CN107901036A - 一种用于机器人的冗余控制***及控制方法 - Google Patents

一种用于机器人的冗余控制***及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于机器人的冗余控制***及控制方法，该控制***，包括主控制器、与主控制器连接的第一无线通信模块，冗余控制器以及与冗余控制器连接的第二无线通信模块，所述主控制器和冗余控制器均通过总线连接电机驱动器；所述冗余控制器包括相连接的第一控制器、第二控制器以及和所述第一控制器、第二控制器均连接的与门，所述与门连接至所述主控制器对其电源进行控制。本冗余控制***的冗余控制器由两个控制器组成，能够降低冗余控制器故障的概率，保障了机器人在应用中不宕机；同时，当主控制器与第一无线通信模块通信异常时，冗余控制器获取到权限后，通过与门能够直接将主控制***电源断掉，以降低电量消耗。

Description

一种用于机器人的冗余控制***及控制方法
技术领域
本发明属于工业控制和现场控制技术领域，尤其涉及一种用于机器人的冗余控制***及控制方法。
背景技术
巡检机器人在特种行业已经有广泛的应用，如阀厅、电厂、城市管廊。这些行业使用机器人能够提高检测效率，保障人员安全。但与此同时，引入了机器人自身的故障问题，如在阀厅中运行时，机器人主控制***出现异常，无法再控制机器人运动。因为阀厅的特殊性，许多区域操作人员不能随意进出，除非每年定期维护时才可进入。当出现这种情况时，机器人可能会就此宕机一年时间。
发明内容
本发明为了提升机器人在特种行业的可用性，提出了一种用于机器人的冗余控制***及控制方法，保障了机器人在应用中不宕机，且出现故障时能够控制到维修点。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种用于机器人的冗余控制***，包括主控制器、与主控制器连接的第一无线通信模块，冗余控制器以及与冗余控制器连接的第二无线通信模块，所述主控制器和冗余控制器均通过总线连接电机驱动器；所述冗余控制器包括相连接的第一控制器、第二控制器以及和所述第一控制器、第二控制器均连接的与门，所述与门连接至所述主控制器对其电源进行控制。
本发明的有益效果是：本冗余控制***的冗余控制器由两个控制器组成，能够降低冗余控制器故障的概率，当主控制器失效后，启用冗余控制器，冗余控制器直接控制电机驱动器参与运动机构控制，以避免机器人长时间搁浅至无人值守场所，保障了机器人在应用中不宕机；同时，当主控制器与第一无线通信模块通信异常时，冗余控制器获取到权限后，通过与门能够直接将主控制***电源断掉，以降低电量消耗。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述总线为CAN总线，所述第一控制器与第二控制器均为MCU微处理器。
采用上述进一步方案的有益效果是：CAN总线允许多个主设备同时接入***，且CAN总线通信效率高，通信稳定。
进一步，所述第一无线通信模块为WIFI模块，所述第二无线通信模块为433通信模块或2.4G通信模块。
采用上述进一步方案的有益效果是：既能降低整机功耗，又能降低整体成本。
进一步，所述第二无线通信模块连接上位机。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过上位机能远程控制机器人的运动。
进一步，所述上位机为智能终端、台式电脑、工控机、IPAD或笔记本电脑。
另外，本发明提供了一种用于机器人的冗余控制方法，包括以下步骤：
(1)***上电时，主控制器地址设置为A，冗余控制器进入地址协商状态；
(2)冗余控制器通过冗余通道进行地址协商，确定第一控制器地址和第二控制器地址；
(3)冗余控制器进入备用状态；
(4)冗余控制器的第一控制器和第二控制器进行自检；
(5)冗余控制器的第一控制器和第二控制器监听是否被上位机启用，若被启用则进入步骤(6)，否则进入步骤(8)；
(6)冗余控制器被启用后，若第一控制器和第二控制器均无故障，则根据冗余控制器的启用方法由被启用的控制器对机器人进行控制，否则由没有故障的控制器进行控制；
(7)冗余控制器接管控制后，将主控制器电源断掉；
(8)进行相关控制工作，控制完成后返回步骤(4)。
