CN108445893A - 一种移动机器人控制器及移动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动机器人控制器，包括定位模块，用于获取移动机器人的当前位置坐标及移动机器人与预设正方向的当前夹角；导航模块，用于通过由当前位置坐标、当前夹角及目标位置坐标、目标夹角得到的移动机器人的移动路径，确定移动机器人在移动路径上的目标速度，其中，目标速度不大于移动路径允许的最大速度；可编程逻辑控制器PLC模块，用于根据目标速度得到移动机器人的各个驱动单元的转速，并分别通过每个驱动单元的转速控制与该驱动单元对应的驱动器。本发明不受移动机器人导航方式的限制，通用性强，适用范围广。本发明还公开了一种移动机器人，具有上述有益效果。

Description

一种移动机器人控制器及移动机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，特别是涉及一种移动机器人控制器及移动机器人。

背景技术

随着科技的发展，移动机器人在仓储、物流、电力巡检等领域的应用日益广泛。不同类型的移动机器人，有不同的导航方式，移动机器人内部的控制器根据其自身使用的导航方式提供的移动机器人的相关信息来控制移动机器人底盘，从而实现控制移动机器人移动。在现有技术中，常用的控制器为PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)控制器，但是目前PLC控制器无法处理导航激光及摄像头的数据，因此，PLC控制器无法控制采用激光导航、视觉导航等新型导航方式的移动机器人运动，导致PLC控制器的适用范围较窄。

因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域技术人员目前需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种移动机器人控制器，不受移动机器人导航方式的限制，通用性强，适用范围广；本发明的另一目的是提供一种移动机器人。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种移动机器人控制器，包括：

定位模块，用于获取移动机器人的当前位置坐标及所述移动机器人与预设正方向的当前夹角；

导航模块，用于通过由当前位置坐标、当前夹角及目标位置坐标、目标夹角得到的所述移动机器人的移动路径，确定所述移动机器人在所述移动路径上的目标速度，其中，所述目标速度不大于所述移动路径允许的最大速度；

可编程逻辑控制器PLC模块，用于根据所述目标速度得到所述移动机器人的各个驱动单元的转速，并分别通过每个所述驱动单元的转速控制与该驱动单元对应的驱动器。

优选的，所述定位模块为设有位置检测模块的定位传感器。

优选的，所述定位模块包括：

含有多个定位算法包的计算单元，用于接入定位传感器，并通过与所述定位传感器对应的定位算法包，计算所述移动机器人的当前位置坐标及所述移动机器人与所述预设正方向的当前夹角。

优选的，所述定位模块还用于：

将所述移动机器人的当前位置坐标及所述移动机器人与预设正方向的当前夹角发送给调度站；

则所述移动路径为所述调度站根据当前位置坐标、当前夹角及目标位置坐标、目标夹角计算得到的移动路径。

优选的，所述根据当前位置坐标、当前夹角及目标位置坐标、目标夹角得到所述移动机器人的移动路径的过程具体为：

将当前位置坐标、当前夹角及目标位置坐标、目标夹角通过最短路径算法进行计算，得到所述移动机器人的移动路径。

优选的，所述根据所述目标速度得到所述移动机器人的各个驱动单元的转速的过程具体为：

将所述目标速度按运动学算法分解，分别得到所述移动机器人的各个驱动单元的转速。

优选的，所述目标速度包括X轴方向的目标线速度、Y轴方向的目标线速度及方向控制标识。

优选的，所述方向控制标识为目标角速度或目标角度。

优选的，所述PLC模块还用于：

在接收到所述调度站发送的业务命令后，控制所述移动机器人的业务单元执行所述业务命令。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种移动机器人，包括如上述任意一项所述的移动机器人控制器。

本发明提供了一种移动机器人控制器，包括定位模块，用于获取移动机器人的当前位置坐标及移动机器人与预设正方向的当前夹角；导航模块，用于通过由当前位置坐标、当前夹角及目标位置坐标、目标夹角得到的移动机器人的移动路径，确定移动机器人在移动路径上的目标速度，其中，目标速度不大于移动路径允许的最大速度；可编程逻辑控制器PLC模块，用于根据目标速度得到移动机器人的各个驱动单元的转速，并分别通过每个驱动单元的转速控制与该驱动单元对应的驱动器。

