物流移动机器人的运动控制器及系统的制作方法

1.本发明涉物流智能控制的技术领域，具体涉及一种物流移动机器人的运动控制器及系统。


背景技术：

2.目前，智能机器人在物流的仓储与分拣环节已经崭露头角，在部分物流企业获得了应用，正在向运输配送环节逐步转移。智能移动机器人具有智能选择路径，自主定位导航，智能避障，智能调速，位置、速度实时上传等功能。智能移动机器人应用于自主物流系统中的末端配送，可以提高现代物流的效率，防止交通意外和交通堵塞的发生，使人们更有效地利用时间、改善生活条件。机器人采用电池驱动，用电量很低，可实现“绿色物流”。
3.目前国内移动机器人运动控制系统主要采用模块化方式，其存在不足之处：集成化程度低，外围线路较多，结构复杂等，因此物流移动机器人的运动控制器的集成化、稳定性、易用性有待进一步优化和提升。


技术实现要素：

4.针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种物流移动机器人的运动控制器及系统，以解决现有技术中物流移动机器人的运动控制器的集成化、稳定性、易用性有待进一步优化和提升的问题。
5.本发明提供了一种物流移动机器人的运动控制器，包括支撑架，还包括：
6.cpu核心板，设于所述支撑架的底部，用于工业物流移动机器人的总体控制；
7.输入信号控制板，设于所述支撑架的顶部且通信连接所述cpu核心板，用于接收外部开关以及传感器信号；
8.输出信号控制板，设于所述支撑架的中部且通信连接所述cpu核心板，用于所述运动控制器的输出信号控制；
9.rs485通信控制板，设于所述支撑架的顶部且连接所述cpu核心板，用于控制rs485的modbus协议的外部设备；
10.can通信控制板，设于所述支撑架的顶部且连接所述cpu核心板，用于控制can通讯网络的外部设备；
11.独立电源，靠近所述cpu核心板设于所述支撑板的底部，用于为cpu核心板、输入信号控制板、输出信号控制板、rs485通信控制板及can通信控制板提供电源。
12.可选地，所述输入信号控制板，包括：
13.输入接口端、mcu、隔离ic芯片及独立电源；
14.所述输入接口端的输入端连接pnp或npn的传感器，所述输入接口的输出端连接所述mcu,所述mcu和所述传感器均通过所述隔离ic芯片连接所述独立电源。
15.可选地，所述输入信号控制板，还包括：
16.双极性led，所述双极性led的一端连接所述pnp或npn的传感器，所述双极性led的
另一端连接所述mcu。
17.本发明还提供了一种物流移动机器人的运动控制器的系统，包括：
18.主控制模块，用于所述运动控制器的系统的总体控制；
19.通讯传输模块，连接所述主控制模块，用于传输所述主控制模块的控制指令；
20.命令收发模块，连接所述主控制模块，用于下发所述主控制模块的设置参数，用于上传传感器、电池及电机的实时参数；
21.两轮差速底盘运动分解模块，通过所述通讯传输模块连接所述主控制模块，用于根据所述主控制模块的指令，基于物流移动机器人的底盘参数，实时控制移动机器人的移动的方向、线速度、角速度、托盘旋转的角度和顶升高度。
22.可选地，还包括：
23.外部采集信息模块，通过所述通讯传输模块连接所述主控制模块，用于采集电池信息、电机状态信息、急停按钮信号、模式切换信号、上升按钮信号、下降按钮信号、避障雷达信号的状态信息。
24.可选地，还包括：
25.里程换算模块，通过所述通讯传输模块连接所述主控制模块，用于根据所述移动机器人的电机编码器脉冲值、减速机的速比、agv驱动轮的半径、机械误差补偿值，将电机编码器脉冲值转化为驱动轮的里程值。
26.可选地，还包括：
27.速度解算模块，通过所述通讯传输模块连接所述主控制模块，用于根据主控制模块下发速度解算成输出左轮和右轮的线速度，并换算为转速，将结果分解为驱动器协议规定的数据下发至驱动器目标速度地址。
28.相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
29.本发明采用集成化设计减少由于多个开关电源布局增大其所占的布局空间，减少外部的电源布线，降低线路复杂带来的故障；整体的体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高，使得整体的运行稳定。
附图说明
30.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
