CN208126153U - 一种基于仿生slam的移动机器人特能分析实验平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于仿生SLAM的移动机器人特能分析实验平台，涉及机器人航位推算领域，包括移动机器人和机器人系统，所述机器人系统分为用户层、决策控制层、传感信息层和运动控制层，选取加速度计、磁力计和陀螺仪等传感器，弥补了纯视觉导航固有的缺陷，增强了系统的鲁棒性，多传感器融合的RatSLAM模型框架，在传统RatSLAM模型基础上利用加速度计、磁力计、陀螺仪等惯性导航设备采集机器人速度和航向等参数实现航位推算，路径综合进行路径更新以实现经历制图的构建，增强了系统在动态环境的稳定性，通过激光测距仪构建地图并绘制移动机器人实际走出的基准轨迹。

Description

一种基于仿生SLAM的移动机器人特能分析实验平台

技术领域

本实用新型涉及机器人航位推算领域，具体涉及一种基于仿生 SLAM的移动机器人特能分析实验平台。

背景技术：

导航是机器人领域中一个值得研究的问题，一般而言有电磁导航、磁带导航、视觉导航和激光导航，电磁导航是较为传统的导航方式之一，目前仍被许多系统采用，它是在行驶路径上埋设金属线，并在金属线上加载导引频率，通过对导引频率的识别来实现导航；磁带导航技术与电磁导航相近，不同之处在于采用了在路面上贴磁带替代在地面下埋设金属线，通过磁带感应信号实现导引；视觉导航是在行驶路径上涂刷与地面颜色反差大的油漆或粘贴颜色反差大的色带，通过摄图传感器将不断拍摄的图片与存储图片进行对比，偏移量信号输出给驱动控制系统，控制系统经过计算纠正行走方向，实现导航；激光导航是在行驶路径的周围安装位置精确的反射板，通过发射激光束，同时采集由反射板反射的激光束，来确定其当前的位置和方向，而RatSLAM模型的纯视觉导航，是基于纯视觉导航的一种模型，该模型路径需要维护系统稳定性不足，对于航向和速度的判断及控制不够理想，因此在此基础上对RatSLAM模型的纯视觉导航进行改进，弥补纯视觉导航固有的缺陷，增强系统的鲁棒性，增强系统在动态环境的稳定性。

如申请号为CN201710320077.0公开了一种基于单目视觉和IMU 信息的机器人定位与地图构建系统。该系统利用纯视觉导航信息对 IMU偏差模型、绝对尺度以及重力加速度方向等进行估计；在视觉导航中，使用高效的ORB特征提取算法，对图像帧提取丰富的ORB特征；利用基于预积分的IMU动力学模型建立相机的运动模型，对相机位置进行实时初步估计；在初步估计的基础上对两个图像帧之间的ORB特征进行更为精确的估计，再利用多目几何知识，实现对空间地图点三维重构；在融合IMU信息的视觉信息匹配的基础之上，采用基于因子图的后端优化算法，实时对地图位置进行精确和实时的估计。该系统能够对机器人运动和周围环境信息进行精确的估计，但是该系统并未公开如何采集机器人速度和航向等参数并实现航位推算。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于仿生SLAM的移动机器人特能分析实验平台，以解决现有技术中导致的上述多项缺陷。

一种基于仿生SLAM的移动机器人特能分析实验平台，包括移动机器人和机器人系统，所述机器人系统分为用户层、决策控制层、传感信息层和运动控制层，所述用户层包括PC上位机，所述决策控制层包括车载笔记本，所述PC上位机与车载笔记本通过无线连接，所述传感信息层包括传感器和运动控制设备，所述传感器包括激光测距仪、加速度计、陀螺仪和磁力计，所述运动控制层包括光电编码器1、光电编码器2、电机1、电机2、电机控制器1和电机控制器2，所述光电编码器1与电机控制器1电性连接，所述光电编码器2与电机控制器2电性连接，所述电机控制器1电性连接电机1，所述电机控制器2电性连接电机2，所述移动机器人包括运动控制卡和传感器主板，所述传感器主板上设有各种传感器扩展卡，每个传感器扩展卡的主控芯片根据需求选配AVR系列单片机Mega16或Mega8，所述传感器主板上设有RS-232转RS-485电路，所述车载笔记本通过RS-485 与传感信息层通讯，所述传感信息层通过RS-232与电机控制器1和电机控制器2连接。