可见，在实际应用中，采用本发明的方案，导航模块通过由移动机器人的当前位置坐标及与预设正方向的当前夹角得到的移动路径，确定移动机器人在移动路径上的目标速度，然后将目标速度发送至PLC模块，PLC模块根据目标速度来控制移动机器人的各个驱动单元，实现对移动机器人底盘的控制，与现有技术相比，本发明不受移动机器人导航方式的限制，通用性强，适用范围广。

本发明还提供了一种移动机器人，具有和上述移动机器人控制器相同的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的一种移动机器人控制器的结构示意图；

图2为本发明所提供的另一种移动机器人控制器的结构示意图；

图3为本发明所提供的一种移动机器人控制器的实施例的示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种移动机器人控制器，不受移动机器人导航方式的限制，通用性强，适用范围广；本发明的另一核心是提供一种移动机器人。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1，图1为本发明所提供的一种移动机器人控制器的结构示意图，包括：

定位模块1，用于获取移动机器人的当前位置坐标及移动机器人与预设正方向的当前夹角；

具体的，定位模块1用于获取移动机器人当前位置的信息，当前位置的信息包括移动机器人在地图上的当前位置坐标以及移动机器人的当前姿态信息。当前位置坐标包括X轴坐标和Y轴坐标，一般的，可以将移动机器人看作地图上的一个质点，质点坐标即为移动机器人当前位置坐标，也可以将移动机器人看作一个方块或球，方块或球的中心点坐标即为移动机器人当前位置坐标；当前姿态信息是指移动机器人在该地图上和预设正方向的夹角θ，一般将Y轴方向作为预设正方向。

导航模块2，用于通过由当前位置坐标、当前夹角及目标位置坐标、目标夹角得到的移动机器人的移动路径，确定移动机器人在移动路径上的目标速度，其中，目标速度不大于移动路径允许的最大速度；

具体的，在该移动机器人控制器启动前，导航模块2会预先保存完整的地图数据，以及在该地图上的所有路线数据，每条路线数据中均包括移动机器人在该路线上移动所允许的最大速度。本发明中的移动路径是指地图上的任意一条可以使移动机器人从当前位置移动到目标位置的路线。可以理解的是，使移动机器人从当前位置移动到目标位置的路线可能有多条，根据现场实际需要，可以通过路程最近原则或用时最短原则等来选取相应的路线作为移动机器人的移动路径。需要强调的是，本发明中移动机器人的移动路径可以是由导航模块2自身根据当前位置坐标、当前夹角及目标位置坐标、目标夹角进行计算得到的，也可以是由其他控制模块根据当前位置坐标、当前夹角及目标位置坐标、目标夹角进行计算并下发给导航模块2的。在导航模块2确定了移动机器人的移动路径后，根据该移动路径上允许移动机器人移动的最大速度来确定移动机器人在该移动路径上移动的目标速度，目标速度一般还需要结合现场需要来设定，只要满足不大于最大速度的要求即可，当然，为了提高移动机器人的工作效率，也可以直接将该移动路径上所允许的最大速度作为移动机器人的目标速度。其中，目标位置坐标及目标夹角一般是由调度站发送的。

可以理解的是，本发明在具体实现时，可以将定位模块1及导航模块2直接封装成两个可以被PLC模块3调用的功能块。

可编程逻辑控制器PLC模块3，用于根据目标速度得到移动机器人的各个驱动单元的转速，并分别通过每个驱动单元的转速控制与该驱动单元对应的驱动器。

可以理解的是，不同型号的移动机器人，对应的业务单元也是不同的，每个业务单元有与其一一对应的应用程序，在移动机器人控制器正常工作前，PLC模块3配套的PLC组态软件从PC端将与当前移动机器人的业务单元对应的应用程序下载到PLC模块3中，由PLC模块3中的PLC内核调度应用程序运行。具体的，本发明预先开发了对应多种移动机器人型号及满足多种项目需求的应用程序存储到PC端，以便后续移动机器人控制器的调用，当移动机器人的业务单元发生改变时，只需要在移动机器人控制器正常工作前，从PC端下载相应的应用程序即可。不同移动机器人的定制化工作通过PLC模块3配套的PLC组态软件开发的应用程序实现，一方面保证了定位模块1和导航模块2的设计稳定度；另一方面，在开发应用程序时本发明采用IEC61131-3编程标准，大幅降低了定制化难度，提高了移动机器人控制器的通用性。

具体的，PLC模块3中预先下载好的应用程序根据导航模块2发送的目标速度计算出移动机器人各个驱动单元的转速，再根据转速控制驱动单元的控制器，因此，也可以将每个驱动单元的转速看作是该驱动单元所对应的驱动器的驱动参数，从而实现对移动机器人底盘的控制，完成移动机器人的移动。本发明所提供的移动机器人控制器在控制移动机器人的底盘时，不受导航方式的限制，通用性强。

