CN108248681A - 一种四轮独立驱动转向机器人的主从控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种四轮独立驱动转向机器人的主从控制系统，用于解决现有技术中的移动机器人大多为两轮驱动转向机器人，转向较为不便，仅能应对较为简单的巡检任务，在面对电力系统复杂的检测环境时难以有效胜任巡检任务的技术问题。本发明中通过上位机和下位机的配合，根据预期的巡检路径规划分解得到机器人四个轮毂电机的期望转速和期望线加速度以及四个转向舵机的期望角度、期望角速度和期望角加速度并传输至对应的轮毂电机从控制器和转向舵机从控制器，最后由轮毂电机从控制器和转向舵机从控制器分别执行对各自对应的轮毂电机和转向舵机的控制，实现机器人的四轮独立驱动转向。

Description

一种四轮独立驱动转向机器人的主从控制系统
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种四轮独立驱动转向机器人的主从控制系统。
背景技术
随着经济的高速发展，电力系统规模不断扩大，对电力系统稳定性的要求不断提高。而现有人工巡检模式劳动强度大，检测质量分散，受恶劣天气干扰大，较难满足上述需要。随着机器人技术的出现，机器人能代替人工承担操作难度大、精度要求高的工作，机器人已经越来越多的为工业领域所关注。
目前的移动机器人大多为两轮驱动转向机器人，转向较为不便，仅能应对较为简单的巡检任务，在面对电力系统复杂的检测环境时难以有效胜任巡检任务。
发明内容
本发明提供了一种四轮独立驱动转向机器人的主从控制系统，解决了现有技术中的移动机器人大多为两轮驱动转向机器人，转向较为不便，仅能应对较为简单的巡检任务，在面对电力系统复杂的检测环境时难以有效胜任巡检任务的技术问题。
本发明提供的一种四轮独立驱动转向机器人的主从控制系统，包括：
上位机、下位机、四个轮毂电机从控制器和四个转向舵机从控制器；
所述上位机与所述下位机通讯连接，用于将根据路径规划计算获得的机器人的期望速度和期望转向角度发送至所述下位机；
所述下位机用于将所述期望速度按所述机器人的数学模型分解为四个轮毂电机对应的期望转速和期望线加速度，以及将所述期望转向角度按所述机器人的数学模型分解为四个转向舵机对应的期望角度、期望角速度和期望角加速度；
所述下位机与所述四个轮毂电机从控制器连接，用于将所述四个轮毂电机对应的期望转速和期望线加速度分别对应发送至所述四个轮毂电机从控制器，以便于所述四个轮毂电机从控制器分别控制对应的轮毂电机；
所述下位机与所述四个转向舵机从控制器连接，用于将四个转向舵机对应的期望角度、期望角速度和期望角加速度分别对应发送至所述四个转向舵机从控制器，以便于所述四个转向舵机从控制器分别控制对应的转向舵机。
本发明提供的一种四轮独立驱动转向机器人的主从控制系统，还包括至少一个霍尔传感器；
所述霍尔传感器的输入端与所述四个轮毂电机连接，所述霍尔传感器的输出端通过所述四个轮毂电机从控制器与所述下位机连接，用于将所述四个轮毂电机的实时转速和实时线加速度传输至所述下位机；
所述下位机还用于根据所述四个轮毂电机的实时转速和实时线加速度结合比例-积分-微分PID控制算法对所述四个轮毂电机的转速和线加速度进行控制调整。
优选地，所述四个轮毂电机从控制器包括脉冲宽度信号驱动电路和霍尔传感器接口电路；
所述四个轮毂电机从控制器通过脉冲宽度信号驱动电路驱动所述四个轮毂电机；
所述四个轮毂电机从控制器通过所述霍尔传感器接口电路与所述霍尔传感器连接。
本发明提供的一种四轮独立驱动转向机器人的主从控制系统，还包括至少一个编码器；
所述编码器的输入端与所述四个转向舵机连接，所述编码器的输出端与所述下位机连接，用于将所述四个转向舵机的实时角度、实时角速度和实时角加速度传输至所述下位机；
所述下位机还用于根据所述四个转向舵机的实时角度、实时角速度和实时角加速度结合PID控制算法对所述四个转向舵机的角度、角速度和角加速度进行控制调整。
