CN111666215A - 用于分布式算法测试和人机交互研究的桌面集群硬件平台 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种用于分布式算法测试和人机交互研究的桌面集群硬件平台，其中，平台包括：多个机器人小车和多个驱动器，以在平面上自由移动；通信模块，用于烧写及用于分布式算法测试的程序；以及控制器，控制器通过串口和通信模块相连，并以预设通信协议相互组网通信，每一个机器人小车作为网络拓扑中的节点行使功能，以通过全彩RGB和外界交互，且根据三轮全向轮构型移动平台控制算法控制多个驱动器驱动对应机器人小车移动。由此，可以防止通信阻塞和中心节点符合过重的问题，不仅软硬件高度自由，可扩展性强；而且体积较小，有效满足桌面集群硬件平台需求。

Description

用于分布式算法测试和人机交互研究的桌面集群硬件平台
技术领域
本申请涉及分布式算法技术领域，特别涉及一种用于分布式算法测试和人机交互研究的桌面集群硬件平台。
背景技术
目前，分布式算法的需求增长迅速，然而分布式算法比较抽象，难以理解和开发，需要可视化手段来辅助开发及测试。其中，有形桌面集群平台是研究未来人机交互方法的一类重要手段，自组织的集群机器人不仅可以作为可触摸的显示实体，还可以和显示世界互动。因此，急需一种桌面集群硬件平台满足目前需求。
申请内容
本申请提供一种用于分布式算法测试和人机交互研究的桌面集群硬件平台，以有效防止通信阻塞和中心节点符合过重的问题，不仅软硬件高度自由，可扩展性强；而且体积较小，有效满足桌面集群硬件平台需求。
本申请一方面实施例提供一种用于分布式算法测试和人机交互研究的桌面集群硬件平台，包括：多个机器人小车和多个驱动器，以在平面上自由移动；通信模块，用于烧写及用于分布式算法测试的程序；以及控制器，所述控制器通过串口和所述通信模块相连，并以预设通信协议相互组网通信，每一个机器人小车作为网络拓扑中的节点行使功能，以通过全彩RGB(RGB color mode，
RGB色彩模式)和外界交互，且根据三轮全向轮构型移动平台控制算法控制所述多个驱动器驱动对应机器人小车移动。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述机器人小车的构型为三轮全向轮平台，且所述多个驱动器包括第一至第三微型反折步进电机。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述控制器通过PWM(Pulse widthmodulation，脉冲宽度调制)信号控制电机驱动，实现对步进电机的驱动。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述多个机器人小车的底盘为3D打印底盘。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述控制器包括：PCB(Printed CircuitBoard，印制电路板)板，所述PCB板上集成设置有ATmega2560-16AU芯片及其附属电路、DRV8825电机驱动、WS2812B全彩RGB、CH340C芯片、XBee模块接口和UART(UniversalAsynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器)接口。
可选地，在本申请的一个实施例中，通过所述WS2812B全彩RGB与外界进行交互。
可选地，在本申请的一个实施例中，通过6-pinSPI或USBMicro-B烧写及调试程序。
根据本申请实施例的用于分布式算法测试和人机交互研究的桌面集群硬件平台，通过全向轮构型和步进电机保证了平台可以向任意方向自由精准移动，即使不使用定位手段也可以精确的求得小车相对位置；并且具有网状通信架构，具有去中心化通信特征，不存在中心节点，以模拟超大规模集群，面向未来IOT大量通信节点的情况，可以防止通信阻塞和中心节点符合过重的问题，不仅软硬件高度自由，可扩展性强，而且体积较小，有效满足桌面集群硬件平台需求。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本申请实施例提供的一种用于分布式算法测试和人机交互研究的桌面集群硬件平台的方框示意图；
图2为根据本申请一个实施例的底盘3D打印模型的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
下面参考附图描述本申请实施例的用于分布式算法测试和人机交互研究的桌面集群硬件平台。
具体而言，图1为本申请实施例所提供的一种用于分布式算法测试和人机交互研究的桌面集群硬件平台的方框示意图。
如图1所示，该用于分布式算法测试和人机交互研究的桌面集群硬件平台10包括：多个机器人小车和多个驱动器100、通信模块200和控制器300
其中，多个机器人小车和多个驱动器100在平面上自由移动。通信模块200用于烧写及用于分布式算法测试的程序。控制器300通过串口和通信模块相连，并以预设通信协议相互组网通信，每一个机器人小车作为网络拓扑中的节点行使功能，以通过全彩RGB和外界交互，且根据三轮全向轮构型移动平台控制算法控制多个驱动器驱动对应机器人小车移动。
可选地，在本申请的一个实施例中，机器人小车的构型可以为三轮全向轮平台，且多个驱动器可以包括第一至第三微型反折步进电机。也就是说，本申请实施例由三个独立的微型反折步进电机驱动、ARM(Advanced RISC Machines，处理器)核嵌入式系统控制、XBee作为相互通信协议的三轮全向轮移动平台作为单元模块集群，可以有效达到集群机器人交互的效果。
