CN206235880U - 一种面向服务机器人控制系统的多重监控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种面向服务机器人控制系统的多重监控系统，第一级监控中心，用于实现对服务机器人控制系统的状态信息、姿态信息进行监控并根据监控信息判断任务的工作状态；第二级监控中心实现对第一级监控中心执行状况进行实时监控同时对第一级监控中心返回的状态信息进行处理并做出处理决策返回给第一级监控中心执行；第三级监控中心，用于实现对第一级监控中心执行状况进行实时监视。能够对机器人控制系统信息进行有效监控并针对错误信息作出相应的处理措施，避免因机器人疯跑等错误引起的危险情况发生，保障机器人能够安全、稳定、高效的运行。

Description

一种面向服务机器人控制系统的多重监控系统

技术领域

本实用新型涉及监控技术领域，具体涉及一种面向服务机器人控制系统的多重监控系统。

背景技术

当前衡量机器人控制系统质量的重要标志是系统的安全性和稳定性，对于室内环境下运行的服务机器人，考虑到人与机器人的和谐相处，服务机器人控制系统的安全性和稳定性显得尤为重要。

为保证机器人控制系统的可靠运行，提高机器人控制系统的安全性，对于机器人控制系统运行状态的监控，传统方法多采用“看门狗”技术，但是将硬件看门狗或软件看门狗技术作为服务机器人安全监控的核心主要存在一些问题：

(1)只是对机器人控制系统程序是否跑飞进行监控，无法对各部件运行状况，如机器人速度、姿态、电源等信息进行全面实时监控。对机器人的监控比较单一，不够全面。

(2)机器人控制系统程序一旦出现执行错乱，只能对机器人的主控制器进行复位操作，而对机器人控制系统的部件故障，异常状态信息无能为力，即监控处理机制不够全面灵活。

机器人控制系统运行常见的错误有：控制系统电源故障、机器人运行姿态错误或速度异常、控制器程序执行错误、电机电流过流、上下位机通信异常等，每一种错误都会影响机器人的稳定运行。

总之，目前监控系统架构无法实现对面向服务机器人控制系统有效的监控。

实用新型内容

为解决现有技术存在的不足，本实用新型公开了一种面向服务机器人控制系统的多重监控系统，本实用新型的目的是通过三级监控中心实现对服务机器人控制系统的多重监控，并针对错误信息作出相应的处理措施，避免因机器人疯跑等错误引起的危险情况发生，保障机器人能够安全、稳定、高效的运行。

为实现上述目的，本实用新型的具体方案如下：

一种面向服务机器人控制系统的多重监控系统，包括：

第一级监控中心，用于实现对服务机器人控制系统的状态信息、姿态信息进行监控并根据监控信息判断任务的工作状态；

第二级监控中心，所述第二级监控中心与所述第一级监控中心进行通信，所述第二级监控中心实现对第一级监控中心执行状况进行实时监控同时对第一级监控中心返回的状态信息进行处理并做出处理决策返回给第一级监控中心执行；

第三级监控中心，用于实现对第一级监控中心执行状况进行实时监视，当第一级监控中心程序执行出错导致程序跑飞时，实现对第一级监控中心产生复位操作，同时，利用计数器对看门狗复位操作次数进行计数，当复位次数达到一定值时，第一级监控中心将报警信息传给第二级监控中心。

进一步的，所述第二级监控中心还能通过网络将机器人控制系统的状态信息实时推送到APP客户端，告知用户机器人控制系统的运行状态。状态信息包括电池电量、超声障碍信息、故障信息。

进一步的，所述第一级监控中心包括控制器，所述控制器分别与惯导模块、过流检测模块、电压检测模块、超声信息模块、编码器测速模块、第二电源稳压模块相连。

惯导模块能够在GPS无法定位的室内环境下，获得机器人的位置信息，实现机器人的相对定位；过流检测模块是机器人通过电机驱动芯片输出电机运行过程中电流大小，来检测电机运行电流是否过大；电压检测模块用于实时检测电池的电压高低，当电压降低到一定的数值时，需要充电；超声信息模块用于检测机器人周围障碍的距离信息；编码器测速模块通过采集编码器输出脉冲来测定机器人的行走速度；电源稳压模块是将电池高电压降压转换成控制器和各种传感器所需要的正常工作电压5V和3.3V。

进一步的，第一级监控中心的控制器采用的是抢占式多任务实时操作系统，负责检测各个模块信息的多任务运行，还需要对多任务进行运行监控。

进一步的，所述控制器对多任务进行运行监控，具体是首先将软件看门狗作为优先级最高的任务，监视其他任务是否正常运行，当被监视的各任务都正常运行时，被监视任务就会在一定的时间内对控制器进行喂狗操作，如果被监视的某一任务运行出现异常时，则监视任务把异常任务的堆栈指针指向任务起始地址，将异常任务重新启动，并对异常任务的重启次数进行统计。

