CN104407614B - 四轮式室内移动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明四轮式室内移动机器人，涉及机器人，包括底盘、两个驱动轮、两个万向轮、控制器和锂电池；两个驱动轮是两个独立的采用带有霍尔效应传感器的轮毂式直流无刷电机作为驱动电机的驱动轮，驱动轮与驱动电机构成一体，其控制器采用工作于双极模式下的全桥PWMDC/DC变换器来驱动直流无刷电机，克服了现有技术中直流有刷电机换向速度慢、噪声较大和电机长期处于磨损状态会导致容易损坏的缺点。

Description

四轮式室内移动机器人

技术领域

本发明的技术方案涉及机器人，具体地说是四轮式室内移动机器人。

背景技术

移动机器人技术是机器人技术中的一个重要分支，它的研究始于二十世纪六十年代，其主要目标是研究应用人工智能技术，在复杂环境下系统地自主推理、规划和控制。自主式移动机器人是具有高度的自规划、自组织和自适应能力，适合于在复杂的环境中工作的一种智能机器人，具有模型不确定性、系统的高度非线性和控制的复杂性。

地面移动机器人在环境中无约束的运动需要一个具有优异性能的移动平台，机器人的运动机构则是机器人移动平台的一个重要组成部分，它直接影响到机器人运动的稳定性、灵活性和可操作性。因此，合理选择和设计机器人的运动机构是移动机器人设计的一个重要方面。一般来讲，地面移动机器人的运动机构主要有3种：轮式移动机构、履带式移动机构和腿足式移动机构。

轮式移动机构通常应用于室内移动机器人，该运动机构采用车辆人造工艺技术，结构相对简单，非常适合于相对平坦的地面。轮式移动机器人是移动机器人中应用最多的一种，在相对平坦的地面上，车轮式移动方式具有相当的优势。与其他形式的移动机器人相比，轮式移动机器人具有机械结构简单、运动灵活度大、操作性能好和能量利用率高的优点，因此轮式移动机器人的应用领域最为广泛。轮式移动机器人是最重要、最常见的一类移动机器人。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供四轮式室内移动机器人，安装有两个独立的采用带有霍尔效应传感器的轮毂式直流无刷电机作为驱动电机的驱动轮，驱动轮与驱动电机构成一体，其控制器采用工作于双极模式下的全桥PWMDC/DC变换器来驱动直流无刷电机，克服了现有技术中直流有刷电机换向速度慢、噪声较大和电机长期处于磨损状态会导致容易损坏的缺点。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：四轮式室内移动机器人，包括底盘、两个驱动轮、两个万向轮、控制器和锂电池；其中，两个驱动轮分别安置在底盘左右两侧的缺口处，两个万向轮分别安置在底盘前后，四个轮子的安装中心在水平平面上位于同一圆周，控制器和锂电池置于底盘面上；所述的两个驱动轮均是独立的采用带有霍尔效应传感器的轮毂式直流无刷电机作为驱动电机的驱动轮；控制器是采用工作于双极模式下的全桥PWMDC/DC变换器来驱动直流无刷电机的控制器，该控制器包括硬件部分和软件部分，其中硬件部分由信号采集/处理电路和驱动电路两部分构成，软件部分包括信号采集/处理程序、驱动控制程序、过流保护程序、CAN通信程序和差速控制程序。

上述四轮式室内移动机器人，所述两个驱动轮均是8寸的轮毂式驱动轮。

上述四轮式室内移动机器人，所述两个万向轮是3寸的聚氨酯万向轮。

上述四轮式室内移动机器人，所述锂电池是24V的锂电池。

上述四轮式室内移动机器人，所述控制器的硬件部分中的信号采集/处理电路由霍尔位置信号采集/处理电路和霍尔电流信号采集/处理电路两部分构成；其中，霍尔位置信号采集/处理电路包括三个10K的电阻R22、R72和R73，三个2K的电阻R9、R10和R11，及三个0.01uf的电容C5、C6和C7，电阻R22的一端接+5V，电阻R22的另一端接电阻R9，并接出信号线HALL1a，电阻R9的另一端接电容C5，并接出信号线HALL1ain，电容C5的另一端接地，电阻R72的一端接+5V，电阻R72的另一端接电阻R10，并接出信号线HALL1b，电阻R10的另一端接电容C6，并接出信号线HALL1bin，电容C6的另一端接地，电阻R73的一端接+5V，电阻R73的另一端接电阻R11，并接出信号线HALL1c，电阻R11的另一端接电容C7，并接出信号线HALL1cin，电容C7的另一端接地，其中，HALL1ain、HALL1bin、HALL1cin为电机的霍尔位置信号线，HALL1a、HALL1b、HALL1c接DSP的捕捉引脚；霍尔电流信号采集/处理电路包括四个ACS712电流传感器U11、U12、U13和U14，四个100pf的电容C49、C50、C51和C52，四个5.1K的电阻R32、R62、R65和R67，四个1nf的电容C53、C54、C55和C56，及四个10K的电阻R68、R69、R70和R71，U11的1和U11的2引脚短接接IRA+，U11的3和U11的4引脚短接接IRA-，U11的5引脚接地，U11的6引脚接电容C53，电容C53的另一端接地，U11的7引脚接电阻R32，电阻R32的另一端接电阻R68，并接出IRAout，电阻R68的另一端接地，U11的8引脚接电容C49并接+5V，电容C49的另一端接地，U12的1和U12的2引脚短接接IRB+，U12的3和U12的4引脚短接接IRB-，U12的5引脚接地，U12的6引脚接电容C54，电容C54的另一端接地，U12的7引脚接电阻R62，电阻R62的另一端接电阻R69，并接出IRBout，电阻R69的另一端接地，U12的8引脚接电容C50并接+5V，电容C50的另一端接地，U13的1和U13的2引脚短接接ILA+，U13的3和U13的4引脚短接接ILA-，U13的5引脚接地，U13的6引脚接电容C55，电容C55的另一端接地，U13的7引脚接电阻R65，电阻R65的另一端接电阻R70，并接出ILAout，电阻R70的另一端接地，U13的8引脚接电容C51并接+5V，电容C51的另一端接地，U14的1和U14的2引脚短接接ILB+，U14的3和U14的4引脚短接接ILB-，U14的5引脚接地，U14的6引脚接电容C56，电容C56的另一端接地，U14的7引脚接电阻R67，电阻R67的另一端接电阻R71，并接出ILBout，电阻R71的另一端接地，U14的8引脚接电容C52并接+5V，电容C52的另一端接地。

