CN104267727A - 一种巡逻机器人及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种巡逻机器人及其控制系统，本发明实施例提供的巡逻机器人，包括嵌入式网关和与嵌入式网关相连接的终端控制芯片，该嵌入式网关用于数据的采集、分析和传输，终端控制芯片用于巡逻机器人终端的控制。本发明实施例提供的巡逻机器人及其控制系统，通过将嵌入式网关和终端控制芯片相连接形成巡逻机器人的控制系统，降低了机器人控制的复杂度和出错率，且实现了对巡逻机器人终端的控制与其他模块的控制互不影响，避免了当巡逻机器人的控制终端出现故障时，对巡逻机器人其他工作产生影响，而且也更便于对机器人终端控制部分进行检测、维修和更换。

Description

一种巡逻机器人及其控制系统

技术领域

本发明涉及一种机器人，特别是涉及一种具有嵌入式网关的巡逻机器人及其控制系统。

背景技术

随着我国经济的快速发展，人民的生活水平有了显著提高。在千家万户安居乐业的同时，如何保障人民的生命财产安全成为摆在我们面前的一个重要问题。例如在小区、工厂等地的保卫巡逻任务，主要采取小区物业招聘保安，成立巡逻队的方式。实践证明这种方法，虽然能起到一定的作用，但缺陷也是非常明显的，首先，由人构成的巡逻队伍不能保证巡逻不遗留死角。其次，人会发生脱岗漏岗睡岗的现象；而在一些矿井、安防、电力、反恐等特殊领域中，其保安的巡逻任务就更加繁重。

后来出现了采用机器人与上述手段相结合，实行定时、定点监控巡逻与机器人不间断流动巡逻结合的安保方案。

而随着移动机器人的发展，所需完成任务的复杂化，给机器人安装上"眼睛"成为了迫切的需求。随着CMOS、CCD摄像机的不断向小型化发展，价格不断的下降，人们开始尝试将摄像头装在机器人上，增加了视觉，更方便于操控。

但是，目前的机器人控制系统中，大多采用单一的控制芯片来进行设计，即把机器人所有的控制模块都集成在一个控制芯片上，而没有结构上的明确划分，这样的控制系统有以下缺陷:一是因为控制芯片的尺寸比较大，安装起来会占用很多空间，影响整个控制系统布局；二是由于所有模块都集成在一块控制芯片上，不便于进行检测和维修，影响了系统的灵活性，且如果其中的某部分模块出现故障，将导致整个机器人控制系统都无法正常运行，严重影响机器人巡逻工作的进行；现有还出现了一种基于模块化设计的机器人控制系统，该系统虽然在故障出现时便于检测和维修，但仍存在以下缺陷：1、增加通信调度的产生及协议转换的复杂度，从而增加了对机器人控制的复杂度；2、由于存在多种协议转换，容易出现数据丢包的情况，导致对机器人控制出错率增加；3、如果某部分出现故障，仍然会导致整个机器人控制系统都无法正常运行进而影响机器人的巡逻工作。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种巡逻机器人及其控制系统，有效降低了机器人控制的复杂度和出错率，并实现了对且实现了对巡逻机器人终端的控制与其他模块的控制互不影响。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：一种巡逻机器人，包括嵌入式网关和与嵌入式网关相连接的终端控制芯片，嵌入式网关用于数据的采集、分析和传输，终端控制芯片用于巡逻机器人终端的控制。

优选地，终端控制芯片与嵌入式网关通过CAN总线连接，用于实现终端控制芯片的加载与卸载。

优选地，嵌入式网关包括嵌入式微处理器和动态挂载于嵌入式微处理器的CAN驱动模块；终端控制芯片包括CAN接口模块，并通过CAN总线将CAN接口模块与嵌入式网关的CAN驱动模块相连接。

