專利名稱：一種3g警用移動(dòng)機(jī)器人雙余度控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)，特別地涉及一種3G警用移動(dòng)機(jī)器人雙余 度控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
警用移動(dòng)機(jī)器人在國(guó)防行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景，其主要需要解決的難題是如何 在復(fù)雜環(huán)境下將人工智能技術(shù)應(yīng)用于機(jī)器人系統(tǒng)，以完成自主推理、規(guī)劃和控制的功能。其 面臨的環(huán)境更為復(fù)雜，從而對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。由于環(huán)境感知、自主定位 與導(dǎo)航等技術(shù)瓶頸的存在，完全自主移動(dòng)機(jī)器人在目前還難以走向?qū)嵱?。采用遠(yuǎn)程控制機(jī) 制，能有效地解決上述問(wèn)題。
警用移動(dòng)機(jī)器人采用遠(yuǎn)程控制機(jī)制，使其能夠在危險(xiǎn)環(huán)境下工作，又能夠在人力 不可及的范圍內(nèi)完成特定的任務(wù)，如處理放射性物質(zhì)以及排爆、危險(xiǎn)區(qū)域巡邏、偵查、監(jiān)視坐 寸ο
當(dāng)前相對(duì)成熟的機(jī)器人無(wú)線控制方式主要有基于GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、基 于WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的PC機(jī)操控、紅外線遙控等。這些操控方式基本滿足了現(xiàn)有機(jī)器人的應(yīng) 用需求，但是受到設(shè)備、技術(shù)和環(huán)境條件的制約各有優(yōu)缺點(diǎn)。3G技術(shù)的發(fā)展，為機(jī)器人無(wú)線 監(jiān)控系統(tǒng)的搭建提供了一種新的解決方案，系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以擺脫帶寬和覆蓋面的限制，實(shí)現(xiàn) 更復(fù)雜的功能。
以往所常用的以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)插擴(kuò)展板卡作為控制中心的方式逐漸暴露出一 些缺點(diǎn)可靠性較低，不適合環(huán)境惡劣和可靠性要求高的場(chǎng)合；板卡功能較單一，難以滿足 特殊需求，擴(kuò)展成本高，遠(yuǎn)程調(diào)試及軟件更新困難；功耗大、體積大，不能滿足某些特定行業(yè) 的需要。為降低機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中的失控概率，本發(fā)明將雙余度控制的思想運(yùn)用到警用移 動(dòng)機(jī)器人智能控制系統(tǒng)中，采用雙主控板控制，且實(shí)現(xiàn)了兩者之間的相互備份和實(shí)時(shí)監(jiān)控， 以及系統(tǒng)異常情況下的控制切換和平穩(wěn)過(guò)渡。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有較高智能化程度和數(shù)據(jù)處理能力的警用移動(dòng)機(jī)器 人智能控制系統(tǒng)，能滿足警用移動(dòng)機(jī)器人復(fù)雜實(shí)時(shí)控制任務(wù)、小區(qū)巡邏的需求和復(fù)雜環(huán)境 下系統(tǒng)可靠性要求。它能夠按照給定的任務(wù)指令，根據(jù)已知的信息作出全局路徑規(guī)劃，并在 行進(jìn)中不斷感知周圍的局部環(huán)境信息，自主地作出各種決策，自動(dòng)避開障礙物，引導(dǎo)自身安 全行駛到指定的目標(biāo)，執(zhí)行要求的動(dòng)作和操作。同時(shí)通過(guò)3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不斷向遠(yuǎn)程控制平臺(tái) 傳送自身狀態(tài)信息，使操作人員能夠根據(jù)實(shí)時(shí)狀況不斷調(diào)整其狀態(tài)。
本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明的3G警用移動(dòng)機(jī)器人雙余度控制系統(tǒng)，其特征在于，包括遠(yuǎn)程控制平臺(tái)和 本地控制系統(tǒng)，其中本地控制系統(tǒng)包括中央控制計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制模塊、雙目視覺(jué)模塊、電 機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、無(wú)線通信模塊、CAN通信模塊、傳感器模塊等；
所述遠(yuǎn)程控制平臺(tái)從遠(yuǎn)程終端即具有3G功能的智能手機(jī)或PDA對(duì)機(jī)器人進(jìn)行監(jiān)控。對(duì)監(jiān)控信息進(jìn)行反饋，以虛擬顯示的形式呈現(xiàn)給用戶。人工操作人員根據(jù)機(jī)器人傳輸回的數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行操控；
所述中央控制計(jì)算機(jī)接收遠(yuǎn)程控制平臺(tái)發(fā)送的指令，通過(guò)軟件完成警用移動(dòng)機(jī)器人的整體任務(wù)調(diào)度、控制策略規(guī)劃、人機(jī)通訊、視覺(jué)信息處理，以對(duì)警用移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程控制；
