專利名稱：一種移動機(jī)器人導(dǎo)航控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種移動機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)，具體地說是一種移動機(jī)器人導(dǎo)航控制裝置。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)器人正在向自主智能機(jī)器人的方向發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域從工業(yè)逐步滲透到軍用、家用、醫(yī)療、建筑等行業(yè)。但機(jī)器人的自主導(dǎo)航與定位技術(shù)的現(xiàn)狀限制了智能移動機(jī)器人在上述諸多領(lǐng)域的應(yīng)用。 目前移動機(jī)器人導(dǎo)航裝置沒有通用的硬件結(jié)構(gòu)。以往的機(jī)器人導(dǎo)航部分，主要是基于具體硬件的單一設(shè)計(jì)，導(dǎo)航系統(tǒng)往往在軟、硬件上都不具備兼容性和可擴(kuò)展性、可重構(gòu)性。隨著傳感器模塊的增減以及驅(qū)動裝置的變化，此類機(jī)器人導(dǎo)航控制裝置就不具有通用性。對于新的硬件需求，系統(tǒng)不得不重新制作，成本和效率將大打折扣。從控制對象上看，智能移動機(jī)器人的導(dǎo)航裝置需要完成對傳感器信息的采集、對多傳感器信息的融合以及環(huán)境建模、定位和路徑規(guī)劃功能。為了解決上述問題，大多數(shù)研究機(jī)構(gòu)和公司采用多處理器來實(shí)現(xiàn)，這種方法不僅增大系統(tǒng)的體積、功耗和成本，而且降低了系統(tǒng)的通用性。
目前移動機(jī)器人沒有專用的操作系統(tǒng)，為了降低開發(fā)難度，部分廠家和研究機(jī)構(gòu)直接在X86平臺上采用Windows操作系統(tǒng)作為機(jī)器人控制系統(tǒng)的操作系統(tǒng)?；赪indows的操作系統(tǒng)雖然界面友好、容易開發(fā)，但是對于移動機(jī)器人導(dǎo)航這種對實(shí)時(shí)性要求較高的控制系統(tǒng)來說，Windows操作系統(tǒng)難以滿足其要求，也就降低了系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，基于Windows操作系統(tǒng)的機(jī)器人對硬件要求也較高，客觀上也增加了機(jī)器人制作的成本。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足之處，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種以嵌
入式處理器為核心處理單元的移動機(jī)器人導(dǎo)航控制裝置。 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是 本發(fā)明移動機(jī)器人導(dǎo)航控制裝置基于CAN總線的分布式結(jié)構(gòu)，包括 ARM9處理單元，采用CAN總線與ARM7處理單元及DSP處理單元進(jìn)行通訊連接，完
成各類傳感器信息融合與導(dǎo)航規(guī)劃；ARM7處理單元，采集傳感器信息發(fā)送至ARM9處理單
元；DSP處理單元，接收ARM9處理單元的運(yùn)動控制指令，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的伺服控制。 所述ARM9處理單元內(nèi)部具有以ARM9處理器為控制核心的ARM9處理模塊，運(yùn)行嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，ARM9處理器通過CAN總線接口與ARM7處理單元、DSP處理單元相連，通過GSM模塊接收用戶手機(jī)發(fā)送的導(dǎo)航控制指令，發(fā)送機(jī)器人的狀態(tài)信息至用戶手機(jī)，通過USB接口接收USB攝像頭傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)；通過音頻輸入輸出模塊接收用戶語音控制指令；所述ARM9處理模塊還通過觸摸屏接口接有觸摸屏，接收用戶通過觸摸屏發(fā)送的指令；所述ARM7處理單元內(nèi)部具有以ARM7處理器為控制核心的ARM7處理模塊，運(yùn)行嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，ARM7處理器通過定時(shí)器接口及通用輸入輸出接口接有超聲波傳感器