CN105892366A - 一种基于微处理器技术的机器人自动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微处理器技术的机器人自动控制系统，包括中央处理器、现场可编程门阵列电路、光电检测电路、电机驱动检测电路、舵机驱动检测电路、开关量检测电路，中央处理器连接现场可编程门阵列电路，现场可编程门阵列电路连接电机驱动检测电路，开关量检测电路连接现场可编程门阵列电路，现场可编程门阵列电路连接舵机驱动检测电路，光电检测电路连接现场可编程门阵列电路；光电检测电路内设置有光敏元件接收器、反射镜、光源、调制波形发生器、调制波形处理器及调制放大器,采用微控制器与现场可编程门阵列相结合的中心控制技术，提高整个系统的处理性能及处理效率，使得整个系统运行更加稳定，并有效降低故障率。

Description

一种基于微处理器技术的机器人自动控制系统

技术领域

本发明涉及自动化控制技术领域，具体的说，是一种基于微处理器技术的机器人自动控制系统。

背景技术

智能控制（intelligent controls）在无人干预的情况下能自主地驱动智能机器实现控制目标的自动控制技术。控制理论发展至今已有100多年的历史，经历了“经典控制理论”和“现代控制理论”的发展阶段，已进入“大系统理论”和“智能控制理论”阶段。智能控制理论的研究和应用是现代控制理论在深度和广度上的拓展。20世纪80年代以来，信息技术、计算技术的快速发展及其他相关学科的发展和相互渗透，也推动了控制科学与工程研究的不断深入，控制系统向智能控制系统的发展已成为一种趋势。

自动化（Automation）是指机器设备、系统或过程（生产、管理过程）在没有人或较少人的直接参与下，按照人的要求，经过自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制，实现预期的目标的过程。自动化技术广泛用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务和家庭等方面。采用自动化技术不仅可以把人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来，而且能扩展人的器官功能，极大地提高劳动生产率，增强人类认识世界和改造世界的能力。

发明内容

本发明的目的在于设计出一种基于微处理器技术的机器人自动控制系统，满足机器人自动控制所需，通过自动化技术、智能化控制技术、以及微处理器控制技术相结合而进行系统控制，使得机器人在使用过程中能够有效完成所设定工作流程，采用微控制器与现场可编程门阵列相结合的中心控制技术，提高整个系统的处理性能及处理效率，使得整个系统运行更加稳定，并有效降低故障率。

本发明通过下述技术方案实现：一种基于微处理器技术的机器人自动控制系统，包括中央处理器、现场可编程门阵列电路、光电检测电路、电机驱动检测电路、舵机驱动检测电路、开关量检测电路，所述中央处理器连接现场可编程门阵列电路，所述现场可编程门阵列电路连接电机驱动检测电路，所述开关量检测电路连接现场可编程门阵列电路，所述现场可编程门阵列电路连接舵机驱动检测电路，所述光电检测电路连接现场可编程门阵列电路；所述光电检测电路内设置有光敏元件接收器、反射镜、光源、调制波形发生器、调制波形处理器及调制放大器，所述现场可编程门阵列电路连接调制波形发生器，所述调制波形发生器连接光源，所述光源连接反射镜，所述反射镜连接光敏元件接收器，所述光敏元件接收器连接调制放大器，所述调制放大器连接调制波形处理器，所述调制波形处理器连接现场可编程门阵列电路。

进一步的，为更好的实现本发明，所述电机驱动检测电路内设置有编码器、运动控制器、PWM功放、直流伺服电机，所述现场可编程门阵列电路连接编码器，所述编码器连接运动控制器，所述运动控制器连接PWM功放，所述PWM功放连接直流伺服电机，所述直流伺服电机连接编码器。

