CN114237221A - 基于中心映射的低延迟组合体机器人运动控制系统及方法 - Google Patents

基于中心映射的低延迟组合体机器人运动控制系统及方法 Download PDF

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宋锐
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Abstract

本发明公开了一种基于中心映射的低延迟组合体机器人运动控制系统及方法，包括：处于同一局域网下的上位机和多个单体机器人；所述单体机器人包括中心单体机器人和其余单体机器人；所述上位机用于发布组合体运动指令，所述中心单体机器人接收所述控制指令并进行解析，执行相应的动作；其余单体机器人分别获取中心单体机器人的当前位置和姿态信息，并进行协同运动，从而实现对组合体机器人的运动控制。本发明可以有效降低组合体机器人个体通信的延迟时间，使得各单体机器人之间的运动更加协调。

Description

基于中心映射的低延迟组合体机器人运动控制系统及方法
技术领域
本发明涉及组合体机器人运动控制技术领域，尤其涉及一种基于中心映射的低延迟组合体机器人运动控制系统及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
组合体机器人指由一系列通用模块机器人组装而成、能够根据所处环境或任务的变化依靠模块间的相互通信和运动重组为另一种适应新环境、新任务构型的机器人。
在移动机器人领域，组合体机器人的运动控制相较于单体机器人的运动控制较为复杂，因组合体机器人具有更多的前进电机或转向电机，在不同的运动模式中，需按照各模块机器人位置与组合体机器人运动状态计算各轮的速度与前进角度。由于组合体机器人拥有多种组合体模式，因此希望获取一个通用公式计算各轮的速度与角度。
在实际控制组合体机器人运动控制的过程中，控制方法为上位机通过局域网与下位机通信，即上位机与组合体移动机器人(比如九台移动机器人)上的下位机通过ROS系统通信；上位机节点发送运动指令至下位机；这种通信架构下，上位机规划运动路径，分别解算九台全向移动单体机器人在相应位置各轮的转角及速度。上位机作为发布节点，解算九台机器人的转角及速度，分别发布至九台下位机，下位机作为接收节点，获取上位机的位置解析。但这种架构方式存在一定问题，即上位机发送指令是经局域网的，因此会存在一定量的信息延迟，但在多机器人群体运动过程中，超过一定时间的延迟会使部分模块运动与其余模块不一致，破坏整体运动姿态。
目前，对于全向移动单体机器人的控制算法较为常见，但是，对于群集的组合体机器人的控制算法的研究还相对较少；组合体机器人在运动过程中，对于各全向移动单体机器人之间的延迟要求较高，目前缺乏较为有效的适应组合体机器人的低延迟运动控制算法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于中心映射的低延迟组合体机器人运动控制系统及方法，能够有效解决现有的组合体全向机器人运动控制系统中各单体全向机器人之间通信延迟较大的问题。
在一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种基于中心映射的低延迟组合体机器人运动控制系统，包括：处于同一局域网下的上位机和多个单体机器人；所述单体机器人包括中心单体机器人和其余单体机器人；所述上位机用于发布组合体运动指令，所述中心单体机器人接收所述控制指令并进行解析，执行相应的动作；其余单体机器人分别获取中心单体机器人的当前位置和姿态信息，并进行协同运动，从而实现对组合体机器人的运动控制。
进一步地，所述上位机和多个单体机器人的工控机处于同一局域网下，所述上位机和各工控机内均设置发布者节点和订阅者节点，上位机的发布者节点发布组合体运动指令，中心单体机器人工控机的订阅者节点订阅所述运动指令并进行解析，控制中心单体机器人执行相应的动作；中心单体机器人的位置传感器获取当前位置和姿态信息，通过其工控机的发布者节点发布，其余单体机器人的订阅者节点订阅所述位置和姿态信息，进行协同运动。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种基于中心映射的低延迟组合体机器人运动控制方法，包括：
通过中心单体机器人工控机的订阅者节点订阅运动指令并进行解析，根据解析的运动指令控制中心单体机器人执行相应的动作；
通过中心单体机器人的位置传感器获取中心单体机器人当前位置和姿态信息，通过其工控机的发布者节点进行发布；
其余单体机器人的订阅者节点订阅所述位置和姿态信息，进行协同运动，从而实现对组合体机器人的运动控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明把中心单体机器人设为其余机器人的原点，通过坐标转换及速度映射，通过中心单体机器人获取其余单体机器人各轮的转速及状态。通过这种架构，只需要上位机控制中心机器人，中心机器人发布自身运动姿态，其余机器人通过中心姿态信息计算自己的速度及角度。这样可以有效降低组合体机器人个体通信的延迟时间，使得各单体机器人之间的运动更加协调。
本发明的其他特征和附加方面的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，或通过本方面的实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例中的组合体机器人结构示意图；
图2为本发明实施例中基于中心映射的低延迟组合体机器人运动控制系统架构图；
图3为本发明实施例中单体机器人的控制过程示意图；
图4为本发明实施例中组合体机器人不同运动模式示意图；
图5为本发明实施例中组合体机器人原地旋转示意图；
图6为本发明实施例中组合体机器人前行转向示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
在一个或多个实施方式中，公开了一种基于中心映射的低延迟组合体机器人运动控制系统，包括：处于同一局域网下的上位机和多个单体机器人；单体机器人包括中心单体机器人和其余单体机器人；上位机用于发布组合体运动指令，中心单体机器人接收所述控制指令并进行解析，执行相应的动作；其余单体机器人分别获取中心单体机器人的当前位置和姿态信息，并进行协同运动，从而实现利用基于中心映射的通信架构对组合体机器人进行运动控制。
本实施例中，组合体机器人在运动过程中，所有单体机器人相对静止，因此可以把处于中心的单体机器人(中心单体机器人)设为其余机器人的原点，通过坐标转换及速度映射，其余机器人通过获取中心机器人位姿，于各机器人内部工控机计算其各自各轮的转速及状态。结合图1，在九台组合体机器人中，0号模块为中心单体机器人，1-8号模块为其余单体机器人。
通过这种架构，只需要上位机控制中心机器人，中心机器人发布自身运动姿态，其余机器人通过获取中心机器人姿态信息计算自己的速度及角度，大大减少了通信延迟时间。
具体地，结合图2，每一个单体机器人均设有工控机，所有上位机与九台工控机处于同一局域网连接下，通过ROS话题通信机制相互通信。ROS话题通信基于TCP/IP协议，在话题通信机制里，主要有三个角色：发布者，订阅者和Master。Master主要参与两个阶段：连接前的准备，连接和通信。发布者节点启动，通过远程过程调用协议(简称RPC)向Master注册发布者的信息。订阅者节点启动，通过RPC向Master注册订阅者信息。Master进行节点匹配后，订阅者接收到发布者的确认消息后，使用TCP尝试与发布者建立网络连接，成功连接之后，发布者开始向订阅者发布话题消息数据。这样不同工控机的消息便可以相互传输了。
上位机和每一个单体机器人的工控机内部均设置发布者节点与订阅者节点，其中发布者节点可按某话题发布消息，订阅者节点可通过指定话题订阅发布者节点发布的信息。同一工控机内部可存在多个发布者节点与订阅者节点，同时，多个订阅者节点可订阅同一发布者节点发布的话题。
具体到本实施例中，首先，上位机的发布者节点发布运动指令话题,传输内容为组合体运动指令。0号模块(中心单体机器人)工控机的订阅者节点订阅该运动指令话题，通过订阅者节点获取的运动指令经控制算法解析，0号模块工控机控制0号模块的执行机构带动0号模块运动。0号模块的位置传感器获取0号模块位置信息、姿态信息，通过0号模块的发布者节点发布。
其余1-8号模块(其余单体机器人)的工控机的订阅者节点订阅坐标系转换后的0号模块位置信息、姿态信息话题，通过控制算法协同运动。这样就使得各模块获取信息的途径由上位机直接获取，转变为上位机控制0号模块运动，其余模块订阅0号模块位姿信息，进行相应运动，因0号模块与其余模块间的距离远远小于上位机至各模块的距离，这种通信架构大大降低了各运动模块之间的信息延迟，使得各模块组合之后的运动更加协调。
本实施例中，结合图3，各单体机器人的运动机构包括工控机、STM32单片机、四个转向驱动器、两个前进驱动器、四前进电机以及四转向电机，所有电机由由48V直流电源直接供电。工控机通过内部控制算法解算出四轮转速与转角后，通过串口与STM32通信。STM32单片机通过CAN总线与四转向驱动器与两个前进电机通信，使得驱动器控制各电机运动。其中前进驱动器KEYA Y3为双路电机驱动器，单个驱动器可控制两个前进电机的运动。
各单体机器人的位置姿态获取是通过编码器、IMU、UWB等传感器。其中编码器把角位移转换成电信号，通过STM32读取该电信号，获取各轮的角位移(以转向电机为主)，对其积分可获取各轮速度(以前进电机为主)。IMU放置在各模块的中心位置，其作用为获取物体三轴姿态角以及加速度。相比较于编码器受地面摩擦环境影响大，IMU的各轴速度可作为速度滤波的补充数值，获取更加精确的单模块速度值。UWB可获取各模块在空间中的位置坐标，且精度较大。上述三种传感器数据通过接口上传至各模块的工控机，可通过工控机进行数据发布。
在确定通信架构后，需对各单体机器人进行运动学计算。在解析获取的运动指令后，获取到单体机器人后续运动的速度与角速度，经运动学解算，获取各前进电机的速度与转向电机的角速度，再通过工控机接口与模块的执行机构通信。结合图4-6，对于组合体机器人来说，其运动方式可分为5种，包括：直行、横移、斜移、原地旋转、前行转向。
组合体机器人直行、横移或者斜行时，中心单体机器人和其余单体机器人的各轮转角相同，其余单体机器人的速度与中心单体机器人的速度相同。
具体地，①组合体机器人直行时：
Figure BDA0003356949880000071
其中，θij为其余单体机器人中，第i号单体机器人的j号轮胎转角；vij为其余单体机器人中，第i个单体机器人的j号轮胎转速；即各轮转角为0°，速度与0号模块速度保持一致。
②组合体机器人横移时：
Figure BDA0003356949880000072
即各轮转角为90°，速度与0号模块速度保持一致。
③组合体机器人斜行时：
Figure BDA0003356949880000073
即各轮转角与0号模块相应轮子转角相同，速度与0号模块速度保持一致。
④组合体机器人原地旋转时，其余单体机器人的各轮转角和转速分别为：
Figure BDA0003356949880000074
其中，x0j、y0j分别为中心单体机器人在UWB中的X向位置坐标与Y向位置坐标；θij为其余单体机器人中，第i个单体机器人的j号轮胎转角；vij为其余单体机器人中，第i个单体机器人的j号轮胎转速；yij和xij分别为其余单体机器人中，第i个单体机器人的j号轮胎的纵坐标和横坐标；L为单体机器人的长度，B为单体机器人的宽度。
⑤组合体机器人前行转向时：
在组合体机器人前行转向的过程中，单模块坐标会随着整体组合体机器人的运动而改变，但是在组合体机器人运动的过程中，各其余模块与0号模块相对静止，因此如果以组合体中央的0号模块作为坐标轴原点建立坐标系P，则各模块轮胎在坐标系P中的坐标为恒定值
Figure BDA0003356949880000081
将各模块在坐标系P中的变量转化为坐标系A中数值，而坐标系转换公式为
Figure BDA0003356949880000082
在组合体机器人运动过程中，两坐标系的旋转矩阵会随机器人运动而改变：
Figure BDA0003356949880000083
Figure BDA0003356949880000084
则
Figure BDA0003356949880000085
进而得到组合体机器人前行转向时，其余单体机器人的各轮转角和转速分别为：
Figure BDA0003356949880000091
其中，θij、vij分别为其余单体机器人中，第i个单体机器人的j号轮胎转角和转速；yij和xij分别为其余单体机器人中，第i个单体机器人的j号轮胎的纵坐标和横坐标；P为以中心单体机器人作为坐标原点建立的坐标系；ω为上位机给定组合体机器人整体运动的角速度，r为上位机给定组合体机器人整体运动的转弯半径。
实施例二
在一个或多个实施方式中，公开了一种基于中心映射的低延迟组合体机器人运动控制方法，包括：
通过中心单体机器人工控机的订阅者节点订阅运动指令并进行解析，根据解析的运动指令控制中心单体机器人执行相应的动作；
通过中心单体机器人的位置传感器获取中心单体机器人当前位置和姿态信息，通过其工控机的发布者节点进行发布；
其余单体机器人的订阅者节点订阅所述位置和姿态信息，进行协同运动，从而实现对组合体机器人的运动控制。
