CN109471435A - 一种多异构移动机器人控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多异构移动机器人控制系统。由异构移动机器人通用控制层、异构设备执行层、上位机终端层三个部分构成；异构设备执行层由异构移动机器人构成，异构移动机器人的异构控制器之间能够运行同一套控制算法组态程序，并且不同类型的异构移动机器人之间可实时的实现控制数据的共享和同步。本发明能够实现在同一控制系统中，采用同一种组态语言，融合多种传感器装置，对多种品牌的异构机器人，进行协同控制。

Description

一种多异构移动机器人控制系统

技术领域

本发明属于自动化软件控制技术领域，具体涉及一种多异构移动机器人控制系统。

背景技术

由于环境与任务的复杂性，单机器人在传感器数据采集、处理及控制效率等方面是有限的。多机器人系统相对单个机器人具有执行危险任务的可靠性强；复杂任务执行并行性；未知区域范围搜索能力强；容错能力强等特点，因此多移动机器人集群能够更好的完成单个机器人不能完成的任务，考虑由多个机器人组成的群体系统可以通过协调、协作来完成单机器人无法或难以完成的工作。现有的基础软件基本都面向简单的应用环境,或针对特定类型的移动机器人,可扩展性与可重构性差，实现协调控制的软件专用性强,彼此无法互联互通互操作,通用性差。但是从总体上来看，各个移动机器人生产商仍然是基于各自机器人进行独立、封闭的软件开发。这些控制软件提供的二次开发接口可满足用户部分的开发需求，但是各厂商之间的兼容性仍然是一个问题。

因此，目前的移动机器人软件还没有统一的接口,各平台间兼容性差,软件开发难度高、代价大,亟需一个提高移动机器人软件模块通用性的方法,将是未来智能机器人软件发展的趋势所在。该方法可极大提高智能机器人架构体系的开放性、可扩展性和重用性。

发明内容

本发明的目的是基于现有技术的不足，提出一种异构移动机器人控制系统，以实现在同一控制系统中，采用同一种组态语言，融合多种传感器装置，对多种品牌的异构机器人，进行协同控制。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种多异构移动机器人控制系统，由异构移动机器人通用控制层、异构设备执行层、上位机终端层三个部分构成；异构设备执行层由异构移动机器人构成，异构移动机器人的异构控制器之间能够运行同一套控制算法组态程序，并且不同类型的异构移动机器人之间可实时的实现控制数据的共享和同步；

所述异构移动机器人通用控制层由通用控制器构成，负责处理包括多机器人的任务调度、异构集成、智能算法在内的复杂任务计算，通用控制器部署一个或多个内部结构完全相同的虚拟控制器，用以实现数据交互与共享内存，同时通用控制器的内部设计有多通信协议的驱动接口，用以完成通用控制器与异构移动机器人驱动器之间的通讯；

上位机终端层与异构移动机器人通用控制层采用C/S架构，上位机终端层的终端为客户端，通用控制器为服务端，两者采用socket通信机制，以标准的TCP/IP Socket库为基础建立双向的通信连接；通用控制器能够与异构移动机器人通过以下两种方式连接：

方式一：通用控制器调用内部多协议驱动接与异构移动机器人建立通信连接：异构移动机器人与通用控制器的通讯按照C/S的架构进行，异构移动机器人为服务端，通用控制器为客户端，二者通过无线局域网建立连接，采用预定的数据协议对发送和接收的数据进行封包和解析；通用控制器能够满足以预定时间间隔发送异构移动机器人运动控制指令，并收回相应的状态反馈数据；当通用控制器发送实时监控指令时，能够回收的数据包括异构移动机器人当前的坐标系和偏航状态、异构移动机器人实时位置与姿态位姿、速度与加速度状态、激光传感器信息、惯性传感器信息、视觉传感器信息；当通用控制器将控制策略计算结果转换成异构移动机器人的运动指令，并向异构移动机器人发送运动控制指令时，通讯驱动会把虚拟控制器中相应的输出数据按照预定的格式打包送出，这些数据包括通讯数据类型、目标坐标、目标转角、指定电机转角角度，脉冲数，控制任务编号及控制任务指令；

方式二：虚拟控制器能够内嵌于异构移动机器人的异构控制系统中，并在异构移动机器人控制器中开辟内存区，利用虚拟控制器的数据读取接口调用异构移动机器人应用程序编程接口获取异构移动机器人状态信息至虚拟控制器的内存区中，由于虚拟控制器具备数据可交互，结构一致性的特点，因此可将状态数据共享至通用控制器中的虚拟控制器中；类似的，异构移动机器人中的数据写入接口通过调用异构移动机器人应用程序编程接口，将通用控制器的控制数据写入异构移动机器人控制应用程序中；

