一种基于局域网的模块化机器人控制系统技术方案

本发明专利技术是一种基于局域网的模块化机器人控制系统，属于自动控制和机器人领域。本发明专利技术控制系统包括主控模块、扩展功能模块、局域网和远程控制模块。在机器人本体上安装有路由器，建立局域网，主控模块、各扩展功能模块以及远程控制模块通过局域网进行数据传输。远程控制模块通过局域网发送指令给主控模块和扩展功能模块，主控模块解析主控指令，将可执行主控指令的内容划分相应的指令优先级，在同时收到不同可执行的主控指令下，只执行优先级最高的指令，决定机器人行动。本发明专利技术适合现有复杂功能的机器人系统，实现可以任意改变机器人的功能模块和传感器模块，而不破坏原有的机器人系统，大大提高了系统的通用性和模块可替换性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于局域网的模块化机器人控制系统
本专利技术属于自动控制和机器人领域，具体涉及一种可在基于ROS(RobotOperatingSystem，机器人操作系统)计算机上使用的模块化机器人控制系统。
技术介绍
机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能于一体的综合机电系统，能自动或半自动执行任务。目前机器人的功能需求不断扩大，单一的控制器控制整个机器人的运行变得越加困难，多个模块协同化控制机器人能大大提高机器人的控制性能。目前大部分的控制系统的无线网络模块着重于多机器人控制而非单个机器人的各个功能之间的使用，所涉及使用的ROS系统，较多的是无线网络通信，控制多机器人运动。现有大部分单机器人模块化的控制系统一般建立在一种有线的总线通信形式上，例如CAN总线，导致模块只能安装在机器人本体上；其次，如果想要对机器人远程控制，各个模块数据必须通过一个无线模块，并且将各个模块数据统一发送，大大降低了各个模块数据的使用效率和实时性。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于局域网的模块化机器人控制系统，实现将任意数量的基于ROS操作系统的控制器通过有线或者无线局域网方式建立成一种整体的机器人控制系统，在该系统下，还可以形成多种局域网结构的模块化控制。本专利技术可用于轮式机器人、足式机器人等常见多功能机器人。本专利技术所述基于局域网的模块化机器人控制系统包括主控模块、扩展功能模块、局域网和远程控制模块。在机器人本体上安装有路由器，建立其局域网，实现局域网内数据的传输。主控模块、各扩展功能模块以及远程控制模块通过局域网进行数据传输。主控模块安装于机器人本体，通过有线网线的方式和路由器相连。安装在机器人本体上的扩展功能模块，通过有线网线的方式和路由器相连。不安装在机器人本体上的扩展功能模块，通过无线网络连接到局域网内。远程控制模块过无线网络连接到局域网。所述远程控制模块通过局域网发送主控指令给主控模块，发送控制指令给扩展功能模块；所述扩展功能模块解析控制指令并进行相应的扩展功能运算，产生实时的主控指令发送给主控模块，或产生实时的控制指令发送给其他扩展功能模块；所述主控模块解析主控指令，将当前无法执行的指令舍弃并且返回错误代码，将可执行主控指令的内容划分相应的指令优先级，在同时收到不同可执行的主控指令下，只执行优先级最高的指令，从而舍弃其他指令。相对于现有技术，本专利技术的优点和积极效果在于：(1)本专利技术基于局域网的思想，改变了较为简单地机器人系统，适合现有复杂功能的机器人系统。基于局域网的基本构架下，可以任意改变机器人的功能模块和传感器模块，而不破坏原有的机器人系统，大大提高了系统的通用性和模块可替换性。(2)本专利技术基于局域网的思想，在各个模块使用了有线网络的连接方式，大大提高了各个模块之间的通信效率和稳定性。由于使用的路由器，保证了远程控制端无线网络的稳定性和较为远距离通信的能力。(3)本专利技术基于局域网的思想，可以根据机器人作业的需求建立不同的模块之间的结构构架，适用于更多种类的机器人，对多功能机器人的各个模块之间可以更好地协调作业。(4)本专利技术所使用的底层都是现有的开源的ROS系统，移植性好。(5)对于不同的机器人，只要其系统按照本专利技术所述框架去设计，即使具体实现不同，只需创建相应的配置，即可采用同一客户端去控制，因此本专利技术为实现机器人控制系统提供了一种解决方案。附图说明图1是本专利技术基于局域网的模块化机器人控制系统的硬件连接的一个实例图；图2是本专利技术基于局域网的模块化机器人控制系统的软件功能模块通信示意图；图3是本专利技术实施例所提供的各模块的控制流程示意图；图4是本专利技术实施例所提供的各模块的分层主从结构示意图；图5是本专利技术实施例所提供的各模块的星型结构示意图；图6是本专利技术实施例所提供的各模块的复合分层结构示意图；图7是本专利技术所实施例提供的具体应用在六足机器人的主程序框架示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例来说明本专利技术技术方案的实现。本专利技术实施例实现的一种基于局域网的模块化机器人控制系统中，所有的控制板使用的操作系统均为Ubuntu12.04版本，系统是基于Hydro的ROS版本，所用的集成开发环境是QT4。所述的基于局域网的模块化机器人控制系统包括主控模块、扩展功能模块、局域网和远程控制模块。设扩展功能模块有N个，N为正整数。如图1所示，在机器人本体上安装有路由器，用于建立起局域网，实现局域网内数据的传输。如图2所示，主控模块、N个扩展功能模块和远程控制模块通过局域网进行通信。主控模块位于机器人本体，主控模块的电路板通过有线网线与路由器连接。