上述四轮式室内移动机器人，所述控制器的硬件部分中的驱动电路为直流无刷电机的驱动电路，由MOSFET构成的三相全桥逆变电路组成，包括一片驱动芯片IR2136，一个0.1uf的电容C22，二个10K电阻R26、R27，一个5.1电阻R35，三个FR107的二极管D2、D3、D4，三个1uf的电解电容C28、C29、C30，二个100uf的电解电容C34、C35，六个MOSFET管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6，六个200电阻R37、R38、R39、R40、R42、R45，六个200K电阻R50、R51、R52、R53、R55、R57，一个三针的端口CON1，驱动芯片IR2136的1引脚接+12V，驱动芯片IR2136的9引脚接地，驱动芯片IR2136的10引脚接电阻R27，电阻R27的另一端接电容C22并同时接+12V，驱动芯片IR2136的11引脚接电阻R26，电阻R26的另一端接电容C22并同时接+12V，电容C22的另一端接地，驱动芯片IR2136的12和驱动芯片IR2136的13引脚短接接地，驱动芯片IR2136的14引脚接电阻R45，电阻R45的另一端接MOSFET管Q6的G极，并接电阻R57，电阻R57的另一端接MOSFET管Q6的S极，并接地，驱动芯片IR2136的15引脚接电阻R42，电阻R42的另一端接MOSFET管Q5的G极，并接电阻R55，电阻R55的另一端接MOSFET管Q5的S极，并接地，驱动芯片IR2136的16引脚接电阻R40，电阻R40的另一端接MOSFET管Q4的G极，并接电阻R53，电阻R53的另一端接MOSFET管Q4的S极，并接地，驱动芯片IR2136的18引脚接电解电容C30的-极，并与MOSFET管Q6的D极相接，接端口CON1的3号位置，电解电容C30的+极接二极管D4，二极管D4的另一端接电阻R35，驱动芯片IR2136的19引脚接电阻R39，电阻R39的另一端接MOSFET管Q3的G极，并接电阻R52，电阻R52的另一端接MOSFET管Q5的S极，并接端口CON1的3号位置，驱动芯片IR2136的22引脚接电解电容C29的-极，并与MOSFET管Q5的D极接，接出IRB+，IRB-接端口CON1的2号位置，电解电容C29的+极接二极管D3，二极管D3的另一端接电阻R35，23引脚接电阻R38，电阻R38的另一端接MOSFET管Q2的G极，并接电阻R51，电阻R51的另一端接MOSFET管Q2的S极，并接IRB+，26引脚接电解电容C28的-极，并与MOSFET管Q4的D极接，接出IRA+，IRA-接端口CON1的1号位置，电解电容C28的+极接二极管D2，二极管D2的另一端接电阻R35，27引脚接电阻R37，电阻R37的另一端接MOSFET管Q1的G极，并接电阻R50，电阻R50的另一端接MOSFET管Q1的S极，并接IRA+，28引脚接电解电容C28+极，电阻R35的另一端接+12V，MOSFET管Q1、Q2、Q3的D极接B+，并接电解电容C34的+极，电解电容C34的-极接电解电容C35的+极，电解电容C35的-极接地。

上述四轮式室内移动机器人，所述控制器的软件部分的信号采集/处理程序的流程是：S1：定时器下溢触发A/D转换；进入下一步S2：A/D中断标志位Adflag＝1；进入下一步S3：进行电流值A/D转换操作；进入下一步S4：将A/D转换结果存入变量中；进入下一步S5：电流PI调节器；进入下一步S6：过流保护；进入下一步S7：霍尔位置信号检测；进入下一步S8：换相程序；进入下一步S9：慢周期计数器time_cnt+1；进入下一步S10：Time_cnt>200？；当步骤S10的答案为“否”时进入步骤步S12：速度更新标志＝1？；当步骤S10的答案为“是”时进入下一步S11：慢周期标志位flag_san＝1；进入下一步S12：速度更新标志＝1？；当步骤S12的答案为“否”时进入步骤S14：结束；当步骤S12的答案为“是”时进入下一步S13：进度更新程序；进入下一步S14：结束。

上述四轮式室内移动机器人，所述控制器的软件部分的驱动控制程序的流程是：开始→设置看门狗，锁相环，频率与预频器，模块时钟使能→关中断初始化程序变量→初始化PIE控制器和PIE矢量表→初始化GPIO模块→初始化AD模块→初始化EV模块→设置中断逻辑→电机预定位启动→开中断→循环等待。

