[发明专利]水陆两栖全地形移动机器人控制系统

说明书

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种水陆两栖全地形移动机器人控制系统。

背景技术

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-海啸、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，本发明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。

发明内容

本发明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，本发明的技术思路为：

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，本发明采取如下技术方案：

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 PXI-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 PXI-6123多通道模拟采集卡；上述的力传感器采用ATI DELTA (SI-330-30)六维力传感器。