CN107414839A - 蛇形机器人控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及蛇形机器人的技术领域，更具体地，涉及蛇形机器人控制系统。蛇形机器人控制系统，其中，包括感知模块、与感知模块连接的主控模块、与主控模块连接的通讯模块、与通讯模块连接的受控模块；所述的感知模块通过内部电路获取外界信息，并以数字信号的模式反馈给主控模块；所述的主控模块进行数据处理；主控模块通过通讯模块进行数据通讯，并且控制受控模块的转动完成关节的转动控制。该系统具有集成度高，内置多种传感器，具有高效稳定通讯能力，稳定性强等特性。并且体积小能够满足轻量级机器人设计需求，能够适用于大规模生产。

Description

蛇形机器人控制系统

技术领域

本发明涉及蛇形机器人的技术领域，更具体地，涉及蛇形机器人控制系统。

背景技术

蛇形机器人的电路板设计主要考虑到三个方面：1）、机器人的感知数据获取；2）、关节间的数据通讯；3）驱动模块与控制模块的链接。

首先是蛇形机器人的感知数据获取。现有蛇形机器人控制板多采用了单一传感器——角度传感器。角度传感器是一种检测角度并将其转换为其他所需变量的仪器。角度传感器安装在传动轴上，当轴每转过1/16圈时，角度传感器计数一次;当轴正向转动时，计数增加；当轴逆向转动时，计数减少；当需重新计数时，可将其进行复位。角度传感器就是通过这种计数的方式来计算其转过的角度。

其次是蛇形机器人关节间的数据通讯。机器人采用有线多模块的总线进行通信以此来进行关节间的数据传输。有线多模块总线协议有IIC总线协议、SPI总线协议、UART总线协议、RS485总线协议以及CAN总线协议等。

IIC总线协议一种二线制串行总线接口，工作在主/从模式。二线通信信号分别为开漏 SCL 和 SDA 串行时钟和串行数据。主器件为时钟源。数据传输是双向的，其方向取决于读/写位的状态。它的传输速度为从0Hz到3.4MHz。它的传输速度比较慢，数据比较臃余，抗干扰能力比较弱。

SPI总线协议一种四线制串行总线接口，为主/从结构，四条导线分别为串行时钟(SCLK)、主出从入、主入从出和从选信号。主器件为时钟提供者，可发起读从器件或写从器件操作。它的时钟速度很快，范围可从几MHz到几十MHz。它的传输速度比较快，但是只能单主多从，管理线比较复杂。

UART总线协议一种通用串行数据总线，用于异步通信。该总线双向通信，可以实现全双工传输和接收。它的工作原理是将传输数据的每个字符以串行方式一位接一位的传输。它的传输速度比IIC快，比SPI慢，它需要固定的波特率，对主从双方的时序要求比较严格。

RS485通讯协议总线是一种常规的通信总线，它不能够做总线的自动仲裁，也就是不能够同时发送数据以避免总线竞争，所以整个系统的通信效率较低，数据冗余量较大，对于速度要求高的应用场所不适应用RS485总线。同时由于RS485总线上通常只有一台主机，所以这种总线方式是典型的集中—分散型控制系统。一旦主机出现故障，会使整个系统的通信限于瘫痪状态。

最后是关于蛇形机器人内部电路板的驱动模块与控制模块的链接。现阶段蛇形机器人内部控制多采用主控模块与驱动模块独立的模式。这一模式设计简单设计出错可能性低，便于人工更换出错模块。但两者独立需要则有主控电路板与驱动电路板等多块电路板。

上述技术包含有传感器感知、总线通信以及驱动板与控制板独立设计。它们的缺点是：难以实现机器人的精确控制。仅有单一的角度传感器，除了设置与监测关节间的摆动角度外，无法进行其他的操作，无法获取更多的机器人运动信息。导致缺失加速度，角速率等重要的信息，从而对机器人的运动姿态解算极不准确的。总线通信效率低、抗干扰能力低和整个通信系统容易崩溃。这是总线协议本身被创造时就已经存在的问题。稳定性较差。主控模块与驱动板分离开来，当驱动板或主控模块一者出问题时，整条蛇形机器人就将无法进行工作。两者独立，需要用引出线链接，不同电路板间的链接存在较大的不确定性。不利于轻量级机器人关节设计。主控板与驱动分离开来会占据了更大的空间，集成度变低，这样增加了蛇形机器人的体积，使每个关节存在部分冗余空间。不利于大规模生产。多模块独立将会极大的提高一个关节所用模块的生产以及装配的工序复杂度和成本。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供蛇形机器人控制系统，该系统具有集成度高，内置多种传感器，具有高效稳定通讯能力，稳定性强等特性。并且体积小能够满足轻量级机器人设计需求，能够适用于大规模生产。