优选地，所述四个转向舵机从控制器包括脉冲信号驱动电路和编码器接口电路；
所述四个转向舵机从控制器通过脉冲信号驱动电路驱动所述四个转向舵机；
所述四个转向舵机从控制器通过所述编码器接口电路与所述编码器连接。
优选地，所述下位机分别通过四个从控制器串口与所述四个轮毂电机从控制器连接，且所述下位机通过设定的不同的地址位标识对所述四个轮毂电机从控制器独立操作。
本发明提供的一种四轮独立驱动转向机器人的主从控制系统，还包括：超声波检测传感器，所述下位机与所述超声波检测传感器连接，用于接收所述超声波检测传感器的障碍检测数据并控制所述四个轮毂电机制动。
本发明提供的一种四轮独立驱动转向机器人的主从控制系统，还包括：红外检测传感器，所述下位机与所述红外检测传感器连接，用于接收所述红外检测传感器的凹坑检测数据并控制所述四个轮毂电机制动。
优选地，所述上位机为工控机，所述下位机为单片机主控制器。
优选地，所述主从控制系统安装于机器人的底盘上。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明中采用了两级控制体系，分别为由上位机和下位机构成的主控制体系和由四个轮毂电机从控制器和四个转向舵机从控制器构成的从控制体系，通过上位机和下位机的配合，根据预期的巡检路径规划分解得到机器人四个轮毂电机的期望转速和期望线加速度以及四个转向舵机的期望角度、期望角速度和期望角加速度并传输至对应的轮毂电机从控制器和转向舵机从控制器，最后由轮毂电机从控制器和转向舵机从控制器分别执行对各自对应的轮毂电机和转向舵机的控制，本发明中通过设置了两级控制体系，并且使得主从控制体系之间分工明确，将整个机器人的速度和转向具体分解到各个轮毂电机和各个转向舵机，实现了机器人四个轮子的独立驱动和独立转向，能够使得机器人的驱动和转向更为灵活敏捷，令到机器人在复杂的检测环境时能够实现位姿微调以及原地转向，从而胜任电力系统中复杂环境的巡检任务。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的一种四轮独立驱动转向机器人的主从控制系统的结构示意图；
图2(a)为本发明实施例中提供的机器人实际运动过程中的一个轮毂电机速度响应曲线；
图2(b)为本发明实施例中提供的机器人实际运动过程中的另一个轮毂电机速度响应曲线；
图2(c)为本发明实施例中提供的机器人实际运动过程中的再一个轮毂电机速度响应曲线；
图2(d)为本发明实施例中提供的机器人实际运动过程中的又一个轮毂电机速度响应曲线；
图3为本发明实施例提供的一种四轮独立驱动转向机器人的主从控制系统的运动模式框架图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种四轮独立驱动转向机器人的主从控制系统，用于解决现有技术中的移动机器人大多为两轮驱动转向机器人，转向较为不便，仅能应对较为简单的巡检任务，在面对电力系统复杂的检测环境时难以有效胜任巡检任务的技术问题。
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种四轮独立驱动转向机器人的主从控制系统的结构示意图。
本发明提供的一种四轮独立驱动转向机器人的主从控制系统，包括：
上位机、下位机、四个轮毂电机从控制器和四个转向舵机从控制器；
所述上位机与所述下位机通讯连接，用于将根据路径规划计算获得的机器人的期望速度和期望转向角度发送至所述下位机；所述下位机用于将所述期望速度按所述机器人的数学模型分解为四个轮毂电机对应的期望转速和期望线加速度，以及将所述期望转向角度按所述机器人的数学模型分解为四个转向舵机对应的期望角度、期望角速度和期望角加速度。所述下位机与所述四个轮毂电机从控制器连接，用于将所述四个轮毂电机对应的期望转速和期望线加速度分别对应发送至所述四个轮毂电机从控制器，以便于所述四个轮毂电机从控制器分别控制对应的轮毂电机。所述下位机与所述四个转向舵机从控制器连接，用于将四个转向舵机对应的期望角度、期望角速度和期望角加速度分别对应发送至所述四个转向舵机从控制器，以便于所述四个转向舵机从控制器分别控制对应的转向舵机。可以理解的是，本发明实施例中所提及的上位机和下位机均可以安装在底盘上，四个轮毂电机从控制器和四个转向舵机从控制器可以安装于底盘上或者安装于与其连接的一体轮毂电机上。需要注意的是，本发明实施例中所提及的四个轮毂电机从控制器和四个转向舵机从控制器分别与机器人的四个轮子连接，用于单独控制机器人的四个轮子的移动和转向。
