基於多dsp並行處理的自主移動機器人平臺的製作方法
2023-10-04 08:16:39 2
專利名稱：基於多dsp並行處理的自主移動機器人平臺的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及通用的移動機器人控制系統，特別涉及基於多DSP並行處理的自主移動機器人平臺。
背景技術：
移動機器人是機器人學中的一個重要分支，它是一個集環境感知、動態決策與規劃、行為控制與執行等多種功能於一體的綜合智能控制系統。一個完整的移動機器人系統通常由三個部分組成移動機構、感知系統和控制系統。移動機構是機器人的載體，決定機器人的運動空間，有步行機構、輪式機構、履帶式機構和混合機構等幾種。感知系統一般採用CCD攝像機、雷射測距儀、超聲傳感器、接觸和接近傳感器、紅外線傳感器和雷達定位傳感器、全球定位傳感器(GPS)等。移動機器人控制系統相當於人的大腦和神經系統，它綜合感知系統獲取的環境信息並控制移動機構產生相應的動作。
以往的移動機器人系統基本上都是採用以下兩種結構一是早期的移動機器人採用的結構(見圖1)，如原西德產的HERO型移動機器人(參見《機器人》雜誌第23卷第1期)。這種結構中機器人傳感器信號處理和移動機構的伺服控制採用單片機系統來完成，機器人的規劃和決策由上層計算機實現，上層計算機和下層模塊的通信採用RS232串行通信方式。這種結構的優點是成本低，結構簡單，主要缺點是信號處理和運算能力差，只能實現點對點的通信且通信速率低，難以適應動態環境尤其是未知動態環境的要求。近年來移動機器人的設計中開始採用一種基於多臺計算機的系統結構(見圖2)，如清華大學研製的THMR-V型移動機器人(參見《機器人》雜誌第23卷第6期)。該結構中每一個控制模塊均包括一臺計算機(工控機或PC機)，各個計算機之間通過區域網(一般為乙太網)相連。這種結構的優點是處理能力強，主要缺點是體積大、笨重，而且耗電量大，難以適應採用電池供電的移動機器人低能耗的要求，同時其高成本的特點也極大地限制了移動機器人應用領域的推廣。
實用新型內容本實用新型的目的是提供一種採用多個DSP並行處理的自主移動機器人平臺，可分別獨立完成移動機器人的伺服控制、傳感器信號處理、自主避障、路徑規劃等任務。
為實現上述目的，一種基於多DSP並行處理的自主移動機器人平臺，包括上層控制計算機通過CAN總線與多個DSP處理系統相連；多個DSP系統之間通過CAN總線相連，以連成控制器局部網絡。
本實用新型在具備高速數據處理能力和實時數據通信能力的基礎上，大大縮小了機器人移動平臺的尺寸，減小了能源消耗，降低了移動機器人的整體成本，具備了小批量生產的條件，有利於拓展移動機器人的應用領域。
圖1為採用單片機系統作為移動機器人控制模塊的系統結構圖2為採用多計算機系統作為移動機器人控制模塊的系統結構圖3為採用多DSP並行處理的自主移動機器人平臺系統結構具體實施方式
如圖3所示，基於多DSP並行處理的自主移動機器人平臺屬於自主移動機器人範疇，移動機器人要實現在未知和不確定環境下自主工作，應具有感知環境和規劃自身動作的能力。為此，必須提高移動機器人對當前環境的快速感知、理解和識別能力以及導航功能，這在很大程度上取決於移動機器人是否採用了一個合理的體系結構。傳統的基於「感知-建模-規劃-動作」模型的水平型體系結構信號流程清晰，易於工程實現，但它每規劃一個動作都需要經過「感知-建模-規劃-動作」的整個流程，感知環境和規划動作的速度慢，只適合於工作在已知環境中；基於行為的垂直型體系結構(如包容式結構)將系統功能分解成並行(垂直)的模塊，各模塊獨立地接收傳感器的輸入並規劃出各自的動作，感知環境和規划動作的速度大為加快，可工作在未知和不確定環境中。本實用新型採用將水平型體系結構和垂直型體系結構結合起來的混合型體系結構，在機器人的底層控制中採用各功能模塊可並行執行的垂直型體系結構，底層控制由各自獨立的DSP並行處理系統組成，分別完成超聲、紅外傳感器信號處理和運動控制、定位、避障、路徑規劃等功能，以加快機器人感知環境和規划動作的速度。在機器人的上層控制中採用各功能模塊順序執行的水平型體系結構，保證上層控制能獲得機器人感知的全部環境信息和機器人的運行狀態，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調度和故障處理，保證移動機器人整體運行的高效和可靠性。
自主移動機器人平臺由超聲測距DSP系統、避障及伺服控制DSP系統、路徑規劃DSP系統及上層控制計算機組成，三個相互獨立的DSP系統與上層控制計算機之間通過CAN總線連成控制器局部網絡。超聲傳感器信號經放大後送入超聲測距DSP系統進行處理；紅外傳感器信號經放大後送入避障及伺服控制DSP系統進行處理，實現移動機器人的伺服控制和自主避障；定位傳感器信號送入路徑規劃DSP系統進行處理並由DSP系統實現移動機器人的路徑規劃。
上層控制的主控機採用嵌入式工業控制計算機，用於在上層控制中獲取機器人感知的全部環境信息和機器人的運行狀態，實現移動機器人的任務調度和故障處理，保證機器人的可靠運行。
本實用新型中各DSP處理系統之間以及DSP處理系統和上層控制計算機之間採用CAN總線連成控制器局部網絡，網絡中各自獨立的DSP處理系統之間及其和上層控制計算機之間通過CAN總線可實現可靠的數據通信和實時、高效的任務調度。
