一种模块化轮式移动机器人控制系统及控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种模块化轮式移动机器人控制系统及控制方法，控制系统包括车体主体框架、驱动轮、导航规划模块和底盘运动控制模块，底盘运动控制模块与导航规划模块通信连接；导航规划模块包括设置在车体主体框架上的工控机以及连接在工控机上的前激光雷达、后激光雷达、惯性测量单元和显示器；底盘运动控制模块包括设置在车体主体框架上的单片机、直流电机、直流电机驱动器、编码器和电源模块，以及与单片机遥控连接的手柄控制模块。控制方法包括地图构建、全局路径规划、局部路径规划和速度控制等步骤。本发明专利技术具有开发灵活、功能复用、可扩展性好等特点。扩展性好等特点。扩展性好等特点。

【技术实现步骤摘要】
一种模块化轮式移动机器人控制系统及控制方法


[0001]本专利技术属于移动机器人领域，具体涉及一种模块化轮式移动机器人控制系统及控制方法。

技术介绍

[0002]随着社会发展和科技水平的提高，机器人产业发展迅速，移动机器人也成为当前研究的热点，并且移动机器人在生产生活中得到越来越广泛的应用。移动机器人正在从单一的工业生产用户向商用、家庭、个人等领域逐步推广，将更加深入地融入社会生活中。例如物流搬运机器人、安保巡检机器人、送餐机器人等。因此加快移动机器人的发展对推动生产生活方式的改变具有重要意义。
[0003]移动机器人应用场景越来越广、功能需求越来越多，研发一个开放通用、易扩展的移动机器人控制系统具有重要的应用价值。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种模块化轮式移动机器人控制系统及控制方法，具有开发灵活、功能复用、可扩展性好等特点。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种模块化轮式移动机器人控制系统，包括车体主体框架和驱动轮，还包括导航规划模块和底盘运动控制模块，底盘运动控制模块与导航规划模块通信连接；导航规划模块包括设置在车体主体框架上的工控机以及连接在工控机上的前激光雷达、后激光雷达、惯性测量单元和显示器，前激光雷达、后激光雷达和惯性测量单元作为传感模块，与工况机通信连接；工况机用于接收并处理传感模块的数据，实现地图构建、轮式移动机器人即时定位、路径规划及避障，并将路径规划输出的运动指令打包发送给底盘运动控制模块；底盘运动控制模块包括设置在车体主体框架上的单片机、直流电机、直流电机驱动器、编码器和电源模块，以及与单片机遥控连接的手柄控制模块；所述单片机用于接收导航规划模块发送的速度指令和向导航规划模块发送由所述编码器测得的车轮转速及里程计数据。
[0006]工控机通过集成USB接口与前激光雷达、后激光雷达及惯性测量单元连接，显示器通过Type
‑
C数据线与工控机连接。
[0007]底盘运动控制模块通过RS232串口通信与导航规划模块连接。
[0008]一种模块化轮式移动机器人的控制方法，该方法基于所述的控制系统，包括如下步骤：步骤一，导航规划模块的工况机利用前激光雷达、后激光雷达的雷达数据进行地图构建；步骤二，导航规划模块的工况机利用雷达数据、编码器获得的里程计数据和步骤
一的地图数据，将轮式移动机器人的实时位姿与所构建的地图进行匹配，得到当前移动机器人在地图环境中的位姿，然后给工况机一个移动机器人的目标位姿，则工况机根据实时位姿和目标位姿信息与地图数据，利用A*算法进行全局规划路线，生成全局路径数据；步骤三，导航规划模块的工况机在步骤二获得的全局路径数据的基础上，根据前激光雷达、后激光雷达扫描的移动机器人周围实时障碍物信息，利用TEB算法进行局部避障的路径和运动规划，生成实时避障的速度指令，并向底盘运动控制模块发送速度指令；步骤四，底盘运动控制模块通过RS232串口与导航规划模块进行通信，订阅局部路径规划输出的速度指令，使机器人完成路径规划任务和避障功能。
[0009]步骤三中，所述速度指令包括轮式移动机器人的期望速度和期望角速度。
[0010]步骤四中，底盘运动控制模块获得期望速度和期望角速度后，单片机经逆运动学模型求解得出左、右车轮的车轮期望速度，PI 控制器根据车轮期望速度产生PWM信号，通过直流电机驱动器控制直流电机的转向和速度，然后，编码器检测直流电机的脉冲数并计算左、右车轮的实际车轮速度，将期望车轮速度和实际车轮速度输入到 PI 控制器，PI 控制器输出新的 PWM 信号以再次控制直流电机，使实际车轮速度与期望车轮速度相同。
[0011]与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：1.采用模块化的设计理念，可有效降低轮式移动机器人控制系统开发成本，提高了开发效率，从而缩短了开发周期。
[0012]2.通过采用分层式控制系统框架，降低了各个层级间的耦合性，提高轮式移动机器人控制系统的可扩展性，从而降低后期系统修改升级的成本；3.采用前激光雷达和后激光雷达，即双激光雷达，可提高轮式移动机器人SLAM建图的清晰度和效率，增加轮式移动机器人自主导航过程中障碍的检测率。
