本發(fā)明涉及一種清潔機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的控制系統(tǒng)，尤其是涉及一種涉及高樓玻璃壁面可越障式清潔機(jī)器人的控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著機(jī)器人技術(shù)的迅速發(fā)展，高樓壁面清洗機(jī)器人應(yīng)用越來(lái)越廣泛，從經(jīng)濟(jì)角度和安全角度及可靠性和實(shí)用性上，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都應(yīng)更加完善。目前高樓壁面清潔機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更重視整體的設(shè)計(jì)，往往忽略了機(jī)器人吸附力穩(wěn)定性檢測(cè)和控制以及壁面障礙物檢測(cè)和控制。且對(duì)于機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)控制沒(méi)有給出具體的控制方案。

申請(qǐng)?zhí)枮?01110020001.9的中國(guó)發(fā)明專利，記載一種擦玻璃機(jī)器人的控制系統(tǒng)及其控制方法，所述擦玻璃機(jī)器人包括驅(qū)動(dòng)機(jī)和隨動(dòng)機(jī)，在驅(qū)動(dòng)機(jī)和隨動(dòng)機(jī)內(nèi)分別設(shè)有極性相反的磁鐵，以使隨動(dòng)機(jī)跟隨驅(qū)動(dòng)機(jī)移動(dòng)。隨動(dòng)機(jī)包括清潔模塊、遙控信號(hào)發(fā)射裝置；驅(qū)動(dòng)機(jī)包括驅(qū)動(dòng)機(jī)處理模塊、遙控信號(hào)接收裝置、驅(qū)動(dòng)模塊及與其連接的第一行走模塊。驅(qū)動(dòng)機(jī)處理模塊與遙控信號(hào)接收裝置和驅(qū)動(dòng)模塊相連接，處理遙控信號(hào)接收裝置接收的由遙控信號(hào)發(fā)射裝置發(fā)射的信號(hào)。該擦玻璃機(jī)器人的控制系統(tǒng)及其控制方法，可以實(shí)現(xiàn)人為操控擦玻璃機(jī)器人進(jìn)行工作，使擦拭玻璃更加輕松方便，安全可靠，并且能夠提高擦玻璃的效率。 但是，該控制系統(tǒng)缺少壁面障礙的檢測(cè)和越障控制方案。

目前壁面清潔機(jī)器人控制系統(tǒng)的專利有申請(qǐng)?zhí)枮镃N200310121761.4的中國(guó)發(fā)明專利，公開日為2004-12-15，記載了一種自攀爬清潔機(jī)器人的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的控制器、用于檢測(cè)機(jī)器人自身狀態(tài)和外界工作環(huán)境的傳感器、用于通訊的無(wú)線數(shù)傳模塊、用于監(jiān)控機(jī)器人工作狀態(tài)和發(fā)送指令的人際交互的操作盒組成。操作者通過(guò)操作盒將指令利用無(wú)線數(shù)傳模塊發(fā)送給機(jī)器人，機(jī)器人的控制器收到指令后，將此指令分解為多個(gè)有序的子指令，子指令通過(guò)機(jī)器人上的CAN總線分發(fā)到機(jī)器人的各個(gè)分控制器上，各個(gè)分控制器根據(jù)指令以及傳感器提供的信息驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電機(jī)，自動(dòng)地完成機(jī)器人攀爬和清洗工作。但是該控制系統(tǒng)用于自攀爬清潔時(shí)，缺少越障操作的控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決背景技術(shù)中提到的諸多問(wèn)題，本發(fā)明提供一種高樓玻璃壁面可越障式清潔機(jī)器人的控制系統(tǒng)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明為一考慮到吸附和障礙等實(shí)際問(wèn)題，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的傳感器及控制操作指令，在保證機(jī)器人穩(wěn)定吸附的前提下實(shí)現(xiàn)越障。