所述運(yùn)動(dòng)控制模塊包括兩塊冗余備份的主控板，所述主控板接收遠(yuǎn)程控制平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)指令，控制完成機(jī)器人的四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪上直流有刷電機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)；
所述雙目視覺(jué)模塊完成機(jī)器人移動(dòng)過(guò)程中周圍環(huán)境彩色圖像的采集和處理；
所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊包括云臺(tái)電機(jī)控制模塊和四個(gè)直流有刷電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制模塊，四個(gè)直流有刷電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制模塊分別接收機(jī)器人四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪上的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度和角位移反饋信號(hào)，完成直流有刷電機(jī)的電流驅(qū)動(dòng)、位置環(huán)控制、速度環(huán)控制和電流環(huán)控制，同時(shí)具有電機(jī)的過(guò)流保護(hù)功能，并為機(jī)器人全局和局部定位提供信息；
所述導(dǎo)航定位模塊即GPS模塊，以獲得機(jī)器人全局定位數(shù)據(jù)；
所述無(wú)線通信模塊為3G網(wǎng)絡(luò)通信模塊，建立以B/S為主要模式的具有良好擴(kuò)展性的控制系統(tǒng)，完成機(jī)器人與遠(yuǎn)程控制平臺(tái)的交互；
所述CAN通信總線包括兩個(gè)CAN總線控制器、兩個(gè)CAN總線收發(fā)器、兩條CAN總線線纜，整體具有雙冗余備份的架構(gòu)，完成中央控制計(jì)算機(jī)運(yùn)動(dòng)控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊之間的通信。
所述本地控制系統(tǒng)中的中央控制計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊之間通過(guò)雙冗余的CAN總線連接，所述雙目視覺(jué)模塊與中央控制計(jì)算機(jī)之間通過(guò)IEEE1394接口連接。
由上述發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明所述的3G警用移動(dòng)機(jī)器人雙余度控制系統(tǒng)，充分利用了分布式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，將復(fù)雜的任務(wù)調(diào)度、路徑規(guī)劃、控制決策、視覺(jué)信息處理等功能在控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，而較簡(jiǎn)單和實(shí)時(shí)性要求高的運(yùn)動(dòng)控制算法和電機(jī)閉環(huán)控制在運(yùn)動(dòng)控制模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊中實(shí)現(xiàn)，提高了機(jī)器人控制系統(tǒng)的整體處理能力和實(shí)時(shí)性，可滿足警用移動(dòng)機(jī)器人自主移動(dòng)等復(fù)雜任務(wù)的需求。同時(shí)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制模塊和CAN通信模塊采取了冗余容錯(cuò)設(shè)計(jì)，提高了警用移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制和通信的可靠性。 同時(shí)安裝了導(dǎo)航定位模塊，增強(qiáng)了警用移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)定位和智能決策的能力，克服了傳統(tǒng)警用移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)智能化程度較低的缺點(diǎn)。與此同時(shí)所采用的3G通信模塊，使控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以擺脫帶寬和覆蓋面的限制，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能。結(jié)構(gòu)清晰，部署靈活。


圖13G警用移動(dòng)機(jī)器人雙余度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
圖2:運(yùn)動(dòng) 控制模塊結(jié)構(gòu)框圖
圖3:主控板結(jié)構(gòu)框圖
圖4:主控板狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖
圖5:編碼過(guò)程流程圖
圖6:解碼過(guò)程流程圖
圖7 :雙余度警用移動(dòng)機(jī)器人智能控制軟件容錯(cuò)系統(tǒng)工作流程
圖8 :實(shí)時(shí)時(shí)鐘邏輯示意圖
具體實(shí)施方法
一、硬件實(shí)現(xiàn)
本發(fā)明的3G警用移動(dòng)機(jī)器人雙余度控制系統(tǒng)，其較佳的具體實(shí)施方式
如圖1至圖 5所示
在圖1中，每個(gè)方框代表一個(gè)功能單元，3G警用移動(dòng)機(jī)器人雙余度控制系統(tǒng)按其 功能劃分三大模塊遠(yuǎn)程控制平臺(tái)、本地控制系統(tǒng)以及機(jī)器人等。