进一步的，所述重启次数达到设定的次数任务仍出现异常时，异常任务在规定的时间内无法对控制器进行喂狗操作，控制器产生复位操作。

进一步的，所述第二级监控中心包括上位机，所述上位机与第一电源稳压模块相连，所述上位机与第一级监控中心的控制器进行通信。

进一步的，所述第三级监控中心包括硬件看门狗电路，所述硬件看门狗电路与第二电源稳压模块相连，所述硬件看门狗电路与第一级监控中心的控制器进行通信，接收所述控制器发出的喂狗信号并将复位信号传输至所述控制器。

进一步的，所述第二级监控中心将报警信息通过网络服务器传输至APP客户端。

进一步的，所述第二级监控中心对第一级监控中心的程序执行状况进行实时监控，程序执行状况包括程序执行是否出错，通信协议是否乱码。

一种面向服务机器人控制系统的多重监控方法，包括：

第一级监控中心对服务机器人控制系统的状态及姿态的监控步骤、第二级监控中心对第一级监控中心的监控步骤及第三级监控中心对第一级监控中心的监控步骤；

其中，第一级监控中心对服务机器人控制系统的状态及姿态的监控步骤具体为：第一级监控中心实现对服务机器人控制系统的底层外围传感器的信息采集和运动控制；

第二级监控中心对第一级监控中心的监控步骤为：第一级监控中心将状态信息返回至第二级监控中心进行分析处理，并作出处理决策返回给第一级监控中心执行，第二级监控中心同时对第一级监控中心的程序执行状况进行实时监控；

第三级监控中心对第一级监控中心的监控步骤为：第三级监控中心对第一级监控中心的程序执行状况进行实时监视，当第一级监控中心程序执行出错导致程序跑飞时，对第一级监控中心产生复位操作，同时，利用计数器对看门狗复位操作次数进行计数，当短时间内复位次数达到设定值时，第一级监控中心将报警信息传给第二级监控中心。

进一步的，所述第一级监控中心对服务机器人控制系统的状态及姿态的监控步骤具体为：

首先将软件看门狗作为优先级最高的任务，监视其他任务是否正常运行，当被监视的各任务都正常运行时，被监视任务就会在一定的时间内对控制器执行喂狗操作；

如果被监视的某一任务运行出现异常时，则监视任务把异常任务的堆栈指针指向任务起始地址，重新启动异常任务，并对异常任务的重启次数进行统计，当达到一定的次数仍出现异常时，异常任务在规定的时间内无法对控制器进行喂狗操作，控制器就会产生复位操作。

进一步的，所述第二级监控中心对第一级监控中心的监控步骤具体为：

第二级监控中心与第一级监控中心通过串口进行通信，一方面对第一级监控中心的程序执行状况进行实时监控包括程序执行出错，通信协议乱码，另一方面对第一级监控中心返回的状态信息进行分析处理，并作出处理决策返回给第一级监控中心执行，同时第二级监控中心还能通过网络将机器人控制系统的状态信息实时推送到APP客户端，将机器人系统的运行状态告知用户。

进一步的，第二级监控中心对第一级监控中心的监控时，首先判断机器人的状态是否运行正常，若否，则关闭行走电机电源，若是，则继续判断第一级监控中心运行是否正常，若是，则继续接收第一级监控中心上传的机器人的状态信息步骤，若否，则第一级监控中心控制器复位，若复位次数超过设定值，则第二级监控中心产生报警信息并通过网络将报警信息传输至客户端。

本实用新型的有益效果：

本实用新型的高效全面的监控系统及方法能够对机器人控制系统信息进行有效监控并针对错误信息作出相应的处理措施，避免因机器人疯跑等错误引起的危险情况发生，保障机器人能够安全、稳定、高效的运行。

附图说明

图1是面向服务机器人的多重监控方法整体框架图；

图2是底层控制器STM32软件看门狗流程图；

图3是第二级监控上位机工作流程图。

具体实施方式：

下面结合附图对本实用新型进行详细说明：

本实用新型根据机器人控制系统安全运行的要求，采用弹性设计，多重监控思想，提出基于STM32F103、卡片式PC机和看门狗技术的多重安全监控。

本实用新型首先搭建了一种面向服务机器人控制系统的多重监控系统，如图1所示，包括：第一级监控中心，用于实现对服务机器人控制系统的状态信息、姿态信息进行监控并根据监控信息判断任务的工作状态；