优选地，嵌入式微处理器采用Linux操作系统，CAN驱动模块通过Linux操作系统动态挂载和卸载于嵌入式微处理器。

优选地，嵌入式网关还包括与嵌入式微处理器连接的3G模块，并通过3G模块与远程服务器双向无线通信连接。

优选地，通过3G模块还与移动终端双向无线通信连接。

优选地，终端控制芯片包括机器人驱动控制模块、云台机械臂控制模块和循迹模块。

优选地，嵌入式网关通过外设接口与设置于机器人本体上的摄像机模块、传感器模块相连接。

根据本发明的另一个方面，提供的一种巡逻机器人控制系统，包括巡逻机器人、与巡逻机器人双向通信连接的远程服务器；

巡逻机器人为上述的巡逻机器人。

优选地，还包括与所述巡逻机器人实现双向通信连接的移动终端。

在本发明提供的巡逻机器人及其控制系统，通过将嵌入式网关和终端控制芯片相连接形成巡逻机器人的控制系统，降低了机器人控制的复杂度和出错率，且实现了对巡逻机器人终端的控制与其他模块的控制互不影响，避免了当巡逻机器人的控制终端出现故障时，对巡逻机器人其他工作产生影响，而且也更便于对机器人终端控制部分进行检测、维修和更换。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的巡逻机器人的模块结构图。

图2是本发明第二实施例提供的巡逻机器人的模块结构图。

图3是本发明第三实施例提供的巡逻机器人的模块结构图。

图4是本发明第四实施例提供的巡逻机器人的模块结构图。

图5是本发明实施例提供的终端控制芯片的模块结构图。

图6是本发明实施例提供的嵌入式网关的模块结构图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现有的巡逻机器人把所有控制模块都集成在一个控制芯片上，其中的巡逻机器人驱动控制部分很容易出现故障，若巡逻机器人驱动控制部分发生故障，将导致整个巡逻机器人控制系统都无法正常运行。本发明技术方案解决了这个问题。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：

请参阅图1，图1为本发明第一实施例提供的巡逻机器人的模块结构图，为了便于说明，仅列出本发明实施例相关的部分，详述如下：

本发明实施例提供的巡逻机器人，包括嵌入式网关20和与该嵌入式网关20相连接的终端控制芯片10，嵌入式网关20用于巡逻机器人终端的控制，终端控制芯片10用于数据的采集、分析和传输，以及与外部设备的通讯，例如将现场视频及传感器采集的数据传输给外部设备，外部设备可以是后台服务器。

图2为本发明第二实施例提供的巡逻机器人的模块结构图，为了便于说明，仅列出本发明实施例相关的部分，详述如下：

嵌入式网关采用Linux操作系统，嵌入式网关20与终端控制芯片10通过CAN总线连接，以实现终端控制芯片10的加载和卸载。CAN总线是串行通信协议，嵌入式网关20与终端控制芯片10通过CAN总线进行通信。

图3为本发明第三实施例提供的巡逻机器人的模块结构图，为了便于说明，仅列出本发明实施例相关的部分，详述如下：

嵌入式网关20包括嵌入式微处理器201、CAN驱动模块202，CAN驱动模块202通过Linux操作系统动态挂载于和卸载于嵌入式微处理器，嵌入式网关20通过CAN总线将CAN驱动模块202与终端控制芯片10的CAN接口模块101连接，具体地，嵌入式微处理器201与CAN驱动模块202连接，CAN驱动模块202通过CAN收发器204连接到CAN总线上，当用于控制巡逻机器人终端的终端控制芯片10出现故障，嵌入式网关20卸载CAN驱动模块202，终端控制芯片10与嵌入式网关20之间的连接断开，终端控制芯片10的故障不会影响嵌入式网关20的正常运行，嵌入式网关20及时保存现场视频数据以及传感器采集的数据，还可以将数据传输到外部设备。

图4为本发明第四实施例提供的巡逻机器人的模块结构图，为了便于说明，仅列出本发明实施例相关的部分，详述如下：

嵌入式网关20还包括与嵌入式微处理器201连接的3G模块203，并通过3G模块203与远程服务器、移动终端双向无线通信连接。当终端控制芯片10发生故障，终端控制芯片10与嵌入式网关20建立通信失败，嵌入式网关20通知远程服务器，远程服务器向嵌入式网关20下发指令，嵌入式网关20卸载CAN驱动模块202，并通过3G模块203将巡逻的视频数据以及传感器采集到的数据上传远程服务器，除此之外，还可以发送报警信息到维护人员的移动终端，告知维护人员巡逻机器人的当前情况，方便及时处理。