所述獨(dú)立的Wifi攝像頭模塊，主要用于實(shí)時(shí)監(jiān)控清潔機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)操作人員監(jiān)控到機(jī)器人遇到障礙時(shí)，可以通過(guò)一鍵操作，使機(jī)器人主動(dòng)越障，若出現(xiàn)意外隨時(shí)急停，同時(shí)也可通過(guò)單步操作，分步分關(guān)節(jié)調(diào)整，手動(dòng)調(diào)整越障。

所述Wifi傳輸模塊，可給定一定的IP聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)在手機(jī)APP和控制器之間傳輸操作指令和圖像。

所述控制器，主控板是Arduino Due，控制機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和接收傳感器集合的信號(hào)所需的控制板外設(shè)有模擬輸出PWM口、數(shù)字輸入I/O口、I2C總線接口、外部中斷和其他經(jīng)過(guò)編程的輸入輸出I/O口。用于執(zhí)行機(jī)器人行走連桿機(jī)構(gòu)的三個(gè)舵機(jī)由三路以周期為20ms的PWM采用前臺(tái)規(guī)劃后臺(tái)執(zhí)行的方法聯(lián)動(dòng)控制。

所述越障控制，當(dāng)紅外傳感器檢測(cè)到障礙時(shí)，前進(jìn)擦拭清潔工作停止，通過(guò)控制器發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)協(xié)調(diào)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人整體的越障動(dòng)作。

所述吸附控制，機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中需時(shí)刻檢測(cè)其吸附狀況，通過(guò)壓力傳感器檢測(cè)真空泵處的壓力，若壓力過(guò)小則調(diào)整真空泵，增加其運(yùn)行功率，提高吸附力，若壓力高于所設(shè)定的最低值，則保持真空泵的運(yùn)行功率。

所述清掃控制，當(dāng)控制器接收指令后，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，利用角度傳感器角度大小，從而控制機(jī)器人的左右兩個(gè)真空泵協(xié)調(diào)配合清潔。

所述整體控制流程，首先手機(jī)APP界面彈出是否人工控制的指令，若需要人工控制，則通過(guò)遙控的方式控制機(jī)器人完成清潔和越障動(dòng)作，否則，通過(guò)光電傳感器檢測(cè)是否存在障礙，若檢測(cè)到障礙，機(jī)器人進(jìn)行越障操作，否則機(jī)器人自動(dòng)行走擦拭，清潔壁面。

本發(fā)明一種高樓玻璃壁面可越障式清潔機(jī)器人的控制系統(tǒng)的有益技術(shù)效果為：實(shí)用、控制簡(jiǎn)單，具有較好的推廣和使用價(jià)值。

附圖說(shuō)明

圖1是一種可越障的壁面清潔機(jī)器人的控制系統(tǒng)的總體控制框圖。

圖2是機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖3是該機(jī)器人控制方案和外設(shè)圖。

圖4是該機(jī)器人總體控制程序流程圖。

圖5是該機(jī)器人行走操作圖。

圖6是該機(jī)器人清掃控制圖。

圖7是該機(jī)器人越障控制圖。

圖8是該機(jī)器人真空吸附控制圖。

圖9是該機(jī)器人控制板的電路連接圖。

具體實(shí)施方式

結(jié)合圖1—9對(duì)本發(fā)明做出進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

圖1是一種可越障的壁面清潔機(jī)器人的控制系統(tǒng)的總體控制框圖，其特征包括:整個(gè)控制系統(tǒng)包括用于接收各種操作指令并控制清潔機(jī)器人的各機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的控制器（1）、用于檢測(cè)清潔機(jī)器人的自身工作狀態(tài)及壁面障礙情況的傳感器集合（2）、用于實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)器人工作狀態(tài)的獨(dú)立的WiFi攝像頭模塊（6）、用于給機(jī)器人發(fā)送各種操作指令的手機(jī)操作APP（3）、用于傳輸操作指令和圖像的Wifi傳輸模塊（4）。其中，操作人員通過(guò)手機(jī)APP發(fā)送操作指令，并通過(guò)Wifi傳輸模塊傳輸指令，控制板接受指令后對(duì)其進(jìn)行翻譯，然后配合傳感器，指導(dǎo)前臺(tái)規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，后臺(tái)指導(dǎo)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（5）動(dòng)作使機(jī)器人完成高樓壁面（7）上的前進(jìn)擦拭和越障，同時(shí)WiFi攝像頭模塊可將機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋到手機(jī)APP，如圖1所示。