1、遠(yuǎn)程控制平臺(tái)
本發(fā)明中，遠(yuǎn)程控制平臺(tái)從遠(yuǎn)程終端對(duì)機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。對(duì)監(jiān)控信息進(jìn)行反 饋，以虛擬顯示的形式呈現(xiàn)給用戶。人工操作人員根據(jù)機(jī)器人傳輸回的數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行 操控。
遠(yuǎn)程控制平臺(tái)為具有3G功能的智能手機(jī)或PDA，充分發(fā)揮了 3G通信網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定、高 帶寬和移動(dòng)性等優(yōu)點(diǎn)。
系統(tǒng)中具有無(wú)線模塊的警用移動(dòng)機(jī)器人和PDA (或智能手機(jī))分別用自己的3G模 塊進(jìn)行連接，進(jìn)行控制信息和反饋信息的交互。完成網(wǎng)絡(luò)連接后用戶可以通過(guò)運(yùn)行在PDA 或智能手機(jī)上的機(jī)器人控制軟件向機(jī)器人發(fā)送指令和獲取各類傳感器數(shù)據(jù)。
通過(guò)3G通信網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)程終端接收從本地控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)發(fā)送過(guò)來(lái)的機(jī)器人狀態(tài)反 饋信息和視頻數(shù)據(jù)并顯示，從而供操作人員進(jìn)行相關(guān)的分析和處理。
用戶也可以通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)，對(duì)本地控制系統(tǒng)的狀態(tài)和控制信息進(jìn)行修正。用戶通過(guò) 圖形化控制接口接觸指令發(fā)送模塊中的相應(yīng)指令，并按照命令包的協(xié)議進(jìn)行封包(可以選 擇是否進(jìn)行加密和壓縮)，通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給本地控制系統(tǒng)。
2、本地控制系統(tǒng)
在圖1中，本地控制系統(tǒng)模塊中每個(gè)方框表示本地控制系統(tǒng)的一個(gè)功能單元。
在本地控制系統(tǒng)中，中央控制計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制模塊安裝在工控機(jī)箱中，各輸入輸 出電接口使用插接件安裝在機(jī)箱外表面一側(cè)，方便調(diào)試和拆解。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊安裝在云臺(tái) 電機(jī)和各個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)附近，通過(guò)CAN總線與中央控制計(jì)算機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制模塊之間進(jìn)行連 接。GPS導(dǎo)航定位模塊放置在機(jī)器人中部，為了避免產(chǎn)生磁場(chǎng)干擾，讓其與鐵材料和電機(jī)隔 離，其與中央控制計(jì)算機(jī)之間通過(guò)RS232接口連接；3G無(wú)線通信模塊安裝在機(jī)器人頂部，與 中央計(jì)算機(jī)之間通過(guò)RS232接口連接；雙目視覺(jué)模塊安裝在機(jī)器人頂層前方，通過(guò)支架支 撐，通過(guò)IEEE1394接口與中央計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行連接。
(I)中央控制計(jì)算機(jī)
本發(fā)明中，本地控制系統(tǒng)中的中央控制計(jì)算機(jī)采用工業(yè)級(jí)控制主板，CPU采用奔騰 雙核處理器，內(nèi)存大小4GB，硬盤大小160G，同時(shí)具有十路RS232接口，兩路CAN總線接口， 兩路PCI接口，一路PC1-e接口，功耗小于120W，綜合性能滿足警用移動(dòng)機(jī)器人復(fù)雜控制算 法的運(yùn)算速度、系統(tǒng)可靠性、低功耗和豐富接口要求。
(2)運(yùn)動(dòng)控制模塊
在圖2中，運(yùn)動(dòng)控制模塊的核心是主控板甲和主控板乙，兩個(gè)主控板采樣完全相 同的原理設(shè)計(jì)，互為備份，可完成接收中央控制計(jì)算機(jī)的運(yùn)動(dòng)指令，控制完成警用移動(dòng)機(jī)器人的四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪上直流有刷電機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)、CAN總線通信、簡(jiǎn)單控制算法計(jì)算等主要功能。主控板的設(shè)計(jì)原理框圖如圖3所示。主要組成和功能如下
主處理器采用ARM9處理器(本發(fā)明中采用三星S3C2440嵌入式處理器，其內(nèi)核最高運(yùn)行速度為533MHz，采用16/32位ARM920T RISC核心，提供豐富接口支持)，其上運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(支持Linux等嵌入式操作系統(tǒng))，并運(yùn)行機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪上直流有刷電機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)、簡(jiǎn)單控制算法計(jì)算等數(shù)據(jù)處理軟件。