采用上述方案的有益效果是：设备正常启动时，冗余控制器不干扰其启动。设备出现异常时，冗余控制器能够提供补救措施，关掉主控电源的目的是为了避免冗余控制器控制设备时，主控也在发送控制命令，从而干扰控制。
进一步，所述步骤(2)中的地址协商的方式为：
***上电时，冗余控制器中的两个控制器进入地址协商状态；
两个控制器均生成一个随机数，并将随机数发送给对方；
控制器接收到对方的随机数后，与自己产生的随机数进行比较，随机数较大的一方设置地址为B，另一方设置地址为C；
若两控制器产生的随机数相同，则重新协商。
采用上述进一步方案的有益效果是：在总线中的设备都需要设置地址，传统的设置方法是使用硬件的方式：诸如拨码，这种方式会引入硬件故障率及出厂拨码错误，而导致设备无法正常启动，使用软件自适应分配地址可以有效规避这些问题。
进一步，所述步骤(6)中的冗余控制器启用方法包括步骤：
(1)通过冗余通道获取对方控制器状态字g_Status2，若获取对方控制器状态字正常，则进入步骤(2)，否则保持当前状态；
(2)比较自身状态字g_Status1和获取的对方控制器状态字g_Status2的大小；
(3)若g_Status1大于g_Status2，则将g_Status1的bit0设置为0，表示该控制器已被启用，否则置为1；若g_Status1等于g_Status2，则将地址为B的控制器g_Status1的bit0设置为0，否则置为1，并将g_Status1发送至对方控制器。
附图说明
图1为本发明***结构框图；
图2为本发明***原理图；
图3为本发明***总线连接图；
图4为本发明***冗余启动原理图；
图5为本发明冗余控制方法流程图；
图6为本发明冗余控制器地址协商流程图；
图7为本发明冗余控制器启用流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1、图2所示，一种用于机器人的冗余控制***，包括主控制器、与主控制器连接的第一无线通信模块，冗余控制器以及与冗余控制器连接的第二无线通信模块，所述主控制器和冗余控制器均通过总线连接电机驱动器；所述冗余控制器包括相连接的第一控制器、第二控制器以及和所述第一控制器、第二控制器均连接的与门，所述与门连接至所述主控制器对其电源进行控制。冗余控制器能够直接控制主控制器电源及直接控制电机驱动器参与运动机构控制。当主控制器失效后，如果启用冗余控制器，为了保障运动机构的稳定控制(防止主控制***发送干扰数据)，同时也为了在异常情况下，最小化电量消耗，在冗余控制器获取到权限后，将主控制***电源断掉。
对于第一无线通信模块，主控制器中传输数据量大，一般采用网络方式，如WIFI模块。冗余控制器中，因为主要是传输控制命令，故第二无线通信模块可选择433通信模块、2.4G通信模块等，这样的搭配，一方面降低整机功耗，另外也不会使设备整体成本上升太多。
冗余控制器的目的是为了在主控制器异常后实现功能，其自身必须稳定运行，其原理图如图2所示。因为冗余控制器功能较为简单，但对稳定性要求较高，故本实施例在冗余控制器中再采用冗余设计。其控制电路由两块控制器实现，即第一控制器和第二控制器，其主控制器的电源控制信号由与门电路仲裁，即第一控制器和第二控制器只要有一个切断电源，硬件就断掉主控电源，防止硬件失效导致无法关闭主控电源，进而影响冗余控制器控制运动机构，冗余控制器将主控制器电源关掉，可通过启用冗余控制器控制机器人返回维修点。
实际上，本实施例的设计实现了对运动机构的3重冗余控制。运动机构的控制上需要使用支持多主设备的总线，例如CAN总线。如图3所示，在接线上，为了避免线路连接问题导致***不可控，这里使用单独连接的方式，但运动机构在内部电路板中将所有总线连接在一起，因为在实际应用中许多线路问题都是由接插件引起，但接插件连接方式又无法完全避免。在本实施例中，各模块间的接插件互不影响。那么在控制流程上需要确保任意时刻只有一个设备对运动机构进行控制，下面将介绍具体冗余控制方法。
在硬件中，采用多组总线来控制运动机构，本实施例中存在3个设备，常规的做法需要为这3个设备分配3个地址。一般地，地址分配可由硬件拨码实现或者软件配置实现。但硬件拨码会引入硬件失效问题，而导致地址冲突。软件配置则会使程序无法共用，而增加软件维护工作。本实施例中因为主控制器与冗余控制器程序本身不兼容，主控制器全面负责机器人的巡检逻辑，冗余控制器则只负责机器人的运动逻辑。故将主控制器地址设置为A，而冗余控制器的第一控制器和第二控制器不明确设置地址，采用地址协商的方式来设置地址，如此两个控制器可以共用一套程序。
