一种机器人的控制系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种机器人的控制系统，涉及机器人领域，解决现有技术中，机器人在斜坡上工作的过程中容易跑偏的技术问题，本实用新型提供一种机器人的控制系统包括主控模块、行走机构和与主控模块连接用于采集机器人方向信息的方向采集模块，方向采集模块包括采集地磁场数据的磁场感应传感器，方向采集模块还包括采集重力加速度数据的重力加速度传感器，主控模块根据磁场感应传感器的地磁场数据和重力加速度传感器的重力加速度数据获取机器人方向信息并通过行走机构控制机器人稳定的直线运动。本实用新型应用于对机器人的运动控制。
【专利说明】 一种机器人的控制系统
【【技术领域】】
[0001]本实用新型涉及机器人领域。
【【背景技术】】
[0002]草坪是城市绿化的重要组成部分，通过割草机器人，在一定程度上提高了割草效率，降低劳动强度，节省大量劳动资源，割草机器人自主运动控制的运动路径一般根据现场草坪的规格及形状而定，通常可采用的有螺旋形运动路径控制、轮廓跟踪形运动路径控制、无规则的随机路径控制以及平行往复式运动路径控制，割草机器人沿多条平行的直线往复运动割草，平行往复式运动路径控制是其中最为理想的机器人高效运动控制方式。现有技术中的智能割草机通过感应地磁场来确定方向，确保机器人直线运动时始终向着一个固定的方向，但是，该方法仅在地面比较平整的情况下才取得较好效果，在地面坡度较大或者不平的情况下，机器人的机身产生倾斜，机器人采集的磁场坐标也产生倾斜，因此采集的磁场数据与实际的地磁场不同，根据采集的磁场数据计算出的运动方向存在误差，导致方向判断错误，引起走偏，影响割草的效果。
【实用新型内容】
[0003]本实用新型解决的技术问题是提供一种机器人的控制系统，提高机器人运动轨迹的直线性。
[0004]为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案:
[0005]一种机器人的控制系统，包括主控模块、行走机构和与主控模块连接用于采集机器人方向信息的方向采集模块，所述方向采集模块包括采集地磁场数据的磁场感应传感器，所述方向采集模块还包括采集重力加速度数据的重力加速度传感器，所述主控模块根据磁场感应传感器的地磁场数据和重力加速度传感器的重力加速度数据获取机器人方向信息并通过行走机构控制机器人稳定的直线运动。
[0006]进一步的，所述控制系统还包括采集机器人工作区域边界信息的边界信息采集模块，所述主控模块根据边界信息采集模块的反馈信号控制机器人的平移运动。
[0007]进一步的，所述控制系统还包括用于感应障碍物的障碍物感应模块，所述主控模块根据障碍物感应模块的反馈信号控制机器人的平移运动。
[0008]进一步的，所述行走机构包括行走电机组合及行走电机驱动模块。
[0009]进一步的，所述行走电机组合包括左行走电机和右行走电机。
[0010]本实用新型的有益效果:
[0011]本实用新型，通过结合地磁场感应传感器和重力加速度传感器，计算出机器人的方向，通过重力加速度传感器和地磁场感应传感器的结合，克服了现有机器人只用地磁场数据计算方向的方法在非水平面上容易出现较大误差的缺点，保证了计算方向的准确性，并可保证运动直线间的平行。实现机器人按平行往复方式的自主运动，除了在平地外，在坡地、起伏不平的地面下仍能稳定机器人的运动方向，消除机身倾斜的干扰，防止运动过程发生跑偏。
[0012]本实用新型的这些特点和优点将会在下面的【具体实施方式】、附图中详细的揭露。【【专利附图】
【附图说明】】
[0013]下面结合附图对本实用新型做进一步的说明:
[0014]图1为本实用新型的结构示意图；
[0015]图2为本实用新型的工作流程图；
[0016]图3为机器人的行走路线图；
[0017]图4为机器人方向信息的坐标示意图。
【【具体实施方式】】
[0018]下面结合本实用新型实施例的附图对本实用新型实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅仅为本实用新型的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其它实施例，都属于本实用新型的保护范围。