ARM主處理器片內(nèi)具備256K Byte Flash存儲(chǔ)器，用作軟件的程序存儲(chǔ)區(qū)域；ARM 主處理器片內(nèi)的64KB Byte SRAM存儲(chǔ)器，用作軟件的程序運(yùn)行區(qū)；ARM主處理器片內(nèi)具備一路CAN控制器，兼容CAN2. 0Α/Β協(xié)議，其輸出接CAN驅(qū)動(dòng)器82C250，作為中央控制計(jì)算機(jī)和運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊的通信總線；異步串行通信控制器UART0，其輸出接RS232驅(qū)動(dòng)芯片MAX233 作為RS232接口 0，作為與備板間的雙機(jī)通信線；異步串行通信控制器UART1，其輸出接 RS232驅(qū)動(dòng)芯片MAX233作為RS232接口 I，作為與備板間的雙機(jī)通信線；ARM主處理器片內(nèi)的一路輸入接口 PB12，接收備板的心跳信號(hào)，一路輸出接口 PB13，發(fā)送本機(jī)的心跳信號(hào)給備板；ARM主處理器片內(nèi)的四路輸出接口 PB0-PB3，接LED指示燈，顯示本機(jī)的工作狀態(tài)；復(fù)位和看門狗電路可進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位；JTAG接口為調(diào)試接口。
運(yùn)動(dòng)控制模塊中的接口板為主控板甲和主控板乙提供總線聯(lián)接及相互聯(lián)接，便于調(diào)試、維護(hù)與功能擴(kuò)充。同時(shí)接口板提供了主備機(jī)當(dāng)班權(quán)切換邏輯(采用CPLD芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn))和過(guò)流檢測(cè)功能(采用LM139芯片)等，可由自主和外部人工指令進(jìn)行兩個(gè)主控板的主備當(dāng)權(quán)切換和開關(guān)電源，以實(shí)現(xiàn)雙機(jī)冗余，并且便于調(diào)試和緊急關(guān)機(jī)。
主控板甲和主控板乙采用雙機(jī)熱備份的冗余容錯(cuò)方式，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯如圖4所示。分為斷電、啟動(dòng)、工作三個(gè)階段
斷電階段，兩塊主控板均無(wú)電；
在啟動(dòng)階段，系統(tǒng)上電，接口板將首先為主控板甲上電，主控板乙不上電；主控板甲進(jìn)行系統(tǒng)自檢，若系統(tǒng)無(wú)問(wèn)題，則將主控板甲設(shè)為主機(jī)，此時(shí)接口板再為主控板乙上電， 主控板乙設(shè)置為備機(jī)；若主控板甲自檢未通過(guò)，則接口板為主控板乙上電，進(jìn)行自檢，并將主控板乙為主機(jī)，主控板甲為備機(jī)；若兩塊主控板均未通過(guò)自檢，則接口板發(fā)出警示；
在工作階段，當(dāng)主機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，由電源和仲裁板硬件同時(shí)結(jié)合軟件進(jìn)行主備機(jī)切換或外部人工指令進(jìn)行主備機(jī)切換。備機(jī)可通過(guò)心跳信號(hào)、RS232接口或CAN總線監(jiān)控主機(jī)工作狀態(tài)，如果主機(jī)出現(xiàn)故障，則備機(jī)強(qiáng)權(quán)成為備機(jī)，同時(shí)在運(yùn)行階段，主板通過(guò)程序和看門狗定時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)行自監(jiān)控，若發(fā)現(xiàn)自身故障，也具備主動(dòng)讓權(quán)給備機(jī)的功能。
(3)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊
電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)有四個(gè)直流有刷電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制模塊。四個(gè)直流有刷電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制模塊分別接收四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪上絕對(duì)式光電編碼器反饋的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度和角位移信號(hào)，通過(guò)內(nèi)部的DSP處理器位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的PID驅(qū)動(dòng)，采用大功率MOS管搭建H橋電路， 完成電 機(jī)的電流驅(qū)動(dòng)，同時(shí)具有電機(jī)的過(guò)流保護(hù)功能。
(4)導(dǎo)航定位模塊
導(dǎo)航定位模塊即GPS模塊，通過(guò)導(dǎo)航定位模塊可以獲得警用移動(dòng)機(jī)器人的方位， 從而為機(jī)器人的路徑規(guī)劃和全局定位提供了有效的數(shù)據(jù)，導(dǎo)航定位模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)采用DSP 處理器完成數(shù)據(jù)的融合和計(jì)算。
(5)無(wú)線通信模塊
遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信部分的核心采用Siemens HC25 3G通信模塊，集射頻電路和基帶處 理器于一體，為數(shù)據(jù)、語(yǔ)音等提供可靠、安全的傳輸。通過(guò)設(shè)計(jì)HC25模塊外圍電路，實(shí)現(xiàn)了 電源供給、SIM卡接入、模塊啟動(dòng)和串行數(shù)據(jù)接口、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的無(wú)線發(fā)送和反饋信息的接收 等功能。
