CN110262499A - 一种双移动机器人同步控制系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双移动机器人同步控制系统与方法,涉及机器人技术领域,包括多核一体化双机器人控制器、高速分布式通讯总线、电机驱动模块、地面位置传感器、地面位置读取模块、避障模块;多核一体化双机器人控制器采用四核以上处理器作为主控芯片,通过多核协同工作实现双移动机器人的路径规划、运动控制、远程通信和遥控操作功能。系统结构简单,集成度高,将路径规划、运动控制、远程通信、遥控操作等功能集成在一个控制器中,能够实现双移动机器人的高精度同步运动控制。控制方法具有电机位置闭环与整车位置闭环两种交叉耦合同步功能,既适用于车轮打滑严重与不严重两种情况,可以兼顾降低成本与提高性能两种需求。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域,尤其是涉及一种双移动机器人同步控制系统与方法。
背景技术
移动机器人作为物流仓储系统中的核心装备,集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能于一体,已被广泛应用于工业生产、物流运输、社会服务、康复医疗、特种作业等领域,尤其重载移动机器人已成为港口运输、工程机械等领域的重要支撑装备,具有广阔的应用前景,得到世界各国的普遍关注。
然而,在移动机器人的应用中,常常需要双机器人甚至多机器人同步运动协同完成作业。当前国内外主流双移动机器人同步运动控制,往往在移动机器人速度控制的基础上,通过激光、红外等测距传感器检测两台移动机器人之间的相对距离偏差,并进一步通过偏差控制,实现双移动机器人同步运动。这种方式在双机器人距离较远、激光或红外测距信号被遮挡,以及双机器人速度偏差稍大时,存在同步运动控制效果差,甚至同步失败导致外部作业对象损坏等情况。
发明内容
为了克服现有技术中的不足,以实现双移动机器人高精度同步作业为目的,本发明提供一种基于双位置闭环的交叉耦合同步控制装置与方法。该系统采用多核处理器与分布式总线结构实现两台移动机器人的一体化控制,尤其适用于双移动机器人之间具有物理连接便于布置分布式高速总线的情况,并且提出一种基于双位置闭环的交叉耦合同步控制方法,实现双移动机器人高精度同步运动控制。
为实现上述目的,本发明提供了以下技术方案:
本发明提供的一种双移动机器人同步控制系统,包括多核一体化双机器人控制器、高速分布式通讯总线、电机驱动模块、地面位置传感器、地面位置读取模块、避障模块;所述多核一体化双机器人控制器采用四核以上处理器作为主控芯片,通过多核协同工作实现双移动机器人的路径规划、运动控制、远程通信和遥控操作功能。
可选地,还包括无线网络模块WiFi或ZigBee和无线电通讯模块;所述多核一体化双机器人控制器至少包括核1、核2、核3和核4四个核心处理器,所述核1用于完成路径规划功能,通过网口或以太网与外部传感器连接,通过声呐、激光等传感器对行人、物品等障碍物的检测,实现避障功能,同时实现双机器人的直线、转弯、曲线等运动路径规划;所述核2用于完成双机器人运动控制,包括运动学计算、轨迹规划与插补、动力学计算、高速分布式总线通讯的功能;所述核3用于完成远程通信功能,所述核3通过WiFi或ZigBee模块与远程调度系统通信,实现在远程调度系统指挥下的多台移动机器人联合作业;所述核4用于完成遥控操作功能,通过USB接口与无线电接收模块连接,操作者通过无线电发送端的操作杆或者遥控器,实现对移动机器人的遥控操作。
可选地,高速分布式通讯总线包括运动控制总线和数据采集总线,运动控制总线用于与两台移动机器人的伺服驱动器通信实现运动控制,采用CAN、EtherCAT或其他高速控制总线;数据采集总线用于连接两台移动机器人的地面位置读取模块,采用CAN、EtherNet或其他高速采集总线,在提高数据采集同步性的基础上,提高两台机器人的同步运动控制效果。
