CN108544912A - 四轮差速全地形移动机器人控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及四轮差速全地形移动机器人控制系统及其系统方法，包括上位机控制器、室内移动传感器组和室外移动传感器组、避障模块和驱动模块、控制车轮运动的底盘控制器、控制移动机器人启停的外设模块、电池；室内移动传感器包括激光雷达、磁导航传感器和RFID站点读卡器；室外移动传感器组包括激光雷达、GPS天线、视觉传感器；避障模块为分布在移动机器人四周的若干个超声波传感器；驱动模块包括连接车轮的伺服驱动电机、与伺服驱动电机相连的伺服驱动器。本发明采用多重信号混合控制方式，适应性更强，相较于以往的移动机器人，该四轮差速全地形移动机器人能够进行自动判决地形状况，同时满足室内以及室外的不同使用环境的运动控制要求。

Description

四轮差速全地形移动机器人控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及机器人控制技术领域，具体的说是四轮差速全地形移动机器人控制系统及其控制方法。

背景技术

在当前的移动机器人控制领域，全地形移动机器人通常采用履带式、仿生的四足式样和四轮差速式这三类模式。四轮差速驱动因其结构简单、驱动控制及机械方案容易实现等优点而应用广泛。

四轮差速运动因控制技术复杂的原因，通常四轮移动机器人因为控制技术原因通常只能单独应用于室内环境或者室外环境，同一款移动机器人很难同时适应室内和室内环境使用。

中国专利公告号CN103503637B中公开了一种智能辨识彩照机器人及采摘方法，包括下位机和上位机；所述下位机包括：四轮智能移动平台10、第一控制柜7、图像采集模块、板栗采摘模块、集果箱3、称重模块4、无线视频传输模块、电源9和GPS定位模块44；所述上位机包括PC机39、无线视频接收模块36、数据采集卡37、第二主控模块38、第二控制柜35、接收机天线34、视频传输线。该机器人只能进行单独的GPS定位，且必须通过人工控制机器人移动，移动过程不灵活，操作繁琐。

中国专利公告号CN201626318U中公开了一种遥控轮式移动机器人平台，平台车架采用箱式结构，内设有车载电子设备、电池箱体。平台车架设有轮式四轮驱动行走装置，由牵引电机来驱动。车载电子设备主要包括电机驱动器、超声波传感器、IP摄像头、整车控制器、GPS、惯性导航系统、无线通讯系统。在地面遥控控制台上可查看所述机器人平台前后的视频图像、平台位置坐标和准确姿态，并可通过控制手柄和按钮操作所述机器人平台进行工作。所述机器人平台前后均安装有超声波传感器，有一定的自动避障功能。该机器人必须采用手动遥控操作，使用过程不方便，无法实现对工作环境的检测和判断，不具备复杂地形环境下的工作。

基于上所述，以上几种机器人的基本模式都是GPS定位或者手动遥控控制等模式，仅仅能满足室外使用的情况，或者必须通过人工操纵机器人进行移动，当在室内环境或者移动机器人完全自主移动时，上述发明均存在局限性。

发明内容

为了避免和解决上述技术问题，本发明提出了四轮差速全地形移动机器人控制系统及其控制方法。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

四轮差速全地形移动机器人控制系统，包括：

用于移动机器人和手机通信并运行图像处理和路径规划等复杂控制算法的上位机控制器。

与上位机控制器相连且用于检测并识别室内和室外路线的室内移动传感器组和室外移动传感器组。

安装在移动机器人上用于感应障碍物的避障模块和用于驱动移动机器人行走的驱动模块。

与上位机控制器、避障模块和驱动模块电连接并控制各车轮运动的底盘控制器。

与上位机控制器相连且用于控制移动机器人启停的外设模块。

安装在移动机器人上且与上位机控制器、室内移动传感器组和室外移动传感器组、避障模块、驱动模块、底盘控制器和外设模块相连的电池。

进一步的，所述上位机控制器包括：

与外部手机APP进行无线通讯的4G网络服务功能块。

与室内移动传感器组相连并进行数据处理的室内移动控制功能块。

与室外移动传感器组相连并进行数据处理的室外移动控制功能块。

与外设模块相连的基本外设功能块。

与底盘控制器实现通讯的串口通信功能块。

进一步的，所述室内移动传感器包括激光雷达、磁导航传感器和RFID站点读卡器。

进一步的，所述室外移动传感器组包括激光雷达、GPS天线、视觉传感器，所述上位机控制器能够预先记录GPS天线、视觉传感器的人工示教路线，并在室外移动时调用示教路线进行移动。