(6) CAN通信模塊
CAN總線與一般通信總線相比，它的數(shù)據(jù)通信具有較強(qiáng)的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活 性結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，用2根線構(gòu)成總線，設(shè)備掛在總線上，而且在設(shè)備數(shù)量允許的范圍內(nèi)可以任 意增加或減少設(shè)備；能對(duì)錯(cuò)誤的來(lái)源進(jìn)行正確定位，提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能，保證了通信 的可靠性；通訊速率高，在40m的范圍內(nèi)可以達(dá)到IMbps的速率；采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間 短，保證了通訊的實(shí)時(shí)性；成本低，在速率要求不高、線路不長(zhǎng)的場(chǎng)合，普通的雙絞線就可以 滿足需要，同時(shí)由于CAN總線只用2根線進(jìn)行通信，大大降低了系統(tǒng)連線的復(fù)雜程度，同時(shí) 增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性能。
在本發(fā)明中，選擇CAN總線為警用移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的通信媒介。具體連接方 式為主控計(jì)算機(jī)通過(guò)CAN總線接口卡連接到總線上，運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)總線收發(fā)器連接到 總線上。
二、軟件設(shè)計(jì)
本警用移動(dòng)機(jī)器人智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用雙冗余模式，允許一次故障安全，當(dāng) 處于工作狀態(tài)的系統(tǒng)中一個(gè)或多個(gè)關(guān)鍵部分發(fā)生故障或出錯(cuò)時(shí)，首先進(jìn)行檢測(cè)并診斷，然 后米取相應(yīng)措施保證系統(tǒng)維持其規(guī)定功能或保持其功能在可接受的沮圍內(nèi)。
系統(tǒng)涉及數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)連接、用戶接口等多任務(wù)調(diào)度，為使監(jiān)控設(shè)備具有良好的 擴(kuò)展性能，本文使用開源系統(tǒng)Linux以方便系統(tǒng)的組建。
本3G警用移動(dòng)機(jī)器人雙余度控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括編碼模塊、 解碼模塊和3G通信模塊。所述機(jī)器人通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)程控制平臺(tái)傳送碼流。
1、環(huán)境感知
視頻信息數(shù)據(jù)量大，傳輸帶寬要求高，為此我們?cè)诰靡苿?dòng)機(jī)器人端選擇了成熟 的JPEG壓縮技術(shù)，大大減少了視頻信息的數(shù)據(jù)量，可以滿足視頻實(shí)時(shí)傳輸和顯示的要求。 另外，在警用移動(dòng)機(jī)器人本體中，還裝有長(zhǎng)、短紅外傳感器，其所感受到的環(huán)境信息不僅使 人機(jī)界面更為友好，而且使警用移動(dòng)機(jī)器人本體具有自動(dòng)避障功能。
2、無(wú)線通信
無(wú)線通信系統(tǒng)包括編碼模塊、解碼模塊和3G通信模塊。編碼模塊用于將雙目視覺(jué) 模塊獲取的每一幀圖像劃分為至少兩個(gè)宏塊圖像，將宏塊圖像轉(zhuǎn)換為宏塊碼流，形成一組 碼流；解碼模塊用于將一組碼流劃分為至少兩個(gè)宏塊碼流，將宏塊碼流轉(zhuǎn)換為宏塊圖像，形 成一幀圖像；機(jī)載3G通信模塊用于向遠(yuǎn)程控制平臺(tái)發(fā)射碼流；遠(yuǎn)程控制平臺(tái)的3G通信模 塊用于接收碼流。3G通信模塊可以采用WCDMA、TD-SCDMA和CDMA2000中的任何一種。
(I)編碼模塊
編碼模塊用于將圖像編碼為碼流。編碼模塊的設(shè)計(jì)遵循3GPP以及相關(guān)編碼的標(biāo) 準(zhǔn)協(xié)議，進(jìn)行H. 263和MPEG-4編碼器軟件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，而且還將設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一系列針對(duì) 機(jī)器人控制的視頻容錯(cuò)策略，如宏塊刷新、重同步、數(shù)據(jù)分割、錯(cuò)誤掩蓋、錯(cuò)誤恢復(fù)等。
編碼模塊基于德州儀器OMAP系列的雙核心處理平臺(tái)。在實(shí)際應(yīng)用中，編碼模塊只需使用OMAP系列平臺(tái)中的圖像接收模塊、圖像緩沖存儲(chǔ)模塊、編碼器、碼流緩沖存儲(chǔ)模塊和碼流發(fā)送模塊。
圖5為編碼過(guò)程流程圖，編碼過(guò)程包括如下步驟
SlOl:接收一幀圖像。該步驟由圖像接收模塊實(shí)現(xiàn)。圖像接收模塊接收雙目視覺(jué)模塊得到的圖像，并傳送至圖像緩沖存儲(chǔ)模塊。
S102:暫存該幀圖像。該步驟由圖像緩沖存儲(chǔ)模塊實(shí)現(xiàn)。
S103:判斷該幀圖像的數(shù)據(jù)量是否大于預(yù)設(shè)值，若為否，執(zhí)行S104;反之，則執(zhí)行S105。
S104:將該幀圖像直接轉(zhuǎn)換為一組碼流，然后執(zhí)行S112.
