Модуль системы управления мобильным роботом

Полезная модель относится к области управления мобильными робототехническими комплексами, в частности мобильными роботами.
Известна система управления мобильным роботом (патент на полезную модель РФ № 123362 U1 МПК B 25 J 9/16, 2012 г.), которая содержит мобильный модуль, удаленный модуль и внешний модуль наблюдения, связанные между собой беспроводной связью, при этом мобильный модуль включает связанные посредством проводных каналов связи мобильные подсистемы управления и чувствительные элементы: ультразвуковой датчик расстояния, инфракрасный датчик расстояния, видеокамеру, электронный компас, модуль глобального позиционирования, датчик ускорения, одометр и гироскоп, удаленный модуль включает связанные посредством проводных каналов связи удаленные подсистемы управления и реконфигуратор, состоящий из аппаратно-программного блока генерации подсистем управления, аппаратно-программного блока накопления знаний и аппаратно-программного блока моделирования, а внешний модуль наблюдения включает чувствительные элементы для наблюдения и передачи информации удаленному и мобильному модулям.
Недостатком данной системы управления мобильным роботом являются конструктивные и функциональные отличия входящих в неё модулей, отсутствие общего аппаратного интерфейса для обмена информацией между модулями, входящими в систему управления мобильным роботом.
Задача полезной модели: расширение арсенала технических средств путем унификации модулей системы управления и использования общего аппаратного интерфейса для передачи и приема управляющих команд и данных между модулями, входящими в систему управления мобильным роботом.
Задача решается тем, что модуль системы управления мобильным роботом (фиг. 1) содержит: схему преобразователя напряжения электропитания, схему микроконтроллера, схему энергонезависимой памяти, схему приемопередатчика, схему управления электродвигателями, схему приемника ГЛОНАСС/GPS, схему электронного компаса, схему одометра, схему гироскопа, схему датчика ускорения, схему обработки данных видеокамеры, видеокамеру, схему многоканального аналого-цифрового преобразователя, инфракрасный датчик расстояния, ультразвуковой датчик расстояния.
Схема преобразователя напряжения электропитания модуля подключена к шине электропитания, связанной с бортовым источником напряжения электропитания робота. Схема преобразователя напряжения электропитания модуля преобразует напряжение шины электропитания в пониженное напряжение электропитания, потребляемого всеми компонентами модуля через линии пониженного напряжения электропитания. Для обеспечения работы электродвигателей, в дополнение к пониженному напряжению электропитания, на схему управления электродвигателями непосредственно подается напряжение шины электропитания.
Посредством линий передачи информации, являющихся линиями цифрового интерфейса, к схеме микроконтроллера модуля подключены компоненты модуля (фиг. 1): схема энергонезависимой памяти, схема приемопередатчика, схема управления электродвигателями, схема приемника ГЛОНАСС/GPS, схема электронного компаса, схема одометра, схема гироскопа, схема датчика ускорения, схема обработки данных видеокамеры, схема многоканального аналого-цифрового преобразователя. Линии передачи информации, связывающие схему микроконтроллера со схемой энергонезависимой памяти и схемой приемопередатчика являются двунаправленными и предназначены для приема и передачи данных в цифровой форме, при этом линии передачи информации, связывающие схему микроконтроллера с остальными компонентами модуля являются однонаправленными: схема микроконтроллера передает данные схеме управления электродвигателями, от других электронных компонентов схема микроконтроллера получает данные.
Видеокамера подключена посредством линии передачи информации к схеме обработки данных видеокамеры и передает кадры видеоизображения в схему обработки данных видеокамеры, где они обрабатываются и анализируются. Данные результата анализа передаются в схему микроконтроллера.
Схема приемопередатчика посредством линий передачи информации подключена к схеме микроконтроллера модуля и к информационной межмодульной шине, что позволяет модулю взаимодействовать с аналогичными ему модулями, а именно передавать и принимать данные через проводную информационную межмодульную шину (фиг. 1), связывающую модули в единую сеть системы управления мобильным роботом. Физическим уровнем информационной межмодульной шины является дифференциальная пара, что обеспечивает высокую устойчивость передаваемого сигнала к синфазной помехе.
К схеме многоканального аналого-цифрового преобразователя посредством линий передачи информации, являющихся аналоговым интерфейсом, подключены инфракрасный датчик расстояния и ультразвуковой датчик расстояния. Схема многоканального аналого-цифрового преобразователя преобразует аналоговые сигналы, поступающие в неё с инфракрасного датчика расстояния и ультразвукового датчика расстояния, в цифровую форму. Инфракрасный датчик расстояния и ультразвуковой датчик расстояния используются мобильным роботом для определения расстояния до препятствия.