本发明的技术方案是：蛇形机器人控制系统，其中，包括感知模块、与感知模块连接的主控模块、与主控模块连接的通讯模块、与通讯模块连接的受控模块；

所述的感知模块通过内部电路获取外界信息，并以数字信号的模式反馈给主控模块；

所述的主控模块进行数据处理；

主控模块通过通讯模块进行数据通讯，并且控制受控模块的转动完成关节的转动控制。

本发明中，该系统由多个模块组合而成。可分为四大部分，分别为感知模块，主控模块与受控模块、通讯模块。感知模块主要由惯性导航单元IMU、电流传感器与角度传感器组成，它们通过内部电路获取外界信息，并以数字信号的模式反馈给主控模块，交由主控模块进行数据处理。主控模块由主控芯片STM32构成。 通过数据引脚接收感知模块的反馈数据，通过信号传输引脚进行串口通信与CAN总线通信的数据收发完成关节间的数据通讯，通过数据引脚传输信号控制舵机的转动完成关节的转动控制。

进一步的，所述的感知模块包括惯性导航单元IMU、电流传感器与角度传感器；

惯性导航单元IMU测量物体三轴姿态角以及加速度；电流传感器使主控模块通过编程获取所需检测的电流信息；角度传感器可以输出与主控模块表面平行磁场的角度位置信息。

所述的惯性导航单元IMU包含三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺。

所述的通讯模块包括调试接口部分、CAN总线收发器、WIFI收发设备，调试接口部分为SWD调试方式，CAN总线收发器为具有良好抗电磁干扰能力、高可靠性和高通讯速率等优点的SN65HVD230；WIFI收发设备为ESP8266模块。

为了增强机器人的自我认知能力，本发明加入了惯性测量单元IMU（Inertialmeasurement unit）器件。它是测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置。一个IMU包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴（X，Y，Z）的加速度信号，而陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态。将其应用在姿态解算上，可以获得误差很小的实时姿态估计，更好的检测蛇型机器人的实时状态。

蛇形机器人的结构是蛇头为主控单元，其余关节为受控单元。蛇头需要获取蛇身关节的数据以及控制蛇身关节的运动，这需要通过内部总线通信实现。这一控制模式需要很高的通信效率，才能够及时的控制各个关节按照指定的角度来进行运转，并且其运动比较剧烈，抗干扰能力低会很容易造成通信崩溃。而本发明应用了CAN总线协议，它做了总线上的冲突处理，实现了多主发送，竞争占线的方式，简化了消息的调度。其次，使用位填充的方法进行错误帧检测，检测出错误后，可以自动重传，这提高了CAN总线协议的抗干扰能力。最后，CAN总线协议在一个信道上的传输帧的出错率较低，效率和传输速度比较高。

结合蛇形机器人单关节体积越小运动效率越高的特性。本发明还将驱动板和主动模块集成在一起，减少了蛇形机器人的体积同时减小了机器人装配的复杂程度，便于以后的大规模生产。

与现有技术相比，有益效果是：

1）在底层控制部分采用STM32F103CBT6作为控制层的主控芯片。不仅处理能力比普通单片机强悍，而且外设相当丰富,特别是它内部集成了CAN总线控制器。

2）CAN总线采用数据块编码的方式，可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。数据段长度最多为8个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。CAN卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备的互连，因此，越来越受到工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。CAN总线采用了多主机竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。CAN总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次，因此可在各节点之间实现自由通信。

3）将多种传感器与控制单元皆集成到同一控制电路板上，集成度高，减小了电路板面积，为更轻量级的蛇形机器人关节设计提供了可能。并且集成度高，具有引出线少，焊接点少，可靠性高，便于大规模生产等优点。

