專利名稱：基于多dsp并行處理的自主移動機(jī)器人平臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及通用的移動機(jī)器人控制系統(tǒng)，特別涉及基于多DSP并行處理的自主移動機(jī)器人平臺。
背景技術(shù)：
移動機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)中的一個重要分支，它是一個集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合智能控制系統(tǒng)。一個完整的移動機(jī)器人系統(tǒng)通常由三個部分組成移動機(jī)構(gòu)、感知系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。移動機(jī)構(gòu)是機(jī)器人的載體，決定機(jī)器人的運動空間，有步行機(jī)構(gòu)、輪式機(jī)構(gòu)、履帶式機(jī)構(gòu)和混合機(jī)構(gòu)等幾種。感知系統(tǒng)一般采用CCD攝像機(jī)、激光測距儀、超聲傳感器、接觸和接近傳感器、紅外線傳感器和雷達(dá)定位傳感器、全球定位傳感器(GPS)等。移動機(jī)器人控制系統(tǒng)相當(dāng)于人的大腦和神經(jīng)系統(tǒng)，它綜合感知系統(tǒng)獲取的環(huán)境信息并控制移動機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動作。
以往的移動機(jī)器人系統(tǒng)基本上都是采用以下兩種結(jié)構(gòu)一是早期的移動機(jī)器人采用的結(jié)構(gòu)(見圖1)，如原西德產(chǎn)的HERO型移動機(jī)器人(參見《機(jī)器人》雜志第23卷第1期)。這種結(jié)構(gòu)中機(jī)器人傳感器信號處理和移動機(jī)構(gòu)的伺服控制采用單片機(jī)系統(tǒng)來完成，機(jī)器人的規(guī)劃和決策由上層計算機(jī)實現(xiàn)，上層計算機(jī)和下層模塊的通信采用RS232串行通信方式。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是成本低，結(jié)構(gòu)簡單，主要缺點是信號處理和運算能力差，只能實現(xiàn)點對點的通信且通信速率低，難以適應(yīng)動態(tài)環(huán)境尤其是未知動態(tài)環(huán)境的要求。近年來移動機(jī)器人的設(shè)計中開始采用一種基于多臺計算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(見圖2)，如清華大學(xué)研制的THMR-V型移動機(jī)器人(參見《機(jī)器人》雜志第23卷第6期)。該結(jié)構(gòu)中每一個控制模塊均包括一臺計算機(jī)(工控機(jī)或PC機(jī))，各個計算機(jī)之間通過局域網(wǎng)(一般為以太網(wǎng))相連。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是處理能力強，主要缺點是體積大、笨重，而且耗電量大，難以適應(yīng)采用電池供電的移動機(jī)器人低能耗的要求，同時其高成本的特點也極大地限制了移動機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的推廣。
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種采用多個DSP并行處理的自主移動機(jī)器人平臺，可分別獨立完成移動機(jī)器人的伺服控制、傳感器信號處理、自主避障、路徑規(guī)劃等任務(wù)。
為實現(xiàn)上述目的，一種基于多DSP并行處理的自主移動機(jī)器人平臺，包括上層控制計算機(jī)通過CAN總線與多個DSP處理系統(tǒng)相連；多個DSP系統(tǒng)之間通過CAN總線相連，以連成控制器局部網(wǎng)絡(luò)。
本實用新型在具備高速數(shù)據(jù)處理能力和實時數(shù)據(jù)通信能力的基礎(chǔ)上，大大縮小了機(jī)器人移動平臺的尺寸，減小了能源消耗，降低了移動機(jī)器人的整體成本，具備了小批量生產(chǎn)的條件，有利于拓展移動機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。


圖1為采用單片機(jī)系統(tǒng)作為移動機(jī)器人控制模塊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2為采用多計算機(jī)系統(tǒng)作為移動機(jī)器人控制模塊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3為采用多DSP并行處理的自主移動機(jī)器人平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具體實施方式
