CN110362090A - 一种巡检机器人控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及巡检机器人控制系统技术领域，且公开了一种巡检机器人控制系统，包括移动底盘模块、上位机模块和人机交互模块，移动底盘模块接收来自上位机的运动控制指令控制底盘运动，可进行里程计算，将里程信息发送上位机，上位机模块将运动控制指令发送给移动底盘模块，接收移动底盘模块的信息并将其发送给人机交互模块，人机交互模块传输信息到终端并进行显示，将运动控制指令发送给巡检机器，巡检机器人具有全向移动的功能，运动灵活性较好，安装有云台，双目视觉搭载在云台上，扩大了巡检机器人的探测范围，通过双目视觉对探测点进行定位，通过已知的路标定位巡检机器人自身位置，使得机器人不需沿着固定的轨迹行走，运动空间较大。
Description
技术领域
本发明涉及巡检机器人控制系统技术领域，具体为一种巡检机器人控制系统。
背景技术
近年来，随着计算机、自动控制、传感检测、精密机械等综合技术的不断发展，在多学科交叉融合的过程中，机器人技术的研究取得了巨大突破，使用机器人替代人类工作已成为历史的必然趋势。在人口老龄化所导致劳动力资源不足的情况下，部分高危行业又面临劳动力短缺的问题，迫使机器人在特殊领域的应用变得更加急切。
目前，在变电站等巡检工作中，还是主要以人工巡检为主要的巡检方式，而人工巡检方式往往面临着工作强度大、工作效率低、检测质量差、检测信息管理不灵活和巡检过程可能存在人身安全等缺点，随着社会的不断发展，将产生越来越多的巡检工作，巡检到位率、及时性等问题都无法保证，采用机器人代替人工进行巡检成为了历史的选择。采用巡检机器人进行巡检可大大提高工作效率，精确的传感器检测保证了检测结果的准确性，所采集信息的及时上报及录入极大方便了巡检工作的管理，可实现自动报警功能减少最大的损失，可运行在多种恶劣的环境下减少人身伤亡的危险，随着智能化机器人技术的不断发展，在不远的未来无人或少人值守的巡检工作成为可能。
然而，现有技术中针对巡检机器人设计的控制系统还不完善，例如：巡检机器人底盘的灵活性不足，无法使得巡检机器人沿着任意方向移动；巡检机器人多沿着固定轨迹进行运动，活动空间不足；采用视觉传感器进行目标定位时，双目视觉的工作范围较小。
发明内容
针对上述背景技术的不足，本发明提供了一种巡检机器人控制系统，具备灵活性高、探测范围大和运动空间大的优点，解决了背景技术提出的问题。
本发明提供如下技术方案：一种巡检机器人控制系统，包括具有全向运动功能及避障控制的移动底盘模块、带有云台及双目视觉的上位机模块和远程监视与控制的人机交互模块，所述移动底盘模块用于接收来自上位机的运动控制指令控制底盘运动，并根据传感器信息自主避障，同时可进行里程计算，将里程信息发送上位机，移动底盘模块与上位机模块采用RS232标准进行通信，所述上位机模块具有视频采集及目标物体定位的功能，能够将运动控制指令发送给移动底盘模块，接收移动底盘模块的里程计信息，发送视频信息、定位信息、里程计信息给人机交互模块，上位机模块与人机交互模块采用TCP/IP进行通信，所述人机交互模块用于传输视频信息、定位信息、里程计信息到终端并进行显示，将运动控制指令发送给巡检机器。
优选的，所述移动底盘模块包括麦克纳姆轮、控制器、驱动器、超声波传感器和电源，所述麦克纳姆轮包括两个左旋轮与两个右旋轮，对称安置在矩形移动底盘两侧，采用独立的电机进行控制，所述控制器包括电路板及软件程序，实现将运动控制控制指令经过逆运动学计算转化为电机的输出转速，所述驱动器采用CAN总线方式进行通信，基于速度环进行底盘运动控制，同时可读取电机实际转速进行里程预估，所述超声波传感器均匀分布在底盘周围，采用地址总线分时控制的方式读取各方向测量得到的障碍物距离，所述电源用于整个巡检机器人供电
