CN114625061A - 一种导航控制器 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种导航控制器，该控制器包括：接口扩展板、核心板载板和核心板。其中，所述接口扩展板包括：第一接口、第二接口、第一串口、第二串口和电源接口；所述核心板载板包括：硬盘接口、无线网络模块、第一车载连接器和第二车载连接器；所述核心板包括：第一处理器、第二处理器和内存模块。本申请实施例提供的一种导航控制器，可以解决移动机器人的控制器通用性和易用性较差的问题。

Description

一种导航控制器

技术领域

本申请实施例涉及电子技术领域，尤其涉及一种导航控制器。

背景技术

目前，随着科技的不断发展，移动机器人逐渐进入到人们的生活之中。在相关技术中，所开发的移动控制器通常为非标准化产品，只应用于各自的机器人产品，控制器不具备通用性，不能将其作为核心部件，并搭建通用软件平台对下游客户推广销售。同时，控制器的防护等级主要依赖机器人外壳设计，自身不具备高抗震性、防水防尘、防盐雾、耐高低温等特性，使得控制器的稳定性无法得到有效的提升，控制器的应用领域也受到限制。

因此，移动机器人控制器的通用性和易用性较差。

发明内容

本申请实施例提供一种控制器，可以解决移动机器人控制器的使用便捷性较差的问题。

为了解决上述技术问题，本申请实施例采用如下技术方案：

本申请实施例的第一方面，提供一种导航控制器，该控制器包括：接口扩展板、核心板载板和核心板。其中，所述接口扩展板包括：第一接口、第二接口、第一串口、第二串口和电源接口；所述核心板载板包括：硬盘接口、无线网络模块、第一车载连接器和第二车载连接器；所述核心板包括：第一处理器、第二处理器和内存模块。

在本申请实施例中，该导航控制器包括：接口扩展板、核心板载板和核心板。其中，所述接口扩展板包括：第一接口、第二接口、第一串口、第二串口和电源接口；所述核心板载板包括：硬盘接口、无线网络模块、第一车载连接器和第二车载连接器；所述核心板包括：第一处理器、第二处理器和内存模块。本申请采用了硬件性能领先的核心器件，并选择能够发挥各器件性能优势的控制系统方案，根据移动平台控制器应用的不同行业及场景，设计并开发了包括具备室外严苛工作环境应用条件的移动平台控制器及控制系统软件的机器人控制器产品。与传统工业控制器产品相比，本课题研发的移动平台控制器产品具有如下几个方面的特点：强实时性，系统软件基于修改后的Linux内核，具备快速的中断响应速度及极短的系统延时时间；多核调度，能够充分利用处理器的多核结构进行各内核之前的调度通信，提升任务处理速度及多任务并行处理能力；通过功能组件的开发及扩展，控制器软件可提供多种导航模块、运动控制模块及运动规划模块，可实现室外移动机器人导航及车体运动控制；控制器具有软件二次开发接口，可根据用户的实际应用条件及应用场景进行功能组件的二次开发，便于灵活的应用及推广；控制器具备多种IO接口及传感器接口，具有丰富的扩展功能，可根据客户需求定义用户IO的详细功能，无需额外添加IO扩展板，有效降低硬件成本；控制器具有标准接口和开放的通信协议，可与多种伺服驱动器、传感器以及编码器等外部设备实现互连互通。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种导航控制器板卡结构图；

图2为本申请实施例提供的一种导航控制器软件层次结构图；

图3为本申请实施例提供的一种导航控制器软PLC架构及功能框图；

图4为本申请实施例提供的一种导航控制器系统结构框图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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作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。

本申请实施例的说明书和权利要求书中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述对象的特定顺序。例如，第一耦合线和第二耦合线等是用于区别不同的媒体文件，而不是用于描述媒体文件的特定顺序。

在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指两个或两个以上。例如，多个元件是指两个元件或两个以上元件。

本文中术语“和/或”，是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，显示面板和/或背光，可以表示：单独存在显示面板，同时存在显示面板和背光，单独存在背光这三种情况。本文中符号“/”表示关联对象是或者的关系，例如输入/输出表示输入或者输出。

在本申请实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

本申请实施例提供一种控制器，该控制器包括：接口扩展板、核心板载板和核心板。其中，所述接口扩展板包括：第一接口、第二接口、第一串口、第二串口和电源接口；所述核心板载板包括：硬盘接口、无线网络模块、第一车载连接器和第二车载连接器；所述核心板包括：第一处理器、第二处理器和内存模块。本申请采用了硬件性能领先的核心器件，并选择能够发挥各器件性能优势的控制系统方案，根据移动平台控制器应用的不同行业及场景，设计并开发了包括具备室外严苛工作环境应用条件的移动平台控制器及控制系统软件的机器人控制器产品。与传统工业控制器产品相比，本课题研发的移动平台控制器产品具有如下几个方面的特点：强实时性，系统软件基于修改后的Linux内核，具备快速的中断响应速度及极短的系统延时时间；多核调度，能够充分利用处理器的多核结构进行各内核之前的调度通信，提升任务处理速度及多任务并行处理能力；通过功能组件的开发及扩展，控制器软件可提供多种导航模块、运动控制模块及运动规划模块，可实现室外移动机器人导航及车体运动控制；控制器具有软件二次开发接口，可根据用户的实际应用条件及应用场景进行功能组件的二次开发，便于灵活的应用及推广；控制器具备多种IO接口及传感器接口，具有丰富的扩展功能，可根据客户需求定义用户IO的详细功能，无需额外添加IO扩展板，有效降低硬件成本；控制器具有标准接口和开放的通信协议，可与多种伺服驱动器、传感器以及编码器等外部设备实现互连互通。

可以理解，本申请的目的在于设计一种应用于室外环境的移动平台控制器。该控制器体积紧凑，便于安装与集成，且可靠性高，能够适应高温、高湿、盐雾、强振动等多种工作环境。控制器软件基于通用的工业软件平台，具备二次开发接口，可根据客户的具体应用环境与导航方式不断丰富控制器软件支持的功能组件。移动平台控制器应用的产品领域包括但不限于移动机器人、特种机器人等室外应用的智能移动设备。移动平台控制器具备车体控制、自主导航以及外部传感器接口数据采集等功能。控制器硬件采用多层叠层设计，有效降低板卡尺寸，并采用模块化的设计思路，便于硬件性能及资源的扩展；控制器软件采用平台化的设计方式，搭载软PLC运行时，可通过模块化的编程语言开发并定义车体应用功能。通过内部集成的功能组件，移动平台控制器可以支持二维激光导航、轮廓导航、反光板导航、磁钉导航、磁条导航、二维码导航等多种自主导航技术，并支持如全向轮、固定差速轮、固定轮舵轮组合轮系等多种移动平台轮系，便于控制器的应用和推广。

下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本申请实施例提供的一种导航系统及导航方法进行详细地说明。

如图1-4所示，本申请实施例提供一种导航控制器，所述导航控制器包括：接口扩展板、核心板载板和核心板；

其中，所述接口扩展板包括：第一接口、第二接口、第一串口、第二串口和电源接口；所述核心板载板包括：硬盘接口、无线网络模块、第一车载连接器和第二车载连接器；所述核心板包括：第一处理器、第二处理器和内存模块。

可选的，本申请实施例中，所述第一接口包括第一网口和第二网口。

可选的，本申请实施例中，所述第二接口包括：第一CAN接口和第二CAN接口。

可选的，本申请实施例中，所述第一车载连接器采用IP67防护特性的车载连接器。

可选的，本申请实施例中，所述第二车载连接器采用IP67防护特性的车载连接器。

可选的，本申请实施例中，所述第一处理器为采用x86架构多核高性能中央处理器。

可选的，本申请实施例中，所述第二处理器为FPGA协处理器，采用PCIe总线与CPU连接。

可以理解，本专利设计了一种室外移动平台控制器，控制器的板卡及硬件结构框图见图1。控制器采用三层板卡叠层结构，分别为接口扩展板110、核心板载板120、X86CPU核心板130。接口扩展板主要用于扩展控制器的通用外设接口，包括网口、CAN接口、RS232串口、RS485串口及电源接口；核心板载板主要用于摆放车载连接器，扩展模拟IO、数字IO等通用IO接口，用于采集外部传感器信息，并为客户提供可自行开发功能的用户IO接口；x86CPU核心板主要用于摆放CPU、FPGA及CPU相关最小系统，并将CPU和FPGA的主要资源通过板对板连接器引出。室外移动平台控制器各个板卡上的接口及模块的名称及功能如下：

111：包含第一网口和第二网口，第一网口可作为EtherCAT主站通信接口，用于连接外部驱动器；第二网口作为通用千兆以太网接口，用于连接激光传感器、摄像头等外部传感器设备，实现导航功能。

112：包含第一CAN接口和第二CAN接口，用于连接支持CAN接口的驱动器，支持CANopen协议通信；

113：包含串口1和串口2，串口包含RS232和RS485接口，可用于程序调试及外部传感器连接与通信；

114：电源接口，用于为控制器板卡提供外部供电电源，控制器采用宽压直流供电，能够适应不同外部供电环境；

121：mSATA接口，用于连接类型SSD硬盘，存储系统软件程序；

122：采用PCIe接口的2.4GHz和5GHz双频WIFI模块，用于连接手持设备和上位机，用于控制指令的下发及通信；

123：第一车载连接器1，采用IP67防护特性的车载连接器，用于扩展模拟IO输入及数字IO输入应用接口；

124：第二车载连接器2，采用IP67防护特性的车载连接器，用于扩展模拟IO输出及数字IO输出应用接口；

131：控制器采用x86架构多核高性能中央处理器，用于大数据量运算，车体控制及主要外部接口扩展；

132：FPGA协处理器，采用PCIe总线与CPU连接，用于IO接口及通用外设接口的扩展。

133：DDR3 4GB内存，是CPU外部的扩展内存，可通过替换板卡物料的方式对内存进行扩容。

本专利的内容包含了室外移动平台控制器的系统软件。系统软件采用分层结构，软件的层次结构图见图2。共分为系统及驱动层、协议层、开发层及中间层。

系统及驱动层是系统软件的最底层，包含了机器人导航软件运行的操作系统以及与硬件平台相关的底层数据接口，包括x86处理器外设接口映射、交叉编译工具链、内核树、外设驱动程序以及外设引入库文件等。

本专利设计的移动平台控制器系统软件主要采用Linux操作系统，对其内核进行改进，实现具备快速中断响应时间及高优先级任务响应功能的多任务实时Linux操作系统，具体实施方案包括以下几点：

对Linux核心进行改动

将其与中断控制器隔离，不再允许它任意关中断。核心中的所有中断操作系统指令都被替换为相应的宏，这时的开中断、关中断指令实际上仅仅变更一个中断状态标志的值，并不真正改变中断状态。此时，中断控制器由实时核心控制，所有的中断首先被实时核心所截获，并进行相关的中断处理，然后才把中断传给原有Linux核心。这样，原有Linux核心的一切活动都无法导致中断被关闭，也就无从影响实时核心的任务调度，从而保证了核心的硬实时性。

改变时钟中断机制

需要采用粒度更细的时钟，并将时钟中断设置为one-shot模式。

提供实时调度

根据室外移动机器人及特种机器人的应用环境或应用需求，研究Linux操作系统的实时调度算法，编制面向机器人应用的调度模块，提高机器人系统的调度效率。

实现实时进程与非实时进程间的通信

实时Linux操作系统的设计思想是基于实时应用的划分，一个实时应用被划分成一个运行于实时核心之上的实时进程以及运行于Linux核心之上的分时进程。实时进程与分时进程之间的通信是一个必须解决的问题，通过建立命名通道和共享内存来解决这个问题，在实时进程与非实时进程之间建立数据传输机制。

系统软件的协议层主要用于移植常用工业总线通信协议栈，包括EtherCATIGH协议栈，CANopen协议栈，Modbus通信协议栈等，这些工业总线协议栈分别通过控制器硬件提供的网口、CAN接口及串口实现与外部设备的总线通信。

开发层主要通过C或者C++实现功能模块，开发后的模块可加载至移动平台控制器中，供应用层的用户调用。用户主要通过IDE的方式完成代码编辑。设计开发层主要考虑当前技术很难涵盖所有导航技术和运动模型，移动平台控制器的系统软件也设计为一个可二次开发的平台，所以移动平台控制器的开发层提供了二次开发的方法，开发者通过封装已经成熟的算法继续扩展产品性能。需要限定产品可开发接口，仅针对部分功能进行算法优化升级。另外，因为驱动器和传感器等外部设备层出不穷，目前的控制器接口应用组件无法涵盖所有设备的接口应用需求，需要提供二次开发的软件接口适配不同供应商的设备。可添加的功能组件包括导航模块、路径规划模块、运动模型、传感器接口等。

中间层软件通过PLC程序实现功能，分为模块化的PLC开发方法和过程的PLC开发方法。该层用户主要通过PLC IDP完成代码编辑。然后将编译后的代码下载到控制板卡的softplc运行时上完成运行。过程化的PLC开发方法允许用户通过PLC语言定义车体导航及运动功能。软PLC架构及功能框图如图3所示。

中间层的SoftPLC运行时软件通过软PLC开发平台OPENPCS开发并运行。

软PLC开发平台主要功能如下：

(1)支持多语言开发

支持结构文本语言(ST)、功能图(FBD)、C/C++语言。用户可建立C/C++接口程序，在生成的c/cpp文件及h文件中使用C/C++语言编程。本身提供了C/C++编译环境，无需借助第三方开发工具编写C/C++程序。

(2)支持多现场总线

支持主流的现场总线，包括EtherCAT、Canopen、Modbus以及I2C、onboard IO、kunbus IO等。在不同的平台中使用不同的总线协议。

(3)支持多平台系统

支持多种软件及硬件平台，包括Windows-PC、Linux X86、Econ100、Raspberry Pi、Revolution Pi、phyBOARD-Regor、phyBOARD-Wega等。不同平台应用程序移植时需要移植相应的运行时。

(4)支持多种通信协议

支持的通信协议主要包括MQTT、OPC UA及UDP，每种通信协议适用于不同的操作平台。

(5)支持多任务操作

软PLC支持多任务操作，用户可在PLC配置中创建多个任务，设置任务优先级、目标系统、总线类型、任务周期等一系列与任务相关的参数设置。

具体举例说明

室外移动平台控制器应用于室外移动机器人及特种机器人，对控制器性能要求较高，器件选择应采用工业级芯片。IntelAtom E3845处理器具有工业级的芯片工作温度计稳定性，且支持4路PCIe2.0，本专利中分别用PCIe接口来扩展2路千兆网口、1路IntelCycloneVFPGA、1个MiniPCIe扩展槽。CPU集成的2路SATA3.0控制器其中1路用于mSATA接口扩展存储，另1路预留。

处理器支持双内存控制器，本专利采用64位单路DDR3L控制器，板载4GB内存，最大可支持8GB。处理器集成显卡提供两路显示接口，1路HDMI可支持最大4K分辨率用于调试，另一路VGA预留。

本专利采用IntelCycloneVGX系列FPGA实现标准协议和定制逻辑扩展。除了提供2路CAN、2路UART、1路SPI、最多224路GPIO用于外部IO接口，FPGA还完成对ADC以及DAC的控制和数据处理。

结构方面，采用三层叠层PCB结构，外壳采用防水防尘设计，防护等级应满足IP67等级要求，控制器外部连接器的选择也需满足防护等级要求，所以采用M12航空插头用于扩展外部通用外设接口，选择车载连接器用于扩展外部IO接口。

图4是移动平台控制器的一种比较典型的实施案例，是采用二维激光导航的车体控制系统结构框图。移动平台控制器支持的导航方式还包括轮廓导航、反光板导航、磁钉导航、磁条导航、二维码导航等，而且提供了三维激光导航扩展接口，可以根据车体导航的实现方式灵活的调整控制系统结构及外部设备的通信接口连接方式。

在图4的实施例中，移动平台控制器作为移动机器人的主控制系统，负责控制指令的下发，导航功能的实现及多种传感器数据及外部IO数据的采集。控制器与伺服驱动器采用总线型连接方式，支持的总线通信协议包括EtherCAT、CANopen等常用工业总线通信协议，使用时可根据驱动的轴数确定伺服驱动器及配套电机及编码器的数量。伺服驱动器用于驱动大功率电机，获取编码器反馈，实现对电机的闭环控制，伺服电机则用于驱动车体运动，编码器的安装通常依赖于电机的外观及结构，用于实时采集电机的运行位置，实现电机的位置环控制。手持设备为一种便携式的机器人控制设备，通过串口或者网口与移动平台控制器连接，用于下发移动或者作业指令，控制机器人的运动及示教作业。移动平台控制器与上位机或者人机交互界面通常通过无线网络或者串口连接。上位机软件可实现多种功能，包括室外移动平台机器人的工作状态监控，机器人控制及地图绘制，多机器人协同调度，机器人软件应用层功能开发等。人机交互界面主要用于控制指令下发，机器人状态监控，机器人功能验证与调试等，便携式及可视化的操作可以增强使用者的交互体验。二维激光传感器通常用于测量移动机器人与外部障碍物的距离，绘制二维地图等功能，是实现机器人自主导航和避障的主要外部传感器设备。高速二维激光传感器通常采用网络接口与移动平台控制器连接，而低速设备通常采用串口连接。外部电源则为移动平台控制器提供工作电源，供电电源通常为24V/48V电压、大容量磷酸铁锂电池。

本申请实施例中，控制器具备以下优点：

高性能及可扩展性。控制器的核心CPU为x86四核处理器，并通过PCIe接口连接FPGA用于外设接口、模拟及数字IO的扩展。有效降低了成本及板卡空间。控制器的内存和固态硬盘等硬件资源可扩展，同时IO接口数量及功能也可以根据需求扩展，核心板可支持的最大IO数量为224个；

采用紧凑型的设计，节省摆放空间，使板卡不仅可以单独固定安装，可也方便的集成于机器人控制箱或者控制柜体中。硬件板卡采用多层叠层设计，核心板用于摆放CPU及其外部最小系统，与核心板相连接的扩展板用于扩展IO及其功能电路的摆放，而最上层的接口扩展板则用于扩展控制器常用外部接口及接口状态指示灯。

移动平台控制器在节省控制器尺寸的同时对外部接口功能做了区分，而且通过选用同一系列不同型号的连接器实现防呆设计，避免因连接器插错导致控制器的损坏，有效提高控制器的安全性能。

控制器采用工业级宽温设计方案，控制器工作温度可达-40℃～85℃，外部接口采用M12及车载连接器，满足IP67防护等级，不仅能够防水防尘，还能够在盐雾及湿热环境下安全工作，有效提升室外移动平台控制器的可靠性。

室外控制器采用平台化的设计方案，包括高性能，强扩展性的硬件平台以及基于Linux的实时操作系统及基于软PLC的软件应用开发平台。为了便于用户编程操作及二次开发，室外移动平台控制器硬件中集成了软PLC运行时。软PLC采用上位机开发环境与下位机运行时相结合的开发模式，用户在上位机开发环境中使用提供的功能组建用户功能，而后将编译好的用户功能下载到运行时系统，运行时按照指定的周期执行用户定义的功能。该方案注重软件开发的平台化及易用性，能够让现场应用工程师快速上手，开发基于各种功能组件的车体运动控制及导航应用功能。

需要说明的是，在本文中，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、物品或者装置不仅包括那些要素，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、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种导航控制器，其特征在于，所述控制器包括：接口扩展板、核心板载板和核心板；

其中，所述接口扩展板包括：第一接口、第二接口、第一串口、第二串口和电源接口；所述核心板载板包括：硬盘接口、无线网络模块、第一车载连接器和第二车载连接器；所述核心板包括：第一处理器、第二处理器和内存模块。

2.根据权利要求1所述的导航控制器，其特征在于，所述第一接口包括第一网口和第二网口。

3.根据权利要求2所述的导航控制器，其特征在于，所述第一网口可作为EtherCAT主站通信接口，用于连接外部驱动器；所述第二网口作为通用千兆以太网接口，用于连接外部传感器设备。

4.根据权利要求1或2所述的导航控制器，其特征在于，所述第二接口包括：第一CAN接口和第二CAN接口，所述第一CAN接口和所述第二CAN接口用于连接支持CAN接口的驱动器，支持CANopen协议通信。

5.根据权利要求1所述的导航控制器，其特征在于，所述第一车载连接器采用IP67防护特性的车载连接器，用于扩展模拟IO输入及数字IO输入应用接口。

6.根据权利要求1或5所述的导航控制器，其特征在于，所述第二车载连接器采用IP67防护特性的车载连接器，用于扩展模拟IO输出及数字IO输出应用接口。

7.根据权利要求1所述的导航控制器，其特征在于，所述第一处理器为采用x86架构多核高性能中央处理器，用于大数据量运算，车体控制及主要外部接口扩展。

8.根据权利要求7所述的导航控制器，其特征在于，所述第二处理器为FPGA协处理器，采用PCIe总线与CPU连接。

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