本发明实施例采用3G通讯技术，速度更快、网络覆盖更宽广、通信保密性更高、沟通更安全，极大地提高了图像传输速度，较好地满足了视频图像的传输要求；可对通过互联网进行传输的信息进行加密，有效地提高了通讯安全等级；兼容性好，无需专用设备即可接入互联网。

作为一个可选的优选实施例，本发明实施例提供的巡逻机器人，其嵌入式微处理器201采用Linux操作系统，并通过Linux操作系统将CAN驱动模块202加载到Linux内核，以实现对终端控制芯片10进行加载。首先，远程服务器通过TCP协议将加载命令发送到嵌入式微处理器201，嵌入式微处理器201解包TCP协议，并根据其解包后的命令将CAN驱动模块202加载到Linux内核。嵌入式微处理器201和巡逻机器人终端控制芯片10通过CAN协议进行通信。当终端控制芯片10发生故障时，终端控制芯片10与嵌入式微处理器201的CAN总线不能进行通讯，通讯连接失败。当通讯连接失败超过3次时，此时远程服务器通过3G网络将卸载CAN驱动模块202的命令发送到嵌入式微处理器201，嵌入式微处理器201执行卸载CAN驱动模块202的命令，以实现对终端控制芯片10进行卸载。这样在驱动控制巡逻机器人终端的终端控制芯片10出现故障时，嵌入式微处理器201不受影响，从而保证了嵌入式微处理器201的正常运行。

采用Linux操作系统，节省开发周期，对于多线程、模块功能扩展能够提供更好的服务及更好的剪裁，同时便于巡逻机器人功能模块的扩展。采用Linux操作系统，具有嵌入式Linux开放源代码，强大的网络支持功能，优秀的开发工具，广泛的硬件支持，并且嵌入式Linux支持的硬件平台很多，包括x86、ARM、MIPS、ALPHA、PowerPC等多种体系结构，目前已经成功移植到数十种硬件平台，几乎能够运行在所有流行的CPU上，支持各种主流硬件设备和最新的硬件技术。

请参阅图5，图5为本发明实施例的终端控制芯片10的模块结构图。终端控制芯片10由STM32F103单片机102及其外围的驱动电路和保护电路组成，包括机器人驱动控制模块103和云台机械臂控制模块104、循迹模块105、LED指示灯控制模块106及报警模块107。

机器人驱动控制模块103主要包括前轮电机驱动和后轮电机驱动，设置前轮为转向控制，后轮为动力控制。云台机械臂控制模块包括对云台和升降臂的控制。其中，升降臂设在云台上，升降臂上安装有摄像机模块，云台机械臂控制模块104通过控制升降臂来调整监控覆盖的面积，摄像机模块可以进行360度全景监控。云台机械臂控制模块，有效地扩大了巡视的范围。LED指示灯控制模块106包括对安装在巡逻机器人前端的左、右指示灯和后端的后指示灯进行控制，当巡逻机器人左(右)转时，控制左(右)指示灯点亮，提示左(右)转弯，倒车时，控制后面的指示灯点亮，提示正在倒车。三个照明指示灯为常规车用LED灯。报警模块107包括一个警车常用的信号灯，当巡逻机器人终端出现电源电压不稳或者是循迹模块超出量程等现象时出现报警信息。

请参阅图6，图6是本发明实施例的嵌入式网关20的模块结构图。主要由CORTEX-A8系列嵌入式微处理器201为核心，并通过外设接口与设置于机器人本体上的GPS/北斗模块210、3G模块203、FLASH模块208、SDRAM模块209、摄像机模块205、传感器模块207、无线射频模块206连接，并形成了嵌入式网关20的外围电路，其中无线射频模块206为RF433。