优选的，所述上位机模块包括笔记本电脑、双目视觉和云台，所述笔记本电脑安装有视频采集程序，可对采集图片进行图像处理，同时可控制云台转动，所述双目视觉安装于云台上，可进行视频采集，同时根据左右摄像头的采集图片，对指定的目标点进行定位，所述云台具有水平旋转与竖直俯仰两个自由度，扩大了双目视觉的探测范围。
优选的，所述人机交互模块包括数据传输模块、终端图像显示及命令输入软件模块，所述数据传输模块，将巡检机器人采集到的视频信息、定位信息、里程计信息通过无线方式发送到终端，将终端发送的运动控制命令发送给巡检机器人，所述终端图像显示及命令输入软件模块，实现将巡检机器人采集得到的视频、定位信息、里程计信息实时显示，将人工输入的控制命令发送给数据传输模块。
本发明具备以下有益效果：
巡检机器人移动底盘采用4个矩形分布的麦克纳姆轮作为移动轮，使得巡检机器人具有全向移动的功能，运动灵活性较好，巡检机器人安装有云台，双目视觉搭载在云台上，很大程度上扩大了巡检机器人的探测范围，通过双目视觉可对探测点进行定位，同时可通过已知的路标定位巡检机器人自身位置，使得机器人不需沿着固定的轨迹行走，运动空间较大。
附图说明
图1为本发明整体逻辑结构模块示意图；
图2为本发明移动底盘模块示意图。
具体实施方式
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，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种巡检机器人控制系统，整体逻辑结构如图1所示：移动底盘模块接收运动指令，控制巡检机器人沿指定方向运动，上位机模块通过双目视觉采集视频，对目标物体进行定位，当目标物体不在探测范围内时，还可控制云台转动，扩大对目标物体的搜索范围，人机交互模块将视频信息、目标物信息、巡检机器人里程计信息进行显示，可输入运动控制指令控制巡检机器人沿指定方向运动，移动底盘模块与上位机模块采用RS232标准进行通信，传输运动控制指令及里程计信息，上位机模块与人机交互模块采用TCP/IP进行通信，交互信息包括视频信息、目标物信息、里程计信息、运动控制指令信息。
其中，所述移动底盘模块包括麦克纳姆轮、控制器、驱动器、超声波传感器和电源，所述麦克纳姆轮包括两个左旋轮与两个右旋轮，对称安置在矩形移动底盘两侧，采用独立的电机进行控制，所述控制器包括电路板及软件程序，所述控制器接收上位机的运动控制速度，包括巡检机器人X、Y方向的移动速度及Z方向的旋转速度，经过逆运动学计算，可得到4个电机的期望转速，通过读取4个电机的实际转速，经过正运动学计算，可得到巡检机器人X、Y方向实际的移动速度及Z方向实际的旋转速度，通过速度对时间的积分求得各方向的位移，并将计算的里程信息上报给上位机模块，所述电机由驱动器进行驱动，并通过编码器将实际速度反馈给驱动器，所述驱动器通过CAN总线连接，通过总线地址进行区别，可接受控制器的速度设置指令及速度读取指令，所述超声波传感器通过串口连接，可接受控制器的障碍物距离测量指令及测量结果读取指令，采用分时控制的方法依次获取各超声波传感器测量结果，所述电源需经降压提供多种不同电压输出，分别用于控制器、驱动器、PC、云台的供电。
所述控制器选择STM32F103RCT6，带有CAN总线接口及多个USART接口，有较为丰富的片上资源，所述驱动器主要参数包括：支持CAN协议通信接口，支持速度模式控制，支持速度设置与读取，所述超声波传感器主要参数包括：测量范围15cm-6m，一次测量时间为70ms，支持USART通信接口。
其中，所述上位机模块通过在PC上编写程序软件获取双目视觉的视频流，通过获取目标点在左摄像头与摄像头中的位置，基于双目视觉定位原理，可计算出目标点相对于巡检机器人的空间位置，当目标点处于双目视觉探测范围外时，可通过软件程序控制云台转动，首先控制云台沿水平方向缓慢连续旋转，如未探测到目标物，控制云台沿竖直俯仰方向偏离一定角度，再次执行水平缓慢连续旋转操作，直至探测到目标物或者遍历云台的工作范围。