S105:將一幀圖像劃分為至少兩個(gè)宏塊圖像。
S106:對(duì)單個(gè)宏塊圖像進(jìn)行宏塊估計(jì)優(yōu)化。
S107:對(duì)單個(gè)宏塊圖像進(jìn)行宏塊壓縮優(yōu)化。
S108:對(duì)單個(gè)宏塊圖像進(jìn)行碼流解析。
S109:暫存單個(gè)宏塊碼流。
SllO:判斷所有宏塊圖像是否處理完畢，如果是，執(zhí)行Slll ;反之則執(zhí)行S106。
Slll:形成一組碼流。
上述步驟S103至Slll由編碼器實(shí)現(xiàn)。
S112:暫存該組碼流。
該步驟由碼流緩沖存儲(chǔ)模塊實(shí)現(xiàn)。
S113:發(fā)送該組碼流。
該步驟由碼流發(fā)送模塊實(shí)現(xiàn)。碼流發(fā)送模塊從碼流緩沖存儲(chǔ)模塊讀取該組碼流，發(fā)送至機(jī)載3G通信模塊。
(2)解碼模塊
解碼模塊用于將碼流解碼為圖像。解碼模塊的設(shè)計(jì)遵循3GPP以及相關(guān)解碼的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，進(jìn)行H. 263和MPEG-4解碼器軟件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，而且還將設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一系列針對(duì)機(jī)器人控制的視頻容錯(cuò)策略，例如宏塊刷新、重同步、數(shù)據(jù)分割、錯(cuò)誤掩蓋、錯(cuò)誤恢復(fù)等。
解碼模塊基于德州儀器OMAP系列的雙核心處理平臺(tái)。在實(shí)際應(yīng)用中，解碼模塊只需要使用OMAP系列平臺(tái)中的碼流接收模塊、碼流緩沖存儲(chǔ)模塊、解碼器、顯示緩沖存儲(chǔ)模塊和顯示控制模塊。
圖6是解碼過(guò)程的流程圖，解碼過(guò)程包括如下步驟
S201 :接收一組碼流。
該步驟由碼流接收模塊實(shí)現(xiàn)。碼流接收模塊通過(guò)遠(yuǎn)程通信模塊接收碼流，并傳送至碼流緩沖存儲(chǔ)模塊。
S202 :暫存該組碼流。
該步驟由碼流緩沖存儲(chǔ)模塊實(shí)現(xiàn) 。
S203 :判斷該組碼流的數(shù)據(jù)量是否大于預(yù)設(shè)值，若為否，執(zhí)行S204 ;反之，則執(zhí)行 S205。
S204 :將該組碼流直接轉(zhuǎn)換為一幀圖像，然后執(zhí)行S213。
S205:將一組碼流劃分為至少兩個(gè)宏塊碼流。
S206:對(duì)單個(gè)宏塊碼流進(jìn)行宏塊碼流解析。
S207:對(duì)單個(gè)宏塊碼流進(jìn)行宏塊圖像重建。
S208:對(duì)單個(gè)宏塊圖像進(jìn)行宏塊水平濾波。
S209:對(duì)單個(gè)宏塊圖像進(jìn)行宏塊垂直濾波。
S210:暫存單個(gè)宏塊圖像。
S211:判斷所有宏塊碼流是否處理完畢。如果是，執(zhí)行S212 ;反正則執(zhí)行S206。
S212:形成一幀圖像。將所有宏塊圖像進(jìn)行組合，形成一幀圖像。
上述步驟S203至S212由解碼器實(shí)現(xiàn)。
S213:暫存該幀圖像。
該步驟由顯示緩沖存儲(chǔ)模塊實(shí)現(xiàn)。
S214:顯示該幀圖像。
該步驟由顯示控制模塊和顯示模塊實(shí)現(xiàn)。顯示控制模塊從顯示緩沖存儲(chǔ)模塊讀取該幀圖像，控制顯示模塊顯示該幀圖像。
3、軟件容錯(cuò)設(shè)計(jì)
本警用移動(dòng)機(jī)器人智能控制系統(tǒng)的軟件容錯(cuò)設(shè)計(jì)主要由時(shí)鐘同步、表決技術(shù)、故障檢測(cè)等模塊組成。圖7為雙余度警用移動(dòng)機(jī)器人智能控制軟件容錯(cuò)系統(tǒng)工作流程。
對(duì)于雙冗余警用移動(dòng)機(jī)器人智能控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于系統(tǒng)受限于兩余度，利用兩個(gè)主控板通過(guò)比較監(jiān)控方式發(fā)現(xiàn)故障比較容易，但是無(wú)法鑒別出故障單元，因此需要借助傳感器、計(jì)算機(jī)以及總線控制器等自檢測(cè)結(jié)果與比較監(jiān)控的結(jié)果相結(jié)合來(lái)定位故障。系統(tǒng)工作信號(hào)的表決受監(jiān)控策略的影響，可以采取當(dāng)兩個(gè)通道均無(wú)故障時(shí)，輸出主控板的通道值；當(dāng)其中一個(gè)通道出現(xiàn)故障時(shí)，表決器輸出正常通道的信號(hào)；當(dāng)兩個(gè)通道的輸出均不能使用時(shí)，表決器輸出鈍化值。為了完成以上功能，余度管理要完成輸入數(shù)據(jù)與信號(hào)的監(jiān)控/ 表決，輸出命令的監(jiān)控/表決，系統(tǒng)的在線自檢測(cè)，故障邏輯處理。
(I)時(shí)鐘同步技術(shù)
