CN111813138B - 一种足式移动机器人实时嵌入式控制系统 - Google Patents

Abstract

一种足式移动机器人实时嵌入式控制系统，包括控制器、无线电台、遥控器和惯导，遥控器与无线电台以无线方式连接，无线电台和惯导均与控制器连接；所述控制器包括具有用于通信和信号处理的实时处理器，以及用于直接在硬件中实现高速控制、自定义定时和触发以及信号处理的FPGA；所述遥控器，用于对足式移动机器人的操控；所述无线电台用于控制器和遥控器之间的无线通讯，无线电台通过RS485与控制器通讯；所述惯导用于以100Hz的频率输出足式移动机器人的三个姿态角以及其它辅助传感器的信号。本发明的控制系统，实现了实时地采集足式移动机器人关节和躯干信息，根据遥控器给定完成对机器人的运动给定的计算，实现对机器人的集中式控制，增强了机器人的稳定性。

Description

一种足式移动机器人实时嵌入式控制系统

技术领域

本发明涉及一种用于控制足式移动机器人的实时嵌入式控制系统，属于足式移动机器人领域。

背景技术

足式机器人在穿越复杂地形方面具有十分大的发展潜力。相比于轮式或者履带式机器人，足式结构的机器人可以在工作空间根据不同的地形选择落足点，这样使足式机器人具备复杂地形适应能力和运动灵活性。但是这也对机器人控制系统提出的更高的要求：

(1)实时性好

足式机器人的控制系统需要实时性高的操作系统来完成复杂的控制任务。足式机器人具有多个运动关节，在一个控制周期内需要完成这些关节的位移和力信息的采集，并完成对机器人的运动给定。所以，机器人需要采用实时的操作系统实时的采集信息，抢占CPU，执行高优先级的任务，更好的满足对足式机器人控制系统的要求。

(2)抗震能力强

足式机器人在运动振动非常剧烈，足式机器人的控制系统要进行抗振处理才能保证稳定性。控制系统能够在高振动的环境下稳定工作，核心控制器和板卡都需要满足高振动的要求，接口应该做加固处理。

(3)散热能力强

足式机器人控制系统中的核心控制器和办卡在运行时会产生大量的热量，做好散热工作，就会增加机器人的持续运行时间，避免温度过高影响机器人控制系统的正常运行。

(4)模块化和轻量化

足式机器人控制系统的设计要做到模块化，统一接口尺寸和输入输出接口的定义可以实现同类模块之间的互换，提高机器人控制系统的可维护性。另外，机器人控制系统要做到轻量化，尽量简化控制系统的结构以及不必要的接线，减少机器人的自身重量。

(5)低功耗设计

足式机器人需要电池来给控制系统提供能源，因此为了保障更长的工作时间，应该使机器人控制系统的功耗更低。

足式机器人控制系统分为分布式和集中式。分布式控制系统的控制主要负责运动规划，而对底层执行器的控制通过相应的驱动器进行，这样会大大减小对机器人控制系统的要求。但是为了维护方便，大部分足式机器人采用集中式的控制系统，即运动规划、关节控制和信息采集通过一个控制器进行的，这样就对机器人控制系统的搭建提出了很高的要求。

发明内容

为了满足当前足式机器人的控制需求，本发明提出了一种通用的增强机器人稳定性的足式机器人实时嵌入式控制系统，以实时地采集足式移动机器人关节和躯干信息，根据遥控器给定完成对机器人的运动给定的计算，实现对机器人的集中式控制。

为了实现上述目的，本发明的足式移动机器人实时嵌入式控制系统的技术方案如下：

该控制系统，包括控制器、无线电台、遥控器和惯导，遥控器与无线电台以无线方式连接，无线电台和惯导均与控制器连接；

所述控制器，包括具有用于通信和信号处理的实时处理器，以及用于直接在硬件中实现高速控制、自定义定时和触发以及信号处理的FPGA；FPGA与处理器连接；处理器上设置通讯模块和以太网口；FPGA上配置模拟输入模块、模拟输出模块、数字信号模块和通讯模块，实现1kHz的采样频率和输出给定频率。所述FPGA上的模拟信号输入模块和模拟信号输出模块均有24路通道，数字信号模块有16路通道，通讯通道有2路CAN通讯通道和4路RS232。所述处理器上设置1路RS232通讯通道和1路RS485通讯通道。处理器运行Linux Real-time实时操作系统，接受FPAG采集的关节数据，进行实时的运动规划。

所述控制器设置在壳体内，壳体内还设置有模块插槽，所述模块插槽统一接口尺寸和输入输出接口的定义，以实现同种类型不同功能的板卡进行替换。壳体的一个侧面上集中安装接口模块，以满足了运行环境下的稳定运行的需求。所述壳体底部安装有阻尼减震器，以衰减了外部振动力向控制器的传递。

