机器人直驱载波电力线通信系统的制作方法

本技术涉及机器人，尤其涉及一种机器人直驱载波电力线通信系统。

背景技术：

1、随着机器人向多关节、高自由度方向发展，机器人内部通常设置有中央控制器、多个关节执行器以及与各关节执行器对应的通信节点。中央控制器需要周期性向各关节通信节点下发控制数据，各关节通信节点则需要周期性向中央控制器回传位置、速度、电流、温度、力矩及故障状态等数据。为保证机器人各关节协调运动，中央控制器与各关节通信节点之间的通信需要具有较高的可靠性和较低的传输时延。

2、现有机器人内部通常采用can、can-fd、rs-485或ethercat等通信总线。采用上述通信方式时，需要在动力线之外额外布设通信线缆。随着关节通信节点数量增加，通信线缆和连接器的数量相应增加，容易导致机器人内部线束重量、布线复杂度和转动惯量增加，并可能降低机器人在长期运动过程中的连接可靠性。尤其在人形机器人手臂、腿部、手指等空间受限部位，线缆数量和连接器数量的增加会显著提高机械设计难度。

3、为减少通信线缆，可以采用电力线通信技术，使动力线同时传输供电能量和通信信号。然而，机器人动力线中通常存在由电机pwm控制、逆变器开关、电机启停及负载变化等产生的噪声。传统电力线通信所采用的通信频段可能与上述电机噪声的能量频段重叠，导致通信信号受到干扰，影响控制数据和状态数据的可靠传输。

4、此外，现有电力线通信系统通常采用竞争式接入方式。当多个关节通信节点通过同一动力线进行通信时，各关节通信节点需要通过载波侦听、竞争退避等过程争用通信通道，容易产生数据碰撞、随机退避和重传，使通信时延及其抖动难以预测。对于足式机器人、机械臂等需要多个关节协同控制的设备，通信时延的不确定性可能导致各关节的控制数据或状态数据不能按预定时序传输，进而影响机器人的协调运动和控制稳定性。

5、因此，如何在利用机器人动力线同时实现供电和通信的情况下，降低电机噪声对通信信号的干扰，并避免多个关节通信节点竞争通信通道造成的时延不确定，成为亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本技术解决的技术问题在于提供一种机器人直驱载波电力线通信系统，以克服传统电力线通信容易受到电机噪声干扰、多个关节通信节点竞争接入导致通信时延和抖动不确定，导致通信可靠性和实时性不足的缺陷。

2、第一方面，本技术提出了一种机器人直驱载波电力线通信系统，所述系统包括:中央控制器、动力线和多个关节通信节点；

3、所述动力线，用于向所述多个关节通信节点供电，并在所述中央控制器与所述多个关节通信节点之间形成通信通道；

4、所述中央控制器，用于为所述多个关节通信节点分配相互正交的通信资源，将待发送至各所述关节通信节点的第一数据映射至对应的通信资源，以在数字域生成位于目标通信频段内的下行载波通信信号，并耦合至所述动力线；其中，所述目标通信频段是基于所述动力线中的电机噪声频谱确定的；

5、各所述关节通信节点，用于从所述动力线提取所述下行载波通信信号，对所在关节通信节点对应的通信资源进行解调，以获取对应的第一数据；以及，将待发送至所述中央控制器的第二数据映射至对应的通信资源，以在数字域生成位于目标通信频段内的上行载波通信信号并耦合至所述动力线，以使所述中央控制器从所述上行载波通信信号中获取所述第二数据。

6、在其中一个实施例中，所述中央控制器包括：

7、资源调度模块，用于为所述多个关节通信节点分配相互正交的通信资源，并生成各所述关节通信节点与对应通信资源之间的资源分配关系；

8、下行直驱载波发送模块，用于根据所述资源分配关系，将待发送至各所述关节通信节点的第一数据映射至对应的通信资源，以在数字域生成位于所述目标通信频段内的下行载波通信信号；