31.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1为本发明中物流移动机器人的运动控制器的结构示意图；
33.图2为本发明中输入信号控制板的双极隔离输入控制电路图；
34.图3为本发明中输入信号控制板的双极状态指示电路图；
35.图4为本发明中物流移动机器人的运动控制器的系统的结构示意图；
36.图5为本发明中车体运动轨迹解析示意图；
37.图6为本发明中轨迹位置解算示意图；
38.图7为本发明中cpu核心板的接口图；
39.图8为本发明中输入信号控制板接口图；
40.图9为本发明中输出信号控制板接口图；
41.图10为本发明中rs485通信控制板接口图；
42.图11为本发明实施例提供的can通信控制板接口图。
43.附图标记说明：
44.1、cpu核心板；2、输出信号控制板；3、输入信号控制板；4、rs485通信控制板；5、can通信控制板；
具体实施方式
45.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。本发明实例中相同标号的功能单元具有相同和相似的结构和功能。
46.参见图1，本发明提供了本发明提供了一种物流移动机器人的运动控制器，包括支撑架，其特征在于，还包括：
47.cpu核心板1，设于所述支撑架的底部，用于工业物流移动机器人的总体控制；
48.输入信号控制板3，设于所述支撑架的顶部且通信连接所述cpu核心板1，用于接收外部开关以及传感器信号；
49.输出信号控制板2，设于所述支撑架的中部且通信连接所述cpu核心板1，用于所述运动控制器的输出信号控制；
50.rs485通信控制板4，设于所述支撑架的顶部且连接所述cpu核心板1，用于控制rs485的modbus协议的外部设备；
51.can通信控制板5，设于所述支撑架的顶部且连接所述cpu核心板1，用于控制can通讯网络的外部设备；
52.独立电源，靠近所述cpu核心板1设于所述支撑板的底部，用于为cpu核心板1、输入信号控制板3、输出信号控制板2、rs485通信控制板4及can通信控制板5提供电源。
53.本实施例中，具体描述物流移动机器人的运动控制器：
54.参见图7，cpu核心板1对外接口包含控制器电源输入接口j5、以太网口j6、调试口j7、程序下载口j8、can输出接口j4、rs485输出接口j3、开关量输入接口j2、开关量输出接口j1。其中电源输入接口j5为控制器提供24v直流电源，以太网口j6是控制器与其他设备进行网络通信的接口。
55.参见图8，输入信号控制板3对外接口包含输出信号接口j9，3路开关量接口j10、j11、j1。其中j10、j11、j12接收到外界传感器的信号，经过输入信号控制板3(3)转换和隔离输出给接口j9,接口j9与图3中cpu核心板1接口j2进行连接。
56.参见图9，输出信号控制板2对外接口包含输入信号接口j13和4路开关量接口j14、j15、j16、j17。接口j13与图3中cpu核心板1接口j1进行物理电气连接。
57.参见图10，rs485通信控制板4对外接口包含usart外设的ttl电平信号接口j18和2路rs485输出接口j19、j20。j18与cpu核心板1接口j3进行物理电气连接。
58.参见图11，can通信控制板5对外接口包含包含usart外设的ttl电平信号接口j21和2路can输出接口，其中j21与cpu核心板1接口j4进行物理电气连接。
59.所述独立电源用于提供运动控制器dc5v、dc3.3v电源。
60.所述cpu核心板1，安装于支撑架的底部，负责物流移动机器人的底盘运动控制及部分传感器数据采集，实现物流移动机器人本体完成各种复合动作运动任务，包括底盘电机、旋转电机、顶升电机、速度检测、激光雷达避障、方向检测等功能。
61.参见图2，所述输入信号控制板3，安装于支撑架的顶部，用于物流移动机器人的传感器输入检测以及开关信号的检测，传感器不限于单一npn或pnp的传感器接入，只需更改s/s1的正负极性，npn、pnp类型传感器都可以接入，不影响控制输入电路的稳定性，mcu都可以正常接收传感器信号。同时外部输入传感器与mcu采用独立电源，并采用隔离ic芯片进行信号隔离，有效地隔离外部信号干扰，从而保证mcu的稳定工作。
