基于分布式控制的多功能巡检机器人及工作方法与流程

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种基于分布式控制的多功能巡检机器人及工作方法。

背景技术：

当前，人工智能技术的发展带动了机器人领域，智能巡检机器人在室内室外，变电站、机房或者商场有很大的需求。

现有的巡检机器人系统，受到硬件、软件的限制，只有一个主控芯片，主控芯片功耗大，长时间运行处理会导致机器人运行速度下降，运行效率变低，最终影响整个机器人的工作。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种基于分布式控制的多功能巡检机器人及工作方法。

本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：一种基于分布式控制的多功能巡检机器人，其特征在于：包括控制模块、巡航模块、运动模块、图像采集模块、气体检测模块、土壤采样模块、无线通信收发模块及上位机监视模块；所述控制模块采用MSP430G2553单片机作为核心控制单元；

所述巡航模块采用RX23T5F523T5ADFM单片机，所述RX23T5F523T5ADFM单片机通过SCCB通讯方式实时读取由CMOS摄像头采集到的图像信息，经二值化处理及模糊控制处理后，从而得出当前位置信息，经串行通讯方式将位置信息传递至所述MSP430G2553单片机，之后经计算处理后得到巡检机器人的路径规划信息；

所述运动模块采用履带式运动结构与差速转向方式，并由所述MSP430G2553单片机控制；

所述图像采集模块采用红外高清网络摄像头，实时采集画面信息并通过无线网络传送给上位机监视模块；

所述气体检测模块由于检测pm2.5、氨气、硫化氢、空气污染气体、烟雾等数据，并将数据信息传送给所述MSP430G2553单片机；

所述土壤采样模块用于采集土壤信息，包括两只舵机和挖土铲斗，由MSP430G2553单片机控制；

所述无线通讯模块包括ZigBee和WI FI，其中ZigBee用于RX23T5F523T5ADFM单片机与上位机监视模块之间传输数据的传输，WI FI用于RX23T5F523T5ADFM单片机与上位机监视模块之间图像的传输；

所述上位机监视模块采用PC机进行监控。

优选地，还包括红外避障传感器，用于监测机器人周围障碍物信息，并传送给MSP430G2553单片机。

一种基于分布式控制的多功能巡检机器的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：1)通过巡航模块搭载的CMOS摄像头和RX23T5F523T5ADFM单片机，采用SCCB通讯协议实时采集图像信息，采用外部中断的方式，经二值化处理及模糊控制算法，实时读取CMOS摄像头捕捉的轨迹位置信息，最终通过MSP430G2553综合计算处理后，得到巡检机器人的路径规划信息，进而通过PWM调速控制运动模块工作，并根据路径轨迹做出相应的姿态调整；

2)通过气体检测模块，实现pm2.5、氨气、硫化氢、空气污染气体、烟雾的检测工作，通过A/D采样方式采集pm2.5、氨气、硫化氢、空气污染气体数据；通过SPI通信方式采集红外烟雾报警信号；最终将采集的数据发送至MSP430G2553单片机；

3)通过图像采集模块的网络摄像头，利用WI FI无线通信技术实时采集图像视频信息，并将信息传输至上位机监视模块；

4)通过上位机监视模块发送土壤采集指令，经过无线通信收发模块传输，MSP430G2553单片机响应，负责土壤采样的舵机相继动作，完成升降、俯仰、掘土、回收一系列采样动作，结束采样；

5)最后由MSP430G2553单片机将数据通过ZigBee无线模块发送给上位机监视模块，实现气体数据的采集和实时监测判断以及现场画面的实时监视。

优选地，通过上位机监视模块，实现手动遥控和自主巡航功能间的一键切换；巡航参数的设定；车体运动偏移量调整；云台画面采集方位调整；烟雾警报；障碍警报等功能。

优选地，所述主巡航采用视觉导航方式，包括以下步骤，首先利用CMOS高速摄像头实时采集图像，并将图像信息通过SCCB通讯方式传输到RX23T5F523T5ADFM单片机，在接收每一帧图像后，整张图像为80*60点阵，4800个字节的内存区域，之后经过图像二值化处理，即每一个字节数据和阀值进行比较，如果大于阀值则为白色，否则为黑色，白色用“1”或“0”表示，最后将600个字节存储在内存中，并将数据传输至MSP430G2553单片机，在得到了600个字节的黑白图象数据后，最后经过数据滤波、控制算法处理后，计算得出PWM脉冲宽度，进而控制直流电机输出。

优选地，所述阈值由工作人员在上位机监视模块上自行设置。

本发明的有益效果是:本发明采用双处理器分布式控制方式，以MSP430处理器作为该系统主要控制核心，以RX23T为辅助控制系统，这种分布式控制在数据处理上减小了计算误差，增加数据处理精度，简化了数据运算过程，从而降低了核心处理器的负担，使控制系统变得更加安全、稳定；

2.该32位RX23T5F523T5ADFM处理器具有多种外设通讯接口，如SC I，RSP I，RI I C，UART等。在唤醒延迟和功耗方面，几种省电模式提供了具有灵活性的最大优化方案。

