CN1308123C - 智能移动机器人 - Google Patents

Abstract

一种智能移动机器人，包括车体平台和机器人大脑两大部分，采用笔记本电脑作为机器人大脑，其上连接有无线以太网络通信设备和通用分组无线业务GPRS转接卡，机器人设置有向视觉传感器、由全维视觉传感器和全维视觉反射镜构成的全维视觉传感器系统，以及分布在车体周身的超声波传感器，机器人大脑负责采集处理视觉信号，负责与外界对象的通信和高层决策，下位机负责机器人执行机构的底层控制，并将采样获得的里程计信息、超声波传感器信息和储能状态信息上传给机器人大脑。本发明的智能移动机器人可用于移动机器人科学研究实验，也可用于交互式的机器人科普展览活动，加装踢球护球机构还可用于自主式机器人足球比赛。

Description

智能移动机器人

技术领域

本发明涉及一种智能移动机器人，尤其涉及一种以笔记本电脑作为大脑的智能移动机器人，主要用于智能移动机器人有关技术的研究实验、交互式科普展览、机器人足球比赛等。属于机电智能控制技术领域。

背景技术

随着相关科学技术领域的发展，智能移动机器人在强大的潜在需求下成了当前机器人的研究热点，也使得智能移动机器人相关人才的培养提到了台面。但是目前缺少成本低廉、结构合理的智能移动机器人作为研究实验和教学平台。

从智能移动机器人的决策控制角度分析，如同人类的大脑和小脑的功能分工，大体可以分成两个层次：一是机器人本体执行机构的底层开闭环控制；二是从接收环境信息到根据任务要求进行分析并最终做出决策规划的高层智能控制，类同于人类大脑的功能层次。

就目前的技术发展而言，一方面，移动机器人本体执行机构的底层开闭环控制技术已经相当成熟。这意味着对于机器人本体执行机构的底层开闭环控制来说，一旦设计完成后，就没有多少进行系统升级的压力。另一方面，智能移动机器人的高层智能控制技术还不成熟，研究试验的复杂程度在逐渐加深，现实是特定计算机的硬件性能不能满足超过一定复杂程度的高层实时智能控制的要求，这意味着对于机器人的大脑来说，有着根据应用要求选用合适硬件的强大需求。

目前，国内外开发了一些智能移动机器人，以工控机或专用的计算机作为机器人的大脑。2001年上海交通大学也开发出一种以工控机作为大脑的智能移动机器人。在科学研究使用实践中，复杂智能系统对于机器人大脑的计算能力要求很高。智能移动机器人的一个基本要求是能对环境变化和当前任务做出实时的决策和反应。完成复杂程度不同的实时任务对机器人大脑的分析计算能力的要求不同，这使得对构成机器人大脑的硬件的性能要求各不相同。有些实时任务目前的普通的计算机硬件就能满足要求，有些则需要高档的或几年后的计算机硬件才能满足要求。而机器人安装了工控机或专用的计算机作为大脑后，由于硬件结构上的原因，更换大脑极为不便，这限制了用户应用机器人完成各种层次的研究试验的能力；另外，用工控机或专用计算机作为大脑，机器人的调试也不太方便。

公开号为CN 1394660A的中国发明专利《全自主型足球机器人及其智能控制系统》，采用主机板作为机器人智能系统的运作硬件基础，机器人的各功能模块硬件固定安装在各分格层内，使得机器人硬件的拆卸维修比较麻烦；也由于用了固定在机器人车体内部的主机板作为智能系统运作的硬件基础，给系统的升级换代带来了极大的困难；由于其设计的特点，包括体系结构限制、传感器配置、通信设备限制等，使得其用途被限制于足球机器人比赛，缺乏通用性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种新的智能移动机器人，使得机器人的升级换代更为方便，通用性更强。