所述异构移动机器人是指不同制造商生产的不同的移动机器人，每台异构移动机器人由多个轮子以及多个电机驱动模块构成，用于驱动异构移动机器人到达指定位置，每个异构移动机器人具备多传感器，用于环境预测；每个异构移动机器人的软硬件平台均不相同；

所述异构控制器指的是不同厂商生产的不同型号的控制平台，每个异构控制器的软硬件平台均不相同；每个异构控制器均由计算模块、内存区域、通信模块构成，且品牌、型号和数量均可由用户自主选定；每个异构控制器的功能是用于：A、执行来自异构移动机器人通用控制层的控制指令；B、计算每个异构移动机器人的导航目标点；C、采集由异构移动机器人的传感器而来的异构移动机器人的实时状态数据；

所述上位机终端层为异构移动机器人控制算法逻辑组态软件和人机交互组态软件，采用图形化的方式组态异构移动机器人控制算法程序，并可离线或在线下载至异构移动机器人通用控制层中计算执行；特别地，逻辑组态软件可同时控制多台异构移动机器人；所述人机交互组态软件用于编写控制系统的人机交互组态程序，通过程序界面，用户可以实时地监控和分析各个异构移动机器人工作任务的执行情况。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、采用本发明方法的用户可以自主地选择不同制造商生产的不同种类的移动机器人进行应用或者研究，应用灵活、可扩展性好；

2、本发明方法中不同类型的移动机器人还可以执行相同的控制组态算法，异构工业机器人之间的协同控制更加灵活、高效；

3、使用本发明方法，而是可以根据实际需求，自主地选择更可靠、稳定和经济的控制器作为机器人控制硬件，并且控制器的品牌、型号和数量均可根据生产需求灵活选配。从而大大地提高了多移动机器人控制系统扩展的灵活性和方便性，提高控制资源的利用率资源。

附图说明

图1为机器人与通用控制器数据通讯示意图。

图2为本发明中多异构移动机器人控制系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明提供了一种多异构移动机器人控制系统，由异构移动机器人通用控制层、异构设备执行层、上位机终端层三个部分构成；异构设备执行层由异构移动机器人构成，异构移动机器人的异构控制器之间能够运行同一套控制算法组态程序，并且不同类型的异构移动机器人之间可实时的实现控制数据的共享和同步；

所述异构移动机器人通用控制层由通用控制器构成，负责处理包括多机器人的任务调度、异构集成、智能算法在内的复杂任务计算，通用控制器部署一个或多个内部结构完全相同的虚拟控制器，用以实现数据交互与共享内存，同时通用控制器的内部设计有多通信协议的驱动接口，用以完成通用控制器与异构移动机器人驱动器之间的通讯；

上位机终端层与异构移动机器人通用控制层采用C/S架构，上位机终端层的终端为客户端，通用控制器为服务端，两者采用socket通信机制，以标准的TCP/IP Socket库为基础建立双向的通信连接；通用控制器能够与异构移动机器人通过以下两种方式连接：

方式一：通用控制器调用内部多协议驱动接与异构移动机器人建立通信连接：异构移动机器人与通用控制器的通讯按照C/S的架构进行，异构移动机器人为服务端，通用控制器为客户端，二者通过无线局域网建立连接，采用预定的数据协议对发送和接收的数据进行封包和解析；通用控制器能够满足以预定时间间隔发送异构移动机器人运动控制指令，并收回相应的状态反馈数据；当通用控制器发送实时监控指令时，能够回收的数据包括异构移动机器人当前的坐标系和偏航状态、异构移动机器人实时位置与姿态位姿、速度与加速度状态、激光传感器信息、惯性传感器信息、视觉传感器信息；当通用控制器将控制策略计算结果转换成异构移动机器人的运动指令，并向异构移动机器人发送运动控制指令时，通讯驱动会把虚拟控制器中相应的输出数据按照预定的格式打包送出，这些数据包括通讯数据类型、目标坐标、目标转角、指定电机转角角度，脉冲数，控制任务编号及控制任务指令；

方式二：虚拟控制器能够内嵌于异构移动机器人的异构控制系统中，并在异构移动机器人控制器中开辟内存区，利用虚拟控制器的数据读取接口调用异构移动机器人应用程序编程接口获取异构移动机器人状态信息至虚拟控制器的内存区中，由于虚拟控制器具备数据可交互，结构一致性的特点，因此可将状态数据共享至通用控制器中的虚拟控制器中；类似的，异构移动机器人中的数据写入接口通过调用异构移动机器人应用程序编程接口，将通用控制器的控制数据写入异构移动机器人控制应用程序中；