62.参见图3，进一步，所述输入信号控制板3的电路中对输入信号状态的指示采用双极性led，有效的解决采用单极性led在传感器npn更换成pnp传感器不能正常指示的现象，现场使用人员不需更改电路即可实现输入状态指示，其中，传感器电压不单适用于一种输入电压，可适用于5vdc、12vdc、24vdc等电压类型的传感器，即传感器选型电压范围更较宽，在工业领域适用性更强。
63.所述输出信号控制板2，安装于所述支撑架的中部，用于物流移动机器人输出的灯带和激光雷达控制；
64.所述rs485通信控制板4，安装在所述支撑架的顶部，用于物流移动机器人语音报警和灯带颜色警示功能通信控制；
65.所述can通信控制板5，安装在所述支撑架的顶部，用于物流移动机器人左右轮电机驱动器、顶升电机驱动器、旋转电机驱动器通信控制。
66.运动控制器的cpu核心板1通过端口j1与输入信号控制板3连接，当输入信号控制板3外接的原点、上下限位、红外传感器等发生变化时，输入信号控制板3将传感器变化的电信号转换成cpu核心板1可接收的高低电平信号。
67.cpu核心板1通过端口j2与输出信号控制板2连接，当激光雷达不同检测区域时，cpu核心板1控制输出信号控制板2的各路继电器通断状态，调整激光雷达不同检测区域和形状。
68.cpu核心板1通过端口j3与rs485通信控制板4连接，cpu核心板1通过rs485通信控制板4以rs485 modus通信协议指令控制灯带的颜色、亮灭等状态，实现移动机器人各种状态告警信息，以及控制语音告警等信息。
69.cpu核心板1通过端口j4与can通信控制板5连接，通过can通信协议控制移动机器人的底盘驱动电机、顶升电机、旋转电机的运行状态。
70.作为可选的cpu核心板1、输出信号控制板2、输入信号控制板3、rs485通信控制板4、can通信控制板5可根据应用功能场景的不同可进行组合搭配，实现不同的需求和功能。
71.其中，组合搭配方式包括但不限于以下方式，实现不同的需求和功能，如下表所示：
[0072][0073]
参见图4，本发明还提供了一种物流移动机器人的运动控制器的系统，用来进行各部件的数据交换和逻辑控制，与主控制模块通过通讯传输模块连接，包括：两驱底盘运动分解功能块、轮式里程计模块、电机通讯控制模块、转盘随动功能块、升降控制模块、报警模块、外部io控制模块、灯带通讯控制模块、接收主控数据解析模块、上传数据打包模块等。具有命令收发、命令解析、正逆向运动学算法、运动控制、自动升级、日志数据上传，以及对传感器数据、元器件状态数据打包等功能，其中，所述运动控制器的系统包括但不限于以下模块：
[0074]
两轮差速底盘运动分解模块，接收主控制模块的下发车体坐标系下x方向的目标线速度v
tx
，车体坐标系下y方向的目标线速度v
ty
，车体坐标系下目标角速度ω
t
，托盘旋转目
标角度θ
tm1
，顶升目标高度h
tm2
，再根据底盘的物理参数，实时解算出2个运动驱动电机的转速，并通过can通讯将转速指令下发到电机驱动器，控制移动机器人的移动的方向、线速度、角速度、托盘旋转的角度和顶升高度；
[0075]
外部采集信息模块，负责采集电池信息、电机状态信息、急停按钮信号、模式切换信号、上升按钮信号、下降按钮信号、避障雷达信号等底盘状态信息。
[0076]
里程换算模块，通过电机编码器脉冲值、减速机的速比、agv驱动轮的半径、机械误差补偿值，将电机编码器脉冲值转化为驱动轮的里程值。运动控制器通过canopen读取电机实时位置，合成换算或使用里程换算得到两驱底盘左右驱动轮的里程值(m)。
[0077]
里程换算：
[0078]
里程值：mil(m),pos：编码器脉冲值,n:编码器线数,车轮直径：r(m),减速比d
[0079]
速度解算模块，运动控制器接收主控制模块下发速度解算成输出左轮和右轮的线速度，并换算为转速，将结果分解为驱动器协议规定的数据下发至驱动器目标速度地址。
[0080]
速度解算：
[0081]
驱动器脉冲值换算：
[0082]
电机目标转速：v
rpm
，驱动器目标脉冲速度d
ec
，编码器分辨率：n，车轮直径：d(m)，减速比：i，车轮线速度：v
el
(m/s)，
[0083]
命令收发模块，运动控制器接收主控制模块下发的设置参数：两轮中心的间距b、轮半径r、速度比例系数k。运动控制器给主控制模块上传坐标系x方向的车体实时速度vx、y方向的车体实行速度vy、车体实时角速度ω、imu的实时坐标数据，同时上传电池实时电压电流、驱动器实时电流、报警、日志等小车信息。
[0084]