9、第一信号耦合模块，用于将所述下行载波通信信号耦合至所述动力线，以及从所述动力线提取各所述关节通信节点发送的上行载波通信信号；

10、上行信号接收模块，用于根据所述资源分配关系，对所述上行载波通信信号中各所述关节通信节点对应的通信资源进行解调，以获得各所述关节通信节点发送的第二数据。

11、在其中一个实施例中，所述下行直驱载波发送模块包括：

12、数字基带单元，用于对所述第一数据进行数字基带处理，得到调制符号，并根据所述资源分配关系将所述调制符号映射至对应的通信资源；

13、正交频分复用调制单元，用于根据映射至各所述通信资源的调制符号生成正交频分复用信号；

14、数字频移单元，用于将所述正交频分复用信号搬移至所述目标通信频段；

15、数字模拟转换器，用于对搬移至所述目标通信频段的正交频分复用信号进行数字模拟转换，以输出位于所述目标通信频段内的所述下行载波通信信号。

16、在其中一个实施例中，所述数字基带单元对所述第一数据进行数字基带处理，得到调制符号，包括：

17、所述数字基带单元根据所述第一数据生成比特流，对所述比特流执行扰码、前向纠错编码和交织中的至少一种处理，并对处理后的比特流进行星座映射，以得到所述调制符号。

18、在其中一个实施例中，所述中央控制器还包括：

19、频段选择模块，用于获取受保护无线业务对应的禁止频段，以及在机器人启动、校准或运行过程中扫描得到所述动力线中的电机噪声频谱，确定所述电机噪声频谱中噪声功率谱密度大于预设噪声阈值的频段，并从所述禁止频段和所确定的频段之外选取所述目标通信频段。

20、在其中一个实施例中，所述频段选择模块，还用于在通信过程中检测所述目标通信频段内各频点的通信质量，将通信质量不满足预设通信条件的频点确定为干扰频点，对所述干扰频点执行子载波停用、发射功率降低和通信资源迁移中的至少一种操作，并根据执行所述操作后的可用频谱数量调整通信带宽。

21、在其中一个实施例中，所述资源调度模块包括：

22、超帧生成单元，用于将通信时间划分为周期性超帧；

23、资源分配单元，用于将所述目标通信频段划分为多个相互正交的子载波集合，在所述周期性超帧中确定多个通信时间窗口，并根据各所述关节通信节点的节点标识，为各所述关节通信节点分配对应的子载波集合和通信时间窗口，以将所分配的子载波集合和通信时间窗口作为对应关节通信节点的通信资源。

24、在其中一个实施例中，所述上行信号接收模块包括：

25、信道估计单元，用于根据各所述关节通信节点对应的导频信号，确定各所述通信资源的信道估计结果和噪声统计结果，根据所述信道估计结果和所述噪声统计结果确定各所述通信资源的信噪比，并根据所述信噪比确定各所述通信资源的通信质量；

26、数据解调单元，用于根据各所述通信资源的信道估计结果，对所述上行载波通信信号中对应的通信资源进行均衡、解调和译码，以获得各所述关节通信节点发送的第二数据。

27、在其中一个实施例中，所述上行信号接收模块还包括：

28、采样单元，用于对所述上行载波通信信号进行采样，得到时域采样信号；

29、脉冲噪声处理单元，用于在检测到所述上行载波通信信号中存在脉冲噪声时，对所述时域采样信号执行时域限幅或时域空白化，或者对受所述脉冲噪声影响的子载波执行频域擦除。