可选地,电机驱动模块用于移动机器人的运动控制,包括伺服驱动器和电机,电机尾部安装有编码器,用于检测电机位置和速度信息,电机控制的位置、速度、电流闭环在伺服驱动器中实现,多核一体化双机器人控制器通过CAN或EtherCAT总线与伺服驱动器通信。
可选地,地面位置传感器用于移动机器人的整车位置测量,以及整车的位置全闭环控制,地面位置传感器采用二维码、光栅尺、磁钉(与惯性传感器组合)或其他位置传感器。
可选的,地面位置读取模块用于读取地面位置传感器的位置值,并将该值传送给双机器人控制器核2进行整车的位置全闭环控制;当采用二维码地面位置传感器时,地面位置读取模块为PGV光学读码器;当采用光栅尺,地面位置读取模块为光栅尺读码器;当采用磁钉时,则与惯性传感器组合计算位置,磁钉之间的位置由惯性传感器计算。
可选的,避障模块用于运动路径上障碍物的检测以及避障功能,避障模块采用声呐传感器、激光传感器或者其他障碍物检测传感器;避障模块检测到障碍物后,将其数据信息传递给多核一体化双机器人控制器的核1,所述核1通过修改路径规划或者紧急停止的方式保证移动机器人运动的安全。
一种双移动机器人同步控制方法,所述控制方法适用于所述的双移动机器人同步控制系统,双移动机器人包括具有相同的结构并采用相同的控制方法的机器人1和机器人2,控制方法包括以下步骤:
步骤S1:通过编码器获得电机的位置反馈和速度反馈,并通过伺服驱动器采集驱动功率桥电流获得电流反馈,在伺服驱动器内实现电机的三闭环控制,驱动移动机器人的车轮;
步骤S2:通过交叉耦合同步控制将两路反馈信号进行相减运算,得到两路反馈信号的偏差值,然后将此偏差补偿到两路给定信号各自的控制回路中。
可选地,交叉耦合同步控制包括以下步骤:
步骤S2.1:将两台机器人的电机位置信息通过伺服驱动器读取,并求得二者偏差,然后乘以比例系数K1将该偏差信号补偿到两路电机的位置闭环中,通过K1调节补偿量的大小;
步骤S2.2:将两台机器人相对地面的实际位置信息通过地面位置传感器读取,并求得二者偏差,然后乘以比例系数K2将该偏差补偿到两台移动机器人整车位置全闭环控制中,通过K2调节补偿量的大小。
可选地,交叉耦合同步控制的控制过程在多核处理器的核2中完成,两台移动机器人整车位置给定由多核处理器的核3的路径规划而来。
本发明提供的一种双移动机器人同步控制系统与方法,其有益效果为:
1、本发明的双移动机器人同步控制系统,结构简单,集成度高,将路径规划、运动控制、远程通信、遥控操作等功能集成在一个控制器中,能够实现双移动机器人的高精度同步运动控制;
2、本发明的双移动机器人同步控制系统,由于采用一个处理器控制两台移动机器人,两台机器人的伺服驱动器采用同一条CAN或EtherCAT总线连接,两台机器人的地面位置传感器采用同一条CAN或EtherNet总线连接,因而在总线同步通信方面具有更好的同步性,便于实现双移动机器人的同步运动控制;
3、本发明的双移动机器人同步控制方法具有电机位置闭环与整车位置闭环两种交叉耦合同步功能,既适用于车轮打滑严重与不严重两种情况,可以兼顾降低成本与提高性能两种需求;
4、本发明的双移动机器人同步控制系统与方法,对提高移动机器人协同作业性能,改变移动机器人传统作业模式,提高生产力,推动智能制造发展具有重要意义。
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的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明多核一体化双机器人控制器的结构原理图;
图2是本发明双移动机器人同步控制系统的结构原理图;
图3是本发明双移动机器人同步控制方法的控制流程原理框图。