为实现这样的目的，本发明的智能移动机器人由车体平台和机器人大脑两大部分组成。机器人大脑采用笔记本电脑，连接有无线以太网络通信设备和通用分组无线业务GPRS转接卡；车体平台包含双轮差速型运动执行机构、下位机、全维视觉传感器、有向视觉传感器、超声波传感器、里程计、储能/供电系统等。全维视觉传感器和全维视觉反射镜构成全维视觉传感器系统，竖直安装在机器人顶部，有向视觉传感器以斜向下方向安装在机器人背部，全维视觉和有向视觉的视频数据线通过通用串行总线USB接口连接到笔记本电脑上。机器人车体周身安装若干个超声波传感器，各超声波传感器的分布方式以确保它们的感应范围相互衔接，超声波传感器与设置在车体内部的下位机的I/O口相连。机器人两侧壁安装的驱动轮与带减速器的运动执行电机相连，舵轮安装在机器人底盘后部中间，机器人侧壁上的凹槽中插有驱动轮保护板，笔记本电脑通过串口线与设置在车体内部的下位机串口相连，两个伺服放大器安装在机器人左右两内侧，分别位于两个运动执行电机后方并用于驱动运动执行电机，两运动执行电机分别对称固定在机器人左右侧壁上，两个编码器分别连接在两运动执行电机上，编码器的编码线同时连到下位机和相应的伺服放大器上，电池组安装在运动执行电机后面的机器人空腔内。下位机与储能/供电系统相连，并留有多个空闲的I/O口，供用户控制加装的执行机构使用。

本发明的智能移动机器人中，机器人大脑负责采集处理视觉信号、负责与外界对象(包括其它机器人)的通信和高层决策等任务。机器人大脑接收有向视觉传感器和全维视觉传感器系统捕捉的视觉信息，进一步融合视觉信息、超声波传感器信息、里程计信息和储能信息得到环境感知，然后将作出的行为决策指令通过串口下达给下位机执行。同时可通过无线以太网络通信设备或GPRS转接卡接受外来指令和进行机器人间的通信，然后根据任务要求做出决策，并将决策通告给其它机器人或监控站。

本发明的智能移动机器人中，下位机以数字信号处理器DSP板为基础构成，负责机器人的运动执行电机等执行机构的底层控制；还负责采集获取里程计信息、超声波传感器信息和储能状态等。下位机根据机器人大脑的指令要求，确定其当前任务：若是状态信息查询指令，负责向机器人大脑反馈有关状态信息；若是运动执行指令，下位机负责向伺服放大器发出控制信号。下位机以1毫秒为周期采样编码器信号，其一方面将采集到的编码器信号应用到运动执行机构的底层闭环控制，另一方面通过一定的算法将采集到编码器信号进行累计获得里程计信息，包括直线位移、角位移、线速度、角速度、线加速度等信息。下位机负责控制超声波传感器的轮流点火，并采集超声波传感器信息。下位机采样并处理获得机器人的储能状态信息。下位机通过串口将获得的里程计信息、超声波传感器信息和储能状态以及机器人状态信息上传给机器人大脑。

本发明的机器人可以通过无线以太网络通信设备与其它机器人进行通信联系，也可以通过该无线网络通信设备连接到因特网中。机器人也可以通过GPRS卡接入公共电话网，既允许机器人之间通过公共电话网系统进行通信，也允许通过公共电话网系统对机器人进行遥控。这使得机器人具备了在受到监控的情况下进行郊野户外活动的能力，拓展了智能机器人技术研究的实验应用范围。

本发明应用笔记本电脑作为机器人的大脑，允许在几秒钟时间内把机器人的大脑拆下，编写好软件后再在几秒钟时间内将大脑轻松装上去做实验。本发明使得智能移动机器人能够根据应用要求轻松更换其大脑的能力。

本发明的智能移动机器人可用于移动机器人科学研究实验，也可用其来开展交互式的机器人科普展览活动，加装踢球护球机构，还可用于自主式机器人足球比赛。

附图说明

图1是本发明智能移动机器人的外观侧向示意图。

图1中，1是笔记本电脑，2是有向视觉传感器，3是全维视觉传感器，4是全维视觉反射镜，3和4构成了全维视觉硬件系统，5是超声波传感器，6是驱动轮，7是舵轮，8是驱动轮保护板，9是机器人大脑与下位机间的串口线，10是储能状态指示灯，11是保险丝，12是充电器插头，13是视觉传感器电源线，14是视觉传感器视频数据线。

图2是本发明智能移动机器人的外观前向示意图。

图2中，1是笔记本电脑，2是有向视觉传感器，3是全维视觉传感器，4是全维视觉反射镜，3和4构成了全维视觉传感器系统，5是超声波传感器，6是驱动轮，7是舵轮，8是驱动轮保护板，9是机器人大脑与下位机间的串口线，13是视觉传感器电源线，14是视觉传感器视频数据线，15是伺服放大器，16是运动执行电机，17是编码器，18是电池组。

