CN106564587B - 舵机保护系统及方法、无人机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种舵机保护系统及方法、无人机。该舵机保护系统包括片上系统和舵机，所述舵机包括微控制单元和电机，通过微控制单元获取电机的当前角度以及接收片上系统发送的目标角度，依据当前角度和目标角度判断出舵机目前是否发生过流、堵转等异常情况，在舵机出现异常情况时，微控制单元向片上系统发送请求数据，并依据片上系统响应所述请求数据产生的控制命令控制电机，有效地保护舵机在过流时不被烧坏，且片上系统可以根据反馈信号产生预警提示。

Description

舵机保护系统及方法、无人机

技术领域

本发明涉及舵机控制领域，具体而言，涉及一种舵机保护系统及方法、无人机。

背景技术

在无人机的固定翼、副翼的升降控制、尾翼的方向控制、起落脚架的收放控制、吊舱控制、无人机摄像头的俯仰控制上，或者玩具车的方向盘控制、机器人的关节转动控制上，一般采用舵机实现。现有技术中，通过舵机的上一级系统，比如无人机的飞控系统向舵机发送角度调整的控制命令，以控制舵机做出相应的角度响应，然而，在舵机出现堵转、长时间过流、外力掰动的情况时，现有技术没有较好的自我保护措施，容易使舵机因为长时间处于过流状态导致损坏，造成经济损失。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种舵机保护系统及方法、无人机，以改善上述的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种舵机保护系统，所述系统包括片上系统和舵机，所述舵机包括微控制单元和电机，

所述微控制单元用于获取电机的当前角度；

所述微控制单元用于接收所述片上系统发送的目标角度；

所述微控制单元还用于依据所述当前角度和所述目标角度向所述片上系统输出请求数据，并依据所述片上系统响应所述请求数据产生的控制命令控制电机。

进一步地，所述微控制单元用于计算所述目标角度的变化速度，当所述目标角度的变化速度小于第一阈值时，所述微控制单元还用于在所述电机的电流大于预设电流时，向所述片上系统输出请求数据。

进一步地，所述微控制单元用于计算所述目标角度的变化速度，当所述目标角度的变化速度小于第一阈值时，所述微控制单元还用于在所述当前角度与所述目标角度的偏差值大于预设的第一偏差值时，向所述片上系统输出请求数据。

进一步地，所述微控制单元还用于在所述电机的电流大于预设电流所持续的时间超过第二阈值时，或用于在所述当前角度与所述目标角度的偏差值大于预设的第一偏差值所持续的时间超过第二阈值时，向所述片上系统输出请求数据。

进一步地，当所述微控制单元驱动所述电机时，所述微控制单元还用于在所述当前角度与所述目标角度的偏差值大于预设的第二偏差值且所述当前角度在预设的时间周期内未发生变化时，向所述片上系统输出请求数据。

进一步地，所述微控制单元用于计算所述目标角度的变化速度，当所述目标角度的变化速度大于第一阈值时，所述微控制单元在预设的时间段内不再对电流进行检测。

第二方面，本发明实施例提供了一种舵机保护方法，应用于舵机保护系统，所述舵机保护系统包括片上系统和舵机，所述舵机包括微控制单元和电机，所述方法包括：

获取电机的当前角度及片上系统发送的目标角度；

依据所述当前角度和所述目标角度向所述片上系统输出请求数据；

依据所述片上系统响应所述请求数据产生的控制命令控制电机。

进一步地，所述依据所述当前角度和所述目标角度向所述片上系统输出请求数据的步骤包括：

计算所述目标角度的变化速度，当所述目标角度的变化速度小于第一阈值时，且所述电机的电流大于预设电流时，向所述片上系统输出请求数据。

进一步地，所述依据所述当前角度和所述目标角度向所述片上系统输出请求数据的步骤包括：

计算所述目标角度的变化速度，当所述目标角度的变化速度小于第一阈值时，且所述当前角度与所述目标角度的偏差值大于预设的第一偏差值时，向所述片上系统输出请求数据。

进一步地，所述舵机保护方法还包括：

在所述电机的电流大于预设电流所持续的时间超过第二阈值时，或用于在所述当前角度与所述目标角度的偏差值大于预设的第一偏差值所持续的时间超过第二阈值时，向所述片上系统输出请求数据。

