CN204904091U - 一种机器人运动控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种机器人运动控制系统，具体为机器人采用发射和接收一体的超声波模块、红外传感器模块、陀螺仪、加速度计模块、直流电机控制模块，共同完成机器人的行走、避障、防跌落以及其他的运动行为；本实用新型中的超声波模块、陀螺仪、加速度计模块均采用低电压低功耗直流电路，且使用iic总线形式，挂接在同一总线上，控制方便，红外传感器皆采用模拟输出，可方便通过AD（模数转换）进行数据采集、处理。

Description

一种机器人运动控制系统

技术领域

本实用新型属于机器人运动控制技术领域，具体为一种采用多传感器技术和运动控制算法实现机器人运动控制的技术。

背景技术

在机器人系统中，定位是一项核心技术，是机器人研究领域的重点和难点问题。机器人导航的基本任务有二点：

(1)基于环境理解的全局定位：通过环境中景物的理解，识别人为路标或具体的实物，以完成对机器人的定位，为路径规划提供素材；

(2)安全保护：能对机器人工作环境中出现的障碍和移动物体作出分析并避免对机器人造成的损伤。

机器人有多种导航方式，根据环境信息的完整程度、导航指示信号类型等因素的不同，可以分为基于地图的导航、基于创建地图的导航和无地图的导航三类。根据导航采用的硬件的不同，可将导航系统分为视觉导航和非视觉传感器组合导航。在自主移动机器人导航中，无论是局部实时避障还是全局规划，都需要精确知道机器人或障碍物的当前状态及位置，以完成导航、避障及路径规划等任务，这就是机器人的定位问题。

传统的导航技术数据源较为单一，因此使得对机器人周边信息掌握的不够准确，严重影响机器人运动的连续性，甚至导致其因为磕碰、摔倒产生了损坏，影响了使用可靠性。为了克服这一问题，有人提出了比较成熟的定位系统可分为被动式传感器系统和主动式传感器系统。而单一地采用上述系统，依旧不能精确地反映检测对象的特性，无法消除信息的不确定性。

发明内容

鉴于现有技术中存在的上述问题，本实用新型的主要目的在于解决现有技术的缺陷，为机器人装备多种传感器，通过多源信息融合产生更准确、更全面的信息，提高机器人使用的可靠性。

本实用新型提供了一种机器人运动控制模块，包括超声波测距单元、红外测距单元、防跌落单元、加速度测量单元、电机控制单元、陀螺仪单元，其特征在于：其中：

所述超声波测距单元包括在机器人前后面设置的多个超声波测距传感器，所述的超声波测距传感器带有实时温度补偿功能，并设置在一条总线上，所述总线最多可挂接20个超声波测距传感器，所述多个超声波测距传感器采用分时采集的方法，当一个超声波完成测量后，启动另一个超声波测量，以此解决相互干扰；

所述红外测距单元，包括在机器人前面设置多个红外测距传感器，主要分布在机器人两侧的边缘以及所述超声波测距传感器之间，用以弥补超声波系统中存在的死区部分；

所述防跌落单元，包括在机器人底盘近地面边缘设置多个红外测距传感器，可测量该部位到地面的距离，这样每个驱动轮的前后两侧机器人底盘的正前方和正后方都能检测到，并在发生异常时能够及时将数据反馈到控制器，达到有效的预防；

所述加速度测量单元，用于当机器人摔倒或跌落时，且防跌落单元未发出有效反馈时，能够监测到这种异常行为，并及时通知控制器进行相应的处理；

所述电机控制单元，包括带霍尔反馈输出的直流电机，将电机反馈作为增量式PID控制的输入量计算对电机的输出控制，用以解决由于采样周期不准确带来的计算结果偏大或偏小造成的电机转动忽快忽慢的问题；

所述陀螺仪单元，设置在在电机控制单元中，接受电机反馈来计算机器人相对于初始位置的位移，通过所述陀螺仪计算出机器人转过的角度，根据距离和角度的关系就能算出当下机器人的坐标。

附图说明

图1是本实用新型实施例的底盘红外避障传感器分布图。

图2是本实用新型实施例的机器人前面传感器分布图。

图3是本实用新型实施例的机器人后面传感器分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做出详细的说明。

本实用新型实施例提供了一种机器人运动控制系统，包括：

超声波测距单元，其采用KS103超声波测距探测器，并包含实时温度补偿的距离探测，能够实现高探测精度；即便在电源电压受干扰或噪音较大时，仍可正常工作；所述的超声波测距探测器的测距范围为2m时，一次测量过程仅需20ms，测量角度可达60°，机器人可设置多个超声波测距传感器，为其提供20个可修改的IIC地址，即一条总线上最多可挂接20个传感器；在机器人身上共有5个超声波组成一个超声波测量系统，因各个超声波都是可独立发送和接收的，为避免各个超声波模块同时进行发射造成不同超声波之间的干扰，将超声波分为2组，图2中的1、2、3为1组，图3中的1、2为1组，每组都采用分时采集的方法，当一个超声波完成测量后，启动另一个超声波测量，这样就解决了相互之间的干扰，并提高了整体的更新周期，使底层在60ms内就能完成所有的超声波数据采集工作；5个超声波的分布情况如图2和图3；如图2，以机器人的中心点为圆心，前壳上的3个超声波以分别间隔30°的方式排布，这样的排布可保证能够测量整个机器人前方的空间是否有障碍物；如图3，后壳上有2个超声波在后壳上平行排布，间距为17.2cm，可在机器人进行后退时进行简单的避障处理。

