CN103291474A - 汽油机驱动腿足式机器人液压系统用控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽油机驱动腿足式机器人液压系统用控制系统及控制方法，包括控制器，以及与控制器连接的读取液压系统油面的油面电位计、读取液压系统油温的温度传感器、读取液压系统油压信号的压力传感器、以及读取变量柱塞泵转速的霍尔转速传感器，控制器通过信号控制发动机的启动与熄火、以及液压系统换向阀的接通或断开，控制器通过舵机控制节气门开度，控制器通过CAN接口与上位机统通信；能够控制汽油发动机转速，进而维持变量柱塞泵的转速恒定，为液压系统提供稳定的能量输出，使机器人能够稳定地运行。

Description

汽油机驱动腿足式机器人液压系统用控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及汽油机驱动的液压系统的控制技术领域，尤其涉及一种液压腿足式机器人的汽油机驱动液压系统的控制系统及控制方法。

背景技术

在腿足式机器人的驱动方式中，液压驱动方式具有动态性宽、输出力量大、功率-重量比高、带宽和线性度高的特点，特别适用于高性能的机器人。汽油发动机因其较高的工作效率以及较小的重量和体积，用于腿足式机器人液压系统的驱动，便于实现机器人能源系统的机载化。机器人液压系统的动力由汽油发动机提供，汽油发动机带动变量柱塞泵转动，将机械能转换成液体的压力能。机器人要稳定地工作，要求液压系统提供稳定的动力，需要调节汽油发动机转速，使变量柱塞泵在相应的工况下维持稳定的转速。

发动机转速控制在汽车定速巡航系统和挖掘机的发动机-液压系统中应用广泛，其传统控制方法是通过控制发动机的点火时刻延迟角、燃料供给量和节气门开度调节其发动机转速。但这种方法控制系统较为复杂，发动机系统的体积和重量较大，不适用于安装在腿足式机器人上。而且，液压腿足式机器人在运行过程中，液压系统的流量会随着机器人运动状态的改变发生较为剧烈的变化，即发动机的负载时时变化，这与汽车或挖掘机中发动机的工况有显著的不同。因此，针对用于驱动腿足式机器人液压系统的汽油发动机，必须设计一种新的控制器控制发动机的转速。

此外，对于液压系统而言，需要对液压系统的液压油液位、液压油温度和液压系统压强信号进行实时监控，并控制液压系统换向阀的开通与关闭。

发明内容

本发明为了解决现有技术存在的上述不足，提供了一种汽油机驱动腿足式机器人液压系统用控制系统；能够控制汽油发动机转速，进而维持变量柱塞泵的转速恒定、即稳定在工况对应的转速上，为液压系统提供稳定的能量输出，使机器人能够稳定地运行；同时，控制发动机的启动与停止以及换向阀的开通与关闭，读取液压系统的液位、油压、油温信号等，并将这些信息通过CAN总线发送给上位机统。

本发明还提供了一种腿足式机器人的汽油机驱动液压系统的控制方法。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种汽油机驱动腿足式机器人液压系统用控制系统，包括控制器，以及与控制器连接的读取液压系统油面的油面电位计、读取液压系统油温的温度传感器、读取液压系统油压信号的压力传感器、以及读取变量柱塞泵转速的霍尔转速传感器，控制器通过信号控制发动机的启动与熄火、以及液压系统换向阀的油口接通或断开，控制器通过舵机控制节气门开度，控制器通过CAN接口与上位机统通信。