，通過AD接口接有紅外傳感器；通過串口接口接有電子羅盤傳感器，通過通用輸入輸出接口接有熱釋電傳感器和煙霧傳感器，通過CAN總線接口與ARM9處理單元、DSP處理單元以及其他具有CAN總線接口的設(shè)備相連；所述ARM9處理單元還具有無線網(wǎng)絡(luò)模塊，通過無線網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)相連，接收遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)傳輸?shù)沫h(huán)境地圖信息，將機(jī)器人的位置信息反饋到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)。
本發(fā)明具有以下技術(shù)效果及優(yōu)點(diǎn) 1.本發(fā)明裝置采用通過CAN總線實(shí)現(xiàn)嵌入式微處理器的分布式連接，有效降低各個(gè)處理單元的計(jì)算負(fù)擔(dān)，保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)性； 2.本發(fā)明裝置設(shè)有多個(gè)接口，提高了裝置擴(kuò)展升級的靈活性； 3.本發(fā)明裝置采用嵌入式微處理器，功耗低，能夠滿足家庭、公共環(huán)境中對于機(jī)器
人運(yùn)行時(shí)間的要求； 4.系統(tǒng)成本低，有助于移動機(jī)器人產(chǎn)品的推廣。


圖1為本發(fā)明的整體硬件結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明的ARM9處理器單元硬件結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本發(fā)明的ARM7處理器單元硬件結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為本發(fā)明采用的軟件結(jié)構(gòu)示意圖。 下面結(jié)合附圖以及實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。 如圖1所示，為本發(fā)明的整體硬件結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明裝置包括ARM9處理單元、ARM7處理單元以及DSP處理單元，三者都含有CAN總線接口 ，通過CAN總線實(shí)現(xiàn)分布式連接。其中ARM9處理單元通過無線網(wǎng)絡(luò)模塊和遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)相連，采用CAN總線與ARM7處理單元及DSP處理單元進(jìn)行通訊連接，完成各類傳感器的信息融合與導(dǎo)航規(guī)劃；ARM7處理單元用于采集各類傳感器信息發(fā)送至ARM9處理單元；DSP處理單元接收ARM9處理單元的運(yùn)動控制指令，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的伺服控制。 如圖2所示，為本發(fā)明的ARM9處理單元硬件結(jié)構(gòu)示意圖。ARM9處理單元內(nèi)部具有采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的ARM9處理模塊，ARM9處理模塊以ARM9處理器為控制核心，通過無線網(wǎng)絡(luò)模塊接收遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)傳輸?shù)沫h(huán)境地圖信息，將機(jī)器人的位置信息反饋到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)；ARM9處理器通過CAN總線接口與ARM7處理單元、DSP處理單元以及其他具有CAN接口的設(shè)備相連；通過GSM模塊接收用戶手機(jī)發(fā)送的導(dǎo)航控制指令，并發(fā)送機(jī)器人的狀態(tài)信息至用戶手機(jī)；通過USB接口接收USB攝像頭傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)；通過音頻輸入輸出模塊接收用戶語音控制指令；通過觸摸屏接口接有觸摸屏，用于接收用戶通過觸摸屏發(fā)送的指令，還可以通過ARM9處理模塊的其他外置接口 ，如CF卡接口及串口連接必要的外置設(shè)備，如CF存儲卡、調(diào)試終端等。 