***起动后，冗余控制器中的第一控制器和第二控制器先进行地址协商，然后冗余控制器中的第一控制器和第二控制器均置为备用状态，持续监听第二无线通信模块接收的数据及运动机构的通信信息。第一控制器和第二控制器将收集到的信息进行交互，为冗余控制器选择哪一个控制器来控制机器人运动提供依据。
在实际运行过程中，一般情况都是主控制器进行运动控制，当主控制器出现异常无法控制运动机构时，PC客户端可通过方式启动冗余控制器，***冗余启动原理如图4所示，所述第二无线通信模块连接上位机，通过上位机能远程控制机器人的运动。上位机具有无线通信模块，该无线通信模块通过第二无线通信模块与冗余控制器通信。所述上位机可以为智能终端、台式电脑、工控机、IPAD或笔记本电脑。第二无线通信模块可以使用433通信模块或2.4G通信模块。并且上位机通过无线通信模块发送的数据，冗余控制器中的第一控制器和第二控制器均能收到。当收到上位机的控制命令后，第一控制器和第二控制器内部需要先进行控制仲裁，选取最优的一个控制器来响应上位机的控制命令。本发明为冗余控制器设计了一个工作状态，状态设计如下表所示：
Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit0
无线通信状态 电机通信状态 本卡故障状态 冗余通道状态 备用状态
Bit4:当控制器与第二无线通信模块通信异常时设置为1，否则为0；
Bit3:当控制器与电机控制模块通信异常时设置为1，否则为0；
Bit2:当控制器自检异常时设置为1，否则为0；
Bit1:当控制器无法获取对方控制器信息时设置为1，否则为0；
Bit0:当控制器为备用状态时设置为1，否则为0；
机器人启动后，第一控制器和第二控制器持续检测上述状态字，并将自己的状态字周期性发送至对方控制器。
如图5所示，基于上述冗余控制***产生的冗余控制方法，包括以下步骤：
(1)***上电时，主控制器地址设置为A，冗余控制器进入地址协商状态；
(2)冗余控制器通过冗余通道进行地址协商，确定第一控制器地址和第二控制器地址；
(3)冗余控制器进入备用状态；
(4)冗余控制器的第一控制器和第二控制器进行自检；
(5)冗余控制器的第一控制器和第二控制器监听是否被上位机启用，若被启用则进入步骤(6)，否则进入步骤(8)；
(6)冗余控制器被启用后，若第一控制器和第二控制器均无故障，则根据冗余控制器的启用方法选择被启用的控制器对机器人进行控制，否则选择没有故障的控制器进行控制；
(7)冗余控制器接管控制后，将主控制器电源断掉；
(8)进行相关控制工作，控制完成后返回步骤(4)。
地址协商流程如图6所示，***上电时，冗余控制器中的两个控制器进入地址协商状态；
两个控制器均生成一个随机数，并将随机数发送给对方；
控制器接收到对方的随机数后，与自己产生的随机数进行比较，随机数较大的一方设置地址为B，另一方设置地址为C；
若两控制器产生的随机数相同，则重新协商。
如图7所示，本实施例中记冗余控制器中的第一控制器和第二控制器自身工作状态为g_Status1，接收到对方的工作状态为g_Status2。当上位机无法通过第一无线通信模块对机器人进行控制时，上位机通过无线通信模块来启动冗余控制器。此时，上位机只需要向第二无线通信模块发送控制信号，冗余控制器中的第一控制器和第二控制器均能接收到该信号，冗余控制器中的第一控制器和第二控制器通过比较状态字来确定哪个控制器来执行该控制命令，其比较步骤如下：
(1)通过冗余通道获取对方控制器状态字g_Status2，若获取对方控制器状态字正常，则进入步骤(2)，否则保持当前状态；
(2)比较自身状态字g_Status1和获取的对方控制器状态字g_Status2的大小；
(3)若g_Status1大于g_Status2，则将g_Status1的bit0设置为0，表示该控制器已被启用，否则置为1。若g_Status1等于g_Status2，则将地址为B的控制器g_Status1的bit0设置为0，否则置为1，并将g_Status1发送至对方控制器。