进一步地，当所述微控制单元驱动所述电机时，所述依据所述当前角度和所述目标角度向所述片上系统输出请求数据的步骤包括：

在所述当前角度与所述目标角度的偏差值大于预设的第二偏差值且所述当前角度在预设的时间周期内未发生变化时，向所述片上系统输出请求数据。

进一步地，所述舵机保护方法还包括：

计算所述目标角度的变化速度，当所述目标角度的变化速度大于第一阈值时，所述微控制单元在预设的时间段内不再对电流进行检测。

第三方面，本发明实施例提供了一种无人机，其包括本发明实施例第一方面所述的舵机保护系统。

本发明提供的舵机保护系统及方法、无人机，该舵机保护系统包括片上系统和舵机，所述舵机包括微控制单元和电机，所述微控制单元与所述电机、片上系统均电连接，通过微控制单元获取电机的当前角度以及接收片上系统发送的目标角度，依据当前角度和目标角度判断出舵机目前是否发生过流、堵转等异常情况，在舵机出现异常情况时，微控制单元向片上系统发送请求数据，并接受片上系统响应所述请求数据发送的控制命令以控制电机，有效地保护舵机在过流时不被烧坏，且片上系统可以根据反馈信号产生预警提示。

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是本发明实施例提供的舵机保护系统的组成示意图。

图2是本发明实施例提供的舵机的电气组成示意图。

图3是本发明实施例提供的舵机保护方法的流程图。

图标：片上系统 10、舵机 20、微控制单元 21、控制模块 211、采样模块 212、PWM发生模块 213、电机 22、电机驱动器 23、电位器 24。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域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，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

请参照图1，是本发明实施例提供的舵机保护系统100的组成示意图，该舵机保护系统100应用于无人机，在其他实施例中，该舵机保护系统100还可以应用于其他装置，如机器人、玩具车等。

舵机保护系统100包括片上系统10和舵机20，其中，片上系统10可以是无人机的飞控系统，也可以是单片机等控制系统，片上系统10的个数可以为一个或多个，本实施例对此不做限定。片上系统10用于向舵机20发送目标角度，目标角度是指无人机的遥控器发送给无人机飞控系统的方向控制命令后，无人机飞控系统向舵机20发送的向该方向偏移的角度。

请参照图2，是舵机20的电气组成示意图。舵机20包括微控制单元21、电机22、电机驱动器23和电位器24。其中，微控制单元21与片上系统10、电机驱动器23和电位器24均电连接，电机22与电机驱动器23、电位器24均电连接。片上系统10发送的目标角度由微控制单元21接收，同时，微控制单元21还用于获取电机22的当前角度，作为一种实施方式，微控制单元21包括控制模块211、采样模块212和PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)发生模块213，控制模块211与PWM发生模块213、采样模块212、片上系统10均电连接，PWM发生模块213通过电机驱动器23与电机22电连接，采样模块212与电位器24电连接。通过采样模块212采样电位器24的电压值，不同的电压值对应电机22不同的角度，将采样得到的电压值进行映射，即可得到电机22的当前角度，该当前角度被采样模块212发送至控制模块211。在正常情况下(舵机未出现过流、堵转、高阻尼、外力掰动)，控制模块211根据接收到的目标角度和当前角度进行计算，得到PWM发生模块213需要发出的电压值，该计算过程如下所述：

设当前的目标角度为θ_sp(t)，设目标角度为θ_pre(t)。

先计算当前时刻的角度偏差，公式为err(t)＝θ_sp(t)-θ_pre(t)，将计算的结果带入比例-积分-微分算法中，计算结果为脉冲宽度调制控制参数u(t)＝f_pid(err(t))，为了防止输出量超过PWM发生模块213的最大限度，需要对脉冲宽度调制控制参数u(t)进行限幅处理，具体过程如下：