具体的，本发明实施例中的上位机可以为工控机，下位机为采用STM32f407VET6芯片的单片机主控制器，该单片机主控制器有多个串口可供使用，由上位机进行机器人巡检路线的规划以及巡检过程中的导航，并且实现对机器人移动过程中的监控和运动的决策(即决定机器人是否移动以及如何移动)。上位机与下位机之间通过USB转RS232串口连接，在上位机将机器人的移动决策下传至下位机之后，由下位机根据机器人的具体实际数学模型将机器人在移动过程中的期望速度和期望转向角度进行分解，并具体分解到四个轮子中的轮毂电机和转向舵机中。另外，下位机与四个轮毂电机从控制器之间基于MODBUS-RTU通讯协议并通过RS485总线进行连接，下位机与四个转向舵机从控制器之间基于RS232串口通讯协议并通过RS485总线进行连接。此外，基于采用STM32f407VET6芯片的单片机主控制器的多串口，还可以通过接入无线遥控手柄对机器人的运动实现控制。
为了提高机器人移动中的精确度，以及实时对机器人移动过程中出现的移动偏差进行修正，本发明提供的一种四轮独立驱动转向机器人的主从控制系统，还包括至少一个霍尔传感器；所述霍尔传感器的输入端与所述四个轮毂电机连接，所述霍尔传感器的输出端通过所述四个轮毂电机从控制器与所述下位机连接，用于将所述四个轮毂电机的实时转速和实时线加速度传输至所述下位机；所述下位机还用于根据所述四个轮毂电机的实时转速和实时线加速度结合比例-积分-微分(proportion integral derivative，PID)控制算法对所述四个轮毂电机的转速和线加速度进行控制调整。具体的，可以在机器人中设置四个霍尔传感器，并分别与四个轮毂电机连接，实时将机器人移动过程中每个轮毂电机的实时转速和实时线加速度通过各自的轮毂电机从控制器返回至下位机中，实现机器人移动过程中的实时反馈。具体的，可以参阅图2(a)～图2(d)，图2(a)为本发明实施例中提供的机器人实际运动过程中的一个轮毂电机速度响应曲线；图2(b)为本发明实施例中提供的机器人实际运动过程中的另一个轮毂电机速度响应曲线；图2(c)为本发明实施例中提供的机器人实际运动过程中的再一个轮毂电机速度响应曲线；图2(d)为本发明实施例中提供的机器人实际运动过程中的又一个轮毂电机速度响应曲线。由图可以看出，经过霍尔传感器的反馈调节，在扰动情况下，轮毂电机的速度响应收敛，并逐渐趋向稳定。
需要说明的是，所述四个轮毂电机从控制器还包括脉冲宽度信号驱动电路和霍尔传感器接口电路；所述四个轮毂电机从控制器通过脉冲宽度信号驱动电路驱动所述四个轮毂电机；所述四个轮毂电机从控制器通过所述霍尔传感器接口电路与所述霍尔传感器连接。
为了提高机器人移动中的精确度，以及实时对机器人移动过程中出现的转向偏差进行修正，本发明实施例中提供的一种四轮独立驱动转向机器人的主从控制系统，还包括至少一个编码器；
所述编码器的输入端与所述四个转向舵机连接，所述编码器的输出端与所述下位机连接，用于将所述四个转向舵机的实时角度、实时角速度和实时角加速度传输至所述下位机；所述下位机还用于根据所述四个转向舵机的实时角度、实时角速度和实时角加速度结合PID控制算法对所述四个转向舵机的角度、角速度和角加速度进行控制调整。
需要说明的是，所述四个转向舵机从控制器还包括脉冲信号驱动电路和编码器接口电路；所述四个转向舵机从控制器通过脉冲信号驱动电路驱动所述四个转向舵机；所述四个转向舵机从控制器通过所述编码器接口电路与所述编码器连接。
