水陆两栖全地形移动机器人控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种水陆两栖全地形移动机器人控制系统，它包括上位机、主控制器、视觉系统、力觉系统和运动生成系统。上位机的以太网接口与主控制器的以太网接口以网线连接；主控制器的PXI总线接口分别与视觉系统的PXI总线接口、力觉系统的PXI总线接口、运动生成系统的PXI总线接口以PXI总线连接；视觉系统安装于两栖机器人机身的前部，力觉系统安装于两栖机器人机身与行走机构的连接处，运动生成系统中的浮力控制器固结于两栖机器人机身上平面中，运动生成系统中的三个电机分别联接于两栖机器人行走机构的外轮、太阳齿轮和中心齿轮的驱动轴。水陆两栖全地形移动机器人控制系统实现两栖机器人连续、高效的全地形移动能力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于机器人
，具体涉及一种水陆两栖全地形移动机器人控制系统。
技术介绍
在重大自然灾害发生后，于最短的时间内(少于48小时)在废墟中搜寻幸存者，给予必要的医疗救助，并尽快救出被困者是灾后救援工作的紧迫任务。地震-海嘯、洪水等重大自然灾害肆掠过后的灾害现场环境极其恶劣，一方面由于建筑物倒塌、公路扭曲变形等原因，在陆地上形成了复杂的障碍地形，另一方面，由于海水倒灌，形成大量的泥泞、稀软两栖地形；另外，未完全退去的洪水等形成大片的水下环境。要在如此恶劣的环境中进行搜救，机器人必须具有两栖环境下的全地形机动能力。水陆两栖全地形移动机器人采用一套运动机构即能实现丰富的运动形式，能够在包括水下、沙地、泥泞和岩石陆地等复杂的两栖地形中自主运动。因此，它能够在自然灾害发生后的恶劣环境中进行搜救。机器人丰富的运动步态是两栖全地形机动能力实现的基础。其中，每一种运动步态都有其适应的地形和越障极限，当超过该极限时，单一步态则无法克服障碍而失去机动性。因此，机器人必须通过控制来实现基于障碍交互的混合步态，从而突破单步态的限制，获得更大的范围的机动性。为此，本专利技术专利提出了一种水陆两栖全地形移动机器人控制系统，用于具有多运动步态的水陆两栖机器人混合步态的实现。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服已有两栖机器人控制系统的不足之处，提供一种水陆两栖全地形移动机器人控制系统，通过环境-障碍交互及轮式、腿式、轮腿融合式和桨式运动步态转换机制的转换，实现两栖机器人连续、高效的全地形移动能力。为达到上述目的，本专利技术的技术思路为: 控制系统由上位机、主控制器、视觉系统、力觉系统和运动生成系统组成。主控制器通过以太网获得上位机操作指令，并通过PXI总线读取视觉系统、力觉系统采集得到的机器视觉信息和力觉信息。运行于主控制器之上的控制算法基于视觉和力觉信息对两栖机器人的工作环境进行识别，规划出与之相适应的运动步态，并据此计算出机器人的多模块运动轨迹，并通过PXI总线将模块运动轨迹信息传递给运动生成系统。为了保证机器人控制的实时性，主控制器中的控制算法均运行于实时操作系统平台之上； 视觉系统由图像采集卡和高性能摄像头组成，图像采集卡获取摄像头的图像信息并进行处理后将可用的机器视觉信息通过PXI总线传递给主控制器； 力觉系统由六维力传感器和力传感器数据采集卡组成，力传感器数据采集卡获取传感器的力和力矩信息后，通过PXI总线将其传递给主控制器；运动生成系统包括CAN总线控制器、浮力控制器和多个单模块控制单元；CAN控制器通过PXI总线获取各单模块的运动以及浮力指令，然后通过CAN总线将指令分发给目标控制器；其中，浮力系统控制器根据收到的浮力产生两栖机器人所需的浮力；单模块控制单元包括三个运动控制器和三个电机，运动控制器根据CAN总线发送的运动指令闭环控制对应电机的输入电压及电流，使之产生预定的运动及力矩。根据上述思路，本专利技术采取如下技术方案: 水陆两栖全地形移动机器人控制系统，包括上位机、主控制器、视觉系统、力觉系统和运动生成系统。其特征在于:所述上位机的以太网接口与主控制器的以太网接口以网线连接。主控制器的PXI总线接口分别与视觉系统的PXI总线接口、力觉系统的PXI总线接口、运动生成系统的PXI总线接口以PXI总线连接。所述的视觉系统安装于两栖机器人机身的前部，力觉系统安装于两栖机器人机身与行走机构的连接处，运动生成系统中的浮力控制器固结于两栖机器人机身的上平面中，运动生成系统中的电机分别安装于两栖机器人行走机构的外轮、太阳齿轮、中心齿轮的驱动轴上。上位机将用户指令写入主控制器，主控制器根据视觉系统和力觉系统采集的机器人外界运行环境信息控制运动生成系统执行用户指令。