[0019]参考图1，一种机器人的控制系统，包括主控模块1、行走机构3和与主控模块连接信息米集机构2,信息米集机构2包括用于米集机器人方向信息的方向米集模块21,方向米集模块21包括采集地磁场数据的磁场感应传感器，方向采集模块还包括采集重力加速度数据的重力加速度传感器，主控模块I根据磁场感应传感器的地磁场数据和重力加速度传感器的重力加速度数据获取机器人方向信息，磁场感应传感器的地磁场数据和重力加速度传感器的重力加速度数据可以通过主控模块计算出方向信息，或者也可以在方向采集模块中计算得出，主控模块根据方向信息通过控制行走机构的运动状态，使得当前运动方向与设定的直线运动方向一致。
[0020]磁场感应传感器采集地磁场数据，重力加速度传感器采集重力加速度数据，当前运动方向的计算原理如下:
[0021]参考图4，Xb、Yb、Zb为描述机器人机身姿态的相互垂直的三维坐标轴，XA、\、Za分别为传感器感应重力加速度的三个坐标轴，Xa> Ya> Za分别为重力加速度在这三个轴上的分量(单位为g)，xm、ym、zm分别为传感器感应磁场强度的三个坐标轴，xm、Ym、Zm分别为磁场在这三个轴上的分量。设Yb与水平面的夹角为Roll，Xb与水平面的夹角为Pitch，Xb在水平面投影与地球磁北的夹角为机器人与地磁北极的夹角Heading。假设传感器固定在机器人上，XA,M与Xb平行，YA,M与Yb平行，则XA,M、YA,M决定的平面、xb、Yb决定的平面相互平行。假设机器人处于水平状态下，则XA,M、YA,M决定的平面、Xb、Yb决定的平面、水平面三者相互平行，地磁场在Zm坐标上的分量Zm为0，加速度在XA、YA上的分量Xa、Ya为0，根据地磁场在XM、YM上的分量Xm、Ym,可通过公式:Heading = arctan (Ym/Xm)计算出机器人运动方向Heading。机器人在斜坡运动时，机身产生倾斜，因此磁场在Zm的分量Zm不为0，在XM、YM上的分量Xm、Ym与水平的情况不一致，通过公式:Heading = arctan (Ym/Xm)计算出机器人运动方向Heading存在偏差，但通过测得的重力加速度在XA、Ya上的分量Xa、Ya来计算出机器的倾斜角度Pitch和Roll，再结合地磁场在XM、YM、Zm上的分量Xm、Ym、Zm,通过如下公式，可计算出机器人与地磁北极的夹角Heading:
[0022]Pitch = arcsin (_Xa)
[0023]Roll = arcsin (Ya/ cosPitch)
[0024]X = Xm*cosPitch+Zm*sinPitch
[0025]Y = Xm氺sinroll氺sinPitch+Ymcosroll_Zm氺sinroll氺cosPitch
[0026]Heading = arctan(Y/X)
[0027]直线行走过程中保持Heading不变，从而保证机器人运动的直线性及运动直线间的平行。
[0028]采用的行走机构3包括行走电机组合32以及行走电机驱动模块31。
[0029]行走电机组合包括左行走电机和右行走电机，通过行走电机驱动模块控制左行走电机和右行走电机的动作来控制机器人的运动方向稳定在目标运动方向上，同时也由左行走电机和右行走电机实现机器人的平移运动。
[0030]控制系统还包括采集机器人工作区域边界信息的边界信息采集模块22，机器人直线运动达到工作区域边界时，边界信息采集模块感应边界状态发出边界信号，主控模块根据边界信号通过电机驱动模块控制行走电机组合的运动状态完成机器人的平移运动。
[0031]本实用新型中边界信息采集模块22包括感应边界信息的感应电路、转换边界信息的信号处理电路和处理边界信息的单片机，单片机连接所述主控模块。
[0032]还可以在信息采集机构中设置记录行走时间的时钟模块、记录行走行程的行程采集模块以及用于检测障碍物的障碍物检测模块，障碍物检测模块可为触碰开关，障碍物检测模块感应到障碍物时，主控模块控制机器人平移运动避开障碍物；行程采集模块可采用霍尔传感器感应行走电机的运动状态。