进一步的，为更好的实现本发明，还包括参数存储器，所述参数存储器连接中央处理器。

进一步的，为更好的实现本发明，还包括电源电路，所述电源电路分别连接中央处理器及现场可编程门阵列电路。

进一步的，为更好的实现本发明，所述电源电路包括太阳能电池板、控制器、供电电路，所述太阳能电池板连接控制器，所述控制器连接供电电路，所述供电电路分别连接中央处理器及现场可编程门阵列电路。

进一步的，为更好的实现本发明，所述电源电路还包括蓄电池，所述蓄电池连接控制器。

进一步的，为更好的实现本发明，还包括随机存储器，所述随机存储器连接现场可编程门阵列电路。

进一步的，为更好的实现本发明，所述随机存储器采用静态随机存储器和/或动态随机存储器。

进一步的，为更好的实现本发明，所述中央处理器采用TMS570LS1114微控制器。

进一步的，为更好的实现本发明，所述现场可编程门阵列电路主芯片采用Cyclone III。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

（1）本发明满足机器人自动控制所需，通过自动化技术、智能化控制技术、以及微处理器控制技术相结合而进行系统控制，使得机器人在使用过程中能够有效完成所设定工作流程，采用微控制器与现场可编程门阵列相结合的中心控制技术，提高整个系统的处理性能及处理效率，使得整个系统运行更加稳定，并有效降低故障率。

（2）本发明所述随机存储器可进一步通过现场可编程门阵列电路的处理性能，在运行时，静态存储器作高速缓冲存储器(Cache)使用，动态存储器做主存储器使用。

（3）本发明所述光电检测电路内有效保证机器人在运行区域内进行运动，而不会出现因超出运行区域进行运动产生事故的发生。

（4）本发明采用太阳能供电，便于降低不可再生资源的损耗，并且能够满足恶劣天气下依然正常工作。

（5）本发明所述的蓄电池能够满足在光照度不够使太阳能进行发电或夜间时候依然满足对整个系统进行供电。

（6）本发明采用PWM调制信号来完成电机及舵机的速度调制、方向调制，使其运行更加稳定安全。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的电路原理图；

图2为本发明所述的电源电路原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步详细介绍，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

一种基于微处理器技术的机器人自动控制系统，如图1所示，包括中央处理器、现场可编程门阵列电路、光电检测电路、电机驱动检测电路、舵机驱动检测电路、开关量检测电路，所述中央处理器连接现场可编程门阵列电路，所述现场可编程门阵列电路连接电机驱动检测电路，所述开关量检测电路连接现场可编程门阵列电路，所述现场可编程门阵列电路连接舵机驱动检测电路，所述光电检测电路连接现场可编程门阵列电路；所述光电检测电路内设置有光敏元件接收器、反射镜、光源、调制波形发生器、调制波形处理器及调制放大器，所述现场可编程门阵列电路连接调制波形发生器，所述调制波形发生器连接光源，所述光源连接反射镜，所述反射镜连接光敏元件接收器，所述光敏元件接收器连接调制放大器，所述调制放大器连接调制波形处理器，所述调制波形处理器连接现场可编程门阵列电路。

在运行时，整个系统需要控制多个电动机和行程开关，并进行光电检测，为提高处理性能，加快处理速度，在中央处理器控制处理的基础上外扩现场可编程门阵列电路来进行诸如光电检测、电机驱动检测、舵机驱动检测、开关量检测，以提高整个系统的处理性能。其中，现场可编程门阵列（FPGA）电路，采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输入输出模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分；现场可编程门阵列（FPGA）是可编程器件，与传统逻辑电路和门阵列（如PAL，GAL及CPLD器件）相比，FPGA具有不同的结构。FPGA利用小型查找表（16×1RAM）来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程。