圖2是機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，首先操作人通過(guò)手機(jī)APP發(fā)送操作指令，控制器接受指令，并根據(jù)相應(yīng)的指令控制相應(yīng)的元件或傳感器，主要包括控制真空泵吸附于壁面，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)給定的角度，控制直流電機(jī)和舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，控制氣壓計(jì)檢測(cè)氣壓值，控制光電傳感器檢測(cè)障礙物。

圖3是該機(jī)器人控制方案和外設(shè)圖，主控板是Arduino Due，控制機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和接收傳感器集合的信號(hào)所需的控制板外設(shè)有模擬輸出PWM口、數(shù)字輸入I/O口、I2C總線接口、外部中斷和其他經(jīng)過(guò)編程的輸入輸出I/O口。用于執(zhí)行機(jī)器人行走連桿機(jī)構(gòu)的三個(gè)舵機(jī)由三路以周期為20ms的PWM采用前臺(tái)規(guī)劃后臺(tái)執(zhí)行的方法聯(lián)動(dòng)控制；用于配合機(jī)器人清掃、越障時(shí)步進(jìn)電機(jī)采用經(jīng)過(guò)算法編程過(guò)的三路分別表示方向，輸出脈沖和使能的 I/O口輸出給定要求的一系列脈沖來(lái)控制DVR8825步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)工作；真空泵和直流電機(jī)都采用l298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)控制方向、輸出功率的PWM及控制使能的I/O口來(lái)控制直流電機(jī)和真空泵的轉(zhuǎn)速及方向；4路數(shù)字I/O口接收紅外傳來(lái)的障礙信號(hào)；每個(gè)編碼器通過(guò)兩個(gè)外部中斷來(lái)檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)裝過(guò)的角度反饋給系統(tǒng)來(lái)精確地完成清掃和越障工作；通過(guò)I2C總線接收氣壓計(jì)傳來(lái)的信號(hào)，在需要判斷真空泵工作時(shí)作為反饋信號(hào)判斷其工作狀態(tài)來(lái)完成吸附控制。

圖4是該機(jī)器人總體控制程序流程圖，首先機(jī)器人在真空泵的作用下吸附在壁面上，然后在手機(jī)APP界面彈出是否人工控制的指令，若需要人工控制，則通過(guò)遙控的方式控制機(jī)器人完成清潔和越障動(dòng)作，否則，通過(guò)光電傳感器檢測(cè)是否存在障礙，若檢測(cè)到障礙，機(jī)器人進(jìn)行越障操作，否則機(jī)器人自動(dòng)行走擦拭，清潔壁面。

