CN107600417B - 一种携带冗余度机械臂的飞行机器人硬件系统设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种携带冗余度机械臂的飞行机器人硬件系统的设计方法，包括步骤：1）根据设计需求搭建飞行机器人的机械实体；2）根据飞行机器人的机械实体设计飞行机器人硬件系统；3）根据步骤2）中的硬件设计内容，将硬件模块按照功能组合成系统，设计硬件系统的原理图；4）根据步骤3）设计的硬件系统原理图设计制作飞行机器人硬件系统的电路板；5）将设计得到的电路板安装至携带冗余度机械臂的飞行器机器人，对包含微处理器的电路模块烧录控制系统程序，利用通讯模块连接上位机系统，结合多模块协同控制，实现飞行器自主稳定飞行与机械臂的运动控制。本发明能满足对于携带冗余度机械臂的飞行机器人硬件系统设计，具有很强的适应性。
Description
技术领域
本发明属于飞行机器人硬件系统设计方法，特别是涉及一种携带冗余度机械臂的飞行机器人的硬件系统设计方法。
背景技术
携带冗余度机械臂的飞行机器人系统是一种将飞行机器人与冗余度机械臂结合的复杂系统工程。冗余度机械臂是一种自由度大于任务空间所需最少自由度的末端能动机械装置，其运动任务包括焊接、油漆、组装、挖掘和绘图等，广泛应用于装备制造、产品加工、机器作业等国民经济生产活动中。将冗余度机械臂与飞行机器人结合，需要硬件电路的配套设计。携带冗余度机械臂的飞行机器人系统的硬件电路设计，是解决飞行机器人控制问题的基础。
携带冗余度机械臂的飞行机器人系统硬件电路是实现飞行机器人与冗余度机械臂算法的基础。目前大多数有关飞行机器人或冗余度机械臂的产品均为各自独立进行硬件设计。本发明首次将飞行机器人与冗余度机械臂作为一个系统进行硬件电路设计，为解决飞行机器人携带冗余度机械臂提供硬件基础。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种携带冗余度机械臂的飞行机器人硬件系统的设计方法。
本发明所采用的技术方案如下：
一种携带冗余度机械臂的飞行机器人硬件系统的设计方法，包括如下步骤：
1）根据携带冗余度机械臂的飞行机器人的设计需求搭建飞行机器人的机械实体，包括飞行机架，无刷电机，轻量型冗余度机械臂，大容量锂电池电源，传感器相关部件；
2）根据步骤1）中的飞行机器人机械实体，考虑相关部件的规格与参数，设计飞行机器人硬件系统；硬件设计包括电源模块、通讯模块、输入输出隔离模块、飞行器控制与增稳模块、冗余度机械臂控制模块、冗余度机械臂驱动模块部分；
3）根据步骤2）中的硬件设计内容，将硬件模块按照功能组合成系统，设计硬件系统的原理图；其中电源模块考虑锂电池电源到飞行器旋翼电机、轻量型冗余度机械臂、飞行器控制与增稳模块的降压与分配，飞行器控制与增稳模块与冗余度机械臂控制模块根据传感器适配和控制需求选用合适的单片机作为微处理器；
4）根据步骤3）设计的硬件系统原理图，结合飞行机器人的机械结构与安装位置，设计制作飞行机器人硬件系统的电路板；
5）将根据步骤4）设计得到的电路板安装至携带冗余度机械臂的飞行器机器人，对包含微处理器的电路模块烧录控制系统程序，利用通讯模块连接上位机系统，结合多模块协同控制，实现飞行器自主稳定飞行与机械臂的运动控制。
进一步地，所述携带冗余度机械臂的飞行机器人包括飞行器系统与冗余度机械臂系统；其中飞行器系统包括多旋翼飞行器组件、无刷电机、飞行控制与增稳系统电路、无线通讯系统组成；冗余度机械臂系统包括机械组件、冗余度机械臂控制电路、舵机与舵机控制电路。
进一步地，飞行控制与增稳系统电路包括飞行机器人主控电路、陀螺仪加速度计适配电路、多通道遥控器接收端输入电路、电机驱动器适配电路、电源电路、飞行机器人无线通讯模块电路、GPS接收端适配电路、光流传感器适配电路、FLASH存储电路。
进一步地，所述冗余度机械臂控制电路包括机械臂主控电路、机械臂电源电路、舵机电流反馈电路、机械臂无线通讯模块适配电路。