优选的，所述运动控制卡主控芯片采用PHILIPS公司提供的ARM7 系列的芯片，所述运动控制卡嵌入式CPU芯片选型为PHILIPS公司提供的LPC2129芯片。

优选的，所述电机控制器采用博创科技开发的proMOTION BDMC 系列。

优选的，所述电机为saegmotor生产的空心杯电机，该电机集成 38SYK70系列的直流碳刷电机、P36HA系列的A型行星减速器以及 HKT30系列的数字编码器。

优选的，所述加速度计选取3轴加速度传感器ADXL345。

优选的，所述磁力计选取Honeywell的HMR3100磁力计。

优选的，所述陀螺仪选取的是7mm×7mm×3mm封装、角速度为 0-150°/s区间范围的ADXRS150陀螺仪。

优选的，所述激光测距仪采用HOKUYO公司URG-04LX型二维激光扫描测距仪。

优选的，所述车载笔记本为带前置摄像头的笔记本。

优选的，所述机器人系统中设有电源模块，所述电源模块包括 24V电源、5V电源以及电源保护电路。

本实用新型的优点在于：该种基于仿生SLAM的移动机器人特能分析实验平台，选取加速度计、磁力计和陀螺仪等传感器，弥补了纯视觉导航固有的缺陷，增强了系统的鲁棒性，多传感器融合的 RatSLAM模型框架，在传统RatSLAM模型基础上利用加速度计、磁力计、陀螺仪等惯性导航设备采集机器人速度和航向等参数实现航位推算，路径综合进行路径更新以实现经历制图的构建，增强了系统在动态环境的稳定性，通过激光测距仪构建地图并绘制移动机器人实际走出的基准轨迹。

附图说明

图1为本实用新型中“VoyagerII”型移动机器人系统架构图。

图2为本实用新型中多传感器融合的RatSLAM模型框架图。

图3为本实用新型中“VoyagerII”型移动机器人电气接口图图。

图4为本实用新型中24V电源输入及简单的电源保护电路图。

图5为本实用新型中5V稳压电源电路图。

图6为本实用新型中电路间电源保护电路图。

图7为本实用新型中运动控制部分主控及串口扩展芯片原理图。

图8为本实用新型中电机控制器BDMC3610模块的主要规格数据图。

图9为本实用新型中38SYK70系列直流碳刷电机的主要规格数据图。

图10为本实用新型中ADXL345的主要规格数据图。

图11为本实用新型中传感器模块原理图图。

图12为本实用新型中HMR3100主要规格数据图。

图13为本实用新型中ADXRS150模块中的AD芯片及电源芯片图。

图14为本实用新型中URG-04LX规格数据图。

图15为本实用新型中机载笔记本的RS-232转RS-485总线的主机电路图。

图16为本实用新型中从机设备UART转RS-485总线从机电路图。

图17为本实用新型中RS-485总线抗干扰电路图。

具体实施方式

为使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本实用新型。

如图1至图17所示，一种基于仿生SLAM的移动机器人特能分析实验平台，包括移动机器人和机器人系统，所述机器人系统分为用户层、决策控制层、传感信息层和运动控制层，所述用户层包括PC上位机，所述决策控制层包括车载笔记本，所述PC上位机与车载笔记本通过无线连接，车载笔记本是“VoyagerII”型移动机器人是该硬件系统和RS-485总线的主机，如图15所示，车载笔记本通过MAX232 芯片将标准RS-232电平转换至TTL电平标准，再通过MAX491芯片将 TTL电平标准转换至RS-485电平标准，所述传感信息层包括传感器和运动控制设备，传感信息层设备UART的标准TTL电平转RS-485总线从机电路挂载在RS-485总线上的传感信息层设备都符合,如图16 所示的硬件规范，仍通过MAX491芯片将UART的TTL电平标准转换成 RS-485电平标准，工作时将接收信号一直使能，发送信号使能端接至传感信息层各设备模块，仅当发送应答数据时发送信号才使能，发送完毕后再将其置为高阻态，通过如图17所示的硬件电路增强 RS-485总线的抗干扰性，远程设备需通过此电路增强RS-485总线的抗干扰性，对于干扰较小并且近距离的设备电路可进行悬空处理所述传感器包括激光测距仪、加速度计、陀螺仪和磁力计，加速度计、磁力计、陀螺仪三个模块在接收到车载笔记本的查询指令后，AVR系列的Mega16型单片机读取其传感器数据信息并通过MAX491芯片将TTL 电平标准转换至RS-485电平标准传输至车载笔记本；激光测距仪用于绘制实验场景的基准轨迹以便后续仿真实验对比，所述运动控制层包括光电编码器1、光电编码器2、电机1、电机2、电机控制器1和电机控制器2，电机控制器用于调节控制电机转速、扭矩、响应时间等参数，所述光电编码器1与电机控制器1电性连接，所述光电编码器2与电机控制器2电性连接，所述电机控制器1电性连接电机1，所述电机控制器2电性连接电机2，所述移动机器人包括运动控制卡和传感器主板，运动控制卡上的主控芯片一方面通过RS-232总线收集运动控制层的设备信息并通过RS-485总线传输至上位机，另一方面通过RS-485总线获取上位机的控制指令并通过RS-232总线向电机控制器传递控制信息，所述传感器主板上设有各种传感器扩展卡，每个传感器扩展卡的主控芯片根据需求选配AVR系列单片机Mega16或Mega8，所述传感器主板上设有RS-232转RS-485电路，所述车载笔记本通过RS-485与传感信息层通讯，所述传感信息层通过RS-232与电机控制器1和电机控制器2连接。