最后PWM发生模块213依据所述脉冲宽度调制控制参数u(t)输出PWM信号给电机驱动器23，电机驱动器23驱动电机22旋转，u(t)的正负对应于控制电机22的正反转。

在异常情况下(舵机出现过流、堵转、高阻尼、外力掰动)，为了防止舵机受损，需要对舵机进行相应的保护措施，异常情况一般表现为舵机20的电流过大，在这种情况下，本实施例提供的舵机保护系统100为了保护舵机不被烧坏，控制模块211向片上系统10输出请求数据，请求片上系统10对该过流情况进行处理指示，片上系统10根据实际环境分析后，确认是否向控制模块211发送切断PWM发生模块213向电机驱动器23的电压输出的命令。

由于片上系统10发送的目标角度变化速度过快的情况下，为了响应快速变化的目标角度，舵机20的电流会超过正常的电流值以增大扭力而使舵机20能够快速跟踪上目标角度，在跟踪到目标位置后，电流重新维持很低的状态，此时，之前的电流过大的情况属于正常的情况。比如，在控制无人机快速向左或向右等运动时，无人机的飞控系统向舵机20发送目标角度将会变化很快，此时，为了快速跟上目标角度，需要增大电流以增大扭力，使当前角度快速跟上目标角度。此时，如果因为舵机20的电流过大而切断PWM发生模块213向电机驱动器23的电压输出，则不符合飞机的实际情况。

为了防止在目标位置变化很快而产生的电流过大导致切断PWM发生模块213向电机驱动器23的电压输出的情况，本发明实施例中，可以设置一个第一阈值，当目标角度的变化速度大于该第一阈值时，则对于过流的情况，舵机20不向片上系统10反馈过流异常信息等请求数据。目标角度的变化速度可以通过控制模块211进行差分计算得到，公式为Δθ_sp(k)＝θ_sp(k)-θ_sp(k-1)，然后对计算结果取绝对值abs(Δθ_sp)，当abs(Δθ_sp)大于第一阈值时，为了防止误触发，微控制单元21在预设的时间段内不再对电流进行检测，该预设的时间段即一个保持时间，可以通过触发保持器得到，该保持器可以是设置在舵机内，也可以是设置在片上系统10内，保持时间结束后，微控制单元21再对电流进行检测。

如果abs(Δθ_sp)小于第一阈值，则表明目标角度变化不快或者没有发生变化。此时，需要判断舵机20的电机22当前是否处于大电流，作为一种实施方式，可以定义一个预设电流，当电流超过该预设电流时为大电流。因为PWM的占空比的大小等效于作用电压的大小，而电机的电阻在电机正常转动时，可以近似为不变。所以对大电流的检测可以通过检测PWM发生模块213输出的驱动电机22的PWM占空比来识别电流的高低，当PWM占空比超过一阈值时，说明当前电流为大电流。此外，还可以计算舵机20的当前角度与目标角度的偏差值来判断当前电流是否为大电流，如果当前角度与目标角度的偏差值较大，舵机20为了快速追上目标角度，会加大电流增大电机22的扭力，此时的电流可以认为是大电流，为了方便判断，可以设定一个第一偏差值，当前角度与目标角度的偏差值大于第一偏差值时，则可以认为电机22当前的电流为大电流。

当abs(Δθ_sp)小于第一阈值且电机22的电流为大电流时，舵机20的微控制单元21向片上系统10输出请求数据。为了微控制单元21对过流的判断更加准确，当电机22的电流大于预设电流一直持续且持续时间大于预先设置的第二阈值时，或当前角度与所述目标角度的偏差值大于预设的第一偏差值所持续的时间超过第二阈值时，舵机20才向片上系统10输出请求数据。片上系统10接收到请求数据后，根据无人机目前的状况，结合请求数据做出判断：1、不作处理，即片上系统10判断此时的过流现象在当前环境属于正常情况；2、片上系统10向舵机20的微控制单元21发送关闭对电机22驱动PWM的输出指令，此时舵机将处于随动状态，即片上系统10判断此时过流现象是异常状态。上述的不做处理的情况，可以是在某些特殊的情况，比如无人机在高速飞行时，无人机处于大机动状态，机身运动很快，作用在机身的风阻表现较为明显，此时电机22的电流过大可以认为是正常情况。

