CN206825429U - 一种车体越障机器人控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于越障机器人控制系统领域，并具体公开了一种车体越障机器人控制系统，该控制系统包括车体控制模块、机械臂控制模块、风机吸附模块和图像处理模块，其中，该机械臂控制模块设于车体的机械臂上，该风机吸附模块和车体控制模块设于车体的底盘上，该图像处理模块设于车体的前端，上述机械臂控制模块、风机吸附模块和图像处理模块均与所述车体控制模块相连，并且所述车体控制模块和图像处理模块连接同一5V电源，所述风机吸附模块和机械臂控制模块连接同一24V电源。本实用新型可实现越障机器人翻越墙体障碍的自动化、智能化控制，具有模块结构简单、操作方便等优点。

Description

一种车体越障机器人控制系统

技术领域

本实用新型属于越障机器人控制系统领域，更具体地，涉及一种车体越障机器人控制系统。

背景技术

生产生活中，为了实现机械平台的自由移动以及翻越障碍功能，通常通过设置机械机构来实现，而随着对机械平台移动及越障要求的不断提高，其不但需要在平面内实现自由移动，同时还需要能够在不同夹角两平面之间实现翻越障碍。

现有的传统小车只能在普通平面上行走移动，而不能满足在存在包括阶梯、墙体平面、窗框等障碍的平面条件上移动，而市场上存在的越障小车只能实现类似于内九十度角、外九十度角等规则障碍，无法满足任意角度夹角之间的越障要求，其并不适合实际生产生活中许多高难度的越障情况，为了解决上述问题，又出现了一种可以配合多车体平台来满足越障要求的越障机器人，而为了实现该越障机器人的精确控制以满足越障要求，本领域需研究设计一套与上述越障机器人配合的控制系统，以实现这类越障机器人的精确控制。

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种车体越障机器人控制系统，通过对其关键模块如车体控制模块、机械臂控制模块、风机吸附模块和图像处理模块的结构及其具体设置关系进行研究和设计，可实现越障机器人翻越墙体障碍的自动化、智能化控制，具有模块结构简单、操作方便等优点。

为实现上述目的，本实用新型提出了一种车体越障机器人控制系统，其包括车体控制模块、机械臂控制模块、风机吸附模块和图像处理模块，其中，该机械臂控制模块设于车体的机械臂上，该风机吸附模块和车体控制模块设于车体的底盘上，该图像处理模块设于车体的前端，上述机械臂控制模块、风机吸附模块和图像处理模块均与所述车体控制模块相连，并且所述车体控制模块和图像处理模块连接同一5V电源，所述风机吸附模块和机械臂控制模块连接同一24V电源。

作为进一步优选的，所述机械臂控制模块包括机械臂主控制器、电机驱动子模块和电源子模块，其中，该电机驱动子模块包括安装在所述机械臂上的驱动电机，该驱动电机与所述机械臂主控制器通过电机驱动子模块相连，并且该电机驱动子模块与所述机械臂主控制器之间通过光耦隔离电路相连，该电源子模块包括与所述电机驱动子模块相连的24V电源以及与所述机械臂主控制器相连的隔离电源，该24V电源和隔离电源之间设置有降压子模块。

作为进一步优选的，所述机械臂控制模块还包括设置于所述机械臂上的激光对管，所述驱动电机和主控制器之间还设置有光电编码器。

作为进一步优选的，所述车体控制模块包括车体主控制器、底盘电机和接触开关，所述车体主控制器与所述底盘电机相连，该底盘电机安装在所述车体的底盘上，所述接触开关设有多个，并安装在所述车体的前端和后端，该多个所述接触开关均与所述车体主控制器相连。

作为进一步优选的，所述车体主控制器与所述底盘电机之间还设置有光电编码器。

作为进一步优选的，所述风机吸附模块包括驱动电调和离心风机，所述驱动电调分别与所述离心风机以及所述车体控制模块中的主控制器相连，该离心风机设置在所述车体的底盘上。

作为进一步优选的，所述图像处理模块包括彼此相连的摄像头和图像处理器，该图像处理器与所述车体主控制器实现无线通信。

作为进一步优选的，所述驱动电机为碳刷直流微电机，所述接触开关为微动开关。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本实用新型通过研究设计获得了包括车体控制模块、机械臂控制模块、风机吸附模块和图像处理模块的控制系统，其中通过机械臂控制模块调整机械臂可实现任意平面的大障碍越障，通过车体控制模块可实现车体的自由移动，通过风机吸附模块可将车体稳定吸附在任意平面墙体上，保证车体运动过程中的安全性，通过图像处理模块可识别车体前方障碍物，并将墙体障碍的夹角反馈到车体控制模块，通过上述各个模块的相互配合，实现车体机器人的精确控制。