其中，驱动单元和驱动器的对应关系可以是一对一的也可以是多对一的。以移动机器人小车为例，驱动单元为移动机器人小车的轮子，假设移动机器人小车有4个轮子，当移动机器人的驱动方式为四驱时，一个轮子对应一个驱动器；为前驱时，两个前轮做为主动轮，两个后轮作为从动轮，一个前轮对应一个驱动器，相当于左前轮对应的驱动器可以驱动左前轮，右前轮对应的驱动器可以驱动右前轮；为后驱时，两个后轮做为主动轮，两个前轮作为从动轮，一个后轮对应一个驱动器，相当于左后轮对应的驱动器可以驱动左后轮，右后轮对应的驱动器可以驱动右后轮；当驱动方式为前驱或后驱时，需要差速器来调整移动机器人前后轮的转速差。对于不同的移动机器人来说，驱动单元的驱动器的类型和数量也不尽相同，比如驱动器包括永磁同步电机驱动器、交流异步感应电机驱动器、直流无刷电机驱动器等。

具体的，本发明将移动机器人控制器分解为定位模块1、导航模块2和PLC模块3三部分，这三部分功能解耦、接口清晰且相互独立，这三个模块既可以在不同的CPU分别实现，也可以是在一颗多核CPU中的不同核心实现，还可以是在单颗CPU内的不同软件模块实现。作为一种优选的实施例，定位模块1及导航模块2在一颗ARM Cortex-A系列的CPU内实现，PLC模块3在一颗ARM Cortex-M系列的CPU内实现。其中，定位模块1、导航模块2及PLC模块3之间可以通过以太网来进行数据交互。

本发明提供了一种移动机器人控制器，包括定位模块，用于获取移动机器人的当前位置坐标及移动机器人与预设正方向的当前夹角；导航模块，用于通过由当前位置坐标、当前夹角及目标位置坐标、目标夹角得到的移动机器人的移动路径，确定移动机器人在移动路径上的目标速度，其中，目标速度不大于移动路径允许的最大速度；可编程逻辑控制器PLC模块，用于根据目标速度得到移动机器人的各个驱动单元的转速，并分别通过每个驱动单元的转速控制与该驱动单元对应的驱动器。

可见，在实际应用中，采用本发明的方案，导航模块通过由移动机器人的当前位置坐标及与预设正方向的当前夹角得到的移动路径，确定移动机器人在移动路径上的目标速度，然后将目标速度发送至PLC模块，PLC模块根据目标速度来控制移动机器人的各个驱动单元，实现对移动机器人底盘的控制，与现有技术相比，本发明不受移动机器人导航方式的限制，通用性强，适用范围广。

在上述实施例的基础上：

作为一种优选的实施例，定位模块1为设有位置检测模块的定位传感器。

具体的，定位模块1为自身具有位置检测功能的定位传感器，例如Sick Nav3xx系列的激光传感器、带二维码解码单元的摄像头模块等。Sick Nav3xx系列的激光传感器是一种新型的定位传感器，通过反光胶贴定位，提供360°高精度的周围环境轮廓数据(距离、角度及反射率)和反射胶贴位置数据，由反射胶贴的测量数据自动计算产生精确的反射胶贴坐标，以此直接计算出移动机器人的当前位置坐标及当前夹角。当然，为了使移动机器人在那些无法安装反射胶贴的场合运行，可以将轮廓数据和反射胶贴数据结合应用。将SickNav3xx系列的定位传感器作为本发明中的定位模块，在一定程度上提高了定位的准确性，为更精确的确定移动机器人的移动路径提供了基础。另外，在使用二维码导航的移动机器人***中，铺设于地面的二维码图标所含的信息包含了其位置信息，通过解析二维码的内容，即可获取移动机器人的当前位置坐标及当前夹角。因此带二维码解码单元的摄像头模块，也是一种可以直接给出当前位置信息的定位传感器。

当然，定位模块1除了可以为Sick Nav3xx系列的激光传感器或带二维码解码单元的摄像头模块，还可以为其他可以直接获取移动机器人当前位置坐标及当前夹角的装置，本发明在此不做限定。