进一步地，所述飞行机器人主控电路所采用的核心处理器为STM32F4系列单片机；
进一步地，陀螺仪加速度计适配电路采用MPU6050六轴数字陀螺仪加速度计。
进一步地，所述电源电路包括锂电池电源分电电路以及供电稳压电路，其中电源分电电路通过转接实现对飞行器、冗余度机械臂、摄像云台部件的电源电压分电，供电稳压电路通过稳压芯片实现大电压向小电压的转换，以实现对包含微处理器的电路模块或传感器模块供电。
进一步地，FLASH存储电路采用W25X16芯片及外围电路构成。
进一步地，所述机械臂主控电路采用STM32F4系列单片机作为核心微处理器；机械臂电源电路包括LM2596-ADJ芯片及外围电路；舵机电流反馈电路包括INA250芯片及外围电路。
进一步地，安装设计得到的电路时，板根据电路原理图完成硬件PCB电路图设计，焊接制作模块电路，并将模块电路安装在携带冗余度机械臂的飞行机器人上；通过导线连接构成飞行机器人硬件系统；通过编写微处理器控制程序完成携带冗余度机械臂的飞行机器人的控制系统开发；通过无线通讯模块完成同上位机端的通信互联。
相比现有技术，本发明提供的方法能满足对于携带冗余度机械臂的飞行机器人硬件系统设计，具有很强的适应性。
附图说明
图1为本发明实施例的设计流程图；
图2为本发明实施例飞行机器人主控电路；
图3为本发明实施例陀螺仪加速度计适配电路；
图4为本发明实施例多通道遥控器接收端输入电路；
图5为本发明实施例飞行器控制与增稳模块的电源电路；
图6为本发明实施例飞行机器人无线通讯模块电路、GPS接收端适配电路、光流传感器适配电路；
图7为本发明实施例FLASH存储模块电路；
图8为本发明实施例机械臂电源电路；
图9为本发明实施例舵机电流反馈电路；
图10为本发明实施例PCB图；
图11为本发明实施例的装载冗余度机械臂的多旋翼飞行机器人模型；
图中所示为：1-电机；2-机架；3-控制装置；4-摄像装置；5-舵机；6-末端执行器；7-机械部件。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明专利作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。
图1所示为携带冗余度机械臂的飞行机器人系统的硬件设计方法的流程图，按照如下步骤进行：
1）根据携带冗余度机械臂的飞行机器人的设计需求，搭建飞行机器人的机械实体，包括飞行机架，无刷电机，轻量型冗余度机械臂，大容量锂电池电源，传感器相关部件；
2）根据步骤1）中的飞行机器人机械实体，考虑相关部件的规格与参数，设计飞行机器人硬件系统；硬件设计包括电源模块、通讯模块、输入输出隔离模块、飞行器控制与增稳模块、冗余度机械臂控制模块、冗余度机械臂驱动模块部分；
3）根据步骤2）中的硬件设计内容，将硬件模块按照功能组合成系统，设计硬件系统的原理图；其中电源模块考虑锂电池电源到飞行器旋翼电机、轻量型冗余度机械臂、飞行器控制与增稳模块的降压与分配，飞行器控制与增稳模块与冗余度机械臂控制模块根据传感器适配和控制需求选用合适的单片机作为微处理器；
4）根据步骤3）设计的硬件系统原理图，结合飞行机器人的机械结构与安装位置，设计制作飞行机器人硬件系统的电路板；
5）将根据步骤4）设计得到的电路板安装至携带冗余度机械臂的飞行器机器人，对包含微处理器的电路模块烧录控制系统程序，利用通讯模块连接上位机系统，结合多模块协同控制，实现飞行器自主稳定飞行与机械臂的运动控制。
所述携带冗余度机械臂的飞行机器人包括飞行器系统与冗余度机械臂系统；其中飞行器系统包括多旋翼飞行器组件、无刷电机、飞行控制与增稳系统电路、无线通讯系统组成；冗余度机械臂系统包括机械组件、冗余度机械臂控制电路、舵机与舵机控制电路。飞行控制与增稳电路以及冗余度机械臂控制电路之间采用同步时钟串口交换数据。