上述四轮式室内移动机器人，所述控制器的软件部分的过流保护程序的流程是：S1：开始；进入下一步S2：I_down＝实际电流；进入下一步S3：I_down是否大于0？；当步骤S3的答案为“是”时进入下一步S4：过流标志Flag_oc＝1，存储占空比duty0＝duty；进入下一步S5：duty0>I_down？；当步骤S5的答案为“是”时进入步骤S6：减小PWM占空比，duty＝duty0-I_down；当步骤S5的答案为“否”时进入步骤S7：输出占空比duty＝0；当步骤S3的答案为“否”时进入步骤S8：flag_oc＝1？；当步骤S8的答案为“否”时进入步骤S16：cnt_oc＝0；当步骤S8的答案为“是”时进入下一步S9：过流处理次数cnt_oc++；进入下一步S10：cnt_oc>2？；当步骤S10的答案为“是”时进入下一步S11：cnt_oc＝0，duty＝duty0+1；进入下一步S12：输出占空比duty；当步骤S10的答案为“否”时进入步骤S13：调节后的duty是否大于初始的duty？；当步骤S13的答案为“是”时进入下一步S14：flag_oc＝0，调节后的duty＝初始duty；当步骤S13的答案为“否”时进入步骤S15：不对duty进行处理；步骤S16的下一步为S17：tmp0＝duty0-duty，下一步为S18：tmp0＝0？；当步骤S18的答案为“是”时进入步骤S23：duty＝duty+tmp0；步骤S23的下一步为S24：结束；当步骤S18的答案为“否”时进入下一步S19：tmp0>1？；当步骤S19的答案为“是”时进入下一步S20：tmp0＝1；步骤S20的下一步为S23：duty＝duty+tmp0；步骤S23的下一步为S24：结束；当步骤S19的答案为“否”时进入下一步S21：tmp0<-1；进入下一步S22：tmp0＝-1；进入下一步S23：duty＝duty+tmp0；进入下一步S24：结束。

上述四轮式室内移动机器人，所述控制器的软件部分的CAN通信程序的流程是：S1：开始；进入下一步S2：判断标志位是接收还是发送？；当步骤S2的答案为“接收中断”时进入下一步S3：是否为数据帧？；当步骤S3的答案为“是”时进入下一步S4：读取数据；进入下一步S5：存储数据；进入下一步S6：数据处理；进入下一步S7：复位中断标志位；进入下一步S8：退出中断；当步骤S3的答案为“否”时进入下一步S9：判断请求内容；进入下一步S10：回复；步骤S10的下一步为S7：复位中断标志位；步骤S7的下一步S8：退出中断；当步骤S2的答案为“发送中断”时进入下一步S11：发送数据；下一步S12：是否发送完数据？；当步骤S12的答案为“否”时返回步骤S11：发送数据；当步骤S12的答案为“是”时进入步骤S7：复位中断标志位；再进入步骤S8：退出中断。

上述四轮式室内移动机器人，所述控制器的软件部分的差速控制程序的流程是：S1：开始；进入下一步S2：初始化；进入下一步S3：状态检测；进入下一步S4：是否有故障？；当步骤S4的答案为“是”时进入下一步S5-2：报警；步骤S5-2的下一步为步骤S10：结束；当步骤S4的答案为“否”时进入下一步S5-1：中断标志位是否为1？；当步骤S5-1的答案为“否”时返回步骤S3：状态检测；当步骤S5-1的答案为“是”时进入下一步S6：A/D转换；进入下一步S7：数据计算；进入下一步S8：数据传送；进入下一步S9：是否传送结束？；当步骤S9的答案为“否”时返回步骤S8：数据传送；当步骤S9的答案为“是”时进入下一步S10：结束。

上述四轮式室内移动机器人，所涉及的元器件均通过商购获得。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的突出的实质性特点是：

(1)将现有技术的使用有刷直流电机的系统改变成为本发明的使用无刷直流电机的系统。现有技术的有刷电机控制器在电机相换向过程中会产生电火花，增加损耗，减小使用寿命，本发明的无刷直流电机控制器在换向过程中避免了此类问题的发生。

(2)本发明通过程序控制PWM波的输出顺序，根据正反转的要求进行编程。如果电机正转，则驱动电路中的Q4为ON状态，驱动电路中的Q1加PWM波形驱动，其余MOSFET关闭。电流较大时驱动电路中的Q2和驱动电路中的Q5加与驱动电路中的Q1互补带死区的PWM信号，用于低损续流。如果要求电机反转，则驱动电路中的Q2为ON状态，驱动电路中的Q3输出PWM波形，其余MOSFET关闭。电流较大时驱动电路中的Q4与驱动电路中的Q5加与驱动电路中的Q1互补带死区的PWM信号，用于低损续流。

(3)本发明的控制器的驱动电路的作用是将控制信号的脉冲信号进行放大，进而驱动功率开关管，其作用就是功率放大器，其中，Q1和Q2为互锁的信号，能有效的避免直通；Q3和Q5是普通PWM波信号，Q3用于励磁回路，Q5用于电枢回路，IR2136用于功率放大，能增强PWM波的驱动能力。

(4)本发明的控制器具有CAN通信功能，这是由高速光耦隔离芯片6N137，CAN通信驱动芯片82C250组成的经典电路来实现CAN通信的。

(5)本发明的控制器具有过流检测功能，选用Allegro公司新推出的一种线性电流传感器ACS712。在三相电机的两相中加入两个电流传感器，另一相由计算得到，因为任何时刻都有两相通电，所以这样可以精确的得到电机任意时刻的电流值。

(6)本发明的控制器可以实现无超调、抗负载波动强、实时性好、响应速度快的控制要求，本系统采用转速、电流、位置三闭环控制系统。电流环保证电枢电流不超调，速度环实现稳态无静差，位置换有效实现换相。

(7)本发明整个机器人的动力来源为24V的锂电池，用来供给驱动电机以及电机控制器。

与现有技术相比，本发明的显著的进步是：

(1)本发明通过控制无刷直流电机来代替现有技术的有刷直流电机，具有换向速度快、损耗低、无噪声和振动危害、启动性能好、节能和经济的优点，并且结构相对简单，功能强大，尤其能降低成本。