进一步的，所述避障模块为分布在移动机器人四周的若干个超声波传感器。所述超声波传感器为安装在移动机器人上不同方位的前端超声波传感器、后端超声波传感器、左侧超声波传感器、右侧超声波传感器，每个超声波传感器分别用于检测对应方向上有无障碍物，其中任意一个传感器检测到障碍物时，移动机器人停止并发送报警信息，并将信号输入至底盘控制器中进行信息处理。

进一步的，所述外设模块包括安装在移动机器人上的显示屏、急停按钮、启动按钮和停止按钮。显示屏用于显示移动机器人当前的各种状态信息；急停按钮用于在异常情况下停止移动机器人；启动按钮用于启动移动机器人；停止按钮用于停止机器人。

进一步的，所述驱动模块包括连接车轮的伺服驱动电机、与伺服驱动电机相连的伺服驱动器。所述伺服驱动电机包括各自独立工作的左前伺服驱动电机、左后伺服驱动电机、右前伺服驱动电机、右后伺服驱动电机，所述伺服驱动器包括各自独立工作的的左前伺服驱动器、左后伺服驱动器、右前伺服驱动器、右后伺服驱动器，每个方位上的伺服驱动电机与伺服驱动器对应连接。

进一步的，所述驱动模块还包括一端连接左前伺服驱动电机且另一端连接左前伺服驱动器的左前轮电机编码器、一端连接左后伺服驱动电机且另一端连接左后伺服驱动器的左后轮电机编码器、一端连接右前伺服驱动电机且另一端连接右前伺服驱动器的右前轮电机编码器、一端连接右后伺服驱动电机且另一端连接右后伺服驱动器的右后轮电机编码器。

四轮差速全地形移动机器人的控制方法，包括：

步骤一：移动机器人启动之后，首先通过上位机控制器进行室内移动和室外移动策略判决。

步骤二：策略判决完成之后，把移动控制策略通过串口发送给底盘控制器、底盘控制器控制左前轮伺服驱动器、左后轮伺服驱动器、右前轮伺服驱动器、右后轮伺服驱动器完成移动动作进行移动。

步骤三：在移动过程中，随时检测超声波传感器检查有无障碍，如果遭遇障碍，移动机器人暂停移动并报警。

步骤四：当移动机器人移动到指定位置后，移动机器人移动任务完成。

进一步的，具体的室内移动和室外移动策略判决如下。

当移动机器人启动，需要判断GPS有无指定最终位置：

当GPS天线有指点最终位置时，首先判定有无预先存储路径：如果有，则根据预先存储路径移动；如果没有，则采用激光雷达扫描周围环境并匹配地形，当匹配地形路径成功，则根据匹配成功的路径信息进行移动，若地形路径没有匹配成功，则采用视觉传感器对外部环境信息进行处理，在视觉传感器检测到可以辨识的车道线等路面信息后，移动机器人根据路面信息移动。

当没有GPS指定最终位置，首先移动机器人检测有无磁导航传感器信号：如果有，则根据磁导航信号进行移动，然后如果没有检测到磁导航传感器信号，则检查有无预先存储的移动路径，如果有，则根据预先存储的路径信息移动，最后如果没有则通过激光雷达扫描并匹配地形，如果地图匹配成功则根据匹配成功路径信息进行移动。

本发明的有益效果是：

本发明采用多重信号混合控制方式，移动机器人的适应性更强，采用四轮差速驱动方案，相较于以往的移动机器人，只能在室内使用或者只能在室外环境使用的缺点，该四轮差速全地形移动机器人能够进行自动判决地形状况，同时满足室内以及室外的不同使用环境的运动控制要求。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明中移动机器人的立体结构图；

图2为本发明中移动机器人的主视图；

图3为本发明中移动机器人的俯视图；

图4为本发明中移动机器人的内部结构示意图；

图5为本发明的控制系统框图；

图6为本发明中的控制方法的流程框图；

图7为本发明中控制方法的策略判决框图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明进一步阐述。

如图1至图7所示，四轮差速全地形移动机器人控制系统，包括：

用于移动机器人1和手机通信并运行图像处理和路径规划等复杂控制算法的上位机控制器2。

与上位机控制器2相连且用于检测并识别室内和室外路线的室内移动传感器组和室外移动传感器组。

安装在移动机器人1上用于感应障碍物的避障模块和用于驱动移动机器人1行走的驱动模块。

与上位机控制器2、避障模块和驱动模块电连接并控制各车轮3运动的底盘控制器4。

与上位机控制器2相连且用于控制移动机器人1启停的外设模块。

安装在移动机器人1上且与上位机控制器2、室内移动传感器组和室外移动传感器组、避障模块、驱动模块、底盘控制器4和外设模块相连的电池5。

所述上位机控制器2包括：与外部手机APP进行无线通讯的4G网络服务功能块、与室内移动传感器组相连并进行数据处理的室内移动控制功能块、与室外移动传感器组相连并进行数据处理的室外移动控制功能块、与外设模块相连的基本外设功能块、与底盘控制器4实现通讯的串口通信功能块。