在信号处理过程中，为便于使机器人在规定的区域内运行，特别设置有光电检测电路，在运行时，现场可编程门阵列电路将发出光电检测指令至调制波形发生器内，调制波形发生器的波形调制采用频率调制方法，由于检测系统的调制频率在几十至几百kHz的范围内，为满足要求，优选考虑采用发光二级管（响应速度快，其工作频率可达几MHz或十几MHz）来完成调制波形的生成；光源内设置有光源驱动及光源，光源驱动主要负责把调制波形放大到足够的功率去驱动光源发光，而光源采用适合波形为方波的调制光的发射、且工作频率较高的红外发光二极管，利用红外发光二级管将调制光进行发射后，反射镜将此调制光反射至光敏元件接收器上，光敏元件接收器采用光敏二极管接收调制光线，并将光信号转变为电信号，由于此电信号较弱，因此需进一步进行滤波及放大处理，故将光敏二极管转换后的电信号首先加载至调制放大器内进行信号放大，此调制信号的放大采用交流放大的形式，还能使调制光信号与背景光信号分离，为信号处理提供方便。经放大、分离处理后的调制光信号将利用调制波形处理器进一步进行滤波及信号识别处理，而后加载至现场可编程门阵列电路内，以此为参考而调整机器人的运行区域，光电检测电路其本质是将“交流”的、有用的调制光信号从“直流”的、无用的背景光信号中分离出来，从而达到抗干扰的目的。

在运行时，现场可编程门阵列电路所形成的控制舵机运动的信号将加载至舵机驱动检测电路内完成诸如转向等方向控制类的舵机控制，在控制时，舵机驱动检测电路内所生成的PWM的信号就能够快速调节舵机的转角，从而实现机器人的方向控制；开关量检测电路用于完成电路系统运行时的开关量数据检测。

本发明满足机器人自动控制所需，通过自动化技术、智能化控制技术、以及微处理器控制技术相结合而进行系统控制，使得机器人在使用过程中能够有效完成所设定工作流程，采用微控制器与现场可编程门阵列相结合的中心控制技术，提高整个系统的处理性能及处理效率，使得整个系统运行更加稳定，并有效降低故障率。

实施例2：

本实施例是在上述实施例的基础上进一步优化，进一步的，为更好的实现本发明，能利用PWM控制方式对电机进行调速与控制，如图1所示，特别设置有下述结构：所述电机驱动检测电路内设置有编码器、运动控制器、PWM功放、直流伺服电机，所述现场可编程门阵列电路连接编码器，所述编码器连接运动控制器，所述运动控制器连接PWM功放，所述PWM功放连接直流伺服电机，所述直流伺服电机连接编码器。

为控制机器人的运行轨迹及动作，现场可编程门阵列电路将机器人的运行轨迹及动作数据通过相应的转换后加载至电机驱动检测电路、舵机驱动检测电路及开关量检测电路内，机器人的驱动件主要是电机和舵机，皆采用PWM进行调速与控制，根据编码器（优选脉冲编码器）的反馈信号，对机器人的运动状态进行实时控制，在控制时，编码器对待控制动作信号进行编码，而后传送至运动控制器内形成相应的控制信号，并将PWM功放进行信号放大后再控制直流伺服电机进行相应的运动。

实施例3：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，进一步的，为更好的实现本发明，为便于提高处理性能，并更多的存储机器人运行轨迹及动作，如图1所示，特别设置有下述结构：还包括参数存储器，所述参数存储器连接中央处理器，在参数存储器内存储有机器人运行轨迹数据及动作数据，中央处理器将通过读取此类数据后加载至现场可编程门阵列电路内，用于控制机器人的运行轨迹及动作。

实施例4：

本实施例是在实施例1或2的基础上进一步优化，进一步的，为更好的实现本发明，能为整个系统提供可靠电源，使其工作，如图1所示，特别设置有下述结构：还包括电源电路，所述电源电路分别连接中央处理器及现场可编程门阵列电路，电源电路为现场可编程门阵列电路及中央处理器提供工作电压。