所述双目视觉的主要参数包括：焦距3.8mm、视角66°、帧率48fps、像素648*488、基线12cm，所述云台的主要参数包括：水平方向旋转范围为-75°～75°，竖直方向旋转范围为-15°～75°，旋转精度为0.5°。
其中，所述人机交互模块包括数据传输模块、终端图像显示及命令输入软件模块，所述数据传输模块，将巡检机器人采集到的视频信息、定位信息、里程计信息通过无线方式发送到终端，将终端发送的运动控制命令发送给巡检机器人，所述终端图像显示及命令输入软件模块，实现将巡检机器人采集得到的视频(即双目视觉所采集的视频信息)、定位信息(即巡检机器人在地图中的位置信息)、里程计信息(即目标物体的位置信息)实时显示，将人工输入的控制命令(速度输入手动控制巡检机器人沿着指定方向运动，也可在地图上规划路线让巡检机器人沿着指定的轨迹运动)发送给数据传输模块。
本实施例的工作原理如下：
由终端通过人机交互模块发送运动控制指令到巡检机器人上位机模块，上位机模块接收运动控制指令，并将其转化为运动速度发送给底盘模块，移动底盘模块进行逆运动学计算转化为麦克纳姆轮4个电机的实际转速，同时，底盘模块会根据避障传感器的测距信息进行避障控制，底盘通过驱动器读取电机的实际转速，形成里程计信息上报给上位机，最终上报给人机交互模块在终端上显示，巡检机器人通过双目视觉采集视频信息，可通过双目视觉对探测点进行定位，并发送通过人机交互模块发送视频信息及定位信息给终端显示。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种巡检机器人控制系统，包括移动底盘模块、上位机模块和人机交互模块，其特征在于：所述移动底盘模块用于接收来自上位机的运动控制指令控制底盘运动，并根据传感器信息自主避障，同时可进行里程计算，将里程信息发送上位机，移动底盘模块与上位机模块采用RS232标准进行通信，所述上位机模块具有视频采集及目标物体定位的功能，能够将运动控制指令发送给移动底盘模块，接收移动底盘模块的里程计信息，发送视频信息、定位信息、里程计信息给人机交互模块，上位机模块与人机交互模块采用TCP/IP进行通信，所述人机交互模块用于传输视频信息、定位信息、里程计信息到终端并进行显示，将运动控制指令发送给巡检机器。
2.根据权利要求1所述的一种巡检机器人控制系统，其特征在于：所述移动底盘模块包括麦克纳姆轮、控制器、驱动器、超声波传感器和电源，所述麦克纳姆轮包括两个左旋轮与两个右旋轮，对称安置在矩形移动底盘两侧，采用独立的电机进行控制，所述控制器包括电路板及软件程序，实现将运动控制控制指令经过逆运动学计算转化为电机的输出转速，所述驱动器采用CAN总线方式进行通信，基于速度环进行底盘运动控制，同时可读取电机实际转速进行里程预估，所述超声波传感器均匀分布在底盘周围，采用地址总线分时控制的方式读取各方向测量得到的障碍物距离，所述电源用于整个巡检机器人供电。
3.根据权利要求1所述的一种巡检机器人控制系统，其特征在于：所述上位机模块包括笔记本电脑、双目视觉和云台，所述笔记本电脑安装有视频采集程序，可对采集图片进行图像处理，同时可控制云台转动，所述双目视觉安装于云台上，可进行视频采集，同时根据左右摄像头的采集图片，对指定的目标点进行定位，所述云台具有水平旋转与竖直俯仰两个自由度，扩大了双目视觉的探测范围。
4.根据权利要求1所述的一种巡检机器人控制系统，其特征在于：所述人机交互模块包括数据传输模块、终端图像显示及命令输入软件模块，所述数据传输模块，将巡检机器人采集到的视频信息、定位信息、里程计信息通过无线方式发送到终端，将终端发送的运动控制命令发送给巡检机器人，所述终端图像显示及命令输入软件模块，实现将巡检机器人采集得到的视频、定位信息、里程计信息实时显示，将人工输入的控制命令发送给数据传输模块。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20191022 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |