CN1219263C - 基于多dsp并行处理的自主移动机器人系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于多DSP并行处理的自主移动机器人平台，包括：上层控制计算机通过CAN总线与多个DSP处理系统相连；多个DSP系统之间通过CAN总线相连，以连成控制器局部网络。本发明在具备高速数据处理能力和实时数据通信能力的基础上，大大缩小了机器人移动平台的尺寸，减小了能源消耗，降低了移动机器人的整体成本，具备了小批量生产的条件，有利于拓展移动机器人的应用领域。
Description
技术领域
本发明涉及通用的移动机器人控制系统，特别涉及基于多DSP(数字信号处理器)并行处理的自主移动机器人系统。
背景技术
移动机器人是机器人学中的一个重要分支，它是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合智能控制系统。一个完整的移动机器人系统通常由三个部分组成：移动机构、感知系统和控制系统。移动机构是机器人的载体，决定机器人的运动空间，有步行机构、轮式机构、履带式机构和混合机构等几种。感知系统一般采用CCD摄像机、激光测距仪、超声传感器、接触和接近传感器、红外线传感器和雷达定位传感器、全球定位传感器(GPS)等。移动机器人控制系统相当于人的大脑和神经系统，它综合感知系统获取的环境信息并控制移动机构产生相应的动作。
以往的移动机器人系统基本上都是采用以下两种结构：一是早期的移动机器人采用的结构(见图1)，如原西德产的HERO型移动机器人(参见《机器人》杂志第23卷第1期)。这种结构中机器人传感器信号处理和移动机构的伺服控制采用单片机系统来完成，机器人的规划和决策由上层计算机实现，上层计算机和下层模块的通信采用RS232串行通信方式。这种结构的优点是成本低，结构简单，主要缺点是信号处理和运算能力差，只能实现点对点的通信且通信速率低，难以适应动态环境尤其是未知动态环境的要求。近年来移动机器人的设计中开始采用一种基于多台计算机的系统结构(见图2)，如清华大学研制的THMR-V型移动机器人(参见《机器人》杂志第23卷第6期)。该结构中每一个控制模块均包括一台计算机(工控机或PC机)，各个计算机之间通过局域网(一般为以太网)相连。这种结构的优点是处理能力强，主要缺点是体积大、笨重，而且耗电量大，难以适应采用电池供电的移动机器人低能耗的要求，同时其高成本的特点也极大地限制了移动机器人应用领域的推广。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用多个DSP并行处理的自主移动机器人系统，可分别独立完成移动机器人的伺服控制、传感器信号处理、自主避障、路径规划等任务。
为实现上述目的，一种基于多数字信号处理器并行处理的自主移动机器人系统，包括：
与超声传感器相连的超声测距数字信号处理器系统，用于接收和处理超声传感器信号，实现自主移动机器人的测距；
与移动机构和红外传感器相连的避障及伺服控制数字信号处理器系统，用于接收和处理红外传感器信号，以便控制移动机构并实现移动机器人的伺服控制和自主避障；
与定位传感器相连的路径规划数字信号处理器系统，用于接收和处理定位传感器信号，实现移动机器人的路径规划；
上述三个互相独立的数字信号处理器之间及三个相互独立的数字信号处理器与上层控制计算机之间通过控制器局部网路总线连成控制器局部网络。
本发明在具备高速数据处理能力和实时数据通信能力的基础上，大大缩小了机器人移动系统的尺寸，减小了能源消耗，降低了移动机器人的整体成本，具备了小批量生产的条件，有利于拓展移动机器人的应用领域。
附图说明
图1为采用单片机系统作为移动机器人控制模块的系统结构；
图2为采用多计算机系统作为移动机器人控制模块的系统结构；
图3为采用多DSP并行处理的自主移动机器人系统系统结构。
具体实施方式
如图3所示，基于多DSP并行处理的自主移动机器人系统属于自主移动机器人范畴，移动机器人要实现在未知和不确定环境下自主工作，应具有感知环境和规划自身动作的能力。为此，必须提高移动机器人对当前环境的快速感知、理解和识别能力以及导航功能，这在很大程度上取决于移动机器人是否采用了一个合理的体系结构。传统的基于“感知-建模-规划-动作”模型的水平型体系结构信号流程清晰，易于工程实现，但它每规划一个动作都需要经过“感知-建模-规划-动作”的整个流程，感知环境和规划动作的速度慢，只适合于工作在已知环境中；基于行为的垂直型体系结构(如包容式结构)将系统功能分解成并行(垂直)的模块，各模块独立地接收传感器的输入并规划出各自的动作，感知环境和规划动作的速度大为加快，可工作在未知和不确定环境中。本发明采用将水平型体系结构和垂直型体系结构结合起来的混合型体系结构，在机器人的底层控制中采用各功能模块可并行执行的垂直型体系结构，底层控制由各自独立的DSP并行处理系统组成，分别完成超声、红外传感器信号处理和运动控制、定位、避障、路径规划等功能，以加快机器人感知环境和规划动作的速度。在机器人的上层控制中采用各功能模块顺序执行的水平型体系结构，保证上层控制能获得机器人感知的全部环境信息和机器人的运行状态，通过对全局信息的分析和推理有效实施对底层控制中各功能模块的任务调度和故障处理，保证移动机器人整体运行的高效和可靠性。
自主移动机器人系统由超声测距DSP系统、避障及伺服控制DSP系统、路径规划DSP系统及上层控制计算机组成，三个相互独立的DSP系统与上层控制计算机之间通过CAN总线连成控制器局部网络。超声传感器信号经放大后送入超声测距DSP系统进行处理；红外传感器信号经放大后送入避障及伺服控制DSP系统进行处理，实现移动机器人的伺服控制和自主避障；定位传感器信号送入路径规划DSP系统进行处理并由DSP系统实现移动机器人的路径规划。
上层控制的主控机采用嵌入式工业控制计算机，用于在上层控制中获取机器人感知的全部环境信息和机器人的运行状态，实现移动机器人的任务调度和故障处理，保证机器人的可靠运行。
本发明中各DSP处理系统之间以及DSP处理系统和上层控制计算机之间采用CAN总线连成控制器局部网络，网络中各自独立的DSP处理系统之间及其和上层控制计算机之间通过CAN总线可实现可靠的数据通信和实时、高效的任务调度。
本发明与图1所示系统的不同之处在于：
采用数字信号处理器作为各模块的控制中心，这和图1中采用的单片机系统相比在信号处理能力、实时性、计算精度等方面都有很大程度的提高，并且保持了原有单片机系统体积小、成本低、功耗低的特点。本发明采用的DSP数字信号处理器具有指令执行速度快、大部分指令都可以在单周期内执行完毕的优点。另外，它还具有非常强大的片内I/O端口和A/D模数转换器、CAN总线接口、串行通信接口等外围设备，可以简化外围电路设计，降低系统成本。本发明采用的多DSP并行处理的系统结构有效地克服了图1所示系统存在设计复杂和一些算法难以实现的缺陷。
本发明与图1所示系统的另一个主要的不同之处是采用了基于CAN总线的控制器局部网络结构，各自独立的DSP系统之间及其与上层计算机之间可实现高速、可靠、实时和灵活的数据通信，有效克服了图1所示系统只能实现点对点的通信且通信速率低的缺陷，使得采用本发明设计的移动机器人可以适应未知动态环境的要求。
本发明与图2所示系统的不同之处在于：
采用具有高速信号处理和数字控制功能而且体积小、重量轻、低成本、低功耗的数字信号处理器作为各模块的控制中心，使得本发明在具备高速数据处理能力和实时数据通信能力的基础上，大大缩小了机器人移动系统的尺寸，减小了能源消耗，降低了移动机器人的整体成本，有效克服了图2所示系统体积大、笨重、耗电量大、高成本的缺陷，有利于移动机器人在军事和民用等领域的应用推广。
实施例
本发明(图3)中各DSP处理系统的CPU均采用TI公司生产的TMS320LF2407A，它是专门针对控制领域应用的DSP芯片，具有高速信号处理和数字控制功能所必需的体系结构，其指令执行速度高达40MIPS，且绝大部分的指令都可以在一个25ns的单周期内执行完毕。另外，它还具有非常强大的片内I/O端口和其它外围设备，可以简化外围电路设计，降低系统成本。
本发明底层控制中的超声测距DSP系统采用TMS320LF2407A为核心处理器，通过硬件中断和轮巡采集等方法实现传感器数据采集的实时性和可靠性，软件上采用传感器数据融合算法和容错设计方法保证系统可以达到很高的采集速率和很高的精度。通过CAN总线通信，可以将测距值以很高的通信速率可靠的发送给机器人底层控制中的其他模块和上层控制计算机。
避障及伺服控制DSP系统中的伺服控制是采用变结构的原理来实现的，即在误差较大时使用最速控制，电机加全压高速运行，以使误差迅速减小，在误差较小时使用增益可变的PID控制，实现驱动轮伺服系统的无超调运行，以达到移动机器人高精度、高速度移动的目的。底层控制中的移动机器人避障是通过采集安装在机器人系统上的多路红外传感器信号、采用动态避障算法来实现的。
本发明底层控制中的路径规划DSP系统用来实现移动机器人定位和路径规划两部分功能。移动机器人定位用于实时测定机器人当前坐标及方位，它首先根据电机轴编码器的输出经计算后得到粗定位，然后根据超声传感器信息以及上层的图像等其它信息来达到精确定位。路径规划则是根据上面已经得出的机器人位置信息和上层计算机给出的机器人工作环境信息和目标点信息，按照某种优化指标，采用人工势场算法在起始点和目标点间规划出一条与环境障碍无碰的路径。
上层控制的主控机采用嵌入式工业控制计算机，它主要完成两部分功能，一是接收用户的控制指令并显示移动机器人的位置和状态信息，完成与用户的人机接口；二是完成与机器人底层的交互，获取机器人感知的全部环境信息和机器人的运行状态，通过对全局信息的分析和推理有效实施对底层控制中各功能模块的任务调度和故障处理，保证移动机器人整体运行的高效和可靠性。
Claims (3)
1.一种基于多数字信号处理器并行处理的自主移动机器人系统，包括：
与超声传感器相连的超声测距数字信号处理器系统，用于接收和处理超声传感器信号，实现自主移动机器人的测距；
与移动机构和红外传感器相连的避障及伺服控制数字信号处理器系统，用于接收和处理红外传感器信号，以便控制移动机构并实现自主移动机器人的伺服控制和自主避障；
与定位传感器相连的路径规划数字信号处理器系统，用于接收和处理定位传感器信号，实现自主移动机器人的路径规划；
上述三个互相独立的数字信号处理器之间及三个相互独立的数字信号处理器与上层控制计算机之间通过控制器局部网路总线连成控制器局部网络。
2.按权利要求1所述的系统，其特征在于所述三个互相独立的数字信号处理器平行处理信号。
3.按权利要求1所述的系统，其特征在于所述三个互相独立的数字信号处理器之间及与上层计算机之间通过控制器局部网路总线通信。
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