控制器采用MC9S12XS128单片机作为核心芯片，油面电位计、温度传感器、压力传感器信号经A/D转换器传输给单片机。

控制器由24V电池供电。

控制器设有表明系统状态的指示灯。

所述控制系统的操作界面基于Visual C++平台，所述操作界面包括命令采集模块、CAN通信模块、状态显示存储模块，Visual C++平台与上位机连接，Visual C++平台用于设定液压系统的工况、给定发动机转速及调节参数，并将命令传送给控制系统；上位机接受控制系统传送来的状态信息并进行显示和数据记录。其中命令采集模块，包括对发动机启动命令模块、发动机熄火命令模块、载荷/卸荷命令模块、泵转速给定模块、泵转速调节参数给定模块；CAN通信模块，包括向机载动力控制发送命令模块、接收机载动力控制器发送来的状态信息模块；状态显示存储模块，包括显示控制指令信息模块、显示机载动力系统的状态信息模块、及记录机载动力系统的状态信息模块。

所述控制系统对汽油发动机驱动液压系统控制的方法，变量柱塞泵的转速控制采用分段式PID方法，包括以下步骤：

1）根据腿足式机器人的运动状态估算液压系统所需要的流量大小；

2）根据流量大小选择系统工况，分别给定变量柱塞泵转速r(t)；

3）利用霍尔转速传感器测得变量柱塞泵的转速y0(t)，经过卡尔曼滤波后获得修正值y(t)，与给定变量柱塞泵转速r(t)比较，得到偏差值e(t)=r(t)-y(t)；

4）根据偏差值e(t)的大小选择不同的PID算式，控制舵机的转角，拉动油门线以控制发动机节气门开度，调整发动机转速，以保持变量柱塞泵转速的恒定。

本发明的有益效果：

1．系统体积小，控制方便，稳定性好；

2.能够实现液压腿足式机器人的发动机转速控制，保证液压系统稳定工作，为机器人运行提供足够的能量，还能够监控机器人的液压系统状态；

3.控制器通过CAN总线与上位机通信，反馈变量柱塞泵转速和液压系统状态，上位机通过CAN总线向控制器发布指令，设定调节参数和转速给定。

附图说明

图1为用于腿足式机器人的汽油发动机驱动液压系统的控制器结构框图；

图2为变量柱塞泵转速控制系统原理框图；

图3为用于腿足式机器人的汽油发动机驱动液压系统的控制器操作界面；

图4为用于腿足式机器人的汽油发动机驱动液压系统的控制器操作界面功能图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

一种汽油机驱动腿足式机器人液压系统用控制系统，如图1所示，包括控制器，以及与控制器连接的读取液压系统油面的油面电位计、读取液压系统油温的温度传感器、读取液压系统油压信号的压力传感器、以及读取变量柱塞泵转速的霍尔转速传感器，控制器通过信号控制发动机的启动与熄火、以及液压系统换向阀的油口接通或断开，控制器通过舵机控制节气门开度，控制器通过CAN总线接口与上位机通信。

控制器设有表明系统状态的指示灯。

控制器采用MC9S12XS128单片机，所述油面电位计、温度传感器、压力传感器信号经A/D转换器传输给单片机。

所述控制器与24V电池连接。

利用腿足式机器人的汽油机驱动液压系统的控制系统对液压系统的控制方法，其中变量柱塞泵的转速控制采用分段式PID（Proportional-Integral-Differential，比例-积分-微分）方法，如图2所示，具体步骤是，1）首先根据腿足式机器人的运动状态估算液压系统所需要的流量大小；2）根据流量大小选择系统工况，分别给定变量柱塞泵转速r(t)；3）利用霍尔转速传感器测得变量柱塞泵的转速y0(t)，经过卡尔曼滤波后获得修正值y(t)，与给定变量柱塞泵转速r(t)比较，得到偏差值e(t)=r(t)-y(t)；4）根据偏差值e(t)的大小选择不同的PID算式，控制舵机的转角，拉动油门线以控制发动机节气门开度，调整发动机转速，以保持变量柱塞泵转速的恒定。