2.本实用新型可实现机器人在翻越平面墙体时，提高翻越效率，并可保证机器人翻越任意角度平面障碍时，实现持续攀爬，本实用新型可实现机器人翻越墙体障碍的自动化、智能化，并能保证机器人持续攀爬任意角度的平面墙体。

3.本实用新型通过在碳刷直流微电机与主控制器之间设置光电编码器，可得到碳刷直流微电机的位置和速度反馈，实现电机转速和位置的闭环调节，精确控制机械臂运动到任意指定角度，进一步提高控制精度。

附图说明

图1是本实用新型的控制系统的结构示意图；

图2是三车体机器人整体结构示意图；

图3是本实用新型的机械臂控制模块结构示意图；

图4是本实用新型的车体控制模块结构示意图；

图5是车体越障时的探测阶段简化示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本实用新型实施例提供的一种适用于车体越障机器人的控制系统，该控制系统包括车体控制模块、机械臂控制模块、风机吸附模块和图像处理模块，机械臂控制模块、风机吸附模块和图像处理模块均与车体控制模块相连，具体的，机械臂控制模块和风机吸附模块与车体控制模块分别通过电线相连，而图像处理模块与车体控制模块则通过2.4G无线通信建立连接，并且车体控制模块和图像处理模块连接同一5V电源，所述风机吸附模块和机械臂控制模块连接同一24V电源。

具体的，该机械臂控制模块设于车体的机械臂上，其用于实时监测机械臂上各个电机的角度，并通过闭环调控以保证电机位于理想位置；图像处理模块设于车体的前端，其用于采集车体运动前方的图像信息，并识别障碍和墙体角度；风机吸附模块设于车体的底盘上，该风机吸附模块用于抽取负压腔中的空气，让车体拥有足够摩擦力吸附于墙体表面；车体控制模块设于车体的底盘上，其利用电线通过PWM信号对风机吸附模块中的离心风机进行调速，以调节车体运动过程中的吸附力，通过RS485总线与机械臂控制模块进行通讯，以实现对机械臂位置的实时控制以及机械臂运动过程中机械臂位置信息的获取，通过2.4G无线通信与图像处理模块建立连接，从图像处理模块获取车体运动前方的障碍信息以及墙体角度信息。

其中，车体越障机器人例如可为三车体越障机器人，如图2所示，该三车体越障机器人具体为一种三自由度机械臂结构，其包括机械臂和车体，机械臂有两组，每组机械臂包括第一关节支架1、第二关节支架2和第三关节支架3，第一关节支架1和第二关节支架2之间设置有第一机械臂长板4，第一关节支架1和第三关节支架3之间设置有第二机械臂长板5，第一机械臂长板4上设置有第一电机6，该第一电机6上连接有伞齿轮，第二机械臂长板5上设置有第二电机7和第三电机8，该第二电机7和第三电机8上均连接有伞齿轮15，第一关节支架1和第二关节支架2上分别安装有第一关节轴9和第二关节轴10，第一关节轴9上设有与第二电机7上的伞齿轮啮合的伞齿轮，第二关节轴10上设有与第一电机6上的伞齿轮啮合的伞齿轮；车体包括右车体11、中间车体12和左车体13，其中中间车体12位于右车体11和左车体13之间，右车体11通过轴承与其中一组机械臂中的第二关节轴10相连，具体的，轴承安装在第一车体中，该轴承与第二关节轴10配合，而第二车体12同样通过轴承安装有第三关节轴14，该第三关节轴14的两端分别设有伞齿轮，其中一个伞齿轮与其中一组机械臂中的第三电机上的伞齿轮15啮合，另一个伞齿轮与另一组机械臂中的第三电机上的伞齿轮15啮合。

如图3所示，机械臂控制模块包括机械臂主控制器、电机驱动子模块和电源子模块，其中，该机械臂主控制器用于监测和控制机械臂电机的运动以及实现机械臂控制模块与车体控制模块的交互，该电机驱动子模块包括安装在机械臂上的驱动电机，该驱动电机与机械臂主控制器通过电机驱动子模块相连，并且该电机驱动子模块与机械臂主控制器之间通过光耦隔离电路相连，其中光耦隔离电路用于隔离机械臂主控制器与电机驱动间的PWM信号，以防止驱动中的大电流回流到控制模块，例如在电路中设置6N137高速光耦芯片实现光耦隔离的作用，6N137高速光耦芯片最高传输速率可达10Mbit/s，以隔离控制模块和电机驱动模块，确保控制模块安全；所述电源子模块包括与电机驱动子模块相连的24V电源以及与机械臂主控制器相连的隔离电源，隔离电源用于将驱动部分与控制模块部分的电路隔开，达到全隔离的效果，以防止驱动部分过大的电流回流造成控制模块烧毁，该24V电源和隔离电源之间设置有降压子模块，降压子模块用于将24V的输入电压高效地转化为5V电压以供机械臂主控制器使用。