雙余度的實(shí)現(xiàn)要求兩主控板能夠并行同步工作。由于兩主控板的數(shù)據(jù)采集、計(jì)算及輸出任務(wù)執(zhí)行都是依賴各自的本地時(shí)鐘激發(fā)，又由于技術(shù)頻率漂移、間歇性故障及恢復(fù)等因素的影響，兩主控板的實(shí)時(shí)時(shí)鐘會(huì)出現(xiàn)相互異步的現(xiàn)象，所以兩主控板的任務(wù)執(zhí)行需要靠外部統(tǒng)一時(shí)鐘中斷來(lái)激發(fā)。本發(fā)明采取軟硬件相結(jié)合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)兩主控板的任務(wù)同步。否則，就會(huì)產(chǎn)生兩主控板的失步，導(dǎo)致系統(tǒng)故障。本系統(tǒng)外部時(shí)鐘中斷的形成基于CPLD 內(nèi)部自模擬的時(shí)鐘信號(hào)與GPS接收機(jī)輸出的秒脈沖信號(hào)進(jìn)行同步，然后分頻獲得。CPLD的內(nèi)部邏輯是通過(guò)硬件編程語(yǔ)言VHDL實(shí)現(xiàn)的，實(shí)時(shí)時(shí)鐘邏輯示意圖如圖8所示。時(shí)鐘同步中斷例程響應(yīng)時(shí)鐘中斷來(lái)激活采集數(shù)據(jù)、計(jì)算及輸出任務(wù)。由于時(shí)鐘同步中斷例程對(duì)整個(gè)系統(tǒng)正確運(yùn)行的重要性，所以將時(shí)鐘同步中斷例程優(yōu)先級(jí)設(shè)置為最高，這樣保證兩主控板啟動(dòng)同一周期任務(wù)的同步性。
(2)表決技術(shù)和故障檢測(cè)
雙余度警用移動(dòng)機(jī)器人智能控制系統(tǒng)在周期性任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中，需對(duì)數(shù)據(jù)輸入、 結(jié)果輸出進(jìn)行比較表決。如果兩主控板的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù) 不一致，則說(shuō)明其中一個(gè)通道的主控板或者兩個(gè)通道的主控板同時(shí)出現(xiàn)了故障。本次設(shè)計(jì)中，兩主控板通過(guò)SPI總線作為交叉通道互送輸入數(shù)據(jù)、輸出結(jié)果等數(shù)據(jù)信息，然后再進(jìn)行比較和表決。表決技術(shù)由判決任務(wù)來(lái)完 成。
系統(tǒng)進(jìn)行故障檢測(cè)時(shí)對(duì)發(fā)生的故障主要分為致命性故障和非致命性故障兩類。致 命性故障主要是指CPU發(fā)生故障導(dǎo)致失去控制，此時(shí)CPU看門狗會(huì)通過(guò)心跳線發(fā)出中斷信 號(hào)，系統(tǒng)軟件會(huì)調(diào)用致命性故障中斷服務(wù)程序。在處理非致命性故障過(guò)程中通常采用自主 式故障檢測(cè)和比較式故障檢測(cè)兩種方法。在本系統(tǒng)中由于采用的是兩余度主控板，所以本 系統(tǒng)采用交叉比較法進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)主副兩主控板第一次比較不一致時(shí)，重新讀取數(shù)據(jù)比較， 如果第二次比較還不一致，那么就啟動(dòng)各自的自測(cè)試程序(BIT)進(jìn)行自主故障檢測(cè)。如果 BIT能夠定位故障時(shí)則重啟故障模塊并再次進(jìn)行BIT測(cè)試，否則停止故障主控板的工作，同 時(shí)通知無(wú)故障主控板切換到單機(jī)工作模式；如果BIT無(wú)法定位故障時(shí)，則保持上次輸出或 切換到安全輸出。由故障檢測(cè)任務(wù)定時(shí)監(jiān)測(cè)各模塊的看門狗計(jì)時(shí)器檢測(cè)出的故障也應(yīng)該屬 于非致命性故障范疇，當(dāng)模塊出現(xiàn)故障時(shí)，由主控板主(副)通過(guò)SPI總線通知主控板副 (主)切換到單機(jī)工作模式。
權(quán)利要求
1.一種3G警用移動(dòng)機(jī)器人雙余度控制系統(tǒng)，其特征在于，包括遠(yuǎn)程控制平臺(tái)、本地控制系統(tǒng)等。所述遠(yuǎn)程控制平臺(tái)為具有3G功能的智能手機(jī)或TOA，系統(tǒng)中機(jī)器人和PDA (或智能手機(jī))分別通過(guò)3G模塊進(jìn)行通信，連接后用戶可以向機(jī)器人發(fā)送指令和獲取各相關(guān)數(shù)據(jù)。所述本地控制系統(tǒng)包括中央控制計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制模塊、雙目視覺(jué)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、無(wú)線通信模塊、CAN通信模塊、傳感器模塊等所述中央控制計(jì)算機(jī)接收遠(yuǎn)程控制平臺(tái)發(fā)送的指令，通過(guò)軟件完成警用移動(dòng)機(jī)器人的整體任務(wù)調(diào)度、控制策略規(guī)劃、人機(jī)通訊、視覺(jué)信息處理，以對(duì)警用移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行智能控制；所述運(yùn)動(dòng)控制模塊包括兩塊冗余備份的主控板，所述主控板接收遠(yuǎn)程控制平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)指令，控制完成機(jī)器人的四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪上直流有刷電機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)；所述雙目視覺(jué)模塊完成機(jī)器人移動(dòng)過(guò)程中周圍環(huán)境彩色圖像的采集和處理；所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊包括云臺(tái)電機(jī)控制模塊和四個(gè)直流有刷電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制模塊，四個(gè)直流有刷電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制模塊分別接收機(jī)器人四