参照图2所示，图2为本发明所提供的另一种移动机器人控制器的结构示意图，该移动机器人控制器在上述实施例的基础上：

作为一种优选的实施例，定位模块1包括：

含有多个定位算法包的计算单元，用于接入定位传感器，并通过与定位传感器对应的定位算法包，计算移动机器人的当前位置坐标及移动机器人与预设正方向的当前夹角。

具体的，考虑到部分传统的定位传感器需要通过配套的定位算法包来计算移动机器人当前位置的信息，不同的定位传感器有不同的定位算法包，因此，在移动机器人控制器正常工作前，预先将与移动机器人适配的定位传感器对应的定位算法包安装到定位模块1的计算单元中，从而使本发明中的定位模块1可以适配多种类型的定位传感器。考虑到可接入的定位传感器类型有限，开发少量的定位算法包，就可以适配大部分定位传感器的使用，且对于同一类定位传感器的不同型号来说，一般只需要调整部分参数，适配工作量较小。

相应的，计算模块用于接入定位传感器，根据移动机器人当前配备的定位传感器来选择相应的定位算法包，与当前定位传感器对应的定位算法包，可以通过工作人员人工选择，也可以通过计算模块自动匹配。然后由该定位算法包来计算移动机器人当前位置的信息。可以理解的是，通过不同的定位算法包来匹配不同的定位传感器，以完成移动机器人控制器的定位功能，扩宽了本发明所提供的移动机器人控制器的适用范围，降低了移动机器人控制器的定制性。

综上，当移动机器人控制器采用设有位置检测模块的定位传感器时，由于这种定位传感器可以直接计算出移动机器人当前位置的信息，其自身就可以作为定位模块，独立实现移动机器人控制器的定位功能；而当移动机器人控制器采用普通的定位传感器(即不能直接计算出移动机器人当前位置的信息的定位传感器)时，那么此时定位模块1为配有计算单元的定位模块，通过计算单元中的定位算法包计算出移动机器人当前位置的信息，从而实现移动机器人控制器的定位功能，因此，工作人员可以根据实际工程需要来灵活的选择上述两种定位模块。

作为一种优选的实施例，定位模块1还用于：

将移动机器人的当前位置坐标及移动机器人与预设正方向的当前夹角发送给调度站；

则移动路径为调度站根据当前位置坐标、当前夹角及目标位置坐标、目标夹角计算得到的移动路径。

具体的，在仓储、物流、电力巡检等领域，一般都是由多个移动机器人来执行工作的，因此，在确定某一个移动机器人的移动路径时还要考虑其他移动机器人的移动路径，以避免相互碰撞的可能性。考虑到各个移动机器人由当前位置移动到目标位置时，部分移动机器人选择的移动路径可能会出现重合的情况，因此，本发明中的定位模块1，还会将移动机器人的当前位置信息及当前夹角发送至调度站，由调度站根据当前位置坐标、当前夹角及目标位置坐标、目标夹角进行计算得到该移动机器人的移动路径，并对各个移动机器人的移动路径进行统筹规划，然后再为各个移动机器人分配到达其各自对应的目标位置的移动路径，从而避免移动机器人之间出现碰撞。导航模块2接收由调度站发送的移动路径，可以进一步提高移动机器人控制器的可靠性及安全性。

作为一种优选的实施例，根据当前位置坐标、当前夹角及目标位置坐标、目标夹角得到移动机器人的移动路径的过程具体为：

将当前位置坐标、当前夹角及目标位置坐标、目标夹角通过最短路径算法进行计算，得到移动机器人的移动路径。

具体的，最短路径算法即移动机器人从当前位置出发，到达目标位置所经过的路径中，各边上权值之和最小的一条路径叫做最短路径。最短路径算法包括迪杰斯特拉算法，贝尔曼-福特算法，弗洛伊德算法和SPFA(Shortest Path Faster Algorithm，队列优化算法)算法等，本发明在具体实现时，可以根据实际现场需要进行选择。采用由最短路径算法得到的移动路径，可以缩短移动机器人由当前位置移动到目标位置的时间，提高移动机器人的工作效率。