优选的，机械臂控制模块还包括设置于机械臂上的激光对管，驱动电机和主控制器之间还设置有光电编码器。激光对管位于机械臂上的固定位置，当驱动电机处于初始零点时，激光对管会产生一个零点信号给主控制器，机械臂主控制器采集到零点信号后即可对电机调零，激光对管用于确定机械臂零点的位置；光电编码器用于反馈驱动电机的转动过程中的转向信息和位置信息，实现闭环调节。其中，驱动电机优选为碳刷直流微电机，以用于带动三自由度机械臂运动，实现机械臂的运动功能。

如图4所示，车体控制模块包括车体主控制器、底盘电机和接触开关，车体主控制器负责调节车体的运动姿态，使该控制模块中的所有子模块协调统一，车体主控制器通过电机驱动与底盘电机相连，电机驱动用于接受车体主控制器的控制信息，并为底盘电机提供驱动电压，该底盘电机安装在车体的底盘上，底盘电机的转动将带动车体平移运动，实现车体在墙体表面的前进、后退以及转向，该车体主控制器通过Rs485总线与机械臂控制模块相连，实现与机械臂控制模块的信息交互，使用RS-485通信总线将单端信号转化为平衡差分信号，保证数据在多个分离的控制小模块中传输的准确性；所述接触开关设有多个，并安装在车体的前端和后端，该多个接触开关均与车体主控制器相连，接触开关在车体探测运动阶段中，可以感知车体前端和后端与墙体表面的接触信息，以实现对墙体角度的测量。所述主控制器与底盘电机之间还设置有光电编码器，光电编码器用于反馈底盘电机转动的转向信息和位置信息，实现闭环调节。此外，车体主控制器还与2.4G模块间通过SPI协议通讯，用于与图像处理模块进行信息交互。优选的，接触开关采用高灵敏的微动开关。

如图4所示，风机吸附模块包括驱动电调和离心风机，该离心风机设置在车体的底盘上，驱动电调分别与离心风机以及车体控制模块中的主控制器相连，具体通过电线将UVW三相与离心风机连接，驱动电调接收来自车体主控制器的PWM信号，并提供相应的三相驱动信号以驱动离心风机旋转，实现离心风机调速，为车体在墙面上的运动提供吸附力。

如图4所示，图像处理模块包括彼此通过电线相连的摄像头和图像处理器，该图像处理器与车体主控制器实现无线通信，具体的，通过2.4G无线通信模块与车体主控制器实现无线通信。摄像头用于采集图像信息，并将采集到的图像信息传输给图像处理器；图像处理器实现对摄像头采集到的图像数据进行处理，并识别墙体角度和障碍信息；图像处理器通过2.4G无线通信模块与车体控制模块的主控制器进行信息交互，传输视觉角度信息。

优选的，机械臂控制模块中的主控制器(CPU)选用STM32F103高性能单片机，高性能STM32F103单片机主频可达72MHz，运算速度快，模块抗干扰性强，实现机构运动的自动化、智能化；车体控制模块中的主控制器(CPU)选用STM32F407高性能单片机。进一步的，电机驱动为高性能L6205电机驱动，碳刷直流微电机为FAULHABER2342系列碳刷直流微电机，FAULHABER2342碳刷直流微电机最大扭矩可达1.72Nm，大扭矩电机提供机械臂转动过程中所需要的转速和力矩，L6205高性能电机驱动最大输出电流可达5.6A，最高驱动频率600KHz，以驱动FAULHABER2342碳刷直流微电机正常工作。

具体而言，机械臂控制模块负责协调多车体上的电机例如三车体中的三个独立的机械臂电机运动，机械臂控制模块接收到主车体控制器的运动命令后，发出PWM控制信号以控制直流电机向目标位置旋转，机械臂主控制器通过光电编码器提供的A、B两相脉冲识别电机旋转方向，对A、B两相电压脉冲计数以记录当前电机的旋转角度，对旋转角度进行微分可以给出电机转动的速度值，经过主控制器的适当运算后完成机械臂的位姿推算，根据机械臂当前位置与目标位置的误差来控制电机转动，可以实现对电机位置的精确锁定。而车体控制模块负责整个车体的平行移动与越障过程，机器人工作在户外未知的墙体上时，车体控制模块通过图像处理模块获取前方障碍数据，让车体控制模块可以规划合适的路径，并控制底盘电机沿规划好的轨迹平稳行驶，在车体遇到需要翻越的障碍时，车体控制模块通过485通讯总线向两套机械臂控制模块发送角度和速度控制指令，协调两三自由度机械臂带动车体翻越障碍。