进一步地，所述下位机分别通过四个从控制器串口与所述四个轮毂电机从控制器连接，且所述下位机通过设定的不同的地址位标识对所述四个轮毂电机从控制器独立操作，即轮毂电机从控制器支持多站点通讯，多台轮毂电机从控制器并联后与主控制模块相连，下位机可以通过每台驱动器设定的不同的地址位标识来对每台轮毂电机从控制器进行独立操作。此外，从控制器串口属于对外连接口，为了避免引入外界干扰,可以用高速的光电耦合器进行隔离。
本发明提供的一种四轮独立驱动转向机器人的主从控制系统，还包括：超声波检测传感器，所述下位机与所述超声波检测传感器连接，用于接收所述超声波检测传感器的障碍检测数据并通过四个轮毂电机从控制器控制所述四个轮毂电机制动。超声波检测传感器可以安装在机器人的底盘或机器人的身体上，主要用于探测道路前方的障碍物，在超声波检测传感器检测到前方具有障碍物时，将障碍检测数据实时传输至下位机中，并由下位机进行紧急制动控制，避免机器人触障。
进一步地，由于电力巡检环境中有可能存在凹坑等较为恶劣的环境，本发明提供的一种四轮独立驱动转向机器人的主从控制系统，还包括：红外检测传感器，所述下位机与所述红外检测传感器连接，用于接收所述红外检测传感器的凹坑检测数据并控制所述四个轮毂电机制动。其中，红外检测传感器可以安装于机器人的底盘上，并实时检测斜前方的道路环境，在检测到前方有凹坑的情况下，实时将红外检测数据反馈至下位机中，由下位机通过四个轮毂电机从控制器控制所述四个轮毂电机制动。
以上为对本发明实施例提供的一种四轮独立驱动转向机器人的主从控制系统的结构的详细描述，以下将对基于本发明实施例提供的一种四轮独立驱动转向机器人的主从控制系统的机器人所能实现的运动模式进行详细的描述。
请参阅图3，图3为本发明实施例提供的一种四轮独立驱动转向机器人的主从控制系统的运动模式框架图。
基于本发明实施例提供的四轮独立驱动转向机器人的主从控制系统，机器人可以实现如下几种运动模式的切换。
1)原地转向模式
当在一些空间极为狭窄的地方如变电室、阀厅或机房等，并出于检测仪器仪表的需要，需要机器人进行调整位姿时，就需要机器人具有绕着自身的中心旋转的能力。具体的，可以通过本发明实施例提供的主从控制系统，控制机器人的四个轮子只进行转向运动，即控制四个轮毂电机和四个转向舵机配合运动，实现机器人原地转向。
2)两轮驱动两轮转向模式
在一些路况较好，运动空间较大，对灵活性要求不高的路径上，考虑到简化控制方式，减少电池电量的消耗，进一步提高巡检机器人的续航能力，可以将机器人的运动模式切换为两轮驱动两轮转向的运动控制方式。具体的，可以为两个前轮进行转向，两个后轮进行驱动，即在前进过程中，只需要控制两个前轮对应的转向舵机以及两个后轮对应的轮毂电机，从而简化了对机器人的控制。
3)四轮转向模式
在四轮转向模式中，机器人的后轮能在转弯时也能偏转一定角度，可抵消在转弯速度过快的情况下所导致的侧偏力，在偏高速转弯时切换为四轮转向模式，可保证巡检机器人运行的稳定性，避免侧滑等现象的产生；同时在一些空间狭小，运动环境较差的环境中，由于四轮转向模式的转弯半径是两轮驱动两轮转向模式的一半，切换为四轮转向模式还可以提高机动性以及转向的响应速度。
本发明中采用了两级控制体系，分别为由上位机和下位机构成的主控制体系和由四个轮毂电机从控制器和四个转向舵机从控制器构成的从控制体系，通过上位机和下位机的配合，根据预期的巡检路径规划分解得到机器人四个轮毂电机的期望转速和期望线加速度以及四个转向舵机的期望角度、期望角速度和期望角加速度并传输至对应的轮毂电机从控制器和转向舵机从控制器，最后由轮毂电机从控制器和转向舵机从控制器分别执行对各自对应的轮毂电机和转向舵机的控制，本发明中通过设置了两级控制体系，并且使得主从控制体系之间分工明确，将整个机器人的速度和转向具体分解到各个轮毂电机和各个转向舵机，实现了机器人四个轮子的独立驱动和独立转向，能够使得机器人的驱动和转向更为灵活敏捷，令到机器人在复杂的检测环境时能够实现位姿微调以及原地转向，从而胜任电力系统中复杂环境的巡检任务。