此外，舵机20的过流还有一种表现形式为舵机20发生堵转，或者舵机20的输出转轴上有高阻尼的时候。当微控制单元21中的PWM发生模块213在驱动电机22时，如果电机22的当前角度和目标角度之间的偏差值大于预先设置的第二偏差值，同时，电机22的当前角度在一预设的时间周期内没有发生变化，则可以理解为舵机当前处于堵转或者输出转轴有高阻尼的状态，此时，舵机20必然处于过流状态，为了保护舵机20，微控制单元21中的控制模块211向片上系统10发送请求数据，汇报当前的异常情况，片上系统10接收到请求数据后，根据无人机目前的状况，结合请求数据做出判断：1、不作处理；2、片上系统10向舵机20的微控制单元21发送关闭对电机22驱动PWM的输出指令。

本发明实施例提供的舵机保护系统100，在舵机20过流时，向片上系统10发送请求数据，汇报异常情况，片上系统10根据实际情况判断是否向舵机20发送切断向电机22输出PWM的命令。本发明实施例可以有效地防止舵机损坏的情况。

请参照图3，本发明实施例还提供了一种舵机保护方法，该舵机保护方法应用于上述舵机保护系统100。该舵机保护方法包括以下步骤：

步骤S101，获取电机的当前角度及片上系统发送的目标角度。

在本实施例中，可以通过舵机20的采样模块212采样电位器24的电压值，不同的电压值对应电机22不同的角度，将采样得到的电压值进行映射，即可得到电机22的当前角度。目标角度由无人机收到的向某个方向偏移的控制时，通过飞控系统向舵机20发送该方向偏移的角度。

步骤S102，依据当前角度和目标角度向片上系统输出请求数据。

步骤S102具体可以包括：计算目标角度的变化速度，当目标角度的变化速度小于第一阈值且电机22的电流大于预设电流时，向片上系统10输出请求数据。

作为另一种实施方式，步骤S102还可以包括：计算目标角度的变化速度，当目标角度的变化速度小于第一阈值且当前角度与目标角度的偏差值大于预设的第一偏差值时，向片上系统10输出请求数据。在本实施例中，上述过程由控制模块211执行。为了使微控制单元21对过流的判断更为准确，本实施例中，只有在电机22的电流大于预设电流所持续的时间超过第二阈值时，或当前角度与目标角度的偏差值大于预设的第一偏差值所持续的时间超过第二阈值时，控制模块211才向片上系统10输出请求数据。

当微控制单元21驱动电机22时，步骤S102还可以包括：当前角度与目标角度的偏差值大于预设的第二偏差值且当前角度在预设的时间周期内未发生变化时，向片上系统10输出请求数据。微控制单元21有驱动电机22的动作，且当前角度与目标角度之间有一定的偏差，但是当前角度却没有改变，说明舵机20出现了堵转或者输出转轴上有高阻尼的情况。此时，可以通过控制模块211向片上系统10输出请求数据。

在某些情况下，舵机20的电机22过流属于正常情况，此时不需要微控制单元21向片上系统10输出请求数据。为了防止微控制单元21在该情况下向片上系统10输出请求数据，本发明实施例提供的舵机保护方法还可以包括步骤：计算所述目标角度的变化速度，当目标角度的变化速度大于第一阈值时，微控制单元在预设的时间段内不再对电流进行检测。微控制单元21不对电流检测，则不会触发向片上系统10输出请求数据的动作。