为实现对墙体角度障碍的快速翻越，本控制系统在控制车体翻越墙体过程中，分为快速运动阶段和探测运动阶段两个阶段：1)图像处理模块检测到前方标记物明显弯曲时，通过图像算法得到墙体的大致角度回传到车体控制模块，车体控制模块得到该角度后，利用车体和墙面底部距离的确定性，计算出中间车体的应有的运动角度及运动高度，由图5的几何关系可以得知(图中A为左右车体，B为中间车体)，用于探测的车体距离墙面底部距离越近，碳刷直流微电机运动过程中所需要施加的力矩就越小，由此，可以计算出图2中的转角α和β大小，车体可以以较快的运动速度先将这两个角度运动到位，之后进入探测运动阶段，完成剩余的翻越动作，在接近墙面区域进入探测运动阶段时，车体使用前后两个接触开关判断车体与墙面的接触情况，车体控制模块控制两个接触开关全部与墙面接触，以实现主车体与墙面最大程度的贴合，保证离心风机吸附效果；2)探测车体经过快速运动阶段后已经非常接近目标墙体，进入探测运动阶段后，探测车体以目标墙体缓慢靠近，利用探测车体底部的多个接触开关感知车体与墙面的接触情况，车体控制模块根据车体接触情况不断调节车体姿态，直到探测车体完全与墙面重合，由于碳刷直流微电机所带动的光电编码器精度高，故可立即由几何关系得出墙体的实际角度，探测运动结束并得出角度后，其余车体即可以直接以最快速度运动到位，完成一次墙体翻越动作，每次翻越过程中，只有一个车体离开墙体表面，保证有三分之二的吸附力，以保证车体安全。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种车体越障机器人控制系统，其特征在于，包括车体控制模块、机械臂控制模块、风机吸附模块和图像处理模块，其中，该机械臂控制模块设于车体的机械臂上，该风机吸附模块和车体控制模块设于车体的底盘上，该图像处理模块设于车体的前端，上述机械臂控制模块、风机吸附模块和图像处理模块均与所述车体控制模块相连，并且所述车体控制模块和图像处理模块连接同一5V电源，所述风机吸附模块和机械臂控制模块连接同一24V电源。

2.如权利要求1所述的车体越障机器人控制系统，其特征在于，所述机械臂控制模块包括机械臂主控制器、电机驱动子模块和电源子模块，其中，该电机驱动子模块包括安装在所述机械臂上的驱动电机，该驱动电机与所述机械臂主控制器通过电机驱动子模块相连，并且该电机驱动子模块与所述机械臂主控制器之间通过光耦隔离电路相连，该电源子模块包括与所述电机驱动子模块相连的24V电源以及与所述机械臂主控制器相连的隔离电源，该24V电源和隔离电源之间设置有降压子模块。

3.如权利要求2所述的车体越障机器人控制系统，其特征在于，所述机械臂控制模块还包括设置于所述机械臂上的激光对管，所述驱动电机和主控制器之间还设置有光电编码器。

4.如权利要求1所述的车体越障机器人控制系统，其特征在于，所述车体控制模块包括车体主控制器、底盘电机和接触开关，所述车体主控制器与所述底盘电机相连，该底盘电机安装在所述车体的底盘上，所述接触开关设有多个，并安装在所述车体的前端和后端，该多个所述接触开关均与所述车体主控制器相连。

5.如权利要求4所述的车体越障机器人控制系统，其特征在于，所述车体主控制器与所述底盘电机之间还设置有光电编码器。

6.如权利要求1所述的车体越障机器人控制系统，其特征在于，所述风机吸附模块包括驱动电调和离心风机，所述驱动电调分别与所述离心风机以及所述车体控制模块中的主控制器相连，该离心风机设置在所述车体的底盘上。

7.如权利要求1所述的车体越障机器人控制系统，其特征在于，所述图像处理模块包括彼此相连的摄像头和图像处理器，该图像处理器与所述车体主控制器实现无线通信。

8.如权利要求2所述的车体越障机器人控制系统，其特征在于，所述的驱动电机为碳刷直流微电机。

9.如权利要求4所述的车体越障机器人控制系统，其特征在于，所述的接触开关为微动开关。