参见图5，核心运动控制模块，负责控制物流移动机器人前进方向、速度、行驶的距离、左转、右转、掉头动作，接收到主控制模块指派的线速度、角速度后，分别解算出两个轮子的速度。物流移动机器人需要运行的动作、速度、里程，cpu核心板1内置控制算法按照公式4、5、6进行底盘电机运动分解：
[0085]
车体角速度解算：
[0086]
左轮线速度解算：v
l
＝v+ωb/2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(公式5)
[0087]
右轮线速度解算：vr＝v-ωb/2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(公式6)
[0088]
ω为移动机器人底盘角速度；v
l
为左轮速度，vr为右轮速度，b为两轮中心的距离。v为车体的目标线速度。
[0089]
参见图6，轨迹解算模块，在车体坐标系下，单位时间δt以速度v移动的距离为δd＝δt
×
v，将此移动的距离分别分解到世界坐标系的x、y轴(图5)。
[0090]
δxw＝δd
×
cos(θ)＝δt
×v×
cos(θ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(公式7)
[0091]
δyw＝δd
×
sin(θ)＝δt
×v×
sin(θ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(公式8)
[0092]
同时单位角度δθ随时间角度δt变化而变化，不断累积，即实现任意时间的位置解算。
[0093]
xw＝xw+δxw＝xw+δt
×v×
cos(θ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(公式9)
[0094]yw
＝yw+δyw＝yw+δt
×v×
sin(θ)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(公式10)
[0095]
θ＝θ+δt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(公式11)
[0096]
托盘控制模块，负责根据主控制模块下发的指令，执行托盘顶升，下降等动作，并输出顶升状态以及实时位置值。
[0097]
托盘升降高度解算：
[0098]
编码器分辨率：n，托盘升降高度：h(mm)，减速比：i，pos：编码器脉冲值，丝杆导程：ph
[0099]
旋转控制模块，需要根据主控制模块下发的旋转角度指令及机械相应的速比计算出电机转动的速度。同时也需要完成agv在运动过程中的转盘随动控制以保证agv在运动过程中货架始终保持方向不变。
[0100]
底盘状态信息上传模块，负责将运动控制卡搜集的避障信息、顶升状态、电池电量、传感器温度、驱动电机状态等设备信息上传给主控制模块，同时也需要将agv的速度信息、轮式里程计信息、报警信息上传给主控制模块。相关重要信息也需要用日志保存管理。
[0101]
本发明相比于现有技术：
[0102]
1.模块集成化设计，电源模块24v、12v、5v采用集成化设计，减少由于多个开关电源布局增大其所占的布局空间，减少外部的电源布线，降低线路复杂带来的故障；
[0103]
2.多层保护功能设计，每路电源均有过流、过压保护等功能，当负载出现短路、过流、过压等故障时，电源管理ic将自动关闭的输出，保护电源控制系统，当故障排除后，重新上电自动恢复正常状态；
[0104]
3.具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强、性价比高等特点，供货周期稳定,采用铝合金防护外壳，整体运行稳定；
[0105]
4.接口丰富，通用性强，可满足多种设备控制的需求，可外接各种类型的传感器和控制模块，可以满足用户对工业物流移动机器人外围部件的控制需求；
[0106]
5.运动控制器与驱动器采用can通讯连接，抗干扰性强，可减少外部控制线路，线路简单，可有效降低工业物流移动机器人的运动过程中的故障，降低故障率，提高运行的稳定性；
[0107]
6.输入i/o不限于接入单一pnp(或npn)传感器，只需简单的更改电路可实现传感器类型的更改，接口输入类型灵活多变，方便用户灵活使用，且不影响系统控制的正常运行。
[0108]
7.输入传感器的电压适应范围宽，传感器选型范围广，可适应不同的工业领域场景。
[0109]