本實用新型與圖1所示系統的不同之處在於採用數位訊號處理器作為各模塊的控制中心，這和圖1中採用的單片機系統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，並且保持了原有單片機系統體積小、成本低、功耗低的特點。本實用新型採用的DSP數位訊號處理器具有指令執行速度快、大部分指令都可以在單周期內執行完畢的優點。另外，它還具有非常強大的片內I/O埠和A/D模數轉換器、CAN總線接口、串行通信接口等外圍設備，可以簡化外圍電路設計，降低系統成本。本實用新型採用的多DSP並行處理的系統結構有效地克服了圖1所示系統存在設計複雜和一些算法難以實現的缺陷。
本實用新型與圖1所示系統的另一個主要的不同之處是採用了基於CAN總線的控制器局部網絡結構，各自獨立的DSP系統之間及其與上層計算機之間可實現高速、可靠、實時和靈活的數據通信，有效克服了圖1所示系統只能實現點對點的通信且通信速率低的缺陷，使得採用本實用新型設計的移動機器人可以適應未知動態環境的要求。
本實用新型與圖2所示系統的不同之處在於採用具有高速信號處理和數字控制功能而且體積小、重量輕、低成本、低功耗的數位訊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據處理能力和實時數據通信能力的基礎上，大大縮小了機器人移動平臺的尺寸，減小了能源消耗，降低了移動機器人的整體成本，有效克服了圖2所示系統體積大、笨重、耗電量大、高成本的缺陷，有利於移動機器人在軍事和民用等領域的應用推廣。
實施例本實用新型(圖3)中各DSP處理系統的CPU均採用TI公司生產的TMS320LF2407A，它是專門針對控制領域應用的DSP晶片，具有高速信號處理和數字控制功能所必需的體系結構，其指令執行速度高達40MIPS，且絕大部分的指令都可以在一個25ns的單周期內執行完畢。另外，它還具有非常強大的片內I/O埠和其它外圍設備，可以簡化外圍電路設計，降低系統成本。
本實用新型底層控制中的超聲測距DSP系統採用TMS320LF2407A為核心處理器，通過硬體中斷和輪巡採集等方法實現傳感器數據採集的實時性和可靠性，軟體上採用傳感器數據融合算法和容錯設計方法保證系統可以達到很高的採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送給機器人底層控制中的其他模塊和上層控制計算機。
避障及伺服控制DSP系統中的伺服控制是採用變結構的原理來實現的，即在誤差較大時使用最速控制，電機加全壓高速運行，以使誤差迅速減小，在誤差較小時使用增益可變的PID控制，實現驅動輪伺服系統的無超調運行，以達到移動機器人高精度、高速度移動的目的。底層控制中的移動機器人避障是通過採集安裝在機器人平臺上的多路紅外傳感器信號、採用動態避障算法來實現的。
本實用新型底層控制中的路徑規劃DSP系統用來實現移動機器人定位和路徑規劃兩部分功能。移動機器人定位用於實時測定機器人當前坐標及方位，它首先根據電機軸編碼器的輸出經計算後得到粗定位，然後根據超聲傳感器信息以及上層的圖像等其它信息來達到精確定位。路徑規劃則是根據上面已經得出的機器人位置信息和上層計算機給出的機器人工作環境信息和目標點信息，按照某種優化指標，採用人工勢場算法在起始點和目標點間規劃出一條與環境障礙無碰的路徑。
上層控制的主控機採用嵌入式工業控制計算機，它主要完成兩部分功能，一是接收用戶的控制指令並顯示移動機器人的位置和狀態信息，完成與用戶的人機接口；二是完成與機器人底層的交互，獲取機器人感知的全部環境信息和機器人的運行狀態，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調度和故障處理，保證移動機器人整體運行的高效和可靠性。
權利要求1.一種基於多DSP並行處理的自主移動機器人平臺，其特徵在於上層控制計算機通過CAN總線與多個DSP處理系統相連；多個DSP系統之間通過CAN總線相連。
2.按權利要求1所述的平臺，其特徵在於所述的DSP處理系統包括超聲測距DSP系統，所述超聲測距DSP系統與超聲傳感器相連。
3.按權利要求1所述的平臺，其特徵在於所述的DSP處理系統包括避障及伺服控制DSP系統，所述超聲測距DSP系統與處理紅外傳感器和移動機構相連。
4.按權利要求1所述的平臺，其特徵在於所述的DSP處理系統包括路徑規劃DSP系統，所述路徑規劃DSP系統與定位傳感器相連。
專利摘要一種基於多DSP並行處理的自主移動機器人平臺，包括上層控制計算機通過CAN總線與多個DSP處理系統相連；多個DSP系統之間通過CAN總線相連，以連成控制器局部網絡。本實用新型在具備高速數據處理能力和實時數據通信能力的基礎上，大大縮小了機器人移動平臺的尺寸，減小了能源消耗，降低了移動機器人的整體成本，具備了小批量生產的條件，有利於拓展移動機器人的應用領域。
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 優先權日2002年12月31日
發明者侯增廣, 譚民, 陳細軍, 葉濤, 李磊, 楊國勝, 延昊 申請人:中國科學院自動化研究所