30、在其中一个实施例中，所述中央控制器还包括：

31、自适应调制编码模块，用于根据各所述通信资源的通信质量，为对应的关节通信节点确定调制方式和编码方式；

32、所述资源调度模块，还用于根据各所述关节通信节点的业务优先级以及各所述通信资源的通信质量，调整分配给各所述关节通信节点的通信资源；

33、所述自适应调制编码模块，还用于根据调整后的通信资源对应的通信质量，更新对应的调制方式和编码方式中的至少一种。

34、在其中一个实施例中，各所述关节通信节点包括：

35、第二信号耦合模块，用于从所述动力线提取所述下行载波通信信号，以及将所述上行载波通信信号耦合至所述动力线；

36、下行信号接收模块，用于对所在关节通信节点对应的通信资源进行解调，以获得对应的第一数据；

37、上行直驱载波发送模块，用于将所述第二数据映射至所在关节通信节点对应的通信资源，以在数字域生成所述上行载波通信信号。

38、在其中一个实施例中，所述资源调度模块，还用于周期性地为各所述关节通信节点配置用于传输导频信号和训练序列的通信资源；

39、各所述上行直驱载波发送模块，还用于根据所述资源调度模块的配置，在对应的上行载波通信信号中插入所述导频信号和所述训练序列；

40、所述信道估计单元，还用于根据周期性接收到的所述导频信号和所述训练序列，更新各所述通信资源的信道估计结果和噪声统计结果，并根据更新后的信道估计结果和噪声统计结果更新各所述通信资源的通信质量。

41、在其中一个实施例中，所述第一信号耦合模块和所述第二信号耦合模块均包括无源高通耦合网络；

42、所述无源高通耦合网络，用于在所述目标通信频段内耦合所述下行载波通信信号和所述上行载波通信信号，并隔离所述动力线中的供电分量、电机pwm信号及其低频谐波。

43、在其中一个实施例中，所述中央控制器还包括上行同步模块，各所述关节通信节点还包括定时控制模块；

44、所述上行同步模块，用于根据各所述关节通信节点发送的训练序列、导频信号或测量信号，确定各所述关节通信节点的上行到达时间偏差，并根据所述上行到达时间偏差生成对应的发送提前量；

45、所述定时控制模块，用于根据对应的发送提前量，调整所述上行载波通信信号的发送时间，以使各所述关节通信节点发送的上行载波通信信号在所述中央控制器处保持时间对齐。

46、在其中一个实施例中，所述中央控制器还包括：

47、姿态感知电磁兼容控制模块，用于获取机器人的姿态信息和线缆布置信息，根据所述姿态信息和所述线缆布置信息，确定所述机器人在各所述通信资源对应频率下的电磁辐射风险，并根据所述电磁辐射风险控制所述资源调度模块调整对应通信资源的使用状态和发射功率中的至少一种。

48、在其中一个实施例中，所述姿态感知电磁兼容控制模块包括：

49、等效长度确定模块，用于根据所述姿态信息和所述线缆布置信息，确定机器人肢体或动力线回路的等效辐射长度；

50、风险判断模块，用于根据所述等效辐射长度和各所述通信资源对应的频率，确定存在辐射增强风险的目标通信资源；

51、辐射抑制模块，用于对所述目标通信资源执行停止使用、降低发射功率、通信资源迁移或调制编码方式调整中的至少一种操作。

52、在其中一个实施例中，所述中央控制器还包括：

53、安全降级与故障保护模块，用于在满足预设条件时执行应急操作；

54、其中，在通信链路质量低于预设质量阈值、上行同步失败、关节通信节点的连续丢包次数达到预设次数以及可用通信资源对应的通信带宽小于预设带宽中的至少一种情况发生时，确定满足所述预设条件；

55、所述应急操作包括降低调制阶数、提高编码冗余、缩短关键关节通信节点的调度周期、暂停非关键数据传输、切换至备用通信频段和启用应急通信模式中的至少一种。

56、上述机器人直驱载波电力线通信系统，至少具有以下优点：

57、本技术通过复用动力线向多个关节通信节点供电，并在中央控制器与多个关节通信节点之间传输通信信号，无需额外布设独立通信线缆，有利于减少机器人内部的线缆和连接器数量，降低线束重量及布线复杂度。通过基于动力线中的电机噪声频谱确定目标通信频段，使载波通信信号避开电机噪声对应的能量频段，有利于降低电机噪声对通信信号的干扰，提高数据传输的可靠性。同时，通过为多个关节通信节点分配相互正交的通信资源，并将各关节通信节点的数据映射至对应的通信资源，使多个关节通信节点能够通过同一动力线进行通信而无需竞争接入，有利于避免数据碰撞、随机退避和竞争重传，降低通信时延及其抖动，提高机器人内部通信的实时性。