以上所述，以上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精神和范围。

Claims (10)

1.一种四轮独立驱动转向机器人的主从控制系统，其特征在于，包括：
上位机、下位机、四个轮毂电机从控制器和四个转向舵机从控制器；
所述上位机与所述下位机通讯连接，用于将根据路径规划计算获得的机器人的期望速度和期望转向角度发送至所述下位机；
所述下位机用于将所述期望速度按所述机器人的数学模型分解为四个轮毂电机对应的期望转速和期望线加速度，以及将所述期望转向角度按所述机器人的数学模型分解为四个转向舵机对应的期望角度、期望角速度和期望角加速度；
所述下位机与所述四个轮毂电机从控制器连接，用于将所述四个轮毂电机对应的期望转速和期望线加速度分别对应发送至所述四个轮毂电机从控制器，以便于所述四个轮毂电机从控制器分别控制对应的轮毂电机；
所述下位机与所述四个转向舵机从控制器连接，用于将四个转向舵机对应的期望角度、期望角速度和期望角加速度分别对应发送至所述四个转向舵机从控制器，以便于所述四个转向舵机从控制器分别控制对应的转向舵机。
2.根据权利要求1所述的四轮独立驱动转向机器人的主从控制系统，其特征在于，还包括至少一个霍尔传感器；
所述霍尔传感器的输入端与所述四个轮毂电机连接，所述霍尔传感器的输出端通过所述四个轮毂电机从控制器与所述下位机连接，用于将所述四个轮毂电机的实时转速和实时线加速度传输至所述下位机；
所述下位机还用于根据所述四个轮毂电机的实时转速和实时线加速度结合比例-积分-微分PID控制算法对所述四个轮毂电机的转速和线加速度进行控制调整。
3.根据权利要求2所述的四轮独立驱动转向机器人的主从控制系统，其特征在于，所述四个轮毂电机从控制器包括脉冲宽度信号驱动电路和霍尔传感器接口电路；
所述四个轮毂电机从控制器通过脉冲宽度信号驱动电路驱动所述四个轮毂电机；
所述四个轮毂电机从控制器通过所述霍尔传感器接口电路与所述霍尔传感器连接。
4.根据权利要求1所述的四轮独立驱动转向机器人的主从控制系统，其特征在于，还包括至少一个编码器；
所述编码器的输入端与所述四个转向舵机连接，所述编码器的输出端与所述下位机连接，用于将所述四个转向舵机的实时角度、实时角速度和实时角加速度传输至所述下位机；
所述下位机还用于根据所述四个转向舵机的实时角度、实时角速度和实时角加速度结合PID控制算法对所述四个转向舵机的角度、角速度和角加速度进行控制调整。
5.根据权利要求4所述的四轮独立驱动转向机器人的主从控制系统，其特征在于，所述四个转向舵机从控制器包括脉冲信号驱动电路和编码器接口电路；
所述四个转向舵机从控制器通过脉冲信号驱动电路驱动所述四个转向舵机；
所述四个转向舵机从控制器通过所述编码器接口电路与所述编码器连接。
6.根据权利要求1所述的四轮独立驱动转向机器人的主从控制系统，其特征在于，所述下位机分别通过四个从控制器串口与所述四个轮毂电机从控制器连接，且所述下位机通过设定的不同的地址位标识对所述四个轮毂电机从控制器独立操作。
7.根据权利要求1所述的四轮独立驱动转向机器人的主从控制系统，其特征在于，还包括：超声波检测传感器，所述下位机与所述超声波检测传感器连接，用于接收所述超声波检测传感器的障碍检测数据并控制所述四个轮毂电机制动。
8.根据权利要求1所述的四轮独立驱动转向机器人的主从控制系统，其特征在于，还包括：红外检测传感器，所述下位机与所述红外检测传感器连接，用于接收所述红外检测传感器的凹坑检测数据并控制所述四个轮毂电机制动。
9.根据权利要求1至8所述的四轮独立驱动转向机器人的主从控制系统，其特征在于，所述上位机为工控机，所述下位机为单片机主控制器。
10.根据权利要求1至8所述的四轮独立驱动转向机器人的主从控制系统，其特征在于，所述主从控制系统安装于机器人的底盘上。
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