实施例5：

本实施例是在上述实施例的基础上进一步优化，进一步的，为更好的实现本发明，便于降低不可再生资源的损耗，并且能够满足恶劣天气下依然正常工作，如图1、图2所示，特别设置有下述结构：所述电源电路包括太阳能电池板、控制器、供电电路，所述太阳能电池板连接控制器，所述控制器连接供电电路，所述供电电路分别连接中央处理器及现场可编程门阵列电路。

太阳能电池板将太阳能转化为直流电能，而后将通过控制器内的稳压电路进行稳压，经稳压后的直流电源将通过控制器内的输出电路输送至供电电路内，而后通过供电电路对中央处理器及现场可编程门阵列电路进行供电，使其正常工作。

实施例6：

本实施例是在上述实施例的基础上进一步优化，进一步的，为更好的实现本发明，能够在光照度不够使太阳能进行发电或夜间时候依然满足对整个系统进行供电，如图1、图2所示，特别设置有下述结构：所述电源电路还包括蓄电池，所述蓄电池连接控制器。

在使用时，多余的电能将被存储在蓄电池内，而出现太阳能光照不够或阴雨天气或夜间时，蓄电池将进行释电，并通过控制器的输出电路输送至供电电路内，对中央处理器及现场可编程门阵列电路进行供电，使整个系统达到24小时全天候的工作。

实施例7：

本实施例是在实施例1或2的基础上进一步优化，进一步的，为更好的实现本发明，提高现场可编程门阵列电路的处理性能，如图1所示，特别设置有下述结构：还包括随机存储器，所述随机存储器连接现场可编程门阵列电路。

实施例8：

本实施例是在上述实施例的基础上进一步优化，进一步的，为更好的实现本发明，所述随机存储器采用静态随机存储器和/或动态随机存储器，静态存储器（SRAM）的特点是工作速度快，只要电源不撤除，写入SRAM的信息就不会消失，不需要刷新电路，同时在读出时不破坏原来存放的信息，一经写入可多次读出，但集成度较低，功耗较大，在本发明中作高速缓冲存储器(Cache)使用。DRAM是动态随机存储器(Dynamic Random Access Memory)，它是利用场效应管的栅极对其衬底间的分布电容来保存信息，以存储电荷的多少，即电容端电压的高低来表示“1”和“0”，在本发明中作为主存储器使用。

实施例9：

本实施例是在实施例1或2或5或6或8的基础上进一步优化，进一步的，为更好的实现本发明，所述中央处理器采用TMS570LS1114微控制器。

TMS570LS1114器件是一款高性能汽车级安全系统微控制器系列。此安全架构包括：以锁步模式运行的双核CPU，CPU和存储器内置自检(BIST)逻辑，闪存和数据SRAM上的ECC，外设存储器的奇偶校验，外设I/O上的回路功能。

TMS570LS1114器件集成了ARM Cortex-R4F浮点CPU，此CPU 提供一个高效1.66 DMIPS/MHz，并且具有能够以高达180MHz运行的配置，从而提供高达298DMIPS。此器件支持字不变大端序[BE32]格式。

TMS570LS1114器件具有1MB集成闪存和128KB数据RAM，此配置具有单个位纠错和双位纠错功能。这个器件上的闪存存储器是一个由64位宽数据总线接口实现的非易失性、电可擦除并且可编程的存储器。为了实现所有读取、编程和擦除操作，此闪存运行在一个3.3V电源输入上（与I/O电源一样的电平）。当处于管线模式中时，闪存可在高达180MHz的系统时钟频率下运行。SRAM在整个支持的频率范围内支持字节、半子、字和双字模式的单周期读取和写入访问。

TMS570LS1114器件特有针对基于实时控制的外设，其中包括2个下一代高端定时器(N2HET)时序协处理器，此协处理器具有多达44 个I/O端子，7个支持多达14个输出的增强型脉宽调制器(ePWM)模块，6个增强型捕捉(eCAP)模块，2个增强型正交编码器脉冲(eQEP)模块，以及2个支持多达24个输入的12位模数转换器(ADC)。