如圖3所示，為本發(fā)明的ARM7處理器單元硬件結(jié)構(gòu)示意圖，包括ARM7處理單元內(nèi)部具有采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的ARM7處理模塊，ARM7處理器通過定時(shí)器接口及通用輸入輸出接口接有超聲波傳感器陣列，本實(shí)施例采用一組6個(gè)，通過AD接口接有紅外傳感器陣列，本實(shí)施例采用3個(gè)，上述兩類傳感器用于檢測機(jī)器人距離周圍物體的距離信息；通過串口接口接有電子羅盤傳感器，用于檢測機(jī)器人方位信息；通過通用輸入輸出接口接有熱釋電傳感器和煙霧傳感器，分別用于人體檢測和環(huán)境煙霧濃度信息檢測；通過CAN總線接口與ARM9處理單元、DSP處理單元以及其他具有CAN接口的設(shè)備相連；IIC接口 ，用于和溫濕度傳感器相連；還具有SPI接口，用于擴(kuò)展傳感器設(shè)備。 DSP處理單元為本發(fā)明移動機(jī)器人導(dǎo)航控制裝置的執(zhí)行單元，其接收的ARM9處理單元的運(yùn)動控制指令，采用S/T速度規(guī)劃方法，對左、右輪電機(jī)進(jìn)行伺服控制。
圖4為本發(fā)明采用的軟件結(jié)構(gòu)示意圖，ARM9處理單元、ARM7處理單元及DSP處理單元為構(gòu)成移動機(jī)器人導(dǎo)航控制裝置的硬件部分，三者通過CAN總線進(jìn)行物理連接和數(shù)據(jù)通訊。在ARM9處理模塊上運(yùn)行MontaVista嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，在ARM7處理模塊上運(yùn)行UCOS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，在ARM9處理模塊上的Linux運(yùn)行環(huán)境下，采用多線程方法，把與導(dǎo)航控制相關(guān)的各個(gè)線程分為語音交互線程、CAN通訊線程、網(wǎng)絡(luò)通訊線程、路徑規(guī)劃線程、環(huán)境建模線程、定位線程；在ARM7處理模塊上的UCOS-II運(yùn)行環(huán)境下，采用多任務(wù)方法，把與導(dǎo)航控制相關(guān)的各個(gè)任務(wù)分為超聲波傳感器數(shù)據(jù)采集任務(wù)、紅外傳感器數(shù)據(jù)采集任務(wù)、電子羅盤數(shù)據(jù)采集任務(wù)、熱釋電傳感器數(shù)據(jù)采集任務(wù)、機(jī)器人運(yùn)動控制任務(wù)以及其他傳感器數(shù)據(jù)采集任務(wù)，如溫濕度傳感器采集任務(wù)等。各個(gè)任務(wù)所需要的數(shù)據(jù)，都可以通過CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊和數(shù)據(jù)共享。
本發(fā)明裝置的工作過程如下 當(dāng)裝置啟動運(yùn)行時(shí)，在UCOS-II操作性系統(tǒng)的調(diào)度下，ARM7處理單元開始周期性采集超聲波、紅外等各類傳感器數(shù)據(jù)，并且通過CAN總線把這些數(shù)據(jù)打包成數(shù)據(jù)幀傳遞給ARM9處理單元。機(jī)器人運(yùn)動時(shí)，DSP處理單元會采集機(jī)器人左、右輪電機(jī)碼盤反饋的數(shù)據(jù)，并在每一周期都將這些數(shù)據(jù)打包成數(shù)據(jù)幀傳遞給ARM9處理單元。當(dāng)ARM9處理單元接收到數(shù)據(jù)時(shí)，CAN通訊線程對CAN數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析(1)如果是ARM7處理單元發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，則發(fā)送事件消息給環(huán)境建模線程，通過Linux的系統(tǒng)調(diào)度，環(huán)境建模線程接收到ARM7處理單元發(fā)送來的數(shù)據(jù)幀并用最新的傳感器數(shù)據(jù)來更新當(dāng)前環(huán)境模型；(2)如果是DSP處理單元發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，則發(fā)送事件消息給定位線程，通過Li皿x的系統(tǒng)調(diào)度，定位線程接收到DSP處理單元發(fā)送來的數(shù)據(jù)幀并用最新的碼盤信息來更新當(dāng)前機(jī)器人位姿信息；路徑規(guī)劃線程通過Monta Vista的高精度定時(shí)器定時(shí)觸發(fā)執(zhí)行，當(dāng)路徑規(guī)劃線程得到定時(shí)器的事件消息時(shí)，讀取由環(huán)境建模線程提供的當(dāng)前環(huán)境信息和定位線程提供的機(jī)器人位姿信息，計(jì)算出機(jī)器人在下一周期的運(yùn)行軌跡并發(fā)送運(yùn)動控制指令至DSP處理單元，由DSP處理單元完成對機(jī)器人左、右輪電機(jī)的伺服控制。