值得注意的是，所述运动控制卡主控芯片采用PHILIPS公司提供的ARM7系列的芯片，该芯片从RS-485总线上直接获取上位机的运动指令，并接管RS-232总线接口实现电机状态的控制，所述运动控制卡嵌入式CPU芯片选型为PHILIPS公司提供的LPC2129芯片，该芯片主要通过监听RS-485总线上的控制信息获取上位机的运动指令并通过控制运动控制层设备实现对移动机器人的自主控制，完成的任务具体包括：①读取24位ADS1256的SPI总线数据获取陀螺仪的角度信息，通过FIR数字滤波后获得移动机器人的角度信息；②读取磁力计的方向信息，通过FIR数字滤波后获取移动机器人方向信息；③读取电机运动距离信息；④将获取的角度信息、方向信息以及运动距离信息卡尔曼滤波融合为当前的运动状态信息；⑤将当前运动信息PID运算后获取电机的差速信息；⑥监听RS-485总线的控制信息并做出相应的响应；⑦控制UART0并向左右电机控制器各发送速度信息；⑧读取加速度计的速度信息。主控芯片LPC2129自身仅提供两个串口，无法满足实多串口通讯的要求，本文选用74AC153和74AC139芯片实现串口扩展以控制多个RS-232协议的设备，设计的原理图如图7所示。

在本实施例中，所述电机控制器采用博创科技开发的proMOTION BDMC系列。

在本实施例中，所述电机为saegmotor生产的空心杯电机，该电机集成38SYK70系列的直流碳刷电机、P36HA系列的A型行星减速器以及HKT30系列的数字编码器。

在本实施例中，所述加速度计选取3轴加速度传感器ADXL345，，该传感器功耗低，温度范围宽，质量轻，具备较强的抗冲击能力。芯片的主要规格数据如图10所示，该传感器稳定工作电压上限为 3.6V，故设计选用RT9161稳压芯片将扩展卡自身提供的5V电源转至3.3V电源并将该电源给加速度传感器供电，设计的传感器模块原理图和实物图如图11所示。

在本实施例中，所述磁力计选取Honeywell的HMR3100磁力计，磁力计通过磁传感器实现对地球磁场强度的测量。地磁场强度约 0.5Gauss，方向平行于地平面并永远指向地磁北极。当地磁场在北半球时，磁场方向朝下，赤道附近指向水平，当地磁场在南半球时，地磁场方向朝上。而在地球任何一个位置，地磁场的水平分量永远指向磁北极，故在地球上可通过磁力计实现对方位的判断，该传感器将磁阻传感器做传感元件，利用磁场对电流的霍耳效应产生感应电压实现方向的测量，实验时将磁阻元组成桥式电路增大输出并通过A/D转换将电压信号数字化，选用的HMR3100主要规格数据如图12所示。

在本实施例中，所述陀螺仪选取的是7mm×7mm×3mm封装、角速度为0-150°/s区间范围的ADXRS150陀螺仪，该陀螺仪具备抗振、抗冲击、宽频、噪音低等特性且传感器小而轻，通常应用于惯性测量单元、无人机等领域，AD模块电路采用24位的ADS1256芯片采集信号，通过高稳定性的REF195以及REF192给AD模块和陀螺仪提供高精度的电源和参考电平，如图13所示。

在本实施例中，所述激光测距仪采用HOKUYO公司URG-04LX型二维激光扫描测距仪，，该传感器测距范围5.6米，扫描时间短、精度和分辨率高、视场设计宽，且低功耗、质量轻，具体规格数据如图 14所示。