本发明针对该控制器的操作界面，基于Visual C++平台，运行在上位机上，如图3所示。主要功能是设定液压系统的工况，给定发动机转速及调节参数，并将命令传送给控制器；同时，上位机接受控制器传送来的状态信息并进行显示和数据记录。用于腿足式机器人的汽油发动机驱动液压系统的控制器操作界面包括：命令采集模块，包括对发动机启动命令模块、发动机熄火命令模块、载荷/卸荷命令模块、泵转速给定模块、泵转速调节参数给定模块图3中1所示；CAN通信模块，包括向机载动力控制发送命令模块、接收机载动力控制器发送来的状态信息模块，图3中2所示；状态显示存储模块，包括显示控制指令信息模块、显示机载动力系统的状态信息模块、及记录机载动力系统的状态信息模块，图3中3所示，其功能结构图由图4给出。

通过霍尔传感器读出变量柱塞泵的转速，并与给定转速进行比较，经运算处理后控制舵机旋转，拉动油门线，调节发动机节气门开度以控制发动机转速，使变量柱塞泵的转速稳定在给定值上。汽油发动机驱动液压系统控制器通过油面电位计读取液压站内液位的高度，通过温度传感器读取液压油温度，通过压力传感器读取液压系统的压强，据此判断液压系统的状态并对工况进行相应的调整。控制器测得的液压系统信息和发动机状态信息可以通过CAN总线发送给上位机统。

上述虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种汽油机驱动腿足式机器人液压系统用控制系统，其特征是，包括控制器，以及与控制器连接的读取液压系统油面的油面电位计、读取液压系统油温的温度传感器、读取液压系统油压信号的压力传感器、以及读取变量柱塞泵转速的霍尔转速传感器，所述控制器通过信号控制发动机的启动与熄火、以及液压系统换向阀的接通或断开，控制器通过舵机控制节气门开度，控制器通过CAN接口与上位机统通信。

2.如权利要求1所述的汽油机驱动腿足式机器人液压系统用控制系统，其特征是，所述控制器采用MC9S12XS128单片机作为核心控制芯片，以霍尔转速传感器、油面电位计、温度传感器、压力传感器检测液压系统状态，采用舵机拉动汽油发动机油门线控制汽油机转速。

3.如权利要求1所述的汽油机驱动腿足式机器人液压系统用控制系统，其特征是，所述控制器仅由24V电池供电。

4.如权利要求1所述的汽油机驱动腿足式机器人液压系统用控制系统，其特征是，所述控制器设有表明系统状态的指示灯。

5.如权利要求1所述的汽油机驱动腿足式机器人液压系统用控制系统，其特征是，所述控制系统的操作界面基于Visual C++平台，所述操作界面包括命令采集模块、CAN通信模块、状态显示存储模块，Visual C++平台与上位机连接，Visual C++平台用于设定液压系统的工况、给定发动机转速及调节参数，并将命令传送给控制系统；上位机接受控制系统传送来的状态信息并进行显示和数据记录。

6.如权利要求5所述的汽油机驱动腿足式机器人液压系统用控制系统，其特征是，所述命令采集模块包括对发动机启动命令模块、发动机熄火命令模块、载荷/卸荷命令模块、泵转速给定模块、泵转速调节参数给定模块；所述CAN通信模块，包括向机载动力控制发送命令模块、接收机载动力控制器发送来的状态信息模块；所述状态显示存储模块，包括显示控制指令信息模块、显示机载动力系统的状态信息模块、及记录机载动力系统的状态信息模块。

7.利用权利要求1至6所述的控制系统对汽油发动机驱动液压系统控制的方法，变量柱塞泵的转速控制采用分段式PID方法，包括以下步骤：

1）根据腿足式机器人的运动状态估算液压系统所需要的流量大小；

2）根据流量大小选择系统工况，分别给定变量柱塞泵转速r(t)；

3）利用霍尔转速传感器测得变量柱塞泵的转速y0(t)，经过卡尔曼滤波后获得修正值y(t)，与给定变量柱塞泵转速r(t)比较，得到偏差值e(t)=r(t)-y(t)；

4）根据偏差值e(t)的大小选择不同的PID算式，控制舵机的转角，拉动油门线以控制发动机节气门开度，调整发动机转速，以保持变量柱塞泵转速的恒定。

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