權(quán)利要求
一種移動機(jī)器人導(dǎo)航控制裝置，其特征在于基于CAN總線的分布式結(jié)構(gòu)，包括ARM9處理單元，采用CAN總線與ARM7處理單元及DSP處理單元進(jìn)行通訊連接，完成各類傳感器信息融合與導(dǎo)航規(guī)劃；ARM7處理單元，采集傳感器信息發(fā)送至ARM9處理單元；DSP處理單元，接收ARM9處理單元的運(yùn)動控制指令，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的伺服控制。
2. 按權(quán)利要求1所述的移動機(jī)器人導(dǎo)航控制裝置，其特征在于所述ARM9處理單元內(nèi)部具有以ARM9處理器為控制核心的ARM9處理模塊，運(yùn)行嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，ARM9處理器通過CAN總線接口與ARM7處理單元、DSP處理單元相連，通過GSM模塊接收用戶手機(jī)發(fā)送的導(dǎo)航控制指令，發(fā)送機(jī)器人的狀態(tài)信息至用戶手機(jī)，通過USB接口接收USB攝像頭傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)；通過音頻輸入輸出模塊接收用戶語音控制指令。
3. 按權(quán)利要求2所述的移動機(jī)器人導(dǎo)航控制裝置，其特征在于所述ARM9處理模塊還 >通過觸摸屏接口接有觸摸屏，接收用戶通過觸摸屏發(fā)送的指令。
4. 按權(quán)利要求1所述的移動機(jī)器人導(dǎo)航控制裝置，其特征在于所述ARM7處理單元內(nèi)部具有以ARM7處理器為控制核心的ARM7處理模塊，運(yùn)行嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，ARM7處理器通過定時(shí)器接口及通用輸入輸出接口接有超聲波傳感器，通過AD接口接有紅外傳感器；通過串口接口接有電子羅盤傳感器，通過通用輸入輸出接口接有熱釋電傳感器和煙霧傳感器，通過CAN總線接口與ARM9處理單元、DSP處理單元以及其他具有CAN總線接口的設(shè)備相連。
5. 按權(quán)利要求1所述的移動機(jī)器人導(dǎo)航控制裝置，其特征在于所述ARM9處理單元還具有無線網(wǎng)絡(luò)模塊，通過無線網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)相連，接收遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)傳輸?shù)沫h(huán)境地圖信息，將機(jī)器人的位置信息反饋到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種移動機(jī)器人導(dǎo)航控制裝置，基于CAN總線的分布式結(jié)構(gòu)，包括ARM9處理單元，采用CAN總線與ARM7處理單元及DSP處理單元進(jìn)行通訊連接，完成各類傳感器信息融合與導(dǎo)航規(guī)劃；ARM7處理單元，采集傳感器信息發(fā)送至ARM9處理單元；DSP處理單元，接收ARM9處理單元的運(yùn)動控制指令，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的伺服控制。本發(fā)明裝置采用通過CAN總線實(shí)現(xiàn)嵌入式微處理器的分布式連接，有效降低各個(gè)處理單元的計(jì)算負(fù)擔(dān)，保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)性；設(shè)有多個(gè)接口，提高了裝置擴(kuò)展升級的靈活性；采用嵌入式微處理器，功耗低，能夠滿足家庭、公共環(huán)境中對于機(jī)器人運(yùn)行時(shí)間的要求。
文檔編號G01C21/00GK101751038SQ200810229320
公開日2010年6月23日 申請日期2008年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月5日
發(fā)明者徐方, 李學(xué)威, 杜振軍, 王長龍, 賈凱, 鄭春輝 申請人:沈陽新松機(jī)器人自動化股份有限公司