在本实施例中，所述车载笔记本为带前置摄像头的笔记本。

此外，所述机器人系统中设有电源模块，所述电源模块包括24V 电源、5V电源以及电源保护电路，如图4所示，POWER的2PIN接口一路直接给PC提供电源，另一路通过自恢复保险丝和肖特基二极管 (Schottky Barrier Diode，SBD)保护电源电路，并为传感器提供24V电源，如图5所示，5V电源电路模块为加速度计、磁力计、陀螺仪以及其他数字逻辑电路供电，其总功耗不超过2A，本文选用50W 的DC/DC2405电源模块获取稳定的5V电源，为避免电源反接或短路造成的系统崩溃，在各个扩展卡的每一路电源都设计了如图6所示的电源保护电路，实践表明，该电路具备一定的抗干扰能力。

基于上述，该种基于仿生SLAM的移动机器人特能分析实验平台，包括移动机器人和机器人系统，所述机器人系统分为用户层、决策控制层、传感信息层和运动控制层，选取加速度计、磁力计和陀螺仪等传感器，弥补了纯视觉导航固有的缺陷，增强了系统的鲁棒性，多传感器融合的RatSLAM模型框架，在传统RatSLAM模型基础上利用加速度计、磁力计、陀螺仪等惯性导航设备采集机器人速度和航向等参数实现航位推算，路径综合进行路径更新以实现经历制图的构建，增强了系统在动态环境的稳定性，通过激光测距仪构建地图并绘制移动机器人实际走出的基准轨迹。

由技术常识可知，本实用新型可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本实用新型范围内或在等同于本实用新型的范围内的改变均被本实用新型包含。

Claims (10)

1.一种基于仿生SLAM的移动机器人特能分析实验平台，包括移动机器人和机器人系统，其特征在于，所述机器人系统分为用户层、决策控制层、传感信息层和运动控制层，所述用户层包括PC上位机，所述决策控制层包括车载笔记本，所述PC上位机与车载笔记本通过无线连接，所述传感信息层包括传感器和运动控制设备，所述传感器包括激光测距仪、加速度计、陀螺仪和磁力计，所述运动控制层包括光电编码器1、光电编码器2、电机1、电机2、电机控制器1和电机控制器2，所述光电编码器1与电机控制器1电性连接，所述光电编码器2与电机控制器2电性连接，所述电机控制器1电性连接电机1，所述电机控制器2电性连接电机2，所述移动机器人包括运动控制卡和传感器主板，所述传感器主板上设有各种传感器扩展卡，每个传感器扩展卡的主控芯片根据需求选配AVR系列单片机Mega16或Mega8，所述传感器主板上设有RS-232转RS-485电路，所述车载笔记本通过RS-485与传感信息层通讯，所述传感信息层通过RS-232与电机控制器1和电机控制器2连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于仿生SLAM的移动机器人特能分析实验平台，其特征在于：所述运动控制卡主控芯片采用PHILIPS公司提供的ARM7系列的芯片，所述运动控制卡嵌入式CPU芯片选型为PHILIPS公司提供的LPC2129芯片。

3.根据权利要求1所述的一种基于仿生SLAM的移动机器人特能分析实验平台，其特征在于：所述电机控制器采用博创科技开发的proMOTION BDMC系列。

4.根据权利要求1所述的一种基于仿生SLAM的移动机器人特能分析实验平台，其特征在于：所述电机为saegmotor生产的空心杯电机，该电机集成38SYK70系列的直流碳刷电机、P36HA系列的A型行星减速器以及HKT30系列的数字编码器。

5.根据权利要求1所述的一种基于仿生SLAM的移动机器人特能分析实验平台，其特征在于：所述加速度计选取3轴加速度传感器ADXL345。

6.根据权利要求1所述的一种基于仿生SLAM的移动机器人特能分析实验平台，其特征在于：所述磁力计选取Honeywell的HMR3100磁力计。

7.根据权利要求1所述的一种基于仿生SLAM的移动机器人特能分析实验平台，其特征在于：所述陀螺仪选取的是7mm×7mm×3mm封装、角速度为0-150°/s区间范围的ADXRS150陀螺仪。

8.根据权利要求1所述的一种基于仿生SLAM的移动机器人特能分析实验平台，其特征在于：所述激光测距仪采用HOKUYO公司URG-04LX型二维激光扫描测距仪。

9.根据权利要求1所述的一种基于仿生SLAM的移动机器人特能分析实验平台，其特征在于：所述车载笔记本为带前置摄像头的笔记本。

10.根据权利要求1所述的一种基于仿生SLAM的移动机器人特能分析实验平台，其特征在于：所述机器人系统中设有电源模块，所述电源模块包括24V电源、5V电源以及电源保护电路。