Схема многоканального аналого-цифрового преобразователя подключена к схеме микроконтроллера через линию передачи информации, являющейся цифровым интерфейсом, посредством которой сигналы в цифровой форме из схемы многоканального аналого-цифрового преобразователя поступают в схему микроконтроллера.
Схема микроконтроллера передает схеме управления электродвигателями команды в цифровой форме о требуемых скорости и направлении движения электродвигателей, при этом электродвигатели подключаются к модулю системы управления мобильным роботом, а именно к схеме управления электродвигателями (фиг. 1). Схема управления электродвигателями содержит полупроводниковые ключи, управляемые командами схемы микроконтроллера. Полупроводниковые ключи предназначены для коммутации линии шины электропитания с обмотками электродвигателей, подключаемых к схеме управления электродвигателями модуля.
Схема энергонезависимой памяти предназначена для хранения в цифровом виде данных для настройки работы модуля и подключена к схеме микроконтроллера модуля. Данные, содержащиеся в схеме энергонезависимой памяти, загружаются в оперативную память схемы микроконтроллера по мере надобности. Данные в схеме энергонезависимой памяти могут быть изменены схемой микроконтроллера.
Схема приемника ГЛОНАСС/GPS дает возможность получить значения текущих географических координат модуля системы управления: широту и долготу, при этом схема приемника ГЛОНАСС/GPS подключена к схеме микроконтроллера модуля, причем значения широты и долготы в цифровом виде поступают в схему микроконтроллера.
Схема электронного компаса определяет угол между прямой, проведенной через модуль системы управления мобильным роботом и Северный магнитный полюс, и прямой, проходящей вдоль мобильного робота, в котором установлен модуль системы управления. Схема электронного компаса подключена к схеме микроконтроллера модуля, притом значение определяемого угла в цифровом виде поступает в схему микроконтроллера.
Схема одометра предназначена для определения количества пройденного пути колесами мобильного робота и подключена к схеме микроконтроллера модуля. Значение пройденного роботом пути поступает в схему микроконтроллера в цифровом виде.
Схема гироскопа подключена к схеме микроконтроллера модуля и определяет скорости изменения углов положения мобильного робота – скорости изменения крена, тангажа и рысканья робота, в котором установлен модуль системы управления. Информация о скоростях изменения крена, тангажа и рысканья робота поступает в схему микроконтроллера в цифровом виде.
Схема датчика ускорения подключена к схеме микроконтроллера модуля и позволяет скомпенсировать ошибку схемы электронного компаса при наклоне, а также получить значения углов крена и тангажа мобильного робота. Значения данных углов в цифровом виде поступают в схему микроконтроллера.
Схема микроконтроллера модуля выполняет функции системы управления электродвигателями мобильного робота и системы сбора и анализа информации, поступающей от схем модуля и других модулей. На основании этой информации схема микроконтроллера определяет положение корпуса робота, расстояние между роботом и возможными препятствиями и осуществляет управление электродвигателями робота таким образом, чтобы обеспечить перемещение робота в заданном направлении с заданной средней скоростью, избегая столкновения с препятствиями. Используя схему приемопередатчика, схема микроконтроллера модуля может обмениваться информацией с другими однотипными модулями, входящими в систему управления мобильным роботом.
Модуль системы управления мобильным роботом работает следующим образом.
При подаче электропитания на схемы модуля схема микроконтроллера загружает данные, содержащиеся в схеме энергонезависимой памяти, в оперативную память схемы микроконтроллера для выполнения настройки работы модуля. Настройка работы модуля заключается в установке того, какие из схем модуля будут задействованы в работе системы управления и каким образом они будут функционировать в составе модуля. Данная настройка зависит от поставленных перед конкретным модулем задач. Задействованными в работе системы управления могут быть все схемы модуля, или же их некоторая часть. Постоянно задействованными схемами, независимо от задач, решаемых системой управления роботом, являются: схема преобразователя напряжения электропитания, схема микроконтроллера, схема энергонезависимой памяти. Схема приемопередатчика модуля задействуется в работе при использовании двух и более однотипных модулей в составе единой сети модулей системы управления мобильным роботом, при этом в ходе настройки каждому модулю присваивается уникальный идентификатор в рамках сети модулей, используемый в дальнейшем для идентификации модуля как приемник или передатчик при обмене информацией между модулями.
Каждый модуль в многомодульной сети системы управления мобильным роботом выполняет определенную часть функций системы управления, предназначенной для решения задачи движения робота в заданном направлении с заданной средней скоростью с избеганием столкновения с препятствиями в недетерминированном пространстве.