所述异构移动机器人是指不同制造商生产的不同的移动机器人，每台异构移动机器人由多个轮子以及多个电机驱动模块构成，用于驱动异构移动机器人到达指定位置，每个异构移动机器人具备多传感器，用于环境预测；每个异构移动机器人的软硬件平台均不相同；

所述异构控制器指的是不同厂商生产的不同型号的控制平台，每个异构控制器的软硬件平台均不相同；每个异构控制器均由计算模块、内存区域、通信模块构成，且品牌、型号和数量均可由用户自主选定；每个异构控制器的功能是用于：A、执行来自异构移动机器人通用控制层的控制指令；B、计算每个异构移动机器人的导航目标点；C、采集由异构移动机器人的传感器而来的异构移动机器人的实时状态数据；

所述上位机终端层为异构移动机器人控制算法逻辑组态软件和人机交互组态软件，采用图形化的方式组态异构移动机器人控制算法程序，并可离线或在线下载至异构移动机器人通用控制层中计算执行；特别地，逻辑组态软件可同时控制多台异构移动机器人；所述人机交互组态软件用于编写控制系统的人机交互组态程序，通过程序界面，用户可以实时地监控和分析各个异构移动机器人工作任务的执行情况。

以下为本发明的具体实现过程。

如图2所示，本发明提供的一种多移动机器人控制系统，提供了一个多异构移动机器人控制系统架构结构，所述系统由异构移动机器人通用控制层、异构设备执行层、上位机终端层三个部分构成。特别地，本发明中的异构移动机器人的异构控制器之间可以运行同一套控制算法组态程序，并且不同类型的移动机器人机器人之间可实时的实现控制数据的共享和同步。

（1）所述的异构移动机器人通用控制层负责处理包括多机器人的任务调度、异构集成，智能算法在内的复杂任务计算，通用控制平部署了一个或多个内部结构完全相同的虚拟控制器，用以实现数据交互与共享内存，同时通用控制器的内部设计了一种多通信协议的驱动接口，用以完成通用控制器与异构机器人驱动器之间的通讯。

（2）系统的终端与通用控制端是采用C/S架构，以终端为客户端，通用控制器为服务端，两者采用socket通信机制，以标准的TCP/IP Socket库为基础建立双向的通信连接。机器人与通用控制器可以与移动机器人通过以下两种方式连接：

方式一：通用控制器调用内部多协议驱动接与异构移动机器人建立通信连接。移动机器人与通用控制器的通讯也是按照C/S的架构进行的，如图1所示，移动机器人为服务端，通用控制器为客户端，二者通过无线局域网建立连接，采用指定的数据协议对发送和接受的数据进行封包和解析。通用控制器可以满足以一定时间间隔发送机器人运动控制指令，并收回相应的状态反馈数据。当通用控制器发送实时监控指令时，能够回收的数据包括移动机器人末端当前的坐标系和偏航状态、机器人实时位置与姿态位姿、速度与加速度状态,激光传感器信息，惯性传感器信息，视觉传感器信息等多项数据。当通用控制器将控制策略计算结果转换成机器人的运动指令，并向机器人发送运动控制指令时，通讯驱动会把虚拟控制器中相应的输出数据按照特定的格式打包送出。这些数据包括通讯数据类型、目标坐标、目标转角、指定电机转角角度，脉冲数，控制任务编号及控制任务指令等。

方式二：虚拟控制器也可以内嵌于多移动机器人的异构控制系统中，并在机器人控制器中开辟内存区，利用虚拟控制器的数据读取接口调用机器人应用程序编程接口（Application Programming Interface, API)获取机器人状态信息至虚拟控制器的内存区中，由于虚拟控制器具备数据可交互，结构一致性的特点，因此可将状态数据共享至通用控制站中的多虚拟控制器中。类似的，机器人中的数据写值接口通过调用机器人API，并将通用控制器的控制数据写入机器人控制应用程序中。

（3）所述异构移动机器人是指不同制造商生产的多个移动机器人，每台机器人由多个轮子以及多个电机驱动模块构成，用于驱动机器人到达指定位置，每个机器人具备多传感器，用于环境预测；他们的软硬件平台，包括硬件结构，操作系统，原有的编程语言和控制方法，都存在很大的差异。