4）控制单元与传感器，通信模块同时存在，允许机器人在控制的同时获取当前的运动信息，方便反馈调节控制，以及人机交互，自适应控制。

附图说明

图1是本发明整体模块示意图。

图2是本发明系统通信和控制网络拓扑图。

图3是本发明控制测试结果图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

如图1所示，蛇形机器人控制系统，其中，包括感知模块、与感知模块连接的主控模块、与主控模块连接的通讯模块、与通讯模块连接的受控模块；

所述的感知模块通过内部电路获取外界信息，并以数字信号的模式反馈给主控模块；

所述的主控模块进行数据处理；

主控模块通过通讯模块进行数据通讯，并且控制受控模块的转动完成关节的转动控制。

具体的，本实施例中，采用内部集成了CAN控制器的意法半导体公司的STM32F103CBT6作为控制层的主控芯片。

CAN总线收发器方面我们选用了具有良好抗电磁干扰能力、高可靠性和高通讯速率等优点的SN65HVD230。

选用ESP8266模块作为WIFI收发设备。

惯性导航单元IMU器件的选择上，本项目选用了MPU9250传感器。

电流传感器采用了凌力尔特公司（Linear Technology Corporation）研发的高精度高压侧电流检测放大器LTC6102。

角度传感器选用了316BCG M67390传感器。

调试接口部分，我们选择了占用IO口更少的SWD调试方式。

WIFI收发设备ESP8266模块采用简洁高效的AT指令，操作简单，且内部集成了稳定的LWIP网络协议栈，其最大收发速率达480 kbps,满足本项目通讯速率需求。

惯性导航单元IMU器件的MPU9250传感器芯片由两部分组成，一组是3轴陀螺仪和3轴加速度传感器，另一组AK8963为3轴磁力计。该芯片内部还带有数字运动处理器（DMP），并具有强大的数据处理能力，可以减少主控单元的处理任务。能够准确获取机器人运动过程中的偏转角与加速度。

电流检测放大器LTC6102 通过一个外部检测电阻器 (分流电阻器) 两端的电压来监视电流。内部电路负责将输入电压转换为输出电流，从而使得能够把大共模电压上的一个小检测信号变换为以地为参考电位的信号。从而允许主控芯片通过编程获取所需检测的电流信息。

316BCG M67390角度传感器芯片是CMOS霍尔传感器，可以输出与芯片表面平行磁场的角度位置信息。其目的是为了实现非接触式旋转角度传感。当小型磁铁（径向磁化）在芯片表面上方旋转时，芯片可以感应其绝对的角度位置。芯片内的集磁片（IMC）可以将平行作用于芯片表面的磁场集中起来，并在IMC结构的边缘产生正比于磁场的垂直分量，再通过两对位于IMC下方的传统平面霍尔元件来测量此信号。这两对霍尔元件的放置方向相互垂直，并都平行于芯片表面（X和Y方向），通过这样的结构可以将实际角度编码为两个相位差为90度的正弦信号（cos和sin信号）。感应到的这两个正比于磁场强度的信号（Vx和Vy）将被放大、采样、转换为数字信号。这两个数字信号将通过反正切函数来计算角度，反正切函数是通过查找表（look-up table）的方式来实现的。

占用IO口更少的SWD调试方式接线简单，最少仅需SWDIO、SWCLK、VCC、GND四根线，最大通讯速率达1Mb/s。在编写底层驱动时，可以快速地帮助开发者定位硬件和软件错误，从而节约开发者开发时间。

为了能够更直观方便地观测系统的运行状态，该电路板上还焊接了4个LED灯，红色LED用于电源指示，蓝色LED用于指示CAN通讯系统的链路状态，黄色LED用于每个模块故障检测，包括传感器故障和通讯链路故障。最后一个绿色LED仅在蛇头上使用，用来指示WIFI模块的收发状态。

基于关节体积限制，PCB板面积与形状皆有所限制。设计采用了4层板，其中电源部分为独立两层。

不同关节的控制电路板通过CAN总线进行通信，将数据传输给头部的无线模块，通过无线模块与主机端进行信息交互。

本实施例中，多电子元件融合，基于蛇形机器人的应用需求，该控制电路板包含有多种传感器，控制单元与通信模块。各电子元件的电源使用存在差异。3.3V电源的有串口通信模块、WIFI收发设备、CAN总线收发器、STM32主控芯片以及惯性导航单元。5V电源的有调试用IO接口与角度传感器。7.5V电源的有舵机。以及为了确保大功率输出并且小电流的控制板接入电源48V。各种电源通过稳压模块进行衔接，对48V输入电源进行操作生成多种电源，供不同电子元件使用。