例如：B地址控制器工作状态为0x08，C地址控制器工作状态为0x00。那么C地址控制器(即第二控制器)应该变成启动状态，响应当前的命令，因为B控制器电机通信异常。此时，C地址控制器启用，C地址控制器将主控制器电源切断，以完全获取控制权限，并将自己的状态字Bit0设置为0。此后，如果地址为B的控制器所有故障均消失，其工作状态将变为0x01，其状态字也比地址为C的控制器大，而不会去抢权限。因此，当上位机需要启用冗余控制器时，向无线通信模块发送控制命令即可，无需关心冗余控制器中的哪一个控制器来执行该条命令。
本发明保障了机器人在应用中不宕机，且出现故障时能够控制到维修点。所述主控制器为机器人应用控制单元，机器人所用应用相关功能，如巡检工作，均由该控制器完成。当该控制单元失效时，如主控制器、与主控制器连接的第一无线通信模块通信异常时，机器人的控制权限交由冗余控制设备。所述冗余控制设备主要解决主控制器、与主控制器连接的第一无线通信模块通信异常时，通过办法将机器人控制到维修点，以避免机器人长时间搁浅至无人值守场所。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于机器人的冗余控制***，其特征在于，包括主控制器、与主控制器连接的第一无线通信模块，冗余控制器以及与冗余控制器连接的第二无线通信模块，所述主控制器和冗余控制器均通过总线连接电机驱动器；所述冗余控制器包括相连接的第一控制器、第二控制器以及和所述第一控制器、第二控制器均连接的与门，所述与门连接至所述主控制器对其电源进行控制。
2.根据权利要求1所述的用于机器人的冗余控制***，其特征在于，所述总线为CAN总线，所述第一控制器与第二控制器均为MCU微处理器。
3.根据权利要求1所述的用于机器人的冗余控制***，其特征在于，所述第一无线通信模块为WIFI模块，所述第二无线通信模块为433通信模块或2.4G通信模块。
4.根据权利要求1所述的用于机器人的冗余控制***，其特征在于，所述第二无线通信模块连接上位机。
5.根据权利要求4所述的用于机器人的冗余控制***，其特征在于，所述上位机为智能终端、台式电脑、工控机、IPAD或笔记本电脑。
6.一种用于机器人的冗余控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)***上电时，主控制器地址设置为A，冗余控制器进入地址协商状态；
(2)冗余控制器通过冗余通道进行地址协商，确定第一控制器地址和第二控制器地址；
(3)冗余控制器进入备用状态；
(4)冗余控制器的第一控制器和第二控制器进行自检；
(5)冗余控制器的第一控制器和第二控制器监听是否被上位机启用，若被启用则进入步骤(6)，否则进入步骤(8)；
(6)冗余控制器被启用后，若第一控制器和第二控制器均无故障，则根据冗余控制器的启用方法由被启用的控制器对机器人进行控制，否则由没有故障的控制器进行控制；
(7)冗余控制器接管控制后，将主控制器电源断掉；
(8)进行相关控制工作，控制完成后返回步骤(4)。
7.根据权利要求6所述的用于机器人的冗余控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中的地址协商的具体过程为：
***上电时，冗余控制器中的两个控制器进入地址协商状态；
两个控制器均生成一个随机数，并将随机数发送给对方；
控制器接收到对方的随机数后，与自己产生的随机数进行比较，随机数较大的一方设置地址为B，另一方设置地址为C；
若两控制器产生的随机数相同，则重新协商。
8.根据权利要求7所述的用于机器人的冗余控制方法，其特征在于，所述步骤(6)中的冗余控制器启用方法包括步骤：
(1)通过冗余通道获取对方控制器状态字g_Status2，若获取对方控制器状态字正常，则进入步骤(2)，否则保持当前状态；
(2)比较自身状态字g_Status1和获取的对方控制器状态字g_Status2的大小；
(3)若g_Status1大于g_Status2，则将g_Status1的bit0设置为0，表示该控制器已被启用，否则置为1；若g_Status1等于g_Status2，则将地址为B的控制器g_Status1的bit0设置为0，否则置为1，并将g_Status1发送至对方控制器。
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