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪上的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度和角位移反饋信號(hào)，完成直流有刷電機(jī)的電流驅(qū)動(dòng)、位置環(huán)控制、速度環(huán)控制和電流環(huán)控制，同時(shí)具有電機(jī)的過(guò)流保護(hù)功能，并為機(jī)器人全局和局部定位提供信息；所述導(dǎo)航定位模塊即GPS模塊，以獲得機(jī)器人全局定位數(shù)據(jù)；所述無(wú)線通信模塊為3G網(wǎng)絡(luò)通信模塊，建立以B/S為主要模式的具有良好擴(kuò)展性的控制系統(tǒng)，完成機(jī)器人與遠(yuǎn)程控制平臺(tái)的交互；所述CAN通信總線包括兩個(gè)CAN總線控制器、兩個(gè)CAN總線收發(fā)器、兩條CAN總線線纜，整體具有雙冗余備份的架構(gòu)，完成中央控制計(jì)算機(jī)運(yùn)動(dòng)控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊之間的通信；所述傳感器模塊中包含若干環(huán)境參數(shù)傳感器，對(duì)各個(gè)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采樣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3G警用移動(dòng)機(jī)器人雙余度控制系統(tǒng)，其特征在于所述本地控制系統(tǒng)中，中央控制計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊之間通過(guò)雙余度的CAN總線連接，所述導(dǎo)航定位模塊與中央控制計(jì)算機(jī)之間通過(guò)RS232接口連接，所述雙目視覺(jué)模塊與中央控制計(jì)算機(jī)之間通過(guò)IEEE1394接口連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3G警用移動(dòng)機(jī)器人雙余度控制系統(tǒng)，其特征在于所述本地控制系統(tǒng)中，無(wú)線通信模塊包括編碼模塊、解碼模塊和3G通信模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的3G警用移動(dòng)機(jī)器人雙余度控制系統(tǒng)，其特征在于所述宏塊編碼算法包括判斷某幀圖像的數(shù)據(jù)量是否大于預(yù)設(shè)值，若是，將該幀圖像劃分為至少兩個(gè)宏塊圖像，將宏塊圖像轉(zhuǎn)換為宏塊碼流，形成一組碼流；反之，則將該幀圖像直接轉(zhuǎn)換為一組碼流。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的3G警用移動(dòng)機(jī)器人雙余度控制系統(tǒng)，其特征在于所述將宏塊圖像轉(zhuǎn)換為宏塊碼流包括對(duì)宏塊圖像進(jìn)行宏塊估計(jì)優(yōu)化；對(duì)宏塊圖像進(jìn)行宏塊壓縮優(yōu)化；對(duì)宏塊圖像進(jìn)行碼流解析；暫存宏塊碼流。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種3G警用移動(dòng)機(jī)器人雙余度控制系統(tǒng)。其硬件結(jié)構(gòu)主要包含遠(yuǎn)程控制平臺(tái)、本地控制系統(tǒng)和警用移動(dòng)機(jī)器人等部分，遠(yuǎn)程控制平臺(tái)與本地控制系統(tǒng)之間依靠3G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信；軟件設(shè)計(jì)開發(fā)采用模塊化思想。實(shí)現(xiàn)了對(duì)警用移動(dòng)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制，能夠完成對(duì)周圍環(huán)境的圖像、溫度、聲音等信息的采集，實(shí)現(xiàn)社區(qū)的安保巡邏。將復(fù)雜的任務(wù)調(diào)度和控制算法等在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)，而較簡(jiǎn)單和實(shí)時(shí)性要求高的控制算法在運(yùn)動(dòng)控制模塊中實(shí)現(xiàn)，保證了系統(tǒng)的整體處理能力和實(shí)時(shí)性。對(duì)運(yùn)動(dòng)控制模塊等采取冗余設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)可靠性。采用本發(fā)明所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，操作方便，便攜性好，可靠性高，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)。具有良好的擴(kuò)展性，極大降低了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度和軟硬件。
文檔編號(hào)G05B9/03GK103064377SQ201210555050
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2012年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月20日
發(fā)明者劉久富, 陳哲, 王正謙, 梁娟娟, 朱丹丹, 陳柯 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)