图中1-多核一体化双机器人控制器,2-运动控制总线,3-电机驱动模块,4-数据采集总线,5-PGV光学读码器,6-无线网络模块,7-无线电通讯模块,8-避障模块。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。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的前提下所得到的所有其它实施方式,都属于本发明所保护的范围。
作为可选地实施方式,
实施例1:
如图1-2所示,一种双移动机器人同步控制系统,包括多核一体化双机器人控制器1、高速分布式通讯总线、电机驱动模块3、地面位置传感器、地面位置读取模块、避障模块8;所述多核一体化双机器人控制器1采用四核以上处理器作为主控芯片,通过多核协同工作实现双移动机器人的路径规划、运动控制、远程通信和遥控操作功能。其中,多核一体化双机器人控制器1与电机驱动模块3之间通过运动控制总线2CAN或EtherCAT连接,可以实现两台机器人之间的同步通信;伺服驱动模块主要包括伺服驱动器和电机,实现机器人轮子的运动控制;多核一体化双机器人控制器1与PGV光学读码器5之间通过数据采集总线4CAN或EtherNet连接,实现两台机器人的同步地面位置采集;多核一体化双机器人控制器11与远程调度系统通过WiFi或ZigBee通信,实现在远程调度系统指挥下的多台移动机器人联合作业;多核一体化双机器人控制器1与操作杆或者遥控器通过无线电通讯模块7连接连接,操作者通过无线电发送端的操作杆或者遥控器,可以实现对移动机器人的遥控操作;多核一体化双机器人控制器1与避障模块8连接,可以通过声呐、激光等传感器对行人、物品等障碍物的检测,实现避障功能。
实施例2:
在上述实施例的基础上,作为进一步的优选方案:如图1所示,还包括无线网络模块6WiFi或ZigBee和无线电通讯模块7;所述多核一体化双机器人控制器1至少包括核1、核2、核3和核4四个核心处理器,所述核1用于完成路径规划功能,通过网口或以太网与外部传感器连接,通过声呐、激光等传感器对行人、物品等障碍物的检测,实现避障功能,同时实现双机器人的直线、转弯、曲线等运动路径规划;所述核2用于完成双机器人运动控制,包括运动学计算、轨迹规划与插补、动力学计算、高速分布式总线通讯的功能;所述核3用于完成远程通信功能,所述核3通过WiFi或ZigBee模块与远程调度系统通信,实现在远程调度系统指挥下的多台移动机器人联合作业;所述核4用于完成遥控操作功能,通过USB接口与无线电接收模块连接,操作者通过无线电发送端的操作杆或者遥控器,实现对移动机器人的遥控操作。
实施例3:
在上述实施例的基础上,作为进一步的优选方案:如图2所示,高速分布式通讯总线包括运动控制总线2和数据采集总线4,运动控制总线2用于与两台移动机器人的伺服驱动器通信实现运动控制,采用CAN、EtherCAT或其他高速控制总线;数据采集总线4用于连接两台移动机器人的地面位置读取模块,采用CAN、EtherNet或其他高速采集总线,在提高数据采集同步性的基础上,提高两台机器人的同步运动控制效果。
实施例4:
在上述实施例的基础上,作为进一步的优选方案:如图2所示,电机驱动模块3用于移动机器人的运动控制,包括伺服驱动器和电机,电机尾部安装有编码器,用于检测电机位置和速度信息,电机控制的位置、速度、电流闭环在伺服驱动器中实现,多核一体化双机器人控制器1通过CAN或EtherCAT总线与伺服驱动器通信。
实施例5:
在上述实施例的基础上,作为进一步的优选方案:如图2所示,地面位置传感器用于移动机器人的整车位置测量,以及整车的位置全闭环控制,地面位置传感器采用二维码、光栅尺、磁钉(与惯性传感器组合)或其他位置传感器。
实施例6:
在上述实施例的基础上,作为进一步的优选方案:如图2所示,地面位置读取模块用于读取地面位置传感器的位置值,并将该值传送给双机器人控制器的核2进行整车的位置全闭环控制;当采用二维码地面位置传感器时,地面位置读取模块为PGV光学读码器5;当采用光栅尺,地面位置读取模块为光栅尺读码器;当采用磁钉时,则与惯性传感器组合计算位置,磁钉之间的位置由惯性传感器计算。
实施例7:
在上述实施例的基础上,作为进一步的优选方案:避障模块8用于运动路径上障碍物的检测以及避障功能,避障模块8采用声呐传感器、激光传感器或者其他障碍物检测传感器;避障模块8检测到障碍物后,将其数据信息传递给多核一体化双机器人控制器1的核1,所述核1通过修改路径规划或者紧急停止的方式保证移动机器人运动的安全。
实施例8:
一种双移动机器人同步控制方法,所述控制方法适用于所述的双移动机器人同步控制系统,双移动机器人包括具有相同的结构并采用相同的控制方法的机器人1和机器人2,控制方法包括以下步骤:
步骤S1:通过编码器获得电机的位置反馈和速度反馈,并通过伺服驱动器采集驱动功率桥电流获得电流反馈,在伺服驱动器内实现电机的三闭环控制,驱动移动机器人的车轮;
步骤S2:通过交叉耦合同步控制将两路反馈信号进行相减运算,得到两路反馈信号的偏差值,然后将此偏差补偿到两路给定信号各自的控制回路中;
值得说明的是,机器人1控制与机器人2控制的整车位置全闭环控制,用于防止移动机器人运动过程中由于车轮打滑而造成的运动定位精度丢失。整车位置全闭环控制的基本思想是在电机三环控制的基础上,加入地面位置传感器,用于检测整车的位置信息,然后通过地面位置反馈并进行整车位置全闭环控制实现整车高精度运动定位控制。地面位置传感器可以采用二维码地面位置传感器,相应的地面位置读取模块为PGV(Position GuidedVision)光学读码器;
交叉耦合同步控制主要包括两部分,一部分是电机位置交叉耦合同步控制,另一部分是整车位置交叉耦合同步控制,因而也可以称作基于双位置闭环的交叉耦合同步控制方法;交叉耦合同步控制包括以下步骤:
步骤S2.1:将两台机器人的电机位置信息通过伺服驱动器读取,并求得二者偏差,然后乘以比例系数K1将该偏差信号补偿到两路电机的位置闭环中,通过K1调节补偿量的大小;
步骤S2.2:将两台机器人相对地面的实际位置信息通过地面位置传感器读取,并求得二者偏差,然后乘以比例系数K2将该偏差补偿到两台移动机器人整车位置全闭环控制中,通过K2调节补偿量的大小。
值得注意的是,在地面打滑不严重的情况下可以只采用步骤S2.1的电机位置交叉耦合同步控制,其不需要整车位置传感器,具有更低的成本;在地面打滑较严重的情况下,可以同时使用步骤S2.1和步骤S2.2的双位置闭环的交叉耦合同步控制,实现高精度的整车定位与运动控制。
交叉耦合同步控制的控制过程在多核处理器的核2中完成,两台移动机器人整车位置给定由多核处理器的核3的路径规划而来。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种双移动机器人同步控制系统,其特征在于,包括多核一体化双机器人控制器(1)、高速分布式通讯总线、电机驱动模块(3)、地面位置传感器、地面位置读取模块、避障模块(8);所述多核一体化双机器人控制器采用四核以上处理器作为主控芯片,通过多核协同工作实现双移动机器人的路径规划、运动控制、远程通信和遥控操作功能。
2.根据权利要求1所述的一种双移动机器人同步控制系统,其特征在于,还包括无线网络模块(6)WiFi或ZigBee和无线电通讯模块(7);所述多核一体化双机器人控制器(1)至少包括核1、核2、核3和核4四个核心处理器,所述核1用于完成路径规划功能,通过网口或以太网与外部传感器连接,通过声呐、激光等传感器对行人、物品等障碍物的检测,实现避障功能,同时实现双机器人的直线、转弯、曲线等运动路径规划;所述核2用于完成双机器人运动控制,包括运动学计算、轨迹规划与插补、动力学计算、高速分布式总线通讯的功能;所述核3用于完成远程通信功能,所述核3通过WiFi或ZigBee与远程调度系统通信,实现在远程调度系统指挥下的多台移动机器人联合作业;所述核4用于完成遥控操作功能,通过USB接口与无线电接收模块连接,操作者通过无线电发送端的操作杆或者遥控器,实现对移动机器人的遥控操作。