3.本发明可以实现人机分离，远程操作，代替工作人员进入复杂环境作业，一定程度上降低了对工作人员的伤害系数。

4.机器人运动系统与土壤采样模块采用PWM调速控制方式，使控制更加精准与灵活，速度调节更加平滑，受外界干扰小，整个系统工作可靠。

5.采用Zi gBee CC2500无线收发芯片，其工作频段为2.4GHz的I SM频段；它是一款低成本、低功耗、高性能的无线收发芯片。具有良好的无线接收灵敏度和强大的抗干扰能力。

6.本发明上位机监视单元采用Vi sua l Stud i o软件开发友好的人机界面，可实现现场环境数据以及图像视频的实时传输以及控制。

附图说明

图1为本发明所涉及的系统硬件框图；

图2为本发明所涉及的系统初始化程序流程图；

图3为本发明所涉及的气体数据采样子程序流程图；

图4为本发明所涉及的自主巡航系统流程框图；

图5为本发明所涉及的设计原理流程图。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。如图1所示，一种基于分布式控制的多功能巡检机器人，包括：电源、电平转换模块1、电平转换模块2、电平转换模块3、电平转换模块4、第一直流电机、第二直流电机、电机驱动板、机器人控制单元、气体检测单元、无线通信收发模块、网络摄像头、路由器、红外避障传感器、CMOS摄像头、OLED显示屏及上位机组成。

电源输出端分别连接电平转换模块1、2的输入端以及DC24v端子排输入端；电平转换模块1的输出端连接DC5v端子排的输入端，电平转换模块2的输出端连接DC12v端子排的输入端，电平转换模块3的输入端连接DC5v端子排的输出端，电平转换模块4的输入端连接DC5v端子排的输出端，电平转换模块4的输出端连接RX23T5F523T5ADFM控制板的电源输入端；第一直流电机、第二直流电机的电源输入端连接DC24v端子排的输出端，第一直流电机控制输入端连接电机驱动板的out1、out2输出端，第二直流电机控制输入端连接电机驱动板的out3、out4输出端；电机驱动板电源输入端连接DC24v端子排的输出端；控制电压输入端连接DC5v端子排输出端；电机驱动板的信号输入端I N1/I N2/I N3/I N4分别对应连接MSP430G2553单片机的P2.1/P2.2/P2.4/P2.5的输出端；MSP430G2553单片机的电源输入端连接DC5v端子排输出端；第二无线通信收发模块的电源输入端连接RX23T5F523T5ADFM电路板的输出端；

第一无线通信收发模块电源输入端连接至上位机USB接口的输出端；网络摄像头的电源输入端连接DC12v端子排输出端，它的数据输出端通过网线连接路由器的输入端；路由器的电源输入端连接电平转换模块3的输出端；

PM2.5传感器、硫化氢传感器、氨气传感器，烟雾报警传感器，易燃气体传感器的供电电压均为DC5v，全部并联接入端子排DC5v输出端；

PM2.5传感器的输出端连接MSP430G2553单片机输入端口P1.0；

氨气传感器的输出端连接MSP430G2553单片机输入端口P1.3；

硫化氢传感器的输出端连接MSP430G2553单片机输入端口P1.4；

烟雾报警传感器的输出端连接MSP430G2553单片机输入端口P1.5；

空气污染气体检测传感器的输出端连接MSP430G2553单片机输入端口P1.7；

红外避障传感器的输出端连接MSP430G2553单片机输入端口P2.0；

CMOS摄像头、OLED显示屏的电源输入端并联接入RX23T5F523T5ADFM电路板的电源输入端。

MSP430G2553电路板的P1.1/P1.2端口对应连接RX23T5F523T5ADFM电路板的16/14端口；CMOS摄像头的输出端连接RX23T5F523T5ADFM电路板的信号输入端；OLED显示屏输出端连接RX23T5F523T5ADFM电路板的信号输入端。

所述电源DC24v为可充电锂电池提供，所述电平转换模块1为DC24v转DC12v模块,电平转换模块2为DC24v转DC5v模块,电平转换模块3为DC5v转DC9v模块,电平转换模块4为DC5v转3.3v模块。

所述MSP430G2553单片机是美国德州仪器(T I)一种16位超低功耗、具有精简指令集(RI SC)的混合信号处理器；RX23T5F523T5ADFM单片机是瑞萨半导体公司一种32位的低功耗、具有多种通信接口的高性能处理器。

所述的气体检测单元，选用高精度气象传感器，通过A/D采样方式采集PM2.5、硫化氢、氨气、空气污染气体数据，通过开关量采集红外避障传感器、红外光电烟雾传感器数据。所有采集的数据传输至MSP430G2553单片机，再由MSP430G2553单片机通过TTL通信方式与RX23T5F523T5ADFM单片机连接，通过无线通信收发模块发送至上位机。