所述遥控器，用于对足式移动机器人的操控。通过设置的内部协议，除了可以操控足式机器人实现全方位移动，还可以进行状态反馈以及机器人属性的配置，这样就可以方便机器人的调试工作。控制器预留了串口通讯接口，可以外接其他遥控器对机器人进行操作。

所述无线电台，用于控制器和遥控器之间的无线通讯，无线电台通过RS485与控制器通讯。

所述惯导，用于以100Hz的频率输出足式移动机器人的三个姿态角以及其它辅助传感器的信号(加速度、角速度、地磁场强度、温度以及海拔高度)。通过系统内部控制程序的滤波算法，将惯导系统的姿态角和机器人本体感知的姿态角进行融合，可以以更高频率输出机器人姿态角，可以满足足式机器人躯干控制的需求。

本发明采用基于RT-Linux开发的C++程序，编程环境为Eclipse，在Windows系统下实现对RT-Linux系统的开发。FPGA层的模拟输入模块、模拟输出模块、数字输入输出模块以及通讯模块进行驱动配置后，将每个通道的地址生成C++接口文件，可以在RT-Linux系统内直接调用。采用分核绑定的模式，关节控制以及传感器采集、运动规划、日志记录、环境感知分别绑定一个CPU内核，这样可以使机器人运行的关键四部分任务并行运行，增强了机器人的稳定性。

本发明的控制系统，实现了实时地采集足式移动机器人关节和躯干信息，根据遥控器给定完成对机器人的运动给定的计算，实现对机器人的集中式控制，增强了机器人的稳定性。

附图说明

图1是本发明足式移动机器人实时嵌入式控制系统的结构原理框图。

图2是本发明中控制器的结构示意图。

图3是控制器的整机外形示意图。

图4是控制器的拆解示意图。

图5是本发明的软件设计结构图。

图中：1.盖板，2.控制器，3.接口模块，4.阻尼减震器，5.模块插槽，6.壳体。

具体实施方式

本发明的足式移动机器人实时嵌入式控制系统的整体框图如图1所示，该控制系统包括控制器、无线电台、遥控器和惯导。该控制系统配置模拟输入模块采集机器人关节信息，配置模拟输出模块控制机器人关节移动，搭载一个惯导系统可以采集机器人姿态信息。另外，该系统通过配置串口通讯和CAN通讯模块来实现串口和CAN通讯，可以用来扩展机器人上的设备。该系统留有一个以太网口，可以与外加的环境感知计算机TCP/IP传输协议进行通讯，实现足式机器人的自主导航。整个控制系统的工作流程就是通过遥控器发出指令，控制器进行传感器信号的采集和运动规划，并将计算出来的关节执行器的给定发送到各个关节，从而控制足式移动机器人的运动。

下面将从硬件系统设计和软件系统设计对足式移动机器人实时嵌入式控制系统的具体实施方式进行描述。

如图2所示，控制器具有异构体系结构，包括用于通信和信号处理的实时处理器，以及用于直接在硬件中实现高速控制、自定义定时和触发以及信号处理的FPGA，FPGA与处理器连接。处理器CPU运行着Linux Real-time实时操作系统，可以接受FPAG采集的关节数据，进行实时的运动规划。FPGA执行关节信号采集、控制信号输出、通讯等任务，FPGA可以分流时间紧迫的过程，提高底层传感器的采样频率。

处理器运行Linux Real-time实时操作系统，接受FPAG采集的关节数据，进行实时的运动规划。处理器上设置通讯模块和以太网口，通讯通道为设置1路RS232通讯通道和1路RS485通讯通道。FPGA上配置模拟输入模块、模拟输出模块、数字信号模块和通讯模块，实现1kHz的采样频率和输出给定频率，模拟信号输入模块和模拟信号输出模块均有24路通道，数字信号模块有16路通道，通讯通道有2路CAN通讯通道和4路RS232。

本发明的控制系统总共有24路模拟输入通道，24路模拟信号输出通道，16路数字信号通道，2路CAN通讯通道，5路RS232通讯通道，1路485通讯通道，这样可以满足大部分足式机器人的控制需求。该控制系统将模拟输入、模拟输出、数字信号通道配置到FPGA上，所以能够实现1k Hz的采样频率和输出给定频率，能够满足足式移动机器人在运动规划和控制对关节信号采样频率和输出给定频率的要求。

本发明中的控制器如图3和图4，控制器2和模块插槽5设置在壳体6内，模块插槽5统一接口尺寸和输入输出接口的定义，可以实现同种类型不同功能的办卡进行替换。壳体6进行了加固设计，采用高强度铝合金，具有体积小、重量轻、安全可靠的特点。壳体6采用被动散热，对外接航插的接口模块3集中安装在壳体6的一个侧面上，满足了在运行环境下的稳定运行的需求。壳体6采用吸振性强的铝合金材料，整体加工而成，在保证外观美观的前提下保证了整体的抗振动性。壳体6底部安装四个阻尼减震器4，大大衰减了外部振动力向控制器的传递，各连接器采用航空连接器，插接紧密可靠。线缆连接采用带锁扣的连接器或点胶加固处理。对驱动板上的体积较大的器件进行点胶加固处理。