N2HET1是一款高级智能定时器，此定时器能够为实时应用提供精密的计时功能。该定时器为软件控制型，采用一个精简指令集，并具有一个专用的定时器微级机和一个连接的I/O端口。N2HET 可被用于脉宽调制输出、捕捉或者比较输入，或者通用I/O。N2HET 特别适合于那些需要多种传感器信息的应用，以及那些要求具有复杂和准确时间脉冲的驱动致动器的应用。一个高端定时器传输单元(HTU)能够执行DMA类型处理来与主存储器之间传输N2HET数据。一个内存保护单元(MPU)被内置于HTU内。

ePWM模块能够用最少的CPU开销或干预来生成复杂脉宽波形。ePWM易于使用，并且支持高侧和低侧PWM和死区生成。借助于集成触发区保护以及与片载MibADC的同步，ePWM模块非常适合于数字电机控制应用。

eCAP模块在外部事件的精确定时捕捉十分重要的系统中是必不可少的。在不被用于捕捉应用时，eCAP还可被用于监视ePWM输出或用于简单的PWM生成。

eQEP模块用于与一个线性或旋转递增编码器进行直接连接以从一个高性能运动和位置控制系统中正在旋转的机械中获得位置、方向和速度信息。

此器件具有212位分辨率MibADC，每个MibADC总共具有24个 通道和受64字奇偶校验保护的缓冲器RAM。MibADC通道可被独立转换或者可针对顺序转换序列由软件成组。16个输入可在2个MibADC间共用。有三个独立的组。每个组可在被触发时被转换一次，或者通过配置以执行连续转换模式。MibADC1还支持外部模拟复用器的使用。

此器件有多个通信接口：3个MibSPI，2个SPI，1个LIN1个SCI，3个DCAN，和1个I2C。SPI为相似移位寄存器类型器件之间的高速通信提供了一种便捷方法。LIN支持本地互联标准2.0并可被用作一个使用标准不归零码(NRZ)格式的全双工模式UART。DCAN支持CAN 2.0（A和B）协议标准并使用一个串行、多主控通信协议，此协议用高达1Mbps的稳健耐用通信速率有效支持分布式实时控制。DCAN非常适合工作于嘈杂和恶劣环境中的系统（例如：汽车和工业领域），此类应用需要可靠的串行通信或多路复用布线。

I2C模块是一个多主控通信模块，此模块通过I2C串行总线在微控制器和一个I2C 兼容器件之间提供一个接口。此I2C支持100Kbps和 400Kbps的速度。

一个调频锁相环(FMPLL)时钟模块被用来将外部频率基准与一个内部使用的更高频率相乘。此全局时钟模块(GCM)管理可用时钟源与器件时钟域间的映射。

此器件还有一个外部时钟前置分频器(ECP)模块，当被启用时，此模块在ECLK端子上输出一个连续外部时钟。ECLK频率是一个外设接口时钟(VCLK)频率的用户可编程比例。这个可被外部监视的低频输出作为此器件运行频率的指示器。

直接内存访问(DMA)控制器有16个通道，32个控制数据包和对其内存的奇偶校验保护。MPU被内置在DMA中，以保护内存不受错误传输的影响。

错误信令模块(ESM)监控所有器件错误并在检测到一个故障时确定是触发一个中断还是触发一个外部错误引脚/球状引脚。可从外部监视的nERROR端子可作为一个微控制器中故障条件的指示器。