上位机控制器2通过4G网络或者WIFI通信直接接收手机App指令，通过手机App控制，可以完成简单的启动停止以及前后左右移动，手机App上可以在线显示当前移动机器人1的移动速度、电量、视觉图像等；当移动机器人1因为情况报警时，在手机App上还可以显示当前的报警信息。

所述室内移动传感器包括激光雷达6、磁导航传感器7和RFID站点读卡器8。所述磁导航传感器7安装在移动机器人1的前端，用于探测磁条信号并进行室内寻迹。RFID站点读卡器8，用于在室内磁导航寻迹时，发送给移动机器人1其它任务指令。

所述室外移动传感器组包括激光雷达6、GPS天线9、视觉传感器10，所述上位机控制器2能够预先记录GPS天线9、视觉传感器10的人工示教路线，并在室外移动时调用示教路线进行移动。

基于上所述，本发明对视觉传感器10、磁导航传感器7、激光雷达6、GPS信号多数据融合，可以实现在室内和室外环境复杂环境的移动及寻迹动作。

所述避障模块为分布在移动机器人四周的若干个超声波传感器11。所述超声波传感器11为安装在机器人上不同方位的前端超声波传感器、后端超声波传感器、左侧超声波传感器、右侧超声波传感器，每个超声波传感器分别用于检测对应方向上有无障碍物，其中任意一个传感器检测到障碍物时，移动机器人1停止并发送报警信息，并将信号输入至底盘控制器中进行信息处理。

所述外设模块包括安装在移动机器人上的显示屏12、急停按钮13、启动按钮14和停止按钮15。显示屏12用于显示移动机器人1当前的各种状态信息；急停按钮13用于在异常情况下停止移动机器人1；启动按钮14用于启动移动机器人1；停止按钮15用于停止移动机器人。

所述驱动模块包括连接车轮的伺服驱动电机16、与伺服驱动电机16相连的伺服驱动器17。所述伺服驱动电机16包括各自独立工作的左前伺服驱动电机、左后伺服驱动电机、右前伺服驱动电机、右后伺服驱动电机，所述伺服驱动器17包括各自独立工作的的左前伺服驱动器、左后伺服驱动器、右前伺服驱动器、右后伺服驱动器，每个方位上的伺服驱动电机16与伺服驱动器16对应连接。

所述驱动模块还包括一端连接左前伺服驱动电机且另一端连接左前伺服驱动器的左前轮电机编码器、一端连接左后伺服驱动电机且另一端连接左后伺服驱动器的左后轮电机编码器、一端连接右前伺服驱动电机且另一端连接右前伺服驱动器的右前轮电机编码器、一端连接右后伺服驱动电机且另一端连接右后伺服驱动器的右后轮电机编码器。

四轮差速全地形移动机器人的控制系统方法，包括：

四轮差速全地形移动机器人在移动在指定位置之前，需要进行室内、室外移动策略判决，根据采集到的视觉传感器10、磁导航传感器7、激光雷达6、GPS信号多种数据进行处理，最终根据判决结果，得到移动策略，最终移动到指定位置。

可以通过人工示教方式记录示教时的视觉传感器10和GPS天线9数据，并把数据存储在上位机控制器2内，这个数据通过多数据融合算法合成运动轨迹，当移动机器人1在室外移动时，通过调用示教过的运动轨迹进行移动。

当移动机器人1进行室内移动时，激光雷达6实时旋转扫描，并把扫描的信号发送给上位机控制2，上位机控制器2自动生成激光雷达地图并在手机App上显示地图，完成移动机器人1室内环境的实时地图构建和定位功能，然后进行移动机器人的运动。

四轮差速全地形移动机器人的控制方法，包括：

步骤一：移动机器人启动之后，首先通过上位机控制器2进行室内移动和室外移动策略判决。

步骤二：策略判决完成之后，把移动控制策略通过串口发送给底盘控制器4、底盘控制器4控制左前轮伺服驱动器、左后轮伺服驱动器、右前轮伺服驱动器、右后轮伺服驱动器完成移动动作进行移动。