如图2所示，控制板间连接与功能，整个系统通信和控制网络拓扑结构，如图2所示。其中PC端负责上层控制，各模块进行底层传感器信号的采集。蛇头是通讯协议设计中的关键设备，对PC端而言蛇头不断地响应数据请求是一个TCP服务器，对蛇模块设备而言蛇头是通信总线中的主机，负责数据轮询和命令转发。蛇模块设备是通讯层的终端节点，其主要的任务有：数据采集、基于CAN通信的数据收发和命令解析、基于PID调节的电机转角控制、传感器和通信状态监测。因为蛇形机器人电机功率过大，所以本蛇形机器人样机均选择外接电源方式。蛇尾的处理和通信任务和其余模块相同，并引出电源线通过滑环与外部电源相连。

控制电路板布线，受限于蛇形机器人关节的大小，该控制电路板具有集成度高，面积小的特点。长度为52.07mm，宽度为40.00mm。中间空缺部分为机器人转轴提供空间，上面装有角度传感器由于检测关节的转角。底部（水平直线端）为外接口集中区域，从关节物理结构出发方便接线。底端中间的四个引脚接口为控制电路板间的连接口，包含有电源接口与CAN总线通信接口。外设接口包含有舵机接口（中间4个引脚右侧的3个引脚接口）与WIFI模块接口（最左边两排6个引脚接口），中间接口与WIFI接口之间的两排8个接口分别为串口调试接口与代码烧录接口。

多层板设计，由于蛇形机器人关节大小限制，该电路板具有极高的集成度。依据现实的需求设计了4层板，其中有两层为电源层。顶层为元器件分布层，该电路板所用到的电子元件皆位于顶层。底层为一层布线层，对其它层所需要的电路连线进行补充。

控制电路板，在控制板间连接口接入接线端子，方便控制板间通过电线连接。其余的引脚接口皆焊接排针，便于使用杜邦线连接，角度传感器直接焊接上排针。WIFI模块接口处保留，仅需要在蛇头关节焊接排针外接杜邦线。

测试结果如图3所示，“电压”表示工作电压；“转动时间”为转动180度所用时间；“开机+转动总时间”为初始化时间；“舵机不动电流”为维持固定角度是的电流；“舵机卡死电流”为将舵机转到极限值时的电流，“舵机转动电流”为舵机正常转动时的电流，“卡死1分钟发热情况”为舵机极限测试的结果。，这个表的测试结果表明，该电路板在控制机器人运动方面能够满足机器人的运动需求。在板间通信测试结果为，主机与从机通信时每个控制板占用时间为1.5ms，完全满足机器人控制时内部通信需求。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.蛇形机器人控制系统，其特征在于，包括感知模块、与感知模块连接的主控模块、与主控模块连接的通讯模块、与通讯模块连接的受控模块；

所述的感知模块通过内部电路获取外界信息，并以数字信号的模式反馈给主控模块；

所述的主控模块进行数据处理；

主控模块通过通讯模块进行数据通讯，并且控制受控模块的转动完成关节的转动控制。

2.根据权利要求1所述的蛇形机器人控制系统，其特征在于：所述的感知模块包括惯性导航单元IMU、电流传感器与角度传感器；

惯性导航单元IMU测量物体三轴姿态角以及加速度；电流传感器使主控模块通过编程获取所需检测的电流信息；角度传感器可以输出与主控模块表面平行磁场的角度位置信息。

3.根据权利要求2所述的蛇形机器人控制系统，其特征在于：所述的惯性导航单元IMU包含三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺。

4.根据权利要求1所述的蛇形机器人控制系统，其特征在于：所述的通讯模块包括调试接口部分、CAN总线收发器、WIFI收发设备，调试接口部分为SWD调试方式，CAN总线收发器为具有良好抗电磁干扰能力、高可靠性和高通讯速率等优点的SN65HVD230；WIFI收发设备为ESP8266模块。