上述过程的具体实现方式已经在实施例一中进行了详细说明，此处不再详述。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于中心映射的低延迟组合体机器人运动控制系统，其特征在于，包括：处于同一局域网下的上位机和多个单体机器人；所述单体机器人包括中心单体机器人和其余单体机器人；所述上位机用于发布组合体运动指令，所述中心单体机器人接收所述控制指令并进行解析，执行相应的动作；其余单体机器人分别获取中心单体机器人的当前位置和姿态信息，并进行协同运动，从而实现对组合体机器人的运动控制。
2.如权利要求1所述的一种基于中心映射的低延迟组合体机器人运动控制系统，其特征在于，所述上位机和多个单体机器人的工控机处于同一局域网下，所述上位机和各工控机内均设置发布者节点和订阅者节点，上位机的发布者节点发布组合体运动指令，中心单体机器人工控机的订阅者节点订阅所述运动指令并进行解析，控制中心单体机器人执行相应的动作；中心单体机器人的位置传感器获取当前位置和姿态信息，通过其工控机的发布者节点发布，其余单体机器人的订阅者节点订阅所述位置和姿态信息，进行协同运动。
3.如权利要求2所述的一种基于中心映射的低延迟组合体机器人运动控制系统，其特征在于，同一工控机内设置多个发布者节点和订阅者节点，不同订阅者节点能够订阅同一发布者节点发布的话题。
4.如权利要求2所述的一种基于中心映射的低延迟组合体机器人运动控制系统，其特征在于，所述发布者节点通过RPC协议向Master注册发布者的信息；所述订阅者节点通过RPC协议向Master注册订阅者信息；Master进行发布者和订阅者的节点匹配；订阅者节点接收到发布者节点的确认消息后，与发布者节点建立网络连接，连接成功后，发布者节点向订阅者节点发布话题消息数据。
5.如权利要求1所述的一种基于中心映射的低延迟组合体机器人运动控制系统，其特征在于，所述单体机器人的运动机构包括：工控机、单片机、转向驱动器、转向电机、前进驱动器和前进电机；所述工控机与单片机通信，所述工控机解算出转速和转角并传送至单片机，单片机控制转向驱动器和前进驱动器驱动相应的电机运动。
6.如权利要求1所述的一种基于中心映射的低延迟组合体机器人运动控制系统，其特征在于，所述单体机器人上设有编码器、IMU和UWB；所述编码器用于将角位移转换成电信号，以获取各轮的角位移和速度；所述IMU用于获取单体机器人的三轴姿态角以及加速度；所述UWB用于获取单体机器人在空间中的位置坐标。
7.如权利要求1所述的一种基于中心映射的低延迟组合体机器人运动控制系统，其特征在于，组合体机器人直行、横移或者斜行时，中心单体机器人和其余单体机器人的各轮转角相同，其余单体机器人的速度与中心单体机器人的速度相同。
8.如权利要求1所述的一种基于中心映射的低延迟组合体机器人运动控制系统，其特征在于，组合体机器人原地旋转时，其余单体机器人的各轮转角和转速分别为：
Figure FDA0003356949870000021
其中，x0j、y0j分别为中心单体机器人在UWB中的X向位置坐标与Y向位置坐标；θij为其余单体机器人中，第i个单体机器人的j号轮胎转角；vij为其余单体机器人中，第i个单体机器人的j号轮胎转速；yij和xij分别为其余单体机器人中，第i个单体机器人的j号轮胎的纵坐标和横坐标；L为单体机器人的长度，B为单体机器人的宽度。
9.如权利要求1所述的一种基于中心映射的低延迟组合体机器人运动控制系统，其特征在于，组合体机器人前行转向时，其余单体机器人的各轮转角和转速分别为：
Figure FDA0003356949870000031
其中，θij、vij分别为其余单体机器人中，第i个单体机器人的j号轮胎转角和转速；yij和xij分别为其余单体机器人中，第i个单体机器人的j号轮胎的纵坐标和横坐标；P为以中心单体机器人作为坐标原点建立的坐标系；ω为上位机给定组合体机器人整体运动的角速度，r为上位机给定组合体机器人整体运动的转弯半径。
10.一种基于中心映射的低延迟组合体机器人运动控制方法，其特征在于，包括：
通过中心单体机器人工控机的订阅者节点订阅运动指令并进行解析，根据解析的运动指令控制中心单体机器人执行相应的动作；
通过中心单体机器人的位置传感器获取中心单体机器人当前位置和姿态信息，通过其工控机的发布者节点进行发布；
其余单体机器人的订阅者节点订阅所述位置和姿态信息，进行协同运动，从而实现对组合体机器人的运动控制。
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