其中，无线射频模块206和GPS/北斗模块210以串口方式分别与嵌入式微处理器201连接，摄像机模块205安装在巡逻机器人本体的云台机械臂上，其可以直接与嵌入式微处理器201连接，也可以通过以太网接口与嵌入式微处理器201连接来进行数据传输，还可以通过3G模块203与嵌入式微处理器201连接来进行数据传输。3G模块203以USB方式与嵌入式网关20相连接。传感器模块207通过具有A/D转换功能的I/O接口与嵌入式微处理器201连接，传感器模块207包括烟雾传感器、温湿度传感器、PM2.5传感器、CO传感器、震动传感器、角度传感器、水位传感器、倒车雷达。其中烟雾传感器、水位传感器、温湿度传感器、震动传感器分别与嵌入式微处理器201的I/O接口相连。

远程服务器对巡逻机器人的信息进行配置，在远程服务器中输入巡逻机器人的名称、IP地址、端口号等信息后，就可以使巡逻机器人在线。此时，通过远程服务器对巡逻机器人进行远程控制，并根据其信息进行判断及处理，当出现报警信息时通过3G模块203发送短消息给后台人员以及在远程服务器显示。

嵌入式网关20与远程服务器通过3G网络通信。嵌入式网关20通过其CAN驱动模块202与终端控制芯片10的CAN接口模块101进行通信。嵌入式网关20的主要功能是CAN驱动模块202的加载/卸载以及协议转换和数据信息的采集。协议转换是指将远程服务器传输的TCP协议与巡逻机器人的CAN协议进行转换，同时进行传感器模块207的数据采集分析以及无线射频模块206的收发数据、摄像机模块205的控制功能等。

嵌入式网关20采用Linux操作系统，通过Linux操作系统动态加载/卸载CAN驱动模块202到嵌入式微处理器201。首先，远程服务器通过TCP协议将加载命令发送到嵌入式网关20，嵌入式网关20解包TCP协议，并根据其解包后的命令将CAN驱动模块202加载到嵌入式微处理器201。嵌入式微处理器201和终端控制芯片10通过CAN总线协议进行通信。当控制终端10发生故障时，嵌入式微处理器201与终端控制芯片10的CAN接口模块101不能进行通讯，通讯连接失败。当通讯连接失败超过3次时，远端服务器通过3G网络将卸载CAN驱动模块202的命令发送到嵌入式微处理器201。嵌入式微处理器201执行卸载CAN驱动模块202的命令。这样在终端控制芯片10出现故障时，嵌入式网关20不受终端控制芯片10的影响，从而保证了嵌入式网关20的正常运行。

巡逻机器人的巡逻功能描述如下：

巡逻机器人进行巡逻的控制方式包括自动循迹和手动控制方式。其中手动控制包括无线遥控和远程服务器远程控制。其中，无线遥控模块206优先级别最高，以确保现场人员控制的最高权限。

远程服务器远程控制的工作过程为远程服务器向嵌入式微处理器201发送控制命令，其中该命令由嵌入式微处理器201解析，嵌入式微处理器201将解析后的命令通过CAN总线传输到终端控制芯片10。终端控制芯片10通过CAN总线接收到命令后控制机器人运动，完成巡逻机器人的巡逻任务。

现场人员的无线遥控方式通过嵌入式微处理器201来接收与发送遥控器的指令，最终通过CAN总线将命令传输到终端控制芯片10，终端控制芯片10接收命令驱动巡逻机器人完成巡逻功能。

其中，自动循迹功能主要是通过终端控制芯片10的循迹模块来实现完成。

巡逻机器人的报警功能描述如下：

在指定路线的行走过程中，如果传感器模块207检测到有害物体，会产生报警信号，并通过嵌入式微处理器201及时传输给远程服务器，远程服务器有红色报警灯提示，使现场的问题及时处理。同时，有害气体报警信号还可以通过3G模块203发送短消息给后台人员，使后台人员能够在远离远程服务器和巡逻现场的情况下，利用移动终端对巡逻机器人进行控制。

本发明所述的巡逻机器人还包括设在车厢顶部的声控警灯，该警灯电源开关的控制端与所述嵌入式微处理器201的I/O口连接。当传感器模块207探测数据达到报警界限时，警灯便发出警示信号，使现场人员能够及时发现报警情况，并做出相应的处理，以便保证场所的环境安全。