姿态信息是有第一级监控中心STM32控制器处理的，在机器人进行直行和转向运动中，提供相对位置信息，使得运动控制更准确。

第二级监控中心，所述第二级监控中心与所述第一级监控中心进行通信，所述第二级监控中心实现对第一级监控中心执行状况进行实时监控同时对第一级监控中心返回的状态信息进行处理并做出处理决策返回给第一级监控中心执行；

第三级监控中心，用于实现对第一级监控中心执行状况进行实时监视，当第一级监控中心程序执行出错导致程序跑飞时，实现对第一级监控中心产生复位操作，同时，利用计数器对看门狗复位操作次数进行计数，当复位次数达到一定值时，第一级监控中心将报警信息传给第二级监控中心。

其中，STM32控制器是机器人的第一级监控中心，主要负责底层外围传感器的信息采集和运动控制，兼具运行状态和硬件故障信息的采集包括电源电压检测，速度异常检测，电机过流检测，超声避障故障检测；底层主控制器采用的是抢占式多任务实时操作系统uC/OS-II，除了负责检测各个模块(具体指惯导模块、过流检测模块、电压检测模块、超声信息模块、编码器测速模块、电源稳压模块)信息的多任务运行，还需要对多任务进行运行监控，方法是首先将软件看门狗作为优先级最高的任务，监视其他任务是否正常运行，当被监视的各任务都正常运行时，被监视任务就会在一定的时间内对STM32进行喂狗操作。如果被监视的某一任务运行出现异常时，则监视任务把异常任务的堆栈指针指向任务起始地址，重启异常任务，并对异常任务的重启次数进行统计，当达到一定的次数仍出现异常时，异常任务在规定的时间内无法对STM32进行喂狗操作，STM32就会产生复位操作。底层控制器STM32软件看门狗流程如图2所示。

电源稳压模块是由经典的稳压芯片及外围电路组成的，用于输出固定的电压5V和3.3V，分别给第二级监控中心卡片式PC机和第一级监控中心控制器供电。

惯导模块集成了加速度计和陀螺仪传感器，通过两种器件可以测量移动机器人在惯性坐标系中的角速度和线加速度，将其对时间进行积分，再转换到导航坐标系中，得到机器人在世界坐标系中的速度、偏航角和位置信息等。

卡片式计算机作为第二级监控中心，第二级监控中心与第一级监控中心通过串口进行通信，一方面对一级监控中心STM32的程序执行状况进行实时监控包括程序执行出错，通信协议乱码，另一方面对一级监控返回的状态信息(包括超声距离，速度信息，过流信息，防跌落信息)进行分析处理，并作出处理决策返回给一级监控STM32执行，同时第二级监控中心还能通过网络将机器人系统的状态信息实时推送到APP客户端，告知用户机器人系统的运行状态，监控流程如图3所示。

第二级监控中心对状态信息的分析处理：卡片式计算机实时接收机器人超声检测到的周围障碍物距离信息，并判断某个方位的超声检测的物体距离是否小于设定的机器人安全运行距离，若是，表示机器人对应方位有障碍靠近，然后二级监控中心就会通知一级监控中心采取转向运行操作，避开有障碍的地方；二级监控中心对于速度信息也是实时监控的，二级监控中心对于机器人的速度是有限幅处理的，当机器人的速度超出范围值时，会采取限幅操作，当限幅采取一定时间内仍然不起作用时，判定为速度异常现象，则二级监控中心产生关闭电机电源信号发送给一级监控中心，停止运动；过流信息是指机器人运行时电机电流的大小，当通过电机的电流过大时，属于过流现象，有可能是电机负载侧负载过大或电机堵转，过流有可能烧毁电机，所以当二级监控中心检测到电极电流大小超过限制值时，会通知一级监控中心控制器切断电机电源；机器人底盘到地面的距离是很小的，防跌落就是利用这一特点来做判断，当机器人走到楼梯边缘时，底盘边缘到地面的距离就会出现大距离，底盘上安装的防跌落模块就会告知一级监控中心有跌落的风险，即机器人有可能有悬空跌落的风险，所以二级监控中心接收到跌落信息时，会根据机器人跌落信息所在方位，通知机器人转向运行尽快原理跌落边缘，防止机器人摔倒或跌落。

TPS706S硬件看门狗电路是机器人系统的第三级监控中心，对第一级监控中心STM32的程序执行状况进行实时监视，当一级监控核心STM32程序执行出错导致程序跑飞时，能够对一级监控STM32产生复位操作，使系统重新工作，同时，利用计数器对看门狗复位操作次数进行计数，当系统短时间内复位次数达到一定值时，主控制器stm32将报警信息传给第二级监控中心，然后通过网络报警信息递送到用户手机APP客户端，提示用户系统出现严重故障，急需人为处理，避免严重情况发生。