(2)本发明的动力控制由硬连接改为软连接型式，通过电子线控技术，实现各电动轮从零到最大速度的无级变速和各电动轮间的差速要求，省略了传统汽车所需的机械式操纵换档装置、离合器、变速器、传动轴和机械差速器等，使得驱动系统和整车结构简洁、有效利用空间大、传动效率提高。

(3)本发明运行中，当电机的转速提高时，换向速度可以很快，并且没有噪声和振动；当需要刹车时，励磁和电枢线圈都可以通过MOS管续流，由于MOS管内阻较小，能耗也较小。

(4)本发明的各驱动轮的驱动力直接独立可控，使其动力学控制更为灵活、方便，能合理地控制各电动轮的驱动力，从而提高恶劣路面条件下的行驶性能；容易实现各驱动轮的电气制动、机电复合制动和制动能量回馈，节约能源。

(5)本发明的控制器通过控制MOS管的导通顺序，可以实现再生回馈的功能，使得能产生持续的反电动势来为电平充电，刹车过程中也能实现能量的回收，达到高效节能的目的；。

(6)本发明采用半桥斩波制动方式，由于驱动控制系统属于低速低功率系统，可以减小功率管损耗问题。

(7)本发明的底架结构大为简化；聚氨酯万向轮则具有荷重范围广、耐磨损、耐冲击、耐高/低温、负荷重、防静电、抗老化、避震和噪音小的性能，充分满足了室内机器人的性能要求。本发明的底盘设计中，四个轮子的安装中心在水平平面上位于同一圆周，在保证其最好可通过性的条件下，满足其最好的转弯特性。

(8)本发明简单实用，易于普及和推广。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明四轮式室内移动机器人的正面俯视示意图。

图2为本发明四轮式室内移动机器人的正面平视示意图。

图3为本发明四轮式室内移动机器人的侧视平视示意图。

图4为本发明的控制器中驱动电路的电路示意图。

图5为本发明的控制器中信号采集/处理电路的霍尔电流信号采集/处理电路示意图。

图6为本发明的控制器中信号采集/处理电路的霍尔位置信号采集/处理电路示意图。

图7为本发明的控制器中软件部分的差速控制程序图。

图8为本发明的控制器中软件部分的驱动控制程序流程示意图。

图9为本发明的控制器中软件部分的信号采集/处理程序流程示意图。

图10为本发明的控制器中软件部分的过流保护程序流程示意图。

图11为本发明的控制器中软件部分的CAN通信程序流程示意图。

图中，1.底盘，2.驱动轮，3.万向轮，4.控制器，5.锂电池。

具体实施方式

图1所示实施例表明，从本发明四轮式室内移动机器人的正面俯视可见，两个驱动轮2分别安置在底盘1左右两侧的缺口处，控制器4和锂电池5置于底盘1面上。

图2所示实施例表明，从本发明四轮式室内移动机器人的正面平视可见，两个驱动轮2分别安置在底盘1左右两侧，万向轮3在安置在底盘1的距两个驱动轮2相等的中线上，锂电池5置于底盘1面上。

图3所示实施例表明，从本发明四轮式室内移动机器人的侧视平视，底盘1的正中缺口处安置有驱动轮2，两个万向轮3分别安置在底盘1前后，控制器4和锂电池5置于底盘1面上。

图1-图3中，四个轮子的安装中心在水平平面上位于同一圆周，两个驱动轮2均是独立的采用轮毂式直流无刷电机作为驱动电机的驱动轮；控制器4是采用工作于双极模式下的全桥PWMDC/DC变换器来驱动直流无刷电机的控制器。

图4所示实施例表明，本发明的控制器中驱动电路为直流无刷电机的驱动电路，由MOSFET构成的三相全桥逆变电路组成，包括一片驱动芯片IR2136，一个0.1uf的电容C22，二个10K电阻R26、R27，一个5.1电阻R35，三个FR107的二极管D2、D3、D4，三个1uf的电解电容C28、C29、C30，二个100uf的电解电容C34、C35，六个MOSFET管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6，六个200电阻R37、R38、R39、R40、R42、R45，六个200K电阻R50、R51、R52、R53、R55、R57，一个三针的端口CON1，驱动芯片IR2136的1引脚接+12V，驱动芯片IR2136的9引脚接地，驱动芯片IR2136的10引脚接电阻R27，电阻R27的另一端接电容C22并同时接+12V，驱动芯片IR2136的11引脚接电阻R26，电阻R26的另一端接电容C22并同时接+12V，电容C22的另一端接地，驱动芯片IR2136的12和驱动芯片IR2136的13引脚短接接地，驱动芯片IR2136的14引脚接电阻R45，电阻R45的另一端接MOSFET管Q6的G极，并接电阻R57，电阻R57的另一端接MOSFET管Q6的S极，并接地，驱动芯片IR2136的15引脚接电阻R42，电阻R42的另一端接MOSFET管Q5的G极，并接电阻R55，电阻R55的另一端接MOSFET管Q5的S极，并接地，驱动芯片IR2136的16引脚接电阻R40，电阻R40的另一端接MOSFET管Q4的G极，并接电阻R53，电阻R53的另一端接MOSFET管Q4的S极，并接地，驱动芯片IR2136的18引脚接电解电容C30的-极，并与MOSFET管Q6的D极相接，接端口CON1的3号位置，电解电容C30的+极接二极管D4，二极管D4的另一端接电阻R35，驱动芯片IR2136的19引脚接电阻R39，电阻R39的另一端接MOSFET管Q3的G极，并接电阻R52，电阻R52的另一端接MOSFET管Q5的S极，并接端口CON1的3号位置，驱动芯片IR2136的22引脚接电解电容C29的-极，并与MOSFET管Q5的D极接，接出IRB+，IRB-接端口CON1的2号位置，电解电容C29的+极接二极管D3，二极管D3的另一端接电阻R35，23引脚接电阻R38，电阻R38的另一端接MOSFET管Q2的G极，并接电阻R51，电阻R51的另一端接MOSFET管Q2的S极，并接IRB+，26引脚接电解电容C28的-极，并与MOSFET管Q4的D极接，接出IRA+，IRA-接端口CON1的1号位置，电解电容C28的+极接二极管D2，二极管D2的另一端接电阻R35，27引脚接电阻R37，电阻R37的另一端接MOSFET管Q1的G极，并接电阻R50，电阻R50的另一端接MOSFET管Q1的S极，并接IRA+，28引脚接电解电容C28+极，电阻R35的另一端接+12V，MOSFET管Q1、Q2、Q3的D极接B+，并接电解电容C34的+极，电解电容C34的-极接电解电容C35的+极，电解电容C35的-极接地。