图3是本发明智能移动机器人的系统主要功能模块构成示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

本发明智能移动机器人的结构如图1所示，主要由机器人大脑和机器人车体组成。为方便拆卸，作为机器人大脑的笔记本电脑1安放在移动机器人的背部。无线以太网络通信设备和GPRS转接卡插接在笔记本电脑1上。有向视觉传感器2以朝斜前下方的方向安装在机器人背部前方。全维视觉传感器3和全维视觉反射镜4构成的全维视觉传感器系统竖直安装在机器人车体背部，有向视觉传感器2和全维视觉传感器系统通过视觉传感器视频数据线14连接到笔记本电脑1的USB接口，并通过插接在车体顶部的视觉传感器电源线13与电源连接。在机器人车体上盖板下方的车体周身安装若干个超声波传感器5，各超声波传感器的分布方式以确保它们的感应范围相互衔接为准，超声波传感器5与设置在车体内部的下位机的I/O口相连。两个驱动轮6分别安装在机器人两侧壁，并分别与两个带减速器的运动执行电机相连。舵轮7安装在机器人底盘后部中间，它是一随动轮，起支撑车体作用。机器人侧壁上的凹槽中插有驱动轮保护板8，可在机器人需要维修时方便地将其拔出。笔记本电脑1通过串口线9与下位机串口相连。机器人侧壁面板上安装四个不同颜色的发光二极管10及两个保险丝插座11，分别用于指示供电储能系统的供电电平，以及内部供电和外接电源供电的短路保护。侧壁面板上还安装有电池组充电插头12。

图2是本发明智能移动机器人结构的外观前向示意图。由图2可见，作为机器人大脑的笔记本电脑1安放在移动机器人的背部。机器人车体的前侧下部开口，以方便用户安装附加的执行结构。有向视觉传感器2和全维视觉传感器系统3、4均安装在机器人车体的背部。有向视觉传感器2和全维视觉传感器系统通过视觉传感器视频数据线14连接到笔记本电脑1的USB接口，并通过插接在车体顶部的视觉传感器电源线13与电源连接。在机器人车体上盖板下方的车体周身安装若干个超声波传感器5，各超声波传感器的感应范围相互衔接。笔记本电脑1通过串口线9与设置在车体内部的下位机串口相连。本发明采用双轮差速型运动执行机构，其中，机器人两侧壁的驱动轮6与带减速器的运动执行电机16直接相连，起支撑车体作用的舵轮7安装在机器人底盘后部中间。机器人侧壁上的凹槽中插有驱动轮保护板8。两个伺服放大器15安装在机器人左右两内侧，分别位于两个运动执行电机16后方并用于驱动运动执行电机16。两运动执行电机16分别对称固定在机器人左右侧壁上，位置处于中前部，使得机器人的重心靠近两运动执行电机轴线但又在其后方一定距离。两个编码器17分别连接在两运动执行电机16上，编码器17的编码线同时连到下位机和相应的伺服放大器15上。电池组18安装在运动执行电机16后面的机器人空腔内。两运动执行电机16中间和前方为空腔，用户可在此空腔内安装附加的执行机构，比如应用于机器人足球比赛时可安装踢护球机构。

本发明的智能移动机器人中，供电储能系统的电源板位于电池组18后方、舵轮7上方的机器人车体内部空腔。下位机和其它的一些电路板安装在机器人车体上盖板下方，电池组18上方的隔层内。

图3是本发明智能移动机器人的系统主要功能模块构成示意图。本发明的智能移动机器人中，机器人大脑以笔记本电脑1为硬件基础，连接有无线以太网络通信设备和GPRS转接卡。机器人大脑通过USB接口连接机器人车体上的全维视觉传感器系统和有向视觉传感器的视频数据线。机器人大脑通过RS232串行接口与下位机相连。下位机以DSP板为基础构成。下位机的I/O口与运动执行机构中的伺服放大器15相连，伺服放大器15驱动运动执行电机16，安装在运动执行电机上的编码器17通过码盘反馈线连到伺服放大器15和下位机。机器人车体上安装有超声波传感器5，超声波传感器5与下位机的I/O口相连。下位机与储能/供电系统相连，并留有多个空闲的I/O口，供用户控制加装的执行机构使用。