红外测距单元采用夏普的GP2Y0A21，夏普GP2Y0A21型距离测量传感器时基于PSD的微距传感器，其有效的测量距离在80cm以内，有效的测量角度大于40°，输出的信号为模拟电压，在0~8cm左右的范围内与距离成正比非线性的关系，在10~80cm的距离范围内成反比非线性关系，平均功耗约为30mA，反应时间为5ms，并且对背景光及温度的适应性较强。

在图2中可以看出在超声波测量的系统中存在明显的死区部分，包括1和2之间、2和3之间、3和4之间、1和7之间，所以在图2的4、5、6、7位置分别加装了一个红外测距传感器，从而增加避障的可靠性，这样的设计即可以保证机器人在行走的过程中两侧部分不会与障碍物摩擦或碰撞，又可以弥补超声波系统中间部分存在的死区；因考虑机器人的实际应用情况，所以在后面只采用2个超声波避障而没有加红外测距传感器，此设计足以满足当前的避障要求，而且也可以降低成本。

防跌落单元，防跌落部分采用夏普的GP2Y0A51SK，其有效的测量距离在2~15cm，用于预防机器人跌落或摔倒，因机器人底盘到地面的距离是固定的，距离为4cm，所以2~15cm的测量距离足以满足防跌落的需求；

如图1，为达到预防跌落的目的，在机器人底盘8个不同部位,分别装有1个GP2Y0A51SK，可测量该部位到地面的距离，分布情况即图1中标示的1~8，以机器人中心为中心点半径为15.3cm的圆上，这样每个驱动轮的两侧、每个转向轮的前后两侧、2个转向轮正前方都能检测到，并在发生异常时能够及时将数据反馈到控制器，达到有效的预防。

加速度计单元，虽然机器人用了6个GP2Y0A51SK进行防跌落处理，但突发的异常情况还是可能令机器人跌落或摔倒，所以增加了加速度计模块，当机器人摔倒或跌落时，可以检测到这种异常行为，并及时通知控制器进行相应的处理，此模块安装在机器人内部。

电机控制单元，电机采用带霍尔反馈输出的直流电机，将电机反馈作为增量式PID控制的输入量计算对电机的输出控制，采样周期定为5ms，若采样周期过短，会使系统负担过重降低系统的性能，采样周期过长则控制效果变差，所以采样周期根据系统性能定为5ms，为保证采样周期的精确性，将PID控制过程放入定时器中断中进行处理，使系统能够保证每隔5ms必能进行一次PID调节控制，这样可以解决由于采样周期不准确带来的计算结果偏大或偏小造成的电机转动忽快忽慢的现象。

陀螺仪单元，在电机控制部分，电机的反馈除了可以作为PID控制的输入外，还可以用来计算机器人相对于初始位置的位移，但根据电机的反馈只能测试轮子转过的距离，而无法确定位移，所以就需要陀螺仪的辅助才能完成位移的计算，陀螺仪能够计算出机器人转过的角度，根据距离和角度的关系就能算出当下机器人的坐标，此模块安装在机器人的内部。

Claims (10)

1.一种机器人运动控制系统，包括复数个功能单元，其特征在于：包括超声波测距单元和防跌落单元；

所述的超声波测距单元，包括在机器人前后面设置的多个超声波测距传感器，所述的超声波测距传感器带有实时温度补偿功能，并设置在一条总线上，所述多个超声波测距传感器采用分时测量；

所述防跌落单元，包括在机器人底盘设置多个红外测距传感器，所述多个红外测距传感器分布在机器人底盘的驱动轮前后，将所测量的到地面的距离数据及时反馈到控制器。

2.根据权利要求1所述的运动控制系统，其特征在于，所述的总线最多可挂接20个超声波测距传感器。

3.根据权利要求2所述的运动控制系统，其特征在于，还包括红外测距单元，包括在机器人前面设置多个红外测距传感器，主要分布在机器人两侧的边缘以及所述超声波测距传感器之间，用以对所述超声波测距单元中存在的死区进行探测。

4.根据权利要求3所述的运动控制系统，其特征在于，还包括加速度测量单元，用于当机器人摔倒或跌落时，且所述防跌落单元未发出有效反馈时，能够监测到这种异常行为，并及时通知控制器进行相应的处理。

5.根据权利要求4所述的运动控制系统，其特征在于，还包括电机控制单元，采用带霍尔反馈输出的直流电机，将所述霍尔反馈作为增量式PID控制的输入量，通过计算对电机的输出进行控制。

6.根据权利要求5所述的运动控制系统，其特征在于，还包括陀螺仪单元，设置在所述电机控制单元中，接受电机反馈来计算机器人相对于初始位置的位移，通过所述陀螺仪计算出机器人转过的角度，根据距离和角度的关系获得当下机器人的坐标。

7.根据权利要求6所述的运动控制系统，其特征在于，所述的超声波测距传感器按以下方式分布：前壳上的3个超声波测距传感器以机器人前壳中心为圆心，以间隔30°的方式排布；后壳上的2个超声波测距传感器平行排布。

8.根据权利要求7所述的运动控制系统，其特征在于，所述的红外测距单元采用夏普GP2Y0A21型距离测量传感器。

9.根据权利要求8所述的运动控制系统，其特征在于，所述的防跌落单元设置8个，并安装在以机器人底盘中心为圆心的圆周上。

10.根据权利要求9所述的运动控制系统，其特征在于，所述的电机控制单元中，所述增量式PID控制的调节周期为5ms。