图5所示实施例表明，本发明的控制器中信号采集/处理电路的霍尔电流信号采集/处理电路包括四个ACS712电流传感器U11、U12、U13和U14，四个100pf的电容C49、C50、C51和C52，四个5.1K的电阻R32、R62、R65和R67，四个1nf的电容C53、C54、C55和C56，及四个10K的电阻R68、R69、R70和R71，U11的1和U11的2引脚短接接IRA+，U11的3和U11的4引脚短接接IRA-，U11的5引脚接地，U11的6引脚接电容C53，电容C53的另一端接地，U11的7引脚接电阻R32，电阻R32的另一端接电阻R68，并接出IRAout，电阻R68的另一端接地，U11的8引脚接电容C49并接+5V，电容C49的另一端接地，U12的1和U12的2引脚短接接IRB+，U12的3和U12的4引脚短接接IRB-，U12的5引脚接地，U12的6引脚接电容C54，电容C54的另一端接地，U12的7引脚接电阻R62，电阻R62的另一端接电阻R69，并接出IRBout，电阻R69的另一端接地，U12的8引脚接电容C50并接+5V，电容C50的另一端接地，U13的1和U13的2引脚短接接ILA+，U13的3和U13的4引脚短接接ILA-，U13的5引脚接地，U13的6引脚接电容C55，电容C55的另一端接地，U13的7引脚接电阻R65，电阻R65的另一端接电阻R70，并接出ILAout，电阻R70的另一端接地，U13的8引脚接电容C51并接+5V，电容C51的另一端接地，U14的1和U14的2引脚短接接ILB+，U14的3和U14的4引脚短接接ILB-，U14的5引脚接地，U14的6引脚接电容C56，电容C56的另一端接地，U14的7引脚接电阻R67，电阻R67的另一端接电阻R71，并接出ILBout，电阻R71的另一端接地，U14的8引脚接电容C52并接+5V，电容C52的另一端接地。

图6所示实施例表明，本发明的控制器中信号采集/处理电路的霍尔位置信号采集/处理电路包括三个10K的电阻R22、R72和R73，三个2K的电阻R9、R10和R11，及三个0.01uf的电容C5、C6和C7，电阻R22的一端接+5V，电阻R22的另一端接电阻R9，并接出信号线HALL1a，电阻R9的另一端接电容C5，并接出信号线HALL1ain，电容C5的另一端接地，电阻R72的一端接+5V，电阻R72的另一端接电阻R10，并接出信号线HALL1b，电阻R10的另一端接电容C6，并接出信号线HALL1bin，电容C6的另一端接地，电阻R73的一端接+5V，电阻R73的另一端接电阻R11，并接出信号线HALL1c，电阻R11的另一端接电容C7，并接出信号线HALL1cin，电容C7的另一端接地，其中，HALL1ain、HALL1bin、HALL1cin为电机的霍尔位置信号线，HALL1a、HALL1b、HALL1c接DSP的捕捉引脚。

图7所示实施例表明，本发明的控制器中软件部分的差速控制程序的流程是：S1：开始；进入下一步S2：初始化；进入下一步S3：状态检测；进入下一步S4：是否有故障？；当步骤S4的答案为“是”时进入下一步S5-2：报警；步骤S5-2的下一步为步骤S10：结束；当步骤S4的答案为“否”时进入下一步S5-1：中断标志位是否为1？；当步骤S5-1的答案为“否”时返回步骤S3：状态检测；当步骤S5-1的答案为“是”时进入下一步S6：A/D转换；进入下一步S7：数据计算；进入下一步S8：数据传送；进入下一步S9：是否传送结束？；当步骤S9的答案为“否”时返回步骤S8：数据传送；当步骤S9的答案为“是”时进入下一步S10：结束。

图8所示实施例表明，本发明的控制器中软件部分的驱动控制程序的流程是：开始→设置看门狗，锁相环，频率与预频器，模块时钟使能→关中断初始化程序变量→初始化PIE控制器和PIE矢量表→初始化GPIO模块→初始化AD模块→初始化EV模块→设置中断逻辑→电机预定位启动→开中断→循环等待。