附图说明
[0013]图1为本专利技术所述轮式移动机器人控制系统硬件框图；图2为本专利技术所述轮式移动机器人控制系统软件框图；图3为本专利技术所述轮式移动机器人控制系统的导航规划流程图；图4为本专利技术所述底盘运动控制系统模块对速度控制的流程图。
具体实施方式
[0014]下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明，但并不作为对专利技术做任何限制的依据。
[0015]实施例1：一种模块化轮式移动机器人控制系统，包括车体主体框架和驱动轮，驱动轮安装在车体主体框架上，并由直流电机驱动旋转；控制系统还包括导航规划模块和底盘运动控制模块，导航规划模块用于机器人的全部路径规划和局部路径规划，以规划出可以避开障碍物的移动路径，并向底盘运动控制模块发送相关的速度指令，底盘运动控制模块根据速度指令实现机器人沿规划的移动路径运行。
[0016]所述的导航规划模块包括安装在车体主体框架的工控机、显示器、前激光雷达、后激光雷达、惯性测量单元（IMU）和电源模块。底盘运动控制模块包括手柄控制模块以及安装在车体主体框架上的STM32单片机、直流电机、直流电机驱动器、编码器和电源模块，手柄控
制模块和STM32单片机遥控连接。底盘运动控制模块的STM32单片机通过RS232串口通信与导航规划模块中的工控机连接。
[0017]在导航规划模块中，所述工控机通过集成USB接口与前激光雷达、后激光雷达及IMU连接，显示器通过Type
‑
C数据线与工控机连接，电源模块为导航规划模块中的其他单元供电。所述工控机采用AMD
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Ryzen3 2200，所述显示器13.3 英寸，分辨率为1920*1080，所述前、后激光雷达为砝石
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FS
‑
D10 激光雷达。
[0018]所述工控机装有Ububtu18.04操作系统和机器人操作系统(ROS)，工控机作为导航规划模块的核心，基于ROS move_base设计，move_base是ROS开源导航功能包，提供地图构建、即时定位、路径规划以及避障等功能。
[0019]所述前激光雷达、后激光雷达负责提供轮式移动机器人地图构建、实时避障时所需激光雷达数据，使轮式移动机器人完成SLAM建图以及导航过程中对检测到的障碍物进行避障。
[0020]所述惯性测量单元(IMU)主要由陀螺仪和加速度计构成，其作用是测量轮式移动机器人自主导航过程中三轴姿态角以及加速度，其目的是估计轮式移动机器人所处位置及位姿。
[0021]在底盘运动控制模块中，STM32单片机作为控制器，通过UART串口连接直流电机驱动器，然后直流电机驱动器驱动带有编码器的直流电机。
[0022]底盘运动控制模块基于STM3本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种模块化轮式移动机器人控制系统，包括车体主体框架和驱动轮，其特征在于：还包括导航规划模块和底盘运动控制模块，底盘运动控制模块与导航规划模块通信连接；导航规划模块包括设置在车体主体框架上的工控机以及连接在工控机上的前激光雷达、后激光雷达、惯性测量单元和显示器，前激光雷达、后激光雷达和惯性测量单元作为传感模块，与工况机通信连接；工况机用于接收并处理传感模块的数据，实现地图构建、轮式移动机器人即时定位、路径规划及避障，并将路径规划输出的运动指令打包发送给底盘运动控制模块；底盘运动控制模块包括设置在车体主体框架上的单片机、直流电机、直流电机驱动器、编码器和电源模块，以及与单片机遥控连接的手柄控制模块；所述单片机用于接收导航规划模块发送的速度指令和向导航规划模块发送由所述编码器测得的车轮转速及里程计数据。2.根据权利要求1所述的一种模块化轮式移动机器人控制系统，其特征在于：工控机通过集成USB接口与前激光雷达、后激光雷达及惯性测量单元连接，显示器通过Type
‑
C数据线与工控机连接。3.根据权利要求1所述的一种模块化轮式移动机器人控制系统，其特征在于：底盘运动控制模块通过RS232串口通信与导航规划模块连接。4.一种模块化轮式移动机器人的控制方法，该方法基于如权利要求1~3任一项所述的控制系统，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，导航规划模块的工况机利用前激光雷达、后激光雷达的雷达数据进行地图构建；步骤二，导航规划模块的工况机...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭志军，郑帅杰，省东旭，尹亚昆，桓京博，张鹏，方正，李亦轩，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：