如圖3所示，基于多DSP并行處理的自主移動機(jī)器人平臺屬于自主移動機(jī)器人范疇，移動機(jī)器人要實現(xiàn)在未知和不確定環(huán)境下自主工作，應(yīng)具有感知環(huán)境和規(guī)劃自身動作的能力。為此，必須提高移動機(jī)器人對當(dāng)前環(huán)境的快速感知、理解和識別能力以及導(dǎo)航功能，這在很大程度上取決于移動機(jī)器人是否采用了一個合理的體系結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的基于“感知-建模-規(guī)劃-動作”模型的水平型體系結(jié)構(gòu)信號流程清晰，易于工程實現(xiàn)，但它每規(guī)劃一個動作都需要經(jīng)過“感知-建模-規(guī)劃-動作”的整個流程，感知環(huán)境和規(guī)劃動作的速度慢，只適合于工作在已知環(huán)境中；基于行為的垂直型體系結(jié)構(gòu)(如包容式結(jié)構(gòu))將系統(tǒng)功能分解成并行(垂直)的模塊，各模塊獨立地接收傳感器的輸入并規(guī)劃出各自的動作，感知環(huán)境和規(guī)劃動作的速度大為加快，可工作在未知和不確定環(huán)境中。本實用新型采用將水平型體系結(jié)構(gòu)和垂直型體系結(jié)構(gòu)結(jié)合起來的混合型體系結(jié)構(gòu)，在機(jī)器人的底層控制中采用各功能模塊可并行執(zhí)行的垂直型體系結(jié)構(gòu)，底層控制由各自獨立的DSP并行處理系統(tǒng)組成，分別完成超聲、紅外傳感器信號處理和運動控制、定位、避障、路徑規(guī)劃等功能，以加快機(jī)器人感知環(huán)境和規(guī)劃動作的速度。在機(jī)器人的上層控制中采用各功能模塊順序執(zhí)行的水平型體系結(jié)構(gòu)，保證上層控制能獲得機(jī)器人感知的全部環(huán)境信息和機(jī)器人的運行狀態(tài)，通過對全局信息的分析和推理有效實施對底層控制中各功能模塊的任務(wù)調(diào)度和故障處理，保證移動機(jī)器人整體運行的高效和可靠性。
自主移動機(jī)器人平臺由超聲測距DSP系統(tǒng)、避障及伺服控制DSP系統(tǒng)、路徑規(guī)劃DSP系統(tǒng)及上層控制計算機(jī)組成，三個相互獨立的DSP系統(tǒng)與上層控制計算機(jī)之間通過CAN總線連成控制器局部網(wǎng)絡(luò)。超聲傳感器信號經(jīng)放大后送入超聲測距DSP系統(tǒng)進(jìn)行處理；紅外傳感器信號經(jīng)放大后送入避障及伺服控制DSP系統(tǒng)進(jìn)行處理，實現(xiàn)移動機(jī)器人的伺服控制和自主避障；定位傳感器信號送入路徑規(guī)劃DSP系統(tǒng)進(jìn)行處理并由DSP系統(tǒng)實現(xiàn)移動機(jī)器人的路徑規(guī)劃。
上層控制的主控機(jī)采用嵌入式工業(yè)控制計算機(jī)，用于在上層控制中獲取機(jī)器人感知的全部環(huán)境信息和機(jī)器人的運行狀態(tài)，實現(xiàn)移動機(jī)器人的任務(wù)調(diào)度和故障處理，保證機(jī)器人的可靠運行。
本實用新型中各DSP處理系統(tǒng)之間以及DSP處理系統(tǒng)和上層控制計算機(jī)之間采用CAN總線連成控制器局部網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中各自獨立的DSP處理系統(tǒng)之間及其和上層控制計算機(jī)之間通過CAN總線可實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)通信和實時、高效的任務(wù)調(diào)度。
本實用新型與圖1所示系統(tǒng)的不同之處在于采用數(shù)字信號處理器作為各模塊的控制中心，這和圖1中采用的單片機(jī)系統(tǒng)相比在信號處理能力、實時性、計算精度等方面都有很大程度的提高，并且保持了原有單片機(jī)系統(tǒng)體積小、成本低、功耗低的特點。本實用新型采用的DSP數(shù)字信號處理器具有指令執(zhí)行速度快、大部分指令都可以在單周期內(nèi)執(zhí)行完畢的優(yōu)點。另外，它還具有非常強大的片內(nèi)I/O端口和A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器、CAN總線接口、串行通信接口等外圍設(shè)備，可以簡化外圍電路設(shè)計，降低系統(tǒng)成本。本實用新型采用的多DSP并行處理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有效地克服了圖1所示系統(tǒng)存在設(shè)計復(fù)雜和一些算法難以實現(xiàn)的缺陷。
本實用新型與圖1所示系統(tǒng)的另一個主要的不同之處是采用了基于CAN總線的控制器局部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，各自獨立的DSP系統(tǒng)之間及其與上層計算機(jī)之間可實現(xiàn)高速、可靠、實時和靈活的數(shù)據(jù)通信，有效克服了圖1所示系統(tǒng)只能實現(xiàn)點對點的通信且通信速率低的缺陷，使得采用本實用新型設(shè)計的移動機(jī)器人可以適應(yīng)未知動態(tài)環(huán)境的要求。
