根据所述寻迹信号和所述避障信号得到机器人的行走指令可以是： 

当得到的寻迹信号显示机器人偏离循迹线时，根据所述寻迹信号得到的行走指令可以使动力模块103产生包含n路不全相同的脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)信号。 

或者，当得到的避障信号显示前方有障碍物时，根据所述避障信号得到行走指令可以使动力模块103产生包含n路不全相同的PWM信号。 

或者，当得到的避障信号显示机器人未偏离循迹线且机器人前方无障碍物时，得到的行走指令可以使动力模块103产生包含n路相同的PWM信号。 

动力模块103。 

所述动力模块103,用于根据所述行走指令，驱动机器人进行行走。可选的，所述动力模块103通过驱动电机驱动机器人进行行走，通过光电编码器计算机器人各轮子的行走速度。 

具体的，当得到的寻迹信号显示机器人偏离循迹线或当得到的避障信号显示前方有障碍物时，所述动力模块103根据控制模块102产生的行走指令，产生包含n路不全相同的PWM信号，n路不全相同的PWM信号中每一路信号的强度可能不同，通过n路不全相同的PWM信号来控制机器人的n个轮子的产生不同的行驶速度，控制机器人的轮子进行转向，以使机器人回到循迹线上或使机器人绕过障碍物行走。PWM信号的宽度调制是通过调整PWM的周期或占空比而达到控制电流的目的，通过控制电流的不同就可以控制舵机或轮子的不同转向。当得 到的避障信号显示机器人未偏离循迹线且机器人前方无障碍物时，所述动力模块103根据控制模块102产生的行走指令，产生包含n路相同的PWM信号，通过n路相同的PWM信号来控制机器人的n个轮子的产生相同的行驶速度，就可以控制机器人向前直线行走。具体的，可以通过光电编码器计算机器人每一个轮子的行走速度，由驱动电机驱动机器人进行行走，以继续巡线任务。 

图3是本发明实施例提供的自动巡线机器人控制系统中动力模块的工作流程示意图。如图3所示，自动巡线机器人控制系统中动力模块的工作过程主要包括：步骤301，通过光电编码器测算机器人各轮子的速度信息。步骤302，将自动巡线机器人控制系各模块的反馈信息进行分析，得到动力模块103的执行命令。步骤303，根据执行命令，通过驱动电机对机器人进行控制，同时可以使用PID(proportion integration differentiation)控制来调节速度。步骤304，将执行结果反馈到自动巡线机器人控制系统。具体的，驱动电机可以使用STM32F103ZET6单片机的PA0、PA1、PA2、PA3端口，光电编码器可以使用STM32F103ZET6单片机的PA8、PA9、PB8、PB9端口。 

在上述方案中，优选的，所述自动巡线机器人控制系统，还可以包括：通信模块104和可扩展模块105，其中，所述通信模块104，用于与外部的控制中心进行数据通信；所述可扩展模块105，用于连接外部的扩展设备。 

例如，在自动巡线机器人控制系统运行过程中，所述通信模块104可以获取外部的控制中心传递来的指令信息，并对指令信息进行解析，而获取外部的控制中心的指令，并将控制中心的指令反馈给自动巡线机器人控制系统。所述通信模块104也可以将自动巡线机器人控制系统采集的信息通过无线传输发送到外部的控制中心。所述通信模块104可以通过有线或无线串口实现与外部的控制中心的数据通信。控制中心的指令可以是例如停止、自动巡线、前行一个节点、左转、右转、前行20cm、返回当前状态、定时巡线1小时等。系统采集到的信息可以包括报警信息、障碍物信息、确认安全信息等。具体的，所述通信模块104可以使用STM32F103ZET6单片机的PC10、PC11端口。 

图4是本发明实施例提供的自动巡线机器人控制系统中通信模块的工作流程示意图。如图4所示，自动巡线机器人控制系统中通信模块的工作过程主要包括：步骤401，获取外部控制中心的无线通信信息。步骤402，根据所述无线通信信息获得控制中心的指令，并把控制中心的指令反馈给自动巡线 机器人控制系统。步骤403，汇集自动巡线机器人控制系统中各模块的信息，并向外部控制中心反馈执行指令的结果。步骤404，向自动巡线机器人控制系统各模块反馈信息，等待新命令。 

可选的，所述可扩展模块105可以分别连接射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)设备、GPS定位设备和姿态识别设备，其中，所述射频识别设备用于识别障碍物的种类，所述GPS定位设备用于对机器人进行定位，所述姿态识别设备用于检测机器人的行走状态。所述姿态识别设备可以包括加速度传感器、陀螺仪传感器、气压计和数字罗盘中的一种或多种。其中，所述加速度传感器可以是三轴、六轴、九轴或十轴的加速度传感器，所述陀螺仪传感器可以是三轴、六轴、九轴或十轴的陀螺仪传感器，所述数字罗盘可以是九轴或十轴的数字罗盘，所述气压计可以是十轴的气压计。具体的，所述射频识别设备可以使用STM32F103ZET6单片机的PB10、PB11，GPS定位设备可以使用STM32F103ZET6单片机的PA9、PA10端口，所述姿态识别设备可以通过集成电路总线(Inter-Integrated Circuit，IIC)使用STM32F103ZET6单片机的PB6、PB7端口。 