巡逻机器人的数据和视频采集功能描述如下：

通过GPS/北斗模块定时访问获取巡逻机器人的当前位置，并将当前位置信息传输至远程服务器。

将传感器模块207所采集到的数据及视频信息通过3G模块203传给远程服务器，并根据摄像机传回的视频图像对机械臂的作业动作进行实时修正，当采集到的视频图像范围面积超出远程服务器可监控的画面，有些地方的视频图像就接收不到，这样就要通过升高机械臂，来扩大其摄像机采集的视野，显著提高了巡逻和拯救工作的效率和成功率。

当终端控制芯片10出现问题，嵌入式网关20也可以把现场相关视频以及一些传感器的数据信息通过3G模块203传输到远程服务器。

相应地，本发明还提供了一种巡逻机器人控制系统，该巡逻机器人控制系统包括上述实施例的巡逻机器人、与巡逻机器人双向通信连接的远程服务器，优选地，还包括与巡逻机器人双向通信连接的移动终端。

上述实施例的巡逻机器人及其控制系统，通过将嵌入式网关和终端控制芯片相连接形成巡逻机器人的控制系统，降低了机器人控制的复杂度和出错率，且实现了对巡逻机器人终端的控制与其他模块的控制互不影响，避免了当巡逻机器人的控制终端出现故障时，对巡逻机器人其他工作产生影响，而且也更便于对机器人终端控制部分进行检测、维修和更换。另外，采用3G通讯技术与远程服务器、移动终端进行无线通信，提高图像传输速度，较好地满足了视频图像的传输要求，还可以对传输的信息进行加密，兼容性好，无需专用设备即可接入互联网，而远程服务器和移动终端可以及时获知巡逻机器人的故障报警信息，并对巡逻机器人进行远程控制。

本领域技术人员可以理解为上述实施例包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

本领域普通技术人员还可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以在存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，包括ROM/RAM、磁盘、光盘等。

以上参照附图说明了本发明的优选实施例，并非因此局限本发明的权利范围。本领域技术人员不脱离本发明的范围和实质，可以有多种变型方案实现本发明，比如作为一个实施例的特征可用于另一实施例而得到又一实施例。凡在运用本发明的技术构思之内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本发明的权利范围之内。

Claims (10)

1.一种巡逻机器人，其特征在于，所述巡逻机器人包括嵌入式网关和与所述嵌入式网关相连接的终端控制芯片，所述嵌入式网关用于数据的采集、分析和传输，所述终端控制芯片用于巡逻机器人终端的控制。

2.根据权利要求1所述的巡逻机器人，其特征在于，所述终端控制芯片与所述嵌入式网关通过CAN总线连接，用于实现所述终端控制芯片的加载与卸载。

3.根据权利要求2所述的巡逻机器人，其特征在于，所述嵌入式网关包括嵌入式微处理器和动态挂载于所述嵌入式微处理器的CAN驱动模块；所述终端控制芯片包括CAN接口模块，并通过所述CAN总线将所述CAN接口模块与所述嵌入式网关的CAN驱动模块相连接。

4.根据权利要求3所述的巡逻机器人，其特征在于，所述嵌入式微处理器采用Linux操作系统，所述CAN驱动模块通过所述Linux操作系统动态挂载和卸载于所述嵌入式微处理器。

5.根据权利要求3所述的巡逻机器人，其特征在于，所述嵌入式网关还包括与所述嵌入式微处理器连接的3G模块，并通过所述3G模块与远程服务器双向无线通信连接。

6.根据权利要求5所述的巡逻机器人，其特征在于，通过所述3G模块还与移动终端双向无线通信连接。

7.根据权利要求1述的机器人控制系统，其特征在于，所述终端控制芯片包括机器人驱动控制模块、云台机械臂控制模块和循迹模块。

8.根据权利要求1述的机器人控制系统，其特征在于，所述嵌入式网关通过外设接口与设置于机器人本体上的摄像机模块、传感器模块相连接。

9.一种巡逻机器人控制系统，其特征在于，包括巡逻机器人、与所述巡逻机器人双向通信连接的远程服务器；

所述巡逻机器人为权利要求1-8任一所述的巡逻机器人。

10.根据权利要求9所述的巡机器人控制系统，其特征在于，还包括与所述巡逻机器人实现双向通信连接的移动终端。