步骤三：在移动过程中，随时检测超声波传感器11检查有无障碍，如果遭遇障碍，移动机器人暂停移动并报警。

步骤四：当移动机器人移动到指定位置后，移动机器人移动任务完成。

具体的室内移动和室外移动策略判决如下。

当移动机器人启动，需要判断GPS有无指定最终位置：

当GPS天线9有指点最终位置时，首先判定有无预先存储路径：如果有，则根据预先存储路径移动；如果没有，则采用激光雷达6扫描周围环境并匹配地形，当匹配地形路径成功，则根据匹配成功的路径信息进行移动，则室内、室外移动策略判决完成；若地形路径没有匹配成功，则采用视觉传感器10对外部环境信息进行处理，在视觉传感器10检测到可以辨识的道路标记等路面信息后，移动机器人1根据道路标记等路面信息移动，反之则移动策略判决失败，返回到GPS有无指定最终位置的判决，继续判决。

当GPS天线9没有指定最终位置时，首先移动机器人1检测有无磁导航传感器信号：如果有，则根据磁导航信号寻迹进行移动，则室内、室外移动策略判决完成；如果没有检测到磁导航传感器信号，则检查有无预先存储的移动路径，如果有，则根据预先存储的路径信息移动，如果没有则通过激光雷达6扫描并匹配地形，如果地图匹配成功则根据匹配成功路径信息进行移动，则室内、室外移动策略判决完成，反之则移动策略判决失败，返回到GPS有无指定最终位置的判决，继续判决。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.四轮差速全地形移动机器人控制系统，其特征在于：包括：

用于移动机器人(1)和手机通信并运行图像处理和路径规划等复杂控制算法的上位机控制器(2)；

与上位机控制器(2)相连且用于检测并识别室内和室外路线的室内移动传感器组和室外移动传感器组；

安装在移动机器人(1)上用于感应障碍物的避障模块和用于驱动移动机器人(1)行走的驱动模块；

与上位机控制器(2)、避障模块和驱动模块电连接并控制各车轮(3)运动的底盘控制器(4)；

与上位机控制器(2)相连相连且用于控制移动机器人(1)启停的外设模块；

与上位机控制器(2)、室内移动传感器组和室外移动传感器组、避障模块、驱动模块、底盘控制器(4)和外设模块相连的电池(5)。

2.根据权利要求1所述的四轮差速全地形移动机器人控制系统，其特征在于：所述上位机控制器(2)包括：

与外部手机APP进行无线通讯的4G网络服务功能块；

与室内移动传感器组相连并进行数据处理的室内移动控制功能块；

与室外移动传感器组相连并进行数据处理的室外移动控制功能块；

与外设模块相连的基本外设功能块；

与底盘控制器(4)实现通讯的串口通信功能块。

3.根据权利要求1所述的四轮差速全地形移动机器人控制系统，其特征在于：所述室内移动传感器包括激光雷达(6)、磁导航传感器(7)和RFID站点读卡器(8)。

4.根据权利要求3所述的四轮差速全地形移动机器人控制系统，其特征在于：所述室外移动传感器组包括激光雷达(6)、GPS天线(9)、视觉传感器(10)，所述上位机控制器(2)能够预先记录GPS天线(9)、视觉传感器(10)的人工示教路线，并在室外移动时调用示教路线进行移动。

5.根据权利要求1所述的四轮差速全地形移动机器人控制系统，其特征在于：所述避障模块为分布在移动机器人(1)四周的若干个超声波传感器(11)。

6.根据权利要求1所述的四轮差速全地形移动机器人控制系统，其特征在于：所述外设模块包括显示屏(12)、急停按钮(13)、启动按钮(14)和停止按钮(15)。

7.根据权利要求1所述的四轮差速全地形移动机器人控制系统，其特征在于：所述驱动模块包括连接车轮的伺服驱动电机(16)、与伺服驱动电机(16)相连的伺服驱动器(17)。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的四轮差速全地形移动机器人的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：移动机器人(1)启动并进行室内、室外移动策略判决；

步骤二：底盘控制器(4)接收判决指令后控制各伺服驱动器运动；

步骤三：移动过程中，超声波传感器(11)检测障碍物并及时预警；

步骤四：移动机器人(1)到达指定位置完成移动。

9.根据权利要求8所述的四轮差速全地形移动机器人的控制方法，其特征在于：所述步骤一中的策略判决过程包括：

1)上位机控制器(2)判断GPS有无指定最终位置，有则执行过程2)，没有则执行过程3)；

2)判断有无存储路径，有则按照存储路径移动；没有则激光雷达(6)扫描匹配地图移动，地图匹配失败则通过视觉传感器(10)检测并识别道路标记移动；

3)检测有无磁导航传感器信号，有则寻迹移动；没有则检查有无存储路径，发现存储路径则调用路径移动，没有发现则通过激光雷达(6)匹配地图进行移动。