当然，除了可以通过最短路径算法得到移动路径，还可以通过其他方法，本发明在此不做限定。

作为一种优选的实施例，根据目标速度得到移动机器人的各个驱动单元的转速的过程具体为：

将目标速度按运动学算法分解，分别得到移动机器人的各个驱动单元的转速。

具体的，参照图3所示，其中，移动机器人的底盘包括：作为主动轮的1#轮和2#轮，作为从动轮的3#轮、4#轮、5#轮和6#轮，所有轮子均只能在前后方向上运动，且安装角度与X轴方向平行，图中的两条虚线分别为底盘前后方向的中轴线、底盘左右方向的中轴线。其中1#轮、2#轮安装在前后方向的中轴线上，且这两个主动轮的轮间距为2R(单位m)。对于上述移动机器人，运动学算法分解如下：假设某个时刻，导航模块下发的X轴方向的目标线速度为V(单位m/s)、目标角速度为W(单位rad/m)，那么两个主动轮的速度分布为：V₁＝V-RW，V₂＝V+RW。考虑到图示中的移动机器人的所有轮子均只能在前后方向上运动，且安装角度与X轴方向平行，因此Y轴方向的速度只能为0。当然，上述运动学算法分解公式是基于一个最简单的移动机器人底盘模型，不同的底盘需要采用不同的算法来计算中每个驱动器的执行速度。

作为一种优选的实施例，目标速度包括X轴方向的目标线速度、Y轴方向的目标线速度及方向控制标识。作为一种优选的实施例，方向控制标识为目标角速度或目标角度。

具体的，移动机器人的目标速度包括移动机器人在X轴方向的目标线速度、Y轴方向的目标线速度及移动机器人的转向，移动机器人的转向可以通过目标角速度和目标角度来控制。

作为一种优选的实施例，PLC模块3还用于：

在接收到调度站发送的业务命令后，控制移动机器人的业务单元执行业务命令。

具体的，调度站下发业务命令给PLC模块3，PLC模块3中的应用程序控制该移动机器人的业务单元执行该业务命令，以实现对移动机器人业务单元的控制。可以理解的是，不同的移动机器人业务命令可能不同，例如智能叉车的业务命令为叉齿控制命令，分拣机器人的业务命令为翻盖控制命令。

相应的，本发明还提供了一种移动机器人，包括如上述任意一项的移动机器人控制器。

对于本发明所提供的一种移动机器人的介绍请参照上述实施例，本发明在此不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种移动机器人控制器，其特征在于，包括：

定位模块，用于获取移动机器人的当前位置坐标及所述移动机器人与预设正方向的当前夹角；

导航模块，用于通过由当前位置坐标、当前夹角及目标位置坐标、目标夹角得到的所述移动机器人的移动路径，确定所述移动机器人在所述移动路径上的目标速度，其中，所述目标速度不大于所述移动路径允许的最大速度；

可编程逻辑控制器PLC模块，用于根据所述目标速度得到所述移动机器人的各个驱动单元的转速，并分别通过每个所述驱动单元的转速控制与该驱动单元对应的驱动器。

2.根据权利要求1所述的移动机器人控制器，其特征在于，所述定位模块为设有位置检测模块的定位传感器。

3.根据权利要求1所述的移动机器人控制器，其特征在于，所述定位模块包括：

含有多个定位算法包的计算单元，用于接入定位传感器，并通过与所述定位传感器对应的定位算法包，计算所述移动机器人的当前位置坐标及所述移动机器人与所述预设正方向的当前夹角。

4.根据权利要求1所述的移动机器人控制器，其特征在于，所述定位模块还用于：

将所述移动机器人的当前位置坐标及所述移动机器人与预设正方向的当前夹角发送给调度站；

则所述移动路径为所述调度站根据当前位置坐标、当前夹角及目标位置坐标、目标夹角计算得到的移动路径。

5.根据权利要求1所述的移动机器人控制器，其特征在于，所述根据当前位置坐标、当前夹角及目标位置坐标、目标夹角得到所述移动机器人的移动路径的过程具体为：

将当前位置坐标、当前夹角及目标位置坐标、目标夹角通过最短路径算法进行计算，得到所述移动机器人的移动路径。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的移动机器人控制器，其特征在于，所述根据所述目标速度得到所述移动机器人的各个驱动单元的转速的过程具体为：

将所述目标速度按运动学算法分解，分别得到所述移动机器人的各个驱动单元的转速。

7.根据权利要求6所述的移动机器人控制器，其特征在于，所述目标速度包括X轴方向的目标线速度、Y轴方向的目标线速度及方向控制标识。

8.根据权利要求7所述的移动机器人控制器，其特征在于，所述方向控制标识为目标角速度或目标角度。

9.根据权利要求7所述的移动机器人控制器，其特征在于，所述PLC模块还用于：

在接收到所述调度站发送的业务命令后，控制所述移动机器人的业务单元执行所述业务命令。

10.一种移动机器人，其特征在于，包括如权利要求1-9任意一项所述的移动机器人控制器。