本发明中的机器人大脑负责与外界的通信、全维视觉传感器系统3、4和有向视觉传感器2的信息获取和处理、环境与自身状态感知、系统决策工作等。下位机负责执行机构的底层控制、里程计信息获取、超声波传感器5的控制与信息处理，以及供电系统储能情况的检测估计等。

本发明通过无线以太网络设备和GPRS转接卡与外界通信。通过这两种通信设备，机器人可以与其它机器人进行通信交互，也可以与系统管理工作站进行交互，接收人的命令，还可以接入因特网。通过GPRS转接卡，机器人能够接入GSM网等公共电话网，使得机器人之间能够通过公共电话网系统进行通信，也允许通过公共电话网系统对机器人进行远程配置和遥控，这对于应用本发明所述的智能移动机器人进行户外的科学研究实验极有帮助。

本发明中下位机由DSP板构成，一方面负责采集两个编码器17的反馈数据并处理获得里程计信息，负责获取采集超声波传感器5的信息等传感器信息和储能/供电系统的储能状态等机器人状态信息，另一方面负责实施对机器人的运动执行电机16等执行机构的底层控制。下位机在收到机器人大脑1的指令要求后，确定其当前任务，然后根据任务做出相应反应：若收到的是状态信息查询指令，下位机负责向机器人大脑1反馈有关的状态信息；若收到的是运动执行指令，下位机根据编码器17的反馈信号，负责向伺服放大器15发出合适的控制信号。下位机以1毫秒为周期采样两个编码器17的信号，一方面通过一定的算法将采集到编码器17的信号进行累计获得里程计信息，包括直线位移、角位移、线速度、角速度、线加速度等信息；另一方面将采集到的编码器17的信号应用到运动执行机构的底层闭环控制。下位机负责控制超声波传感器5的轮流点火，并采集处理超声波传感器5的反馈信息。下位机采样并处理获得机器人的储能/供电系统的储能状态信息。下位机通过串口将获得的里程计信息、超声波传感器信息和储能状态以及机器人状态信息上传给机器人大脑1。

本发明的机器人自带大容量24V可充电电池组，使得机器人能够独立连续工作4小时以上，能保证许多种科学实验和交互式科普展览活动的连续进行。此外还留有多个24V电源接头，以给用户添加的执行机构提供能量。机器人储能/供电系统具有电池组过放保护和短路过流保护等功能，并由机器人大脑随时监控机器人的自身储能情况，通过LED指示灯给出当前的储能水平的直观指示。

Claims (1)

1.一种智能移动机器人，包括机器人大脑和机器人车体，其特征在于采用笔记本电脑(1)作为机器人大脑，笔记本电脑(1)上插接无线以太网络通信设备和通用分组无线业务转接卡，有向视觉传感器(2)以及由全维视觉传感器(3)和全维视觉反射镜(4)构成的全维视觉传感器系统通过视觉传感器视频数据线(14)与笔记本电脑(1)的USB接口连接，机器人车体周身安装若干个超声波传感器(5)，各超声波传感器的分布方式以确保它们的感应范围相互衔接，超声波传感器(5)与设置在车体内部的下位机的I/O口相连，两个驱动轮(6)分别安装在机器人两侧壁，并分别与两个带减速器的运动执行电机(16)相连，舵轮(7)安装在机器人底盘后部中间，机器人侧壁上的凹槽中插有驱动轮保护板(8)，笔记本电脑(1)通过串口线(9)与下位机串口相连，两个伺服放大器(15)安装在机器人左右两内侧，分别位于两个运动执行电机(16)后方并用于驱动运动执行电机(16)，两运动执行电机(16)分别对称固定在机器人左右侧壁上，两个编码器(17)分别连接在两运动执行电机(16)上，编码器(17)的编码线同时连到下位机和相应的伺服放大器(15)上，电池组(18)安装在运动执行电机(16)后面的机器人车体空腔内，下位机与储能/供电系统相连，并留有多个空闲的I/O口，供用户控制加装的执行机构使用；其中，所述下位机由数字信号处理器(DSP)板构成。

Images