本實用新型與圖2所示系統(tǒng)的不同之處在于采用具有高速信號處理和數(shù)字控制功能而且體積小、重量輕、低成本、低功耗的數(shù)字信號處理器作為各模塊的控制中心，使得本實用新型在具備高速數(shù)據(jù)處理能力和實時數(shù)據(jù)通信能力的基礎(chǔ)上，大大縮小了機(jī)器人移動平臺的尺寸，減小了能源消耗，降低了移動機(jī)器人的整體成本，有效克服了圖2所示系統(tǒng)體積大、笨重、耗電量大、高成本的缺陷，有利于移動機(jī)器人在軍事和民用等領(lǐng)域的應(yīng)用推廣。
實施例本實用新型(圖3)中各DSP處理系統(tǒng)的CPU均采用TI公司生產(chǎn)的TMS320LF2407A，它是專門針對控制領(lǐng)域應(yīng)用的DSP芯片，具有高速信號處理和數(shù)字控制功能所必需的體系結(jié)構(gòu)，其指令執(zhí)行速度高達(dá)40MIPS，且絕大部分的指令都可以在一個25ns的單周期內(nèi)執(zhí)行完畢。另外，它還具有非常強大的片內(nèi)I/O端口和其它外圍設(shè)備，可以簡化外圍電路設(shè)計，降低系統(tǒng)成本。
本實用新型底層控制中的超聲測距DSP系統(tǒng)采用TMS320LF2407A為核心處理器，通過硬件中斷和輪巡采集等方法實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集的實時性和可靠性，軟件上采用傳感器數(shù)據(jù)融合算法和容錯設(shè)計方法保證系統(tǒng)可以達(dá)到很高的采集速率和很高的精度。通過CAN總線通信，可以將測距值以很高的通信速率可靠的發(fā)送給機(jī)器人底層控制中的其他模塊和上層控制計算機(jī)。
避障及伺服控制DSP系統(tǒng)中的伺服控制是采用變結(jié)構(gòu)的原理來實現(xiàn)的，即在誤差較大時使用最速控制，電機(jī)加全壓高速運行，以使誤差迅速減小，在誤差較小時使用增益可變的PID控制，實現(xiàn)驅(qū)動輪伺服系統(tǒng)的無超調(diào)運行，以達(dá)到移動機(jī)器人高精度、高速度移動的目的。底層控制中的移動機(jī)器人避障是通過采集安裝在機(jī)器人平臺上的多路紅外傳感器信號、采用動態(tài)避障算法來實現(xiàn)的。
本實用新型底層控制中的路徑規(guī)劃DSP系統(tǒng)用來實現(xiàn)移動機(jī)器人定位和路徑規(guī)劃兩部分功能。移動機(jī)器人定位用于實時測定機(jī)器人當(dāng)前坐標(biāo)及方位，它首先根據(jù)電機(jī)軸編碼器的輸出經(jīng)計算后得到粗定位，然后根據(jù)超聲傳感器信息以及上層的圖像等其它信息來達(dá)到精確定位。路徑規(guī)劃則是根據(jù)上面已經(jīng)得出的機(jī)器人位置信息和上層計算機(jī)給出的機(jī)器人工作環(huán)境信息和目標(biāo)點信息，按照某種優(yōu)化指標(biāo)，采用人工勢場算法在起始點和目標(biāo)點間規(guī)劃出一條與環(huán)境障礙無碰的路徑。
上層控制的主控機(jī)采用嵌入式工業(yè)控制計算機(jī)，它主要完成兩部分功能，一是接收用戶的控制指令并顯示移動機(jī)器人的位置和狀態(tài)信息，完成與用戶的人機(jī)接口；二是完成與機(jī)器人底層的交互，獲取機(jī)器人感知的全部環(huán)境信息和機(jī)器人的運行狀態(tài)，通過對全局信息的分析和推理有效實施對底層控制中各功能模塊的任務(wù)調(diào)度和故障處理，保證移動機(jī)器人整體運行的高效和可靠性。
權(quán)利要求1.一種基于多DSP并行處理的自主移動機(jī)器人平臺，其特征在于上層控制計算機(jī)通過CAN總線與多個DSP處理系統(tǒng)相連；多個DSP系統(tǒng)之間通過CAN總線相連。
2.按權(quán)利要求1所述的平臺，其特征在于所述的DSP處理系統(tǒng)包括超聲測距DSP系統(tǒng)，所述超聲測距DSP系統(tǒng)與超聲傳感器相連。
3.按權(quán)利要求1所述的平臺，其特征在于所述的DSP處理系統(tǒng)包括避障及伺服控制DSP系統(tǒng)，所述超聲測距DSP系統(tǒng)與處理紅外傳感器和移動機(jī)構(gòu)相連。
4.按權(quán)利要求1所述的平臺，其特征在于所述的DSP處理系統(tǒng)包括路徑規(guī)劃DSP系統(tǒng)，所述路徑規(guī)劃DSP系統(tǒng)與定位傳感器相連。
專利摘要一種基于多DSP并行處理的自主移動機(jī)器人平臺，包括上層控制計算機(jī)通過CAN總線與多個DSP處理系統(tǒng)相連；多個DSP系統(tǒng)之間通過CAN總線相連，以連成控制器局部網(wǎng)絡(luò)。本實用新型在具備高速數(shù)據(jù)處理能力和實時數(shù)據(jù)通信能力的基礎(chǔ)上，大大縮小了機(jī)器人移動平臺的尺寸，減小了能源消耗，降低了移動機(jī)器人的整體成本，具備了小批量生產(chǎn)的條件，有利于拓展移動機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。
文檔編號B25J13/00GK2614864SQ0229545
公開日2004年5月12日 申請日期2002年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月31日
發(fā)明者侯增廣, 譚民, 陳細(xì)軍, 葉濤, 李磊, 楊國勝, 延昊 申請人:中國科學(xué)院自動化研究所