[0033]参考图2和图3，采用上述控制系统的机器人的控制方法，包括以下步骤:
[0034]I)直线运动方向设定:将机器人摆放在工作区域中并启动，主控模块将方向采集模块获取的机器人启动时的方向信息设定为直线运动方向，直线运动过程中保持运动方向的稳定；
[0035]2)平移运动方向设定:相对直线运动方向的左平移或是右平移设为机器人的平移方向，平移运动至整个车身出工作区域的边界则结束运动。
[0036]3)直线运动控制:主控模块根据磁场感应传感器的地磁场数据和重力加速度传感器的重力加速度数据获取机器人的实际运动方向信息，主控模块对比实际运动方向信息和设定的直线运动方向，通过行走电机驱动模块控制行走电机组合的运动状态使机器人的实际运动方向按设定的直线运动方向运动完成正向或反向直线运动。直线运动控制过程中，设定机器人向前运动为正向运动，向后运动为反向运动，在正向运动方向出现右偏时，加快右行走电机速度并减小左行走电机速度，在正向运动方向出现左偏时，加快左行走电机速度并减小右行走电机速度，而反向运动方向出现右偏时，加快左行走电机速度并减小右行走电机速度，反向运动方向出现左偏时加快右行走电机速度并减小左行走电机速度，控制机器人直线运动。
[0037]4)平移运动控制:机器人直线运动到达工作区域的边界时触发边界信息采集模块，边界信息采集模块感应边界状态发出边界信号，主控模块根据边界信号通过电机驱动模块控制行走电机组合的运动状态完成机器人的平移运动。当机器人正向运动或是反向运动后机身出边界后，停止当前的直线运动，主控模块通过控制左、右行走电机运动使机器人平移至设定的距离。
[0038]其中平移运动为不调头平移，不调头平移可确保相邻直线运动轨迹间的水平，不调头平移具体的操作方法如下:右平移时，先控制左行走电机速度大于右行走电机速度运行移动一定距离，再控制右行走电机速度大于左行走电机速度运动一定距离，交替变化速度完成右平移；左平移时，先控制右行走电机速度大于左行走电机速度运行移动一定距离，再控制左行走电机速度大于右行走电机速度运动一定距离，交替变化速度完成左平移，通过该方式，即使在斜坡上工作，也可准确的控制方向。
[0039]本实用新型的控制方法并不只限定在割草机器人上使用，也同样适用于有类似应用需求的其它机器人的平行运动控制，如智能吸尘机器人。
[0040]通过上述实施例，本实用新型的目的已经被完全有效的达到了。熟悉该项技术的人士应该明白本实用新型包括但不限于附图和上面【具体实施方式】中描述的内容。任何不偏离本实用新型的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。
【权利要求】
1.一种机器人的控制系统，包括主控模块、行走机构和与主控模块连接用于采集机器人方向信息的方向采集模块，所述方向采集模块包括采集地磁场数据的磁场感应传感器，其特征在于:所述方向采集模块还包括采集重力加速度数据的重力加速度传感器，所述主控模块根据磁场感应传感器的地磁场数据和重力加速度传感器的重力加速度数据获取机器人方向信息并通过行走机构控制机器人稳定的直线运动。
2.根据权利要求1所述的一种机器人的控制系统，其特征在于:所述控制系统还包括采集机器人工作区域边界信息的边界信息采集模块，所述主控模块根据边界信息采集模块的反馈信号控制机器人的平移运动。
3.根据权利要求1或2所述的一种机器人的控制系统，其特征在于:所述控制系统还包括用于感应障碍物的障碍物感应模块，所述主控模块根据障碍物感应模块的反馈信号控制机器人的平移运动。
4.根据权利要求1或2所述的一种机器人的控制系统，其特征在于:所述行走机构包括行走电机组合及行走电机驱动模块。
5.根据权利要求4所述的一种机器人的控制系统，其特征在于:所述行走电机组合包括左行走电机和右行走电机。
【文档编号】G05D1/02GK204044623SQ201420336308
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年6月23日 优先权日:2014年6月23日
【发明者】陈凤梧 申请人:浙江亚特电器有限公司