第二级监控中心与第二级监控中心区别点：第二级监控中心对第一级监控中心进行监控是通过对机器人各模块状态信息的判断处理来实现监控的，对一些异常情况作出决策处理，防止机器人的各个模块异常而系统不自知，使机器人有一定的自处理能力；而第三级监控中心硬件看门狗并不关心第一级监控中心中的程序中各个模块的状态信息是多少，有没有超出异常值，而只对整个系统程序的执行情况进行监控，如果程序能够顺畅运行，不会出现任务卡死现象，硬件看门狗就会认为程序正常；当程序执行不正常时，程序错乱，就不会对硬件看门狗进行喂狗操作，就会导致硬件看门狗产生复位操作。

本实用新型的实施例子还公开了基于上述系统的面向服务机器人控制系统的多重监控方法，包括：

第一级监控中心对服务机器人控制系统的状态及姿态的监控步骤、第二级监控中心对第一级监控中心的监控步骤及第三级监控中心对第一级监控中心的监控步骤；

其中，第一级监控中心对服务机器人控制系统的状态及姿态的监控步骤具体为：第一级监控中心实现对服务机器人控制系统的底层外围传感器的信息采集和运动控制；

第二级监控中心对第一级监控中心的监控步骤为：第一级监控中心将状态信息返回至第二级监控中心进行分析处理，并作出处理决策返回给第一级监控中心执行，第二级监控中心同时对第一级监控中心的各模块运行状况进行实时监控；

第三级监控中心对第一级监控中心的监控步骤为：第三级监控中心对第一级监控中心的程序执行状况进行实时监视，当第一级监控中心程序执行出错导致程序跑飞时，对第一级监控中心产生复位操作，同时，利用计数器对看门狗复位操作次数进行计数，当短时间内复位次数达到设定值时，第一级监控中心将报警信息传给第二级监控中心。

可见，本实用新型针对服务机器人控制系统结合看门狗技术，将基于STM32的实时操作系统作为底层控制系统的处理核心，卡片式计算机作为机器人系统的上位监控核心，组成机器人运行状态的三级监控系统。

总的来说，针对服务机器人的三重监控策略，能够对弥补以往单级监控功能不全，处理机制缺乏等方面的不足，三级监控各司其职，又相互协调。能够对机器人进行故障监测包括硬件传感器故障信息，速度异常监测，软件程序运行状态监测，并针对故障采取相应的处理措施，具备自处理功能，保障机器人安全、稳定的运行，同时与用户交互，方便用户更好的了解机器人的状态。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型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实用新型的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种面向服务机器人控制系统的多重监控系统，其特征是，包括：

第一级监控中心，用于实现对服务机器人控制系统的状态信息、姿态信息进行监控并根据监控信息判断任务的工作状态；

第二级监控中心，所述第二级监控中心与所述第一级监控中心进行通信，所述第二级监控中心实现对第一级监控中心执行状况进行实时监控同时对第一级监控中心返回的状态信息进行处理并做出处理决策返回给第一级监控中心执行；

第三级监控中心，用于实现对第一级监控中心执行状况进行实时监视，当第一级监控中心程序执行出错导致程序跑飞时，实现对第一级监控中心产生复位操作，同时，利用计数器对看门狗复位操作次数进行计数，当复位次数达到一定值时，第一级监控中心将报警信息传给第二级监控中心。

2.如权利要求1所述的一种面向服务机器人控制系统的多重监控系统，其特征是，所述第二级监控中心还能通过网络将机器人控制系统的状态信息实时推送到APP客户端，告知用户机器人控制系统的运行状态。

3.如权利要求1所述的一种面向服务机器人控制系统的多重监控系统，其特征是，所述第一级监控中心包括控制器，所述控制器分别与惯导模块、过流检测模块、电压检测模块、超声状态信息模块、编码器测速模块、第二电源稳压模块相连。

4.如权利要求1或2所述的一种面向服务机器人控制系统的多重监控系统，其特征是，所述第二级监控中心包括上位机，所述上位机与第一电源稳压模块相连，所述上位机与第一级监控中心的控制器进行通信。

5.如权利要求1所述的一种面向服务机器人控制系统的多重监控系统，其特征是，所述第二级监控中心将报警信息通过网络服务器传输至APP客户端。

6.如权利要求1所述的一种面向服务机器人控制系统的多重监控系统，其特征是，所述第三级监控中心包括硬件看门狗电路，所述硬件看门狗电路与第二电源稳压模块相连，所述硬件看门狗电路与第一级监控中心的控制器进行通信，接收所述控制器发出的喂狗信号并将复位信号传输至所述控制器。