所述的上位机采用通用工控机；上述主控制器采用NI PX1-8108实时嵌入式控制器；上述视觉系统是一个图像采集卡连接一个高性能摄像头；所述力觉系统是一个力传感器数据采集卡连接一个六维力传感器。所述的图像采集卡采用NI PXIe-1435接收器；高性能摄像头采用NI 1774智能摄像头；上述的力传感器采集卡采用NI PX1-6123多通道模拟采集卡；上述的力传感器采用ATI DELTA (S1-330-30)六维力传感器。所述的运动生成系统包括一个CAN总线控制器、所述浮力控制器和多个单模块控制单元。所述CAN总线控制器采用NI PXI 8531CAN总线接口卡。CAN总线控制器的PXI总线接口连接于PXI总线上。CAN总线控制器的CAN_H、CAN_L输出端与浮力控制器和单模块控制单元的CAN_H、CAN_L输出端以双绞电缆连接； 所述浮力控制器由一个浮力控制微处理器、一个微型气泵、一个电磁阀、一个密封气缸和一个气囊组成。所述微型气泵和电磁阀固结于密封气缸内部。微型气泵的气体输出端通过软橡胶气管与气囊的通气口一连接，微型气泵的气体输入端悬空。电磁阀的通气阀口通过软橡胶气管与气囊的通气口 二连接。微型气泵和电磁阀的电气输入接口与浮力控制微处理器电连接。上述浮力控制微处理器采用STM32型ARM微处理器，微型气泵采用DSA-1-24型直流微型气泵，电磁阀采用VDM IOBA型电磁阀。所述单模块控制单元包括外轮运动控制模块、中心轮运动控制模块和太阳轮运动控制模块。外轮运动控制模块、中心轮运动控制模块和太阳轮运动控制模块的硬件结构完全相同，由运动控制器和电机组成。所述运动控制器由微控制器、全桥驱动电路、霍尔电流传感器和光电编码器组成。霍尔电流传感器的两个输入端串接于电机的两个输入端，光电编码器的输出轴与电机输出轴固结。微处理器的模数转换器的输入端与霍尔电流传感器的输出端连接。微处理器的计数器的输入端与光电编码器的输出端连接。微处理器中的PWM发生器的输出端与全桥驱动电路的输入端连接。所述微处理器采用STM32型ARM微处理器；所述全桥驱动电路采用LMS18200驱动-H-* I I心/T ο本专利技术与现有技术相比较，显而易见的突出实质性特点和显著技术进步: (1)本专利技术所提出的两栖机器人控制系统采用了基于机器视觉和力觉的障碍交互方式，从而使两栖机器人能自主分辨所处介质环境及地形； (2)当两栖机器人分辨出介质环境及地形后，主控制器能够规划出适合所处环境的混合运动步态，来突破单步态的限制，从而获得更大范围的机动性； (3)当两栖机器人在运行环境中光强不足时，主控制器通过力觉系统能够根据地形的接触力学特征重构出环境的力学图像，保证两栖机器人在光学摄像头失效的情况下实现高机动性的混合运动步态； (4)本专利技术中的运动生成系统具有模块化特征，方便两栖机器人为了功能需求而增添运动模块数量； (5)本专利技术可以用于水陆两栖机器人的控制，也可以用于其他运动系统的控制。附图说明图1为本专利技术的一个实施例水陆两栖机器人结构不意 图2为一个实施例的两栖环境下全地形机动性示意 图3为水陆两栖全地形移动机器人控制系统的结构框 图4为水陆两栖全地形移动机器人控制程序流程 图5为浮力控制器的结构框 图6为浮力控制器的气路连接图 图7为运动控制器的结构框图。具体实施例方式下面结合附图和优选实施例对本专利技术作进一步详细的说明。实施例一: 参见图3，本水陆两栖全地形移动机器人控制系本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水陆两栖全地形移动机器人控制系统,包括上位机(3)、主控制器(4)、视觉系统(5)、力觉系统(6)和运动生成系统(7),其特征在于：所述上位机(3)?的以太网接口与主控制器(4)的以太网接口以网线连接；所述主控制器(4)的PXI总线接口分别与视觉系统(5)的PXI总线接口、力觉系统(6)的PXI总线接口、运动生成系统(7)的PXI总线接口以PXI总线连接；所述视觉系统(5)安装于两栖机器人机身（120）的前部，所述力觉系统(6)安装于两栖机器人机身(120)与行走机构(100)的连接处，运动生成系统(7)中的浮力控制器(71)固结于两栖机器人机身(120)上平面中，所述运动生成系统(7)中的三个电机分别联接于两栖机器人行走机构(100)的外轮(101)、太阳齿轮(1041)和中心齿轮(1042)的驱动轴。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：蒲华燕，马书根，孙翊，王涛，高同跃，李敏，龚振邦，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：