图9所示实施例表明，本发明的控制器中软件部分的信号采集/处理程序的流程是：S1：定时器下溢触发A/D转换；进入下一步S2：A/D中断标志位Adflag＝1；进入下一步S3：进行电流值A/D转换操作；进入下一步S4：将A/D转换结果存入变量中；进入下一步S5：电流PI调节器；进入下一步S6：过流保护；进入下一步S7：霍尔位置信号检测；进入下一步S8：换相程序；进入下一步S9：慢周期计数器time_cnt+1；进入下一步S10：Time_cnt>200？；当步骤S10的答案为“否”时进入步骤步S12：速度更新标志＝1？；当步骤S10的答案为“是”时进入下一步S11：慢周期标志位flag_san＝1；进入下一步S12：速度更新标志＝1？；当步骤S12的答案为“否”时进入步骤S14：结束；当步骤S12的答案为“是”时进入下一步S13：进度更新程序；进入下一步S14：结束。

图10所示实施例表明，本发明的控制器中软件部分的过流保护程序的流程是：S1：开始；进入下一步S2：I_down＝实际电流；进入下一步S3：I_down是否大于0？；当步骤S3的答案为“是”时进入下一步S4：过流标志Flag_oc＝1，存储占空比duty0＝duty；进入下一步S5：duty0>I_down？；当步骤S5的答案为“是”时进入步骤S6：减小PWM占空比，duty＝duty0-I_down；当步骤S5的答案为“否”时进入步骤S7：输出占空比duty＝0；当步骤S3的答案为“否”时进入步骤S8：flag_oc＝1？；当步骤S8的答案为“否”时进入步骤S16：cnt_oc＝0；当步骤S8的答案为“是”时进入下一步S9：过流处理次数cnt_oc++；进入下一步S10：cnt_oc>2？；当步骤S10的答案为“是”时进入下一步S11：cnt_oc＝0，duty＝duty0+1；进入下一步S12：输出占空比duty；当步骤S10的答案为“否”时进入步骤S13：调节后的duty是否大于初始的duty？；当步骤S13的答案为“是”时进入下一步S14：flag_oc＝0，调节后的duty＝初始duty；当步骤S13的答案为“否”时进入步骤S15：不对duty进行处理；步骤S16的下一步为S17：tmp0＝duty0-duty，下一步为S18：tmp0＝0？；当步骤S18的答案为“是”时进入步骤S23：duty＝duty+tmp0；步骤S23的下一步为S24：结束；当步骤S18的答案为“否”时进入下一步S19：tmp0>1？；当步骤S19的答案为“是”时进入下一步S20：tmp0＝1；步骤S20的下一步为S23：duty＝duty+tmp0；步骤S23的下一步为S24：结束；当步骤S19的答案为“否”时进入下一步S21：tmp0<-1；进入下一步S22：tmp0＝-1；进入下一步S23：duty＝duty+tmp0；进入下一步S24：结束。

图11所示实施例表明，本发明的控制器中软件部分的CAN通信程序的流程是：S1：开始；进入下一步S2：判断标志位是接收还是发送？；当步骤S2的答案为“接收中断”时进入下一步S3：是否为数据帧？；当步骤S3的答案为“是”时进入下一步S4：读取数据；进入下一步S5：存储数据；进入下一步S6：数据处理；进入下一步S7：复位中断标志位；进入下一步S8：退出中断；当步骤S3的答案为“否”时进入下一步S9：判断请求内容；进入下一步S10：回复；步骤S10的下一步为S7：复位中断标志位；步骤S7的下一步S8：退出中断；当步骤S2的答案为“发送中断”时进入下一步S11：发送数据；下一步S12：是否发送完数据？；当步骤S12的答案为“否”时返回步骤S11：发送数据；当步骤S12的答案为“是”时进入步骤S7：复位中断标志位；再进入步骤S8：退出中断。

实施例1

按照图1、图2和图3所示实施例安装本实施例的四轮式室内移动机器人，其四个轮子的安装中心在水平平面上位于同一圆周，两个驱动轮2均是独立的8寸的采用带有霍尔效应传感器的轮毂式直流无刷电机作为驱动电机的驱动轮，其中的霍尔效应传感器可以检测电机中转子的位置信息，并输出霍尔位置信号，两个万向轮3是3寸的聚氨酯万向轮，控制器4是采用工作于双极模式下的全桥PWMDC/DC变换器来驱动直流无刷电机的控制器，锂电池5是24V的锂电池。该控制器4包括硬件部分和软件部分，其中硬件部分由信号采集/处理电路和驱动电路两部分构成，软件部分包括信号采集/处理程序、驱动控制程序、过流保护程序、CAN通信程序和差速控制程序。上述硬件部分的信号采集/处理电路由霍尔位置信号采集/处理电路和霍尔电流信号采集/处理电路两部分构成，其中，霍尔位置信号采集/处理电路的构成为图5所示，霍尔位置信号采集/处理电路的构成为图6所示，上述硬件部分的驱动电路构成为图4所示，上述软件部分的信号采集/处理程序的流程为图9所示，上述软件部分的驱动控制程序的流程为图8所述，上述软件部分的过流保护程序的流程为图10所示，上述软件部分的CAN通信程序的流程为图11所示，上述软件部分的差速控制程序的流程为图7所示。

上述实施例中所涉及的元器件均通过商购获得。

Claims (6)