圖5是該機(jī)器人行走操作圖，完成電機(jī)舵機(jī)的統(tǒng)一指令控制，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行規(guī)劃與指令接受的統(tǒng)一指令集，控制層程序分為運(yùn)動(dòng)執(zhí)行，運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和指令接收。具體控制實(shí)現(xiàn)為，運(yùn)動(dòng)執(zhí)行為后臺(tái)任務(wù)，在中斷中執(zhí)行，從運(yùn)動(dòng)隊(duì)列中獲取運(yùn)動(dòng)塊并完成。運(yùn)動(dòng)規(guī)劃為前臺(tái)任務(wù)，作用是從指令接收模塊獲得指令，并將其分解為小的線性運(yùn)動(dòng)（分片），加入運(yùn)動(dòng)隊(duì)列供運(yùn)動(dòng)執(zhí)行模塊執(zhí)行。指令接收模塊作用是翻譯字符串格式的指令，使運(yùn)動(dòng)規(guī)劃模塊能夠理解，并處理指令等待等相關(guān)任務(wù)。檢測(cè)運(yùn)動(dòng)隊(duì)列是否為空，取指令執(zhí)行（輸出舵機(jī)信號(hào)，運(yùn)動(dòng)方向信號(hào)，之后輸出步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)），步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作完成后檢測(cè)舵機(jī)動(dòng)作是否完成（舵機(jī)動(dòng)作需固定時(shí)間），移除當(dāng)前運(yùn)動(dòng)塊。嘗試獲取指令，確定分片數(shù)，指令分片（查表計(jì)算舵機(jī)角度，計(jì)算步進(jìn)電機(jī)步數(shù)）加入運(yùn)動(dòng)隊(duì)列，若運(yùn)動(dòng)隊(duì)列滿則掛起當(dāng)前指令，下一循環(huán)繼續(xù)完成分片，若當(dāng)前指令處理完畢則嘗試獲取下一指令。

圖6是該機(jī)器人清掃控制圖，當(dāng)控制器接收指令后，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，利用角度傳感器角度大小，從而控制機(jī)器人的左右兩個(gè)真空泵協(xié)調(diào)配合清潔。

圖7是該機(jī)器人越障控制圖，當(dāng)紅外傳感器檢測(cè)到障礙時(shí)，前進(jìn)擦拭清潔工作停止，通過(guò)控制器發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)協(xié)調(diào)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人整體的越障動(dòng)作。

圖8是該機(jī)器人真空吸附控制圖，機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中需時(shí)刻檢測(cè)其吸附狀況，通過(guò)壓力傳感器檢測(cè)真空泵處的壓力，若壓力過(guò)小則調(diào)整真空泵，增加其運(yùn)行功率，提高吸附力，若壓力高于所設(shè)定的最低值，則保持真空泵的運(yùn)行功率。

圖9是控制板的電路連接圖，紅外傳感器U2、U3、U4、U6、U7、U8、U9、U10的（1）端接高電平3.3V，（2）端接地，（3）端接紅外傳感器的輸出信號(hào)。氣壓傳感器BMP180 U1、U5的（1）端接高電平3.3V，（2）端接地，（3）端接控制器I2C總線的串行數(shù)據(jù)線SDA（13）端，（4）端接I2C總線的串行數(shù)據(jù)線SDA（14）端。步進(jìn)電機(jī)STEPPER1、STEPPER2接A、B兩相，A+、A-、B+、B-分別接驅(qū)動(dòng)模塊的（6）、（7）、（8）、（9）端，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊MODULE2、MODULE3的供電電源接3.3V和地，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)電源PWR+、PWR-接24V和地。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊MODULE2、MODULE3的使能EN（3）端分別接控制器的（1）、（4）端，脈沖輸入端STEP（4）端分別接控制器的（2）、（5）端，方向控制端DIR分別接控制器的（3）、（6）端。直流電機(jī)DC1、DC2通過(guò)三極管放大電路驅(qū)動(dòng)，電源接24V，通過(guò)DCM1、DCM2端分別接控制板的（24）,（25）端控制電機(jī)開斷。舵機(jī)SERVO1、SERVO2、SERVO3的PWR接24V電源，GND接地，SIG分別接控制板的（7）,（8）,（9），真空泵BUMP1、BUMP2的P+接24V電源、P-接地，控制開關(guān)CTRL分別接（24）,（25）。

本發(fā)明也可用于控制地面和樓梯等的自動(dòng)清潔和越障。

上述應(yīng)用實(shí)例只為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并加以實(shí)施，并不能限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所做出的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。