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0110]
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的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，在其它实施例中实现。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申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种物流移动机器人的运动控制器，包括支撑架，其特征在于，还包括：cpu核心板，设于所述支撑架的底部，用于工业物流移动机器人的总体控制；输入信号控制板，设于所述支撑架的顶部且通信连接所述cpu核心板，用于接收外部开关以及传感器信号；输出信号控制板，设于所述支撑架的中部且通信连接所述cpu核心板，用于所述运动控制器的输出信号控制；rs485通信控制板，设于所述支撑架的顶部且连接所述cpu核心板，用于控制rs485的modbus协议的外部设备；can通信控制板，设于所述支撑架的顶部且连接所述cpu核心板，用于控制can通讯网络的外部设备；独立电源，靠近所述cpu核心板设于所述支撑板的底部，用于为cpu核心板、输入信号控制板、输出信号控制板、rs485通信控制板及can通信控制板提供电源。2.如权利要求1所述的物流移动机器人的运动控制器，其特征在于，所述输入信号控制板，包括：输入接口端、mcu、隔离ic芯片及独立电源；所述输入接口端的输入端连接pnp或npn的传感器，所述输入接口的输出端连接所述mcu,所述mcu和所述传感器均通过所述隔离ic芯片连接所述独立电源。3.如权利要求2所述的物流移动机器人的运动控制器，其特征在于，所述输入信号控制板，还包括：双极性led，所述双极性led的一端连接所述pnp或npn的传感器，所述双极性led的另一端连接所述mcu。4.一种物流移动机器人的运动控制器的系统，其特征在于，包括：主控制模块，用于所述运动控制器的系统的总体控制；通讯传输模块，连接所述主控制模块，用于传输所述主控制模块的控制指令；命令收发模块，连接所述主控制模块，用于下发所述主控制模块的设置参数，用于上传传感器、电池及电机的实时参数；两轮差速底盘运动分解模块，通过所述通讯传输模块连接所述主控制模块，用于根据所述主控制模块的指令，基于物流移动机器人的底盘参数，实时控制移动机器人的移动的方向、线速度、角速度、托盘旋转的角度和顶升高度。5.如权利要求4所述的物流移动机器人的运动控制器的系统，其特征在于，还包括：外部采集信息模块，通过所述通讯传输模块连接所述主控制模块，用于采集电池信息、电机状态信息、急停按钮信号、模式切换信号、上升按钮信号、下降按钮信号、避障雷达信号的状态信息。6.如权利要求5所述的物流移动机器人的运动控制器的系统，其特征在于，还包括：里程换算模块，通过所述通讯传输模块连接所述主控制模块，用于根据所述移动机器人的电机编码器脉冲值、减速机的速比、agv驱动轮的半径、机械误差补偿值，将电机编码器脉冲值转化为驱动轮的里程值。7.如权利要求6所述的物流移动机器人的运动控制器的系统，其特征在于，还包括：速度解算模块，通过所述通讯传输模块连接所述主控制模块，用于根据主控制模块下
发速度解算成输出左轮和右轮的线速度，并换算为转速，将结果分解为驱动器协议规定的数据下发至驱动器目标速度地址。

技术总结
本发明提供了一种物流移动机器人的运动控制器，包括支撑架，还包括CPU核心板，设于所述支撑架的底部；输入信号控制板，设于所述支撑架的顶部且通信连接所述CPU核心板；输出信号控制板，设于所述支撑架的中部且通信连接所述CPU核心板；RS485通信控制板，设于所述支撑架的顶部且连接所述CPU核心板；CAN通信控制板，设于所述支撑架的顶部且连接所述CPU核心板；独立电源，靠近所述CPU核心板设于所述支撑板的底部，本发明采用集成化设计减少由于多个开关电源布局增大其所占的布局空间，减少外部的电源布线，降低线路复杂带来的故障；整体的体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高，使得整体的运行稳定。使得整体的运行稳定。使得整体的运行稳定。


技术研发人员：邬传浪 葛景国
受保护的技术使用者：重庆长安民生物流股份有限公司
技术研发日：2023.04.17
技术公布日：2023/7/20