1.四轮式室内移动机器人，其特征在于：包括底盘、两个8寸的轮毂式驱动轮、两个3寸的聚氨酯万向轮、控制器和24V的锂电池；其中，两个驱动轮分别安置在底盘左右两侧的缺口处，两个万向轮分别安置在底盘前后，四个轮子的安装中心在水平平面上位于同一圆周，控制器和锂电池置于底盘面上；所述的两个驱动轮均是独立的采用带有霍尔效应传感器的轮毂式直流无刷电机作为驱动电机的驱动轮；控制器是采用工作于双极模式下的全桥PWMDC/DC变换器来驱动直流无刷电机的控制器，该控制器包括硬件部分和软件部分，其中硬件部分由信号采集/处理电路和驱动电路两部分构成，软件部分包括信号采集/处理程序、驱动控制程序、过流保护程序、CAN通信程序和差速控制程序；所述控制器的硬件部分中的信号采集/处理电路由霍尔位置信号采集/处理电路和霍尔电流信号采集/处理电路两部分构成；其中，霍尔位置信号采集/处理电路包括三个10K的电阻R22、R72和R73，三个2K的电阻R9、R10和R11，及三个0.01uf的电容C5、C6和C7，电阻R22的一端接+5V，电阻R22的另一端接电阻R9，并接出信号线HALL1a，电阻R9的另一端接电容C5，并接出信号线HALL1ain，电容C5的另一端接地，电阻R72的一端接+5V，电阻R72的另一端接电阻R10，并接出信号线HALL1b，电阻R10的另一端接电容C6，并接出信号线HALL1bin，电容C6的另一端接地，电阻R73的一端接+5V，电阻R73的另一端接电阻R11，并接出信号线HALL1c，电阻R11的另一端接电容C7，并接出信号线HALL1cin，电容C7的另一端接地，其中，HALL1ain、HALL1bin、HALL1cin为电机的霍尔位置信号线，HALL1a、HALL1b、HALL1c接DSP的捕捉引脚；霍尔电流信号采集/处理电路包括四个ACS712电流传感器U11、U12、U13和U14，四个100pf的电容C49、C50、C51和C52，四个5.1K的电阻R32、R62、R65和R67，四个1nf的电容C53、C54、C55和C56，及四个10K的电阻R68、R69、R70和R71，U11的1和U11的2引脚短接接IRA+，U11的3和U11的4引脚短接接IRA-，U11的5引脚接地，U11的6引脚接电容C53，电容C53的另一端接地，U11的7引脚接电阻R32，电阻R32的另一端接电阻R68，并接出IRAout，电阻R68的另一端接地，U11的8引脚接电容C49并接+5V，电容C49的另一端接地，U12的1和U12的2引脚短接接IRB+，U12的3和U12的4引脚短接接IRB-，U12的5引脚接地，U12的6引脚接电容C54，电容C54的另一端接地，U12的7引脚接电阻R62，电阻R62的另一端接电阻R69，并接出IRBout，电阻R69的另一端接地，U12的8引脚接电容C50并接+5V，电容C50的另一端接地，U13的1和U13的2引脚短接接ILA+，U13的3和U13的4引脚短接接ILA-，U13的5引脚接地，U13的6引脚接电容C55，电容C55的另一端接地，U13的7引脚接电阻R65，电阻R65的另一端接电阻R70，并接出ILAout，电阻R70的另一端接地，U13的8引脚接电容C51并接+5V，电容C51的另一端接地，U14的1和U14的2引脚短接接ILB+，U14的3和U14的4引脚短接接ILB-，U14的5引脚接地，U14的6引脚接电容C56，电容C56的另一端接地，U14的7引脚接电阻R67，电阻R67的另一端接电阻R71，并接出ILBout，电阻R71的另一端接地，U14的8引脚接电容C52并接+5V，电容C52的另一端接地；所述控制器的硬件部分中的驱动电路为直流无刷电机的驱动电路，由MOSFET构成的三相全桥逆变电路组成，包括一片驱动芯片IR2136，一个0.1uf的电容C22，二个10K电阻R26、R27，一个5.1电阻R35，三个FR107的二极管D2、D3、D4，三个1uf的电解电容C28、C29、C30，二个100uf的电解电容C34、C35，六个MOSFET管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6，六个200电阻R37、R38、R39、R40、R42、R45，六个200K电阻R50、R51、R52、R53、R55、R57，一个三针的端口CON1，驱动芯片IR2136的1引脚接+12V，驱动芯片IR2136的9引脚接地，驱动芯片IR2136的10引脚接电阻R27，电阻R27的另一端接电容C22并同时接+12V，驱动芯片IR2136的11引脚接电阻R26，电阻R26的另一端接电容C22并同时接+12V，电容C22的另一端接地，驱动芯片IR2136的12和驱动芯片IR2136的13引脚短接接地，驱动芯片IR2136的14引脚接电阻R45，电阻R45的另一端接MOSFET管Q6的G极，并接电阻R57，电阻R57的另一端接MOSFET管Q6的S极，并接地，驱动芯片IR2136的15引脚接电阻R42，电阻R42的另一端接MOSFET管Q5的G极，并接电阻R55，电阻R55的另一端接MOSFET管Q5的S极，并接地，驱动芯片IR2136的16引脚接电阻R40，电阻R40的另一端接MOSFET管Q4的G极，并接电阻R53，电阻R53的另一端接MOSFET管Q4的S极，并接地，驱动芯片IR2136的18引脚接电解电容C30的-极，并与MOSFET管Q6的D极相接，接端口CON1的3号位置，电解电容C30的+极接二极管D4，二极管D4的另一端接电阻R35，驱动芯片IR2136的19引脚接电阻R39，电阻R39的另一端接MOSFET管Q3的G极，并接电阻R52，电阻R52的另一端接MOSFET管Q5的S极，并接端口CON1的3号位置，驱动芯片IR2136的22引脚接电解电容C29的-极，并与MOSFET管Q5的D极接，接出IRB+，IRB-接端口CON1的2号位置，电解电容C29的+极接二极管D3，二极管D3的另一端接电阻R35，23引脚接电阻R38，电阻R38的另一端接MOSFET管Q2的G极，并接电阻R51，电阻R51的另一端接MOSFET管Q2的S极，并接IRB+，26引脚接电解电容C28的-极，并与MOSFET管Q4的D极接，接出IRA+，IRA-接端口CON1的1号位置，电解电容C28的+极接二极管D2，二极管D2的另一端接电阻R35，27引脚接电阻R37，电阻R37的另一端接MOSFET管Q1的G极，并接电阻R50，电阻R50的另一端接MOSFET管Q1的S极，并接IRA+，28引脚接电解电容C28+极，电阻R35的另一端接+12V，MOSFET管Q1、Q2、Q3的D极接B+，并接电解电容C34的+极，电解电容C34的-极接电解电容C35的+极，电解电容C35的-极接地。