图5是本发明实施例提供的自动巡线机器人控制系统中可扩展模块的工作流程示意图。如图5所示，自动巡线机器人控制系统中可扩展模块105的工作过程主要包括：步骤501：获取可扩展模块105的执行命令。步骤502：检测可扩展模块105是否正常。步骤503：对可扩展模块105的信号进行分析，得到障碍物身份、机器人定位、机器人姿态等信息。步骤504：将可扩展模块105的信息反馈到外部的控制中心。由于本发明设置了可扩展模块105，使得自动巡线机器人控制系统中各模块在单片机的接口占用较少时，可以先使用低位的I/O端口，在单片机的接口不够用的时候，可进行软件拓展，增加了本发明的通用性、可维护性和可扩展性。 

图6是本发明实施例提供的自动巡线机器人控制系统的工作流程示意图。如图6所示，自动巡线机器人控制系统的主要工作过程包括：步骤601，检测机器人所在位置的光线强度。步骤602，判断检测到的光线强度是否达到预设的强度阈值，当检测到的光线强度未达到预设的强度阈值时，对机器人所在位置进行光补偿。步骤603，采集机器人的寻迹信号和避障信号。步骤604，根据所述寻迹信号和所述避障信号得到机器人的行走指令。步骤605，根据所述行走指令，驱动机器人进行行走。 

在本发明的自动巡线机器人控制系统启动后，系统首先进入自检状态，通过通信模块104接收外部控制中心的数据，系统依次进行：进入主程序、硬件初始化完成、PWM检测、光电编码检测、巡线信号检测、避障信号检测、光补偿检测和扩展系统检测，如果数据不完全，则重启系统再次自检。 

本实施例提供的自动巡线机器人控制系统，各模块通过采用低功耗32位单片机作为自动巡线机器人控制系统的基础，可以在非常低成本的情况下，完成机器人的自动巡线、定位、障碍物识别等功能，本发明提供的自动巡线机器人控制系统各模块相对独立，可配合现有的自动巡线机器人使用，各部分模块化使得系统装卸灵活方便，易于控制，因此本发明的通用性更高，并通过光补偿子模块可以在检测到的光线强度未达到预设的强度阈值时，对机器人所在位置进行光补偿，能够使机器人不受外界光线强度的影响而正常的运行，通过红外寻迹子模块和红外避障子模块，获取寻迹信号和避障信号能够使机器人正常巡线，在机器人偏离循迹线时能够使机器人回到循迹线上或机器人前方存在障碍物时进行避障，增加了系统的安全性，提高机器人自动巡线系统的可靠性和巡线效率，通过无线串口与外部控制中心进行数据通信，维护简单，通信效率高，通过设置可扩展模块，使系统具有良好的可维护性、可扩展性和较好的经济性，扩展简便易行，从而使本发明的系统应用更方便，应用成本更低。 

本发明实施例还提供一种自动巡线机器人，所述自动巡线机器人包括本发明任意实施例提供的自动巡线机器人控制系统。本发明提供的自动巡线机器人可以适用于各类安防场所：比如仓库巡逻机器人，别墅保卫机器人，商场夜间维护机器等上，可以轻易适应各种环境，容易维护，成本低廉。并且本发明任意实施例提供的自动巡线机器人控制系统以巡线为主要功能，辅以强大的无线通信设备，与商场等环境的已有的安保系统配合使用非常简单。并且在现有的自动巡线机器人上进行改装也非常容易，甚至是只使用基本的机器人机械结构就可以搭建起来一个具有自动安全守卫功能的自动巡线机器人。 

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。 

Claims (7)

1.一种自动巡线机器人控制系统，其特征在于，所述自动巡线机器人控制系统包括：巡线模块、控制模块以及动力模块，其中，

所述巡线模块包括红外寻迹子模块和红外避障子模块，其中，所述红外寻迹子模块用于获取机器人的寻迹信号，并将所述寻迹信号发送到控制模块，所述红外避障子模块用于获取机器人的避障信号，并将所述避障信号发送到控制模块；

所述控制模块，用于根据所述寻迹信号和所述避障信号得到机器人的行走指令，并将所述行走指令发送到动力模块；

所述动力模块,用于根据所述行走指令，驱动机器人进行行走。

2.根据权利要求1所述的自动巡线机器人控制系统，其特征在于，所述自动巡线机器人控制系统，还包括：

通信模块，用于与外部的控制中心进行数据通信；

可扩展模块，用于连接外部的扩展设备。

3.根据权利要求1或2所述的自动巡线机器人控制系统，其特征在于，所述巡线模块，还包括：

光感子模块，用于检测机器人所在位置的光线强度；

光补偿子模块，用于当检测到的光线强度未达到预设的强度阈值时，对机器人所在位置进行光补偿。

4.根据权利要求1或2所述的自动巡线机器人控制系统，其特征在于，所述动力模块通过驱动电机驱动机器人进行行走，通过光电编码器计算机器人各轮子的行走速度。

5.根据权利要求2所述的自动巡线机器人控制系统，其特征在于，所述可扩展模块分别连接射频识别设备、GPS定位设备和姿态识别设备，其中，所述射频识别设备用于识别障碍物的种类，所述GPS定位设备用于对机器人进行定位，所述姿态识别设备用于检测机器人的行走状态。

6.根据权利要求5所述的自动巡线机器人控制系统，其特征在于，所述姿态识别设备包括：加速度传感器、陀螺仪传感器、气压计和数字罗盘中的一种或多种。

7.一种自动巡线机器人，其特征在于，所述自动巡线机器人包括权利要求1至6任一项所述的自动巡线机器人控制系统。