飞行控制与增稳系统电路包括飞行机器人主控电路、陀螺仪加速度计适配电路、多通道遥控器接收端输入电路、电机驱动器适配电路、电源电路、飞行机器人无线通讯模块电路、GPS接收端适配电路、光流传感器适配电路、FLASH存储电路等模块电路；
图2所示为飞行机器人主控电路。该电路主要由STM32F4系列芯片组成，包括稳压电路、时钟电路、复位电路、调试电路等部分。其中稳压电路是由LM1117-3V3芯片提供STM32F4芯片的电源；时钟电路是由主晶振，实时时钟晶振与匹配阻抗构成；复位电路由轻触开关与上拉电阻构成；调试电路主要是将STM32F4的SWD调试端口引出。该电路主要作用为系统核心电路，负责关联系统各个电路间的连接，协调系统控制。
图3所示为陀螺仪加速度计适配电路。STM32F4主控通过同步时钟串口与IIC串行总线与六轴陀螺仪加速度计模块相连。该电路主要为传感器接口电路，负责连接传感器与核心主控电路之间的线路连接。
图4所示为多通道遥控器接收端输入电路与电机驱动器适配电路。多通道遥控器接收机输出PWM信号经过一个RC衰减网络后输入到STM32F4捕获定时器端口；电机驱动器适配电路是控制电机转速的PWM信号由STM32F4主控输出后，经过74HC541隔离后输入到三相无刷电机驱动器。该电路主要负责连接遥控器接收端以及系统核心主控电路，同时连接主控核心电路以及电机驱动器接口。
图5所示为电源电路的电路图。电源电路主要完成飞行机器人飞行器控制与增稳模块的电源分配。航模电池输入11.7V-30V电压，经过LM2940-5V稳压芯片,稳压5V输出；5V电源经过LM1117-3V3；稳压3.3V输出。供电模式跳线帽是选择是否使用板载电源芯片供电。这个设计在硬件调试阶段能方便地切换电源，排除故障。该电路主要负责为芯片以及各电路模块供给电能。
图6所示为飞行机器人无线通讯模块电路、GPS接收端适配电路以及光流传感器适配电路电路图。这部分电路主要作用为引出主控STM32F4的串口端口，方便与对应的外设相连。无线通讯模块电路、GPS接收端、光流传感器等通讯与传感器模块在飞行机器人的运动控制中具有非常重要的作用。该电路主要负责连接通信模块和主控制电路间接口。
图7所示为飞行机器人系统存储电路，该电路采用了FLASH存储芯片W25X16。该芯片通过SPI串口与主控连接，主要用于飞行机器人的参数保存。该电路主要负责存储飞行器参数数据。
冗余度机械臂控制电路包括机械臂主控电路、机械臂电源电路、舵机电流反馈电路、机械臂无线通讯模块适配电路的模块；
机械臂主控电路同样采用STM32F4系列芯片作为主控核心，核心电路同飞行机器人主控电路相同，电路原理图如图2；
如图8所示为机械臂电源电路，该电路采用了LM2596-ADJ开关电源稳压芯片。其中R1为精密可调电阻。调整R1的阻值，可以使开关电源稳压输出值在2.46V~8.61V范围内变化，从而可以驱动装配不同型号舵机的机械臂。该电路主要负责对机械臂各电路模块以及机械臂舵机进行供电。
如图9所示为舵机电流反馈电路，主要是采用了INA250电流传感器，这款电流计内置了精密采样电阻，能将测得的电流转换为运放模拟输出。主控经过ADC采样后经过换算即可得到当前舵机的电流值。舵机电流反馈电路的主要目的是监控舵机输出功率，防止冗余度机械臂上的舵机烧坏。该电路主要用于检测舵机电流信号。
如图10所示为根据相应是携带多冗余度机械臂的多旋翼飞行机器人硬件系统设计方法得到的飞行机器人多旋翼飞行器部分的硬件PCB电路图；该PCB硬件电路图整合了多旋翼飞行器的所有电路功能。
如图11所示为装载冗余度机械臂的多旋翼飞行机器人模型。该模型主要由多旋翼飞行器以及冗余度机械臂组成。其中多旋翼飞行器由电机1，机架2，控制电路3以及摄像头模块4组成，控制电路3中包含无线通信模块、无线图传模块；冗余度机械臂部分由舵机5，末端执行器6以及相应的机械结构部件7组成。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种携带冗余度机械臂的飞行机器人硬件系统的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括如下步骤：