具体地，三轮全向轮平台由三个独立的微型反折步进电机驱动并由ARM核嵌入式系统控制，通信协议采用XBee协议以适应未来物联网场景下的通信，扩展接口则采用UART和I2C作为通信协议。其中，基于XBee通信协议开发的Mesh网络，对于多节点系统存在冗余，以保证系统时刻为强连通系统。通信协议底层存在剔除强连通分量以外的节点的握手协议，以防止孤立的节点对系统产生影响：如在进行共识算法迭代时，孤立节点会使得系统错误收敛。
另外，由于XBee协议的灵活性，如果需要Router作为协调节点，可以通过USB-UART转接板将XBee模块连接到PC上，将PC作为上位机/中心节点使用。
进一步地，本申请实施例的用于分布式算法测试和人机交互研究的桌面集群硬件平台10可以包含一组外径为120mm的机器人小车，构型为三轮全向轮平台，由三个独立的微型反折步进电机驱动。
可选地，在本申请的一个实施例中，控制器300通过PWM信号控制电机驱动，实现对步进电机的驱动。
可选地，在本申请的一个实施例中，多个机器人小车的底盘为3D打印底盘。也就是说，每个机器人小车的底盘都是通过3D打印制作的，可以用于固定电机、PCB、锂电池、扩展模块等，如图2所示，图2为底盘3D打印模型的示意图。
可选地，在本申请的一个实施例中，控制器300包括：PCB板，PCB板上集成设置有ATmega2560-16AU芯片及其附属电路、DRV8825电机驱动、WS2812B全彩RGB、CH340C芯片、XBee模块接口和UART接口。
可以理解的是，PCB板上可以由一片ATmega2560-16AU芯片作为单元移动平台的控制芯片，通过串口和XBee模块相连并以XBee协议相互组网通信，每一个机器人小车可以作为网络拓扑中的节点行使功能。
进一步地，ATmega2560-16AU预留了一个UART并引出，可以扩展BLE/Wifi通信模块ESP32或深度学习开发板Jetson NANO等；ATmega2560-16AU可以通过SPI(ServiceProvider Interface，服务发现机制)协议控制8个串联的WS2812BRGBLED进行全彩灯光交互。
进一步地，电机驱动可以采用DRV8825芯片，ATmega2560-16AU通过PWM信号控制电机驱动对步进电机的驱动。
可选地，在本申请的一个实施例中，通过所述WS2812B全彩RGB与外界进行交互。
可选地，在本申请的一个实施例中，通过6-pinSPI或USBMicro-B烧写及调试程序。
进一步地，CH340C可以作为USB UART异步串行数据传输芯片作为ATmega2560和PC之间的通信芯片，可以通过6-pin SPI或USB Micro-B给ATmega2560-16AU烧写及测试程序。其中，ATmega2560-16AU芯片可以直接使用ArduinoIDE结合SPI接口进行编程和烧写，降低了开发入门门槛。
根据本申请实施例提出的用于分布式算法测试和人机交互研究的桌面集群硬件平台，通过全向轮构型和步进电机保证了平台可以向任意方向自由精准移动，即使不使用定位手段也可以精确的求得小车相对位置；并且具有网状通信架构，具有去中心化通信特征，不存在中心节点，以模拟超大规模集群，面向未来IOT大量通信节点的情况，可以防止通信阻塞和中心节点符合过重的问题，不仅软硬件高度自由，可扩展性强；而且体积较小，有效满足桌面集群硬件平台需求。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更N个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或N个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，N个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种用于分布式算法测试和人机交互研究的桌面集群硬件平台，其特征在于，包括：
多个机器人小车和多个驱动器，以在平面上自由移动；
通信模块，用于烧写及用于分布式算法测试的程序；以及
控制器，所述控制器通过串口和所述通信模块相连，并以预设通信协议相互组网通信，每一个机器人小车作为网络拓扑中的节点行使功能，以通过全彩RGB和外界交互，且根据三轮全向轮构型移动平台控制算法控制所述多个驱动器驱动对应机器人小车移动。
2.根据权利要求1所述的平台，其特征在于，所述机器人小车的构型为三轮全向轮平台，且所述多个驱动器包括第一至第三微型反折步进电机。
3.根据权利要求2所述的平台，其特征在于，所述控制器通过PWM信号控制电机驱动，实现对步进电机的驱动。
4.根据权利要求1所述的平台，其特征在于，所述多个机器人小车的底盘为3D打印底盘。
5.根据权利要求1所述的平台，其特征在于，所述控制器包括：
PCB板，所述PCB板上集成设置有ATmega2560-16AU芯片及其附属电路、DRV8825电机驱动、WS2812B全彩RGB、CH340C芯片、XBee模块接口和UART接口。
6.根据权利要求5所述的平台，其特征在于，通过所述WS2812B全彩RGB与外界进行交互。
7.根据权利要求1所述的平台，其特征在于，通过6-pinSPI或USBMicro-B烧写及调试程序。
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