主控模块运行ROS系统内核和主控制程序。扩展功能模块位于机器人本体时，扩展功能模块的电路板通过有线网线与路由器连接。路由器通过无线网络与远程控制模块通信。位于机器人本体的扩展功能模块，可以实现的是一种具体的任务，比如是导航定位模块，手势识别模块，人机交互功能等。扩展功能模块不安装在机器人本地时，通过无线网络连接到局域网内。扩展功能模块可以是一种实现某种功能的算法或者运算，例如是机器人稳定裕度运算模块、大数据的云端运算、最优化控制模块等，机器人工作可以根据功能需求进行不同扩展功能模块的使用，实现机器人的控制运动。在主控模块中，运行ROS内核并且局域网的网关为主控模块，保证整个局域网的ROS系统和通信机制正常运行。主控模块解析主控指令，协调各个扩展功能模块以最终决定机器人的实际运动，控制电机或者舵机进行运动，完成作业。主控模块主要有命令分析模块、主程序执行模块和状态发布模块。命令分析模块只针对局域网内主控指令进行解析，判断是否可以执行，并且返回执行结果，命令分析模块在主程序中为中断式的接受指令。主程序执行模块主要根据主控指令进行机器人的运动学正反解的运算，机器人机身整体运动的控制规划，发送电机或舵机的控制指令，判断机器人状态等基础功能。状态发布模块主要将机器人的各个状态通过广播的方式发送出去，各个状态包括机器人的数据参数和机器人的错误状态数据，在局域网内共享机器人状态数据。机器人本体通过所载传感器，获取机器人本体与环境信息。主程序执行模块和状态发布模块为实时运行。机器人可搭载摄像头、麦克风、气压计、高度计、温度计等采集环境信息，搭载GPS、IMU(惯性导航单元)、加速度计等获取机器人本体各个状态信息。主控模块解析主控指令，将当前无法执行的指令舍弃并且返回错误代码，将可执行主控指令的内容划分相应的指令优先级，在同时收到不同可执行的主控指令下，只执行优先级最高的指令，从而舍弃其他指令。扩展功能模块可以实现机器人的扩展性功能要求，可以通过有线的方式直接安装在机器人本体上，也可以通过无线的方式远程控制运算，对于多功能机器人，它可以是导航定位功能、人机交互功能、最优化算法功能、自适应算法等功能。它主要有状态接收模块，命令分析模块，主程序执行模块，命令发布模块，以及状态发布模块。状态接收模块主要接收机器人本体和其他扩展功能模块运算的状态，以便于本扩展功能模块的运算；命令分析模块只要针对局域网内对本模块控制指令进行解析，并且分析是否可以执行；主程序执行模块主要根据指令对机器人进行扩展的功能运算，并且产生实时的主控指令或者其他扩展模块的控制指令；命令发布模块主要将产生的实时产生的控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于局域网的模块化机器人控制系统，其特征在于，包括主控模块、扩展功能模块、局域网和远程控制模块；机器人本体上安装有路由器，建立局域网，实现局域网内数据传输；主控模块安装于机器人本体，通过有线网线和路由器相连；安装在机器人本体上的扩展功能模块，通过有线网线和路由器相连；不安装在机器人本体上的扩展功能模块，通过无线网络连接到局域网；远程控制模块过无线网络连接到局域网；所述的主控模块运行ROS内核，局域网的网关为主控模块；所述远程控制模块通过局域网发送主控指令给主控模块，发送控制指令给扩展功能模块；所述扩展功能模块解析控制指令并进行相应的扩展功能运算，产生实时的主控指令发送给主控模块，或产生实时的控制指令发送给其他扩展功能模块；所述主控模块解析主控指令，将当前无法执行的指令舍弃并且返回错误代码，将可执行主控指令的内容划分相应的指令优先级，在同时收到不同可执行的主控指令下，只执行优先级最高的指令。

【技术特征摘要】
1.一种基于局域网的模块化机器人控制系统，其特征在于，包括主控模块、扩展功能模块、局域网和远程控制模块；机器人本体上安装有路由器，建立局域网，实现局域网内数据传输；主控模块安装于机器人本体，通过有线网线和路由器相连；安装在机器人本体上的扩展功能模块，通过有线网线和路由器相连；不安装在机器人本体上的扩展功能模块，通过无线网络连接到局域网；远程控制模块过无线网络连接到局域网；所述的主控模块运行ROS内核，局域网的网关为主控模块；所述远程控制模块通过局域网发送主控指令给主控模块，发送控制指令给扩展功能模块；所述扩展功能模块解析控制指令并进行相应的扩展功能运算，产生实时的主控指令发送给主控模块，或产生实时的控制指令发送给其他扩展功能模块；所述主控模块解析主控指令，将当前无法执行的指令舍弃并且返回错误代码，将可执行主控指令的内容划分相应的指令优先级，在同时收到不同可执行的主控指令下，只执行优先级最高的指令。2.根据权利要求1所述的模块化机器人控制系统，其特征在于，所述的主控模块包括命令分析模块、主程序执行模块和状态发布模块；命令分析模块针对局域网内主控指令进行解析，判断是否能执行，并且返回执行结果；主程序执行模块根据主控指令进行机器人的运动学正反解的运算，机器人机身整体运动的控制规划，发送电机或舵机的控制指令，判断机器人状态；状态发布模块将机器人的状态通过广播的方式发送出去。3.根据权利要求1所述的模块化机器人控制系统，其特征在于，所述的扩展功能模块包括状态接收模块、命令分析模块、主程序执行模块、命令发布模块以及状态发布模块；状态接收模块接收机器人本体和其他扩展功能模块运...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁希仑，陈佳伟，徐坤，齐静，郑羿，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11