步骤S103，接收片上系统响应请求数据发送的控制命令以控制电机。

步骤S103可以由微控制单元21执行。片上系统10在接收到请求数据后，根据当前的环境和接收到的数据进行综合分析，做出判断：1、不作处理，即片上系统10判断此时的过流现象在当前环境属于正常情况；2、片上系统10向舵机20的微控制单元21发送控制命令，使其关闭对电机22驱动PWM，此时舵机将处于随动状态，即片上系统10判断此时过流现象是异常状态。

综上所述，本发明实施例提供了一种舵机保护系统及方法，同时还提供了一种包括有该舵机保护系统的无人机。该舵机保护系统包括片上系统和舵机，所述舵机包括微控制单元和电机，所述微控制单元与所述电机、片上系统均电连接，通过微控制单元获取电机的当前角度以及接收片上系统发送的目标角度，依据当前角度和目标角度判断出舵机目前是否发生过流、堵转等异常情况，在舵机出现异常情况时，微控制单元向片上系统发送请求数据，并接受片上系统响应所述请求数据发送的控制命令以控制电机，有效地保护舵机在过流时不被烧坏，且片上系统可以根据反馈信号产生预警提示。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

Claims (9)

1.一种舵机保护系统，其特征在于，

所述系统包括片上系统和舵机，所述舵机包括微控制单元和电机，

所述微控制单元用于获取电机的当前角度；

所述微控制单元用于接收所述片上系统发送的目标角度；

所述微控制单元还用于计算所述目标角度的变化速度，当所述目标角度的变化速度小于第一阈值时，若所述电机的电流大于预设电流，或所述当前角度与所述目标角度的偏差值大于预设的第一偏差值，则向所述片上系统输出请求数据，并依据所述片上系统响应所述请求数据产生的控制命令控制电机。

2.根据权利要求1所述的舵机保护系统，其特征在于，所述微控制单元还用于在所述电机的电流大于预设电流所持续的时间超过第二阈值时，或用于在所述当前角度与所述目标角度的偏差值大于预设的第一偏差值所持续的时间超过第二阈值时，向所述片上系统输出请求数据。

3.根据权利要求1所述的舵机保护系统，其特征在于，当所述微控制单元驱动所述电机时，所述微控制单元还用于在所述当前角度与所述目标角度的偏差值大于预设的第二偏差值且所述当前角度在预设的时间周期内未发生变化时，向所述片上系统输出请求数据。

4.根据权利要求1所述的舵机保护系统，其特征在于，所述微控制单元用于计算所述目标角度的变化速度，当所述目标角度的变化速度大于第一阈值时，所述微控制单元在预设的时间段内不再对电流进行检测。

5.一种舵机保护方法，其特征在于，应用于舵机保护系统，所述舵机保护系统包括片上系统和舵机，所述舵机包括微控制单元和电机，所述方法包括：

获取电机的当前角度及片上系统发送的目标角度；

计算所述目标角度的变化速度，当所述目标角度的变化速度小于第一阈值时，若所述电机的电流大于预设电流，或所述当前角度与所述目标角度的偏差值大于预设的第一偏差值，则向所述片上系统输出请求数据；

依据所述片上系统响应所述请求数据产生的控制命令控制电机。

6.根据权利要求5所述的舵机保护方法，其特征在于，所述方法还包括：

在所述电机的电流大于预设电流所持续的时间超过第二阈值时，或用于在所述当前角度与所述目标角度的偏差值大于预设的第一偏差值所持续的时间超过第二阈值时，向所述片上系统输出请求数据。

7.根据权利要求5所述的舵机保护方法，其特征在于，当所述微控制单元驱动所述电机时，所述依据所述当前角度和所述目标角度向所述片上系统输出请求数据的步骤包括：

在所述当前角度与所述目标角度的偏差值大于预设的第二偏差值且所述当前角度在预设的时间周期内未发生变化时，向所述片上系统输出请求数据。

8.根据权利要求5所述的舵机保护方法，其特征在于，所述方法还包括：

计算所述目标角度的变化速度，当所述目标角度的变化速度大于第一阈值时，所述微控制单元在预设的时间段内不再对电流进行检测。

9.一种无人机，其特征在于，包括权利要求1-4任一所述的舵机保护系统。