所述的土壤采样模块，由2台舵机、掘土铲斗、支架组成。舵机控制采用PWM脉宽控制方式。设备上电，土壤采样装置恢复原位，舵机相继动作，完成升降、俯仰、掘土、回收一系列采样动作，结束采样。

所述的无线通信收发模块，分为第一无线收发模块和第二无线收发模块。第一无线收发模块通过USB接口与上位机相连，第二无线通信收发模块通过TTL通信方式与RX23T处理器单元连接。网络摄像头通过网口与路由器连接，通过SCCB协议采集CMOS摄像头捕获的信息，OLED显示屏通过SP I接口与RX23T5F523T5ADFM单片机连接，RX23T5F523T5ADFM单片机通过异步收发口UART1先将数据发送给第二无线收发模块，与第一无线收发模块之间通过无线链路实现数据的互相传输，在上位机实时显示相关参数。

基于分布式控制的多功能巡检机器人的工作方法详细包括如下步骤：

通过气体检测模块，可实现pm2.5、氨气、硫化氢、空气污染气体、烟雾的检测工作，通过A/D采样、开关量采集方式、SPI通信方式、将采集的气体数据发送至MSP430处理器单元。

通过CMOS摄像头和RX23T5F523T5ADFM单片机，采用SCCB通讯协议实时采集图像信息，采用外部中断的方式，实时读取CMOS摄像头捕捉的轨迹位置信息，经二值化处理及模糊控制算法，得出当前位置信息，最终通过MSP430G2553单片机综合计算处理，得到巡检机器人的路径规划信息，进而通过PWM调速控制，根据路径轨迹作出相应的姿态调整。

通过网络摄像头，利用WI FI无线通信技术实时传输采集到的图像视频信息，并在上位机显示窗口直接显示。

DC24v电源可直接给2只直流电机及电机驱动板提供电源。通过第一电平转换模块输出DC5v，可直接给PM2.5、氨气、硫化氢、空气污染气体检测、烟雾报警、红外避障传感器供电，可以给MSP430G2553单片机提供电源，也可为第三、第四电平转换模块提供输入电源。通过第二电平转换模块输出DC12v，可以给网络摄像头供电。通过第三电平转换模块输出DC9v，可以给路由器供电。通过第四电平转换模块输出DC3.3v，为RX23T5F523T5ADFM单片机及CMOS摄像头、OLED显示屏、无线通信收发模块2提供电源。

通过上位机发送土壤采集指令，经过无线通信收发模块传输，MSP430G2553单片机响应，负责土壤采样的两个舵机相继动作，完成升降、俯仰、掘土、回收一系列采样动作，结束采样。

MSP430G2553单片机将数据通过ZigBee无线模块发送给上位机监视单元，实现气体数据的采集和实时监测判断以及现场画面的实时监视。

最后通过上位机监视单元，可实现手动遥控和自主巡航功能间的一键切换；巡航参数的设定；车体运动偏移量调整；云台画面采集方位调整；烟雾警报；障碍警报等功能。

上述步骤中所述气象数据采集的软件实现：

如图2所示，系统初始化程序只在系统上电时执行一次，主要是对系统状态寄存器的设置、中断标志和允许的设置、看门狗的设置、定时器、外部晶振、捕获单元初始化、OLED屏显示初始化、CMOS摄像头初始化、红外摄像头初始化、I/O口的设置和初始化等。

当定时器周期中断服务程序执行结束后，进入相应的气体数据采样子程序。如图3所示。主程序初始化后，设置抽样点数和定时器0的工作方式与初值，开启中断并启动定时器，开始抽样，判断定时时间，如果达到则进行A/D采样和最大值的比较，否则返回上一步，A/D采样完成开始判断是否完成抽样次数，如果没有，则启动定时器重新进行A/D采样，若完成则通过最大值计算有效值，计算结束，开AD内核，选择参考电压开始信号转换，判断是否转换完毕，如果没有，则返回上一步，若是，则采样结束。之后清除原始采集数据，最后循环执行下一轮的抽样。

当初始化程序执行完成并得到寻迹信号后，寻迹程序进入初始化等待状态。如图4所示。当初始化成功，则进入自动寻迹程序，否则返回继续执行上一级命令，开启寻迹后调用CMOS寻迹摄像头，同时将捕捉的图像发送到OLED显示屏。循环判断捕捉的图像是黑色还是白色，如果是白色，则返回上一级，否则记录中心线，之后进入判断中心，依据中心线进行判断修正，根据反馈的位置信息进行左右偏移调整或者直行。发送协议，完成一次寻迹数据采集。

如图5所示，本发明所述对巡检机器人控制系统的原理软件流程如下：

(1)系统上电复位；

(2)系统程序初始化：按照初始化程序，初始化系统各项状态和各个控制寄存器；

(3)传感器初始化：按照设定的顺序，依次执行；

(4)读取传感器信号；采集各个传感器发回的气体数据；

(5)判断读取情况：如果没有则返回继续读取，否则执行下一级命令；

(6)处理信息：传感器采集的气体数据由MSP处理器单元进行处理，通过无线通信收发模块发送至上位机做最终处理。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。