外部内存接口(EMIF)提供到异步和同步内存或者其它从器件的内存扩展。

一个参数覆盖模块(POM)被用来提高应用代码的校准功能。POM能够将闪存访问重新路由至内部存储器或EMIF，从而避免了闪存内参数更新所需的重编程步骤。

实施例10：

本实施例是在实施例1或2或5或6或8的基础上进一步优化，进一步的，为更好的实现本发明，所述现场可编程门阵列电路主芯片采用Cyclone III。

Cyclone III，低成本的Cyclone III FPGA是Altera Cyclone系列的第三代产品。Cyclone III FPGA系列前所未有地同时实现了低功耗、低成本和高性能，进一步扩展了FPGA在成本敏感大批量领域中的应用。采用台湾半导体生产公司(TSMC)的65-nm低功耗(LP)工艺技术。Cyclone III容量在5K至120K逻辑单元(LE)之间，最多534个用户I/O引脚。Cyclone III器件具有4-Mbit嵌入式存储器、288个嵌入式18*18乘法器、专用外部存储器接口电路、锁相环(PLL)以及高速差分I/O等。

本发明满足机器人自动控制所需，通过自动化技术、智能化控制技术、以及微处理器控制技术相结合而进行系统控制，使得机器人在使用过程中能够有效完成所设定工作流程，采用微控制器与现场可编程门阵列相结合的中心控制技术，提高整个系统的处理性能及处理效率，使得整个系统运行更加稳定，并有效降低故障率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于微处理器技术的机器人自动控制系统，其特征在于：包括中央处理器、现场可编程门阵列电路、光电检测电路、电机驱动检测电路、舵机驱动检测电路、开关量检测电路，所述中央处理器连接现场可编程门阵列电路，所述现场可编程门阵列电路连接电机驱动检测电路，所述开关量检测电路连接现场可编程门阵列电路，所述现场可编程门阵列电路连接舵机驱动检测电路，所述光电检测电路连接现场可编程门阵列电路；所述光电检测电路内设置有光敏元件接收器、反射镜、光源、调制波形发生器、调制波形处理器及调制放大器，所述现场可编程门阵列电路连接调制波形发生器，所述调制波形发生器连接光源，所述光源连接反射镜，所述反射镜连接光敏元件接收器，所述光敏元件接收器连接调制放大器，所述调制放大器连接调制波形处理器，所述调制波形处理器连接现场可编程门阵列电路。

2.根据权利要求1所述的一种基于微处理器技术的机器人自动控制系统，其特征在于：所述电机驱动检测电路内设置有编码器、运动控制器、PWM功放、直流伺服电机，所述现场可编程门阵列电路连接编码器，所述编码器连接运动控制器，所述运动控制器连接PWM功放，所述PWM功放连接直流伺服电机，所述直流伺服电机连接编码器。

3.根据权利要求1所述的一种基于微处理器技术的机器人自动控制系统，其特征在于：还包括参数存储器，所述参数存储器连接中央处理器。

4.根据权利要求1所述的一种基于微处理器技术的机器人自动控制系统，其特征在于：还包括电源电路，所述电源电路分别连接中央处理器及现场可编程门阵列电路。

5.根据权利要求4所述的一种基于微处理器技术的机器人自动控制系统，其特征在于：所述电源电路包括太阳能电池板、控制器、供电电路，所述太阳能电池板连接控制器，所述控制器连接供电电路，所述供电电路分别连接中央处理器及现场可编程门阵列电路。

6.根据权利要求4所述的一种基于微处理器技术的机器人自动控制系统，其特征在于：所述电源电路还包括蓄电池，所述蓄电池连接控制器。

7.根据权利要求1所述的一种基于微处理器技术的机器人自动控制系统，其特征在于：还包括随机存储器，所述随机存储器连接现场可编程门阵列电路。

8.根据权利要求7所述的一种基于微处理器技术的机器人自动控制系统，其特征在于：所述随机存储器采用静态随机存储器和/或动态随机存储器。

9.根据权利要求1所述的一种基于微处理器技术的机器人自动控制系统，其特征在于：所述中央处理器采用TMS570LS1114微控制器。

10.根据权利要求1所述的一种基于微处理器技术的机器人自动控制系统，其特征在于：所述现场可编程门阵列电路主芯片采用Cyclone III。