2.根据权利要求1所述四轮式室内移动机器人，其特征在于：所述控制器的软件部分的信号采集/处理程序的流程是：S1：定时器下溢触发A/D转换；进入下一步S2：A/D中断标志位Adflag＝1；进入下一步S3：进行电流值A/D转换操作；进入下一步S4：将A/D转换结果存入变量中；进入下一步S5：电流PI调节器；进入下一步S6：过流保护；进入下一步S7：霍尔位置信号检测；进入下一步S8：换相程序；进入下一步S9：慢周期计数器time_cnt+1；进入下一步S10：Time_cnt>200？；当步骤S10的答案为“否”时进入步骤步S12：速度更新标志＝1？；当步骤S10的答案为“是”时进入下一步S11：慢周期标志位flag_san＝1；进入下一步S12：速度更新标志＝1？；当步骤S12的答案为“否”时进入步骤S14：结束；当步骤S12的答案为“是”时进入下一步S13：进度更新程序；进入下一步S14：结束。

3.根据权利要求1所述四轮式室内移动机器人，其特征在于：所述控制器的软件部分的驱动控制程序的流程是：开始→设置看门狗，锁相环，频率与预频器，模块时钟使能→关中断初始化程序变量→初始化PIE控制器和PIE矢量表→初始化GPIO模块→初始化AD模块→初始化EV模块→设置中断逻辑→电机预定位启动→开中断→循环等待。

4.根据权利要求1所述四轮式室内移动机器人，其特征在于：所述控制器的软件部分的过流保护程序的流程是：S1：开始；进入下一步S2：I_down＝实际电流；进入下一步S3：I_down是否大于0？；当步骤S3的答案为“是”时进入下一步S4：过流标志Flag_oc＝1，存储占空比duty0＝duty；进入下一步S5：duty0>I_down？；当步骤S5的答案为“是”时进入步骤S6：减小PWM占空比，duty＝duty0-I_down；当步骤S5的答案为“否”时进入步骤S7：输出占空比duty＝0；当步骤S3的答案为“否”时进入步骤S8：flag_oc＝1？；当步骤S8的答案为“否”时进入步骤S16：cnt_oc＝0；当步骤S8的答案为“是”时进入下一步S9：过流处理次数cnt_oc++；进入下一步S10：cnt_oc>2？；当步骤S10的答案为“是”时进入下一步S11：cnt_oc＝0，duty＝duty0+1；进入下一步S12：输出占空比duty；当步骤S10的答案为“否”时进入步骤S13：调节后的duty是否大于初始的duty？；当步骤S13的答案为“是”时进入下一步S14：flag_oc＝0，调节后的duty＝初始duty；当步骤S13的答案为“否”时进入步骤S15：不对duty进行处理；步骤S16的下一步为S17：tmp0＝duty0-duty，下一步为S18：tmp0＝0？；当步骤S18的答案为“是”时进入步骤S23：duty＝duty+tmp0；步骤S23的下一步为S24：结束；当步骤S18的答案为“否”时进入下一步S19：tmp0>1？；当步骤S19的答案为“是”时进入下一步S20：tmp0＝1；步骤S20的下一步为S23：duty＝duty+tmp0；步骤S23的下一步为S24：结束；当步骤S19的答案为“否”时进入下一步S21：tmp0<-1；进入下一步S22：tmp0＝-1；进入下一步S23：duty＝duty+tmp0；进入下一步S24：结束。

5.根据权利要求1所述四轮式室内移动机器人，其特征在于：所述控制器的软件部分的CAN通信程序的流程是：S1：开始；进入下一步S2：判断标志位是接收还是发送？；当步骤S2的答案为“接收中断”时进入下一步S3：是否为数据帧？；当步骤S3的答案为“是”时进入下一步S4：读取数据；进入下一步S5：存储数据；进入下一步S6：数据处理；进入下一步S7：复位中断标志位；进入下一步S8：退出中断；当步骤S3的答案为“否”时进入下一步S9：判断请求内容；进入下一步S10：回复；步骤S10的下一步为S7：复位中断标志位；步骤S7的下一步S8：退出中断；当步骤S2的答案为“发送中断”时进入下一步S11：发送数据；下一步S12：是否发送完数据？；当步骤S12的答案为“否”时返回步骤S11：发送数据；当步骤S12的答案为“是”时进入步骤S7：复位中断标志位；再进入步骤S8：退出中断。

6.根据权利要求1所述四轮式室内移动机器人，其特征在于：所述控制器的软件部分的差速控制程序的流程是：S1：开始；进入下一步S2：初始化；进入下一步S3：状态检测；进入下一步S4：是否有故障？；当步骤S4的答案为“是”时进入下一步S5-2：报警；步骤S5-2的下一步为步骤S10：结束；当步骤S4的答案为“否”时进入下一步S5-1：中断标志位是否为1？；当步骤S5-1的答案为“否”时返回步骤S3：状态检测；当步骤S5-1的答案为“是”时进入下一步S6：A/D转换；进入下一步S7：数据计算；进入下一步S8：数据传送；进入下一步S9：是否传送结束？；当步骤S9的答案为“否”时返回步骤S8：数据传送；当步骤S9的答案为“是”时进入下一步S10：结束。