1）根据携带冗余度机械臂的飞行机器人的设计需求搭建飞行机器人的机械实体，包括飞行机架，无刷电机，轻量型冗余度机械臂，大容量锂电池电源，传感器相关部件；
所述携带冗余度机械臂的飞行机器人包括飞行器系统与冗余度机械臂系统；其中飞行器系统包括多旋翼飞行器组件、无刷电机、飞行控制与增稳系统电路、无线通讯系统组成；冗余度机械臂系统包括机械组件、冗余度机械臂控制电路、舵机与舵机控制电路；
2）根据步骤1）中的飞行机器人机械实体，考虑相关部件的规格与参数，设计飞行机器人硬件系统；硬件设计包括电源模块、通讯模块、输入输出隔离模块、飞行器控制与增稳模块、冗余度机械臂控制模块、冗余度机械臂驱动模块部分；
飞行控制与增稳系统电路包括飞行机器人主控电路、陀螺仪加速度计适配电路、多通道遥控器接收端输入电路、电机驱动器适配电路、电源电路、飞行机器人无线通讯模块电路、GPS接收端适配电路、光流传感器适配电路、FLASH存储电路；
3）根据步骤2）中的硬件设计内容，将硬件模块按照功能组合成系统，设计硬件系统的原理图；其中电源模块考虑锂电池电源到飞行器旋翼电机、轻量型冗余度机械臂、飞行器控制与增稳模块的降压与分配，飞行器控制与增稳模块与冗余度机械臂控制模块根据传感器适配和控制需求选用合适的单片机作为微处理器；
4）根据步骤3）设计的硬件系统原理图，结合飞行机器人的机械结构与安装位置，设计制作飞行机器人硬件系统的电路板；
5）将根据步骤4）设计得到的电路板安装至携带冗余度机械臂的飞行器机器人，对包含微处理器的电路模块烧录控制系统程序，利用通讯模块连接上位机系统，结合多模块协同控制，实现飞行器自主稳定飞行与机械臂的运动控制。
2.根据权利要求1所述的携带冗余度机械臂的飞行机器人硬件系统设计方法，其特征在于，所述冗余度机械臂控制电路包括机械臂主控电路、机械臂电源电路、舵机电流反馈电路、机械臂无线通讯模块适配电路。
3.根据权利要求1所述的携带冗余度机械臂的飞行机器人硬件系统设计方法，其特征在于，所述飞行机器人主控电路所采用的核心处理器为STM32F4系列单片机。
4.根据权利要求1所述的携带冗余度机械臂的飞行机器人硬件系统设计方法，其特征在于，陀螺仪加速度计适配电路采用MPU6050六轴数字陀螺仪加速度计。
5.根据权利要求1所述的携带冗余度机械臂的飞行机器人硬件系统设计方法，其特征在于，所述电源电路包括锂电池电源分电电路以及供电稳压电路，其中电源分电电路通过转接实现对飞行器、冗余度机械臂、摄像云台部件的电源电压分电，供电稳压电路通过稳压芯片实现大电压向小电压的转换，以实现对包含微处理器的电路模块或传感器模块供电。
6.根据权利要求1所述的携带冗余度机械臂的飞行机器人硬件系统设计方法，其特征在于，FLASH存储电路采用W25X16芯片及外围电路构成。
7.根据权利要求2所述的携带冗余度机械臂的飞行机器人硬件系统设计方法，其特征在于，所述机械臂主控电路采用STM32F4系列单片机作为核心微处理器；机械臂电源电路包括LM2596-ADJ芯片及外围电路；舵机电流反馈电路包括INA250芯片及外围电路。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的携带冗余度机械臂的飞行机器人硬件系统设计方法，其特征在于，安装设计得到的电路时，板根据电路原理图完成硬件PCB电路图设计，焊接制作模块电路，并将模块电路安装在携带冗余度机械臂的飞行机器人上；通过导线连接构成飞行机器人硬件系统；通过编写微处理器控制程序完成携带冗余度机械臂的飞行机器人的控制系统开发；通过无线通讯模块完成同上位机端的通信互联。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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