3.根据权利要求1或2所述的一种双移动机器人同步控制系统,其特征在于,所述高速分布式通讯总线包括运动控制总线(2)和数据采集总线(4),运动控制总线(2)用于与两台移动机器人的伺服驱动器通信实现运动控制,采用CAN、EtherCAT或其他高速控制总线;数据采集总线(4)用于连接两台移动机器人的地面位置读取模块,采用CAN、EtherNet或其他高速采集总线,在提高数据采集同步性的基础上,提高两台机器人的同步运动控制效果。
4.根据权利要求3所述的一种双移动机器人同步控制系统,其特征在于,所述电机驱动模块(3)用于移动机器人的运动控制,包括伺服驱动器和电机,电机尾部安装有编码器,用于检测电机位置和速度信息,电机控制的位置、速度、电流闭环在伺服驱动器中实现,多核一体化双机器人控制器(1)通过CAN或EtherCAT总线与伺服驱动器通信。
5.根据权利要求4所述的一种双移动机器人同步控制系统,其特征在于,所述地面位置传感器用于移动机器人的整车位置测量,以及整车的位置全闭环控制,地面位置传感器采用二维码、光栅尺、磁钉(与惯性传感器组合)或其他位置传感器。
6.根据权利要求5所述的一种双移动机器人同步控制系统,其特征在于,所述地面位置读取模块用于读取地面位置传感器的位置值,并将该值传送给双机器人控制器的核2进行整车的位置全闭环控制;当采用二维码地面位置传感器时,地面位置读取模块为PGV光学读码器(5);当采用光栅尺,地面位置读取模块为光栅尺读码器;当采用磁钉时,则与惯性传感器组合计算位置,磁钉之间的位置由惯性传感器计算。
7.根据权利要求6所述的一种双移动机器人同步控制系统,其特征在于,所述避障模块(8)用于运动路径上障碍物的检测以及避障功能,避障模块(8)采用声呐传感器、激光传感器或者其他障碍物检测传感器;避障模块(8)检测到障碍物后,将其数据信息传递给多核一体化双机器人控制器(1)的核1,所述核1通过修改路径规划或者紧急停止的方式保证移动机器人运动的安全。
8.一种双移动机器人同步控制方法,所述控制方法适用于权利要求7所述的双移动机器人同步控制系统,双移动机器人包括具有相同的结构并采用相同的控制方法的机器人1和机器人2,其特征在于,控制方法包括以下步骤:
步骤S1:通过编码器获得电机的位置反馈和速度反馈,并通过伺服驱动器采集驱动功率桥电流获得电流反馈,在伺服驱动器内实现电机的三闭环控制,驱动移动机器人的车轮;
步骤S2:通过交叉耦合同步控制将两路反馈信号进行相减运算,得到两路反馈信号的偏差值,然后将此偏差补偿到两路给定信号各自的控制回路中。
9.根据权利要求8所述的一种双移动机器人同步控制方法,其特征在于,所述交叉耦合同步控制包括以下步骤:
步骤S2.1:将两台机器人的电机位置信息通过伺服驱动器读取,并求得二者偏差,然后乘以比例系数K1将该偏差信号补偿到两路电机的位置闭环中,通过K1调节补偿量的大小;
步骤S2.2:将两台机器人相对地面的实际位置信息通过地面位置传感器读取,并求得二者偏差,然后乘以比例系数K2将该偏差补偿到两台移动机器人整车位置全闭环控制中,通过K2调节补偿量的大小。
10.根据权利要求9所述的一种双移动机器人同步控制方法,其特征在于,所述交叉耦合同步控制的控制过程在多核处理器的核2中完成,两台移动机器人整车位置给定由多核处理器的核3的路径规划而来。
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