本发明的控制系统搭载一块无线电台来实现与遥控器的通信，实现对足式机器人的操控。通过设置的内部协议，除了可以操控足式机器人实现全方位移动，还可以进行状态反馈以及机器人属性的配置，这样就可以方便机器人的调试工作。该系统还预留串口实现外接遥控器进行机器人的操控。

本发明的控制系统搭载惯导系统，可以以100Hz的频率输出机器人的三个姿态角以及其它辅助传感的信号(加速度、角速度、地磁场强度、温度以及海拔高度)。通过系统内部控制程序的滤波算法，将惯导系统的姿态角和机器人本体感知的姿态角进行融合，可以以更高频率输出机器人姿态角，可以满足足式机器人躯干控制的需求。

本发明的控制系统预留以太网口来提供环境感知的接口。环境感知通过雷达或者双目摄像机采集的环境信息进行处理计算出对足式移动机器人速度或者落足点位置，通过TCP/IP传输协议与控制器通讯传递控制指令。另外，该控制系统留有4路串口通讯通道和CAN通讯通道以便后期对足式移动机器人进行设备的扩展。

本发明控制系统的运行程序采用基于RT-Linux开发的C++程序，编程环境为Eclipse，在Windows系统下实现对RT-Linux系统的开发。FPGA层的模拟输入、模拟输出、数字输入输出以及通讯模块配置后将每个通道的地址生成C++接口文件，可以在RT-Linux系统内直接调用。如图5所示，采用分核绑定的模式，关节控制以及传感器采集、运动规划、日志记录、环境感知分别绑定一个CPU内核，这样可以使机器人运行的4部分关键任务并行运行，增强了机器人的稳定性。控制器远程调试方面，将控制器的网络IP和调试PC的IP配置成在一个网络段里，将路由器网口和控制器的网口连接，将调试PC连接到路由器上，然后配置SSH节点，便可实现控制器的远程调试。为满足程序启动的稳定性，对机器人主程序进行了开机自启动设计。开机自启动指将RT可执行文件“作为启动文件运行”，并将其部署到工控机的远程目标，实现设计程序的上电自启动功能。但是，使用的Eclipse集成开发环境不提供此类功能。因此，本发明编写了一个“启动脚本”，该脚本将安装在控制器的RT Linux操作系统中，以便在Linux操作系统启动过程中执行该应用程序。

Claims (5)

1.一种足式移动机器人实时嵌入式控制系统，其特征是，包括控制器、无线电台、遥控器和惯导，遥控器与无线电台以无线方式连接，无线电台和惯导均与控制器连接；

所述控制器，包括具有用于通信和信号处理的实时处理器，以及用于直接在硬件中实现高速控制、自定义定时和触发以及信号处理的FPGA；FPGA与处理器连接；处理器上设置通讯模块和以太网口；FPGA上配置模拟输入模块、模拟输出模块、数字信号模块和通讯模块，实现1kHz的采样频率和输出给定频率；控制器采用异构体系结构来提高机器人的实时性和算法部署便捷性；

所述遥控器，用于对足式移动机器人的操控，通过设置的内部协议，操控足式机器人实现全方位移动，进行状态反馈以及机器人属性的配置；

所述无线电台，用于控制器和遥控器之间的无线通讯，无线电台通过RS485与控制器通讯；

所述惯导，用于以100Hz的频率输出足式移动机器人的三个姿态角以及其它辅助传感器的信号；

采用基于RT-Linux开发的C++程序，编程环境为Eclipse，在Windows系统下实现对RT-Linux系统的开发；FPGA层的模拟输入模块、模拟输出模块、数字输入输出模块以及通讯模块进行驱动配置后，将每个通道的地址生成C++接口文件，在RT-Linux系统内直接调用；采用分核绑定的模式，关节控制以及传感器采集、运动规划、日志记录、环境感知分别绑定一个CPU内核，使机器人运行的关键四部分任务并行运行，增强了机器人的稳定性。

2.根据权利要求1所述的足式移动机器人实时嵌入式控制系统，其特征是，处理器运行Linux Real-time实时操作系统，接受FPAG采集的关节数据，进行实时的运动规划。

3.根据权利要求1所述的足式移动机器人实时嵌入式控制系统，其特征是，所述控制器设置在壳体内，壳体内还设置有模块插槽，壳体的一个侧面上集中安装接口模块。

4.根据权利要求3所述的足式移动机器人实时嵌入式控制系统，其特征是，所述模块插槽进行了接口尺寸和输入输出接口的定义的统一，以实现同种类型不同功能的办卡进行替换。

5.根据权利要求3所述的足式移动机器人实时嵌入式控制系统，其特征是，所述壳体底部安装有阻尼减震器。