（4）所述异构控制器指的是不同厂商生产的、不同型号的控制平台，同样的，它们的软硬件平台，包括硬件结构、操作系统，原有的编程环境，都存在很大的不同。每个移动机器人控制器均由计算模块、内存区域、通信模块构成，且品牌、型号和数量均可由用户自主选定；每个控制器的功能是用于：A、执行来自通用控制层的控制指令；B、计算每个移动机器人的导航目标点；C、采集由机器人传感器而来的机器人的实时状态数据。所述状态数据包括机器人速度、实时位姿、以及启停、异常等状态数据和报警数据。

（5）所述上位机终端层主要为机器人控制算法逻辑组态软件和人机交互组态软件，采用图形化的方式组态移动机器人控制算法程序，并可离线或在线下载至通用控制层中计算执行；特别地，逻辑组态软件可同时控制多台异构移动机器人。所述人机交互组态软件用于编写控制系统的人机交互组态程序，通过程序界面，用户可以实时地监控和分析各个机器人工作任务的执行情况。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种多异构移动机器人控制系统，其特征在于，由异构移动机器人通用控制层、异构设备执行层、上位机终端层三个部分构成；异构设备执行层由异构移动机器人构成，异构移动机器人的异构控制器之间能够运行同一套控制算法组态程序，并且不同类型的异构移动机器人之间可实时的实现控制数据的共享和同步；

所述异构移动机器人通用控制层由通用控制器构成，负责处理包括多机器人的任务调度、异构集成、智能算法在内的复杂任务计算，通用控制器部署一个或多个内部结构完全相同的虚拟控制器，用以实现数据交互与共享内存，同时通用控制器的内部设计有多通信协议的驱动接口，用以完成通用控制器与异构移动机器人驱动器之间的通讯；

上位机终端层与异构移动机器人通用控制层采用C/S架构，上位机终端层的终端为客户端，通用控制器为服务端，两者采用socket通信机制，以标准的TCP/IP Socket库为基础建立双向的通信连接；通用控制器能够与异构移动机器人通过以下两种方式连接：

方式一：通用控制器调用内部多协议驱动接与异构移动机器人建立通信连接：异构移动机器人与通用控制器的通讯按照C/S的架构进行，异构移动机器人为服务端，通用控制器为客户端，二者通过无线局域网建立连接，采用预定的数据协议对发送和接收的数据进行封包和解析；通用控制器能够满足以预定时间间隔发送异构移动机器人运动控制指令，并收回相应的状态反馈数据；当通用控制器发送实时监控指令时，能够回收的数据包括异构移动机器人当前的坐标系和偏航状态、异构移动机器人实时位置与姿态位姿、速度与加速度状态、激光传感器信息、惯性传感器信息、视觉传感器信息；当通用控制器将控制策略计算结果转换成异构移动机器人的运动指令，并向异构移动机器人发送运动控制指令时，通讯驱动会把虚拟控制器中相应的输出数据按照预定的格式打包送出，这些数据包括通讯数据类型、目标坐标、目标转角、指定电机转角角度，脉冲数，控制任务编号及控制任务指令；

方式二：虚拟控制器能够内嵌于异构移动机器人的异构控制系统中，并在异构移动机器人控制器中开辟内存区，利用虚拟控制器的数据读取接口调用异构移动机器人应用程序编程接口获取异构移动机器人状态信息至虚拟控制器的内存区中，由于虚拟控制器具备数据可交互，结构一致性的特点，因此可将状态数据共享至通用控制器中的虚拟控制器中；类似的，异构移动机器人中的数据写入接口通过调用异构移动机器人应用程序编程接口，将通用控制器的控制数据写入异构移动机器人控制应用程序中；

所述异构移动机器人是指不同制造商生产的不同的移动机器人，每台异构移动机器人由多个轮子以及多个电机驱动模块构成，用于驱动异构移动机器人到达指定位置，每个异构移动机器人具备多传感器，用于环境预测；每个异构移动机器人的软硬件平台均不相同；

所述异构控制器指的是不同厂商生产的不同型号的控制平台，每个异构控制器的软硬件平台均不相同；每个异构控制器均由计算模块、内存区域、通信模块构成，且品牌、型号和数量均可由用户自主选定；每个异构控制器的功能是用于：A、执行来自异构移动机器人通用控制层的控制指令；B、计算每个异构移动机器人的导航目标点；C、采集由异构移动机器人的传感器而来的异构移动机器人的实时状态数据；

所述上位机终端层为异构移动机器人控制算法逻辑组态软件和人机交互组态软件，采用图形化的方式组态异构移动机器人控制算法程序，并可离线或在线下载至异构移动机器人通用控制层中计算执行；特别地，逻辑组态软件可同时控制多台异构移动机器人；所述人机交互组态软件用于编写控制系统的人机交互组态程序，通过程序界面，用户可以实时地监控和分析各个异构移动机器人工作任务的执行情况。