CN108803397A - 一种机器人电源管理系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人电源控制领域，提供一种机器人电源管理系统及控制方法。该系统包括供电电源、电源管理单元、电源控制电路、无线通信模块、运动控制模块、主控制器、执行单元和传感器单元；供电电源与电源管理单元连接，提供机器人各部分所需的电源；电源管理单元与电源控制电路连接，通过电源控制电路控制机器人各部分的供电状态；无线通信模块、运动控制模块、传感器单元和执行单元与主控制器连接；运动控制模块和无线通信芯片与电源管理单元连接，紧急电量待机模式下，根据电源管理单元接收到的无线指令进行运动，控制机器人返回充电。加强了机器人的续航能力，而且保证了机器人在低电量情况下的可操控性。

Description

一种机器人电源管理系统及控制方法

技术领域

本发明涉及机器人电源控制领域，尤其涉及一种机器人电源管理系统及控制方法。

背景技术

随着各种智能机器人在工业生产和日常生活中的普遍应用，越来越多的服务、特殊行业的机器人采用携带电池的方式进行供电。同时，面对用户对机器人小型化，轻型化的要求，自身携带电池的容量往往不能太大，因此造成携带电池供电机器人普遍存在运行、待机时间短的缺点。

另外，当前市面上服务、特种机器人普遍地还未实现小型化，对于携带电池工作遇到电池电量过低，机器人无法自动返航的情况时，需要花费大量的人力、物力处理，带来诸多不便。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机器人电源管理系统，旨在解决现有的携带电池供电机器人运行、待机时间短及电池电量过低，机器人无法自动返航的问题。

本发明是这样实现的，一种机器人电源管理系统，包括：

供电电源、电源管理单元、电源控制电路、无线通信模块、运动控制模块、主控制器、执行单元及传感器单元；

所述供电电源与所述电源管理单元连接，提供机器人各部分所需的电源；所述电源管理单元与所述电源控制电路连接，通过所述电源控制电路控制机器人各部分的供电状态；所述无线通信模块、所述运动控制模块、所述传感器单元和所述执行单元与所述主控制器连接；

所述运动控制模块和所述无线通信模块与所述电源管理单元连接，当所述电源管理单元检测到所述供电电源低于预设紧急电量时，所述电源管理单元根据所述无线通信模块接收到的无线指令控制所述运动控制模块控制所述机器人返回充电。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述机器人电源管理电源管理系统的控制方法，包括：

所述电源管理单元检测供电电源的电量状态；

所述无线通信模块接收来自遥控器的操作指令；

根据所述供电电源的电量状态和用户的操作指令，所述电源管理单元控制所述机器人在不同的工作模式之间转换；

其中所述工作模式包括：正常工作模式，整机硬件系统的所有功能模块均上电并运行；待机省电模式，所述无线通信模块与所述遥控器用户之间保持无线通信，关闭其他功能模块的电源；自动返航模式，机器人按照预设的路径移动到充电位置进行充电；手动返航模式，机器人通过无线通信模块接收控制台发送的指令，由电源管理单元控制机器人移动到充电位置进行充电；

当机器人供电电源电量为低电量状态时，机器人进入自动返航模式；当机器人供电电源电量为紧急电量状态时，机器人进入待机省电模式，并通过无线通信模块告知用户，接收到用户的操作指令后进入手动返航模式；充电完成后进入正常工作模式。

本发明通过在机器人的系统中设置电源管理单元，电源管理单元通过检测机器人的供电电源的电量，根据供电电源的电量状态和无线通信模块接收的用户指令，通过电源控制电路控制机器人系统中各部分的供电，且在机器人低电量和紧急电量的状态下，通过电源管理单元和无线通信模块控制机器人的返航充电，合理分配机器人供电电源的电量，加强了机器人的续航能力，而且保证了机器人在低电量情况下的可操控性。

附图说明

图1为本发明实施例中电源管理系统的结构框图；

图2为本发明实施例中电源管理方法的流程图；

图3为本发明实施例中工作模式的转换图的流程图；

图4为本发明实施例中基于单片机STM32F103RBT6电源管理单元电路原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种电源管理系统，包括：供电电源1、电源管理单元2、电源控制电路3、无线通信模块4、运动控制模块8、主控制器6、执行单元7、传感器单元5。

供电电源1与电源管理单元2连接，当机器人的整机开关打开后，供电电源1向电源管理单元2供电,同时，电源管理单元2与电源控制电路3连接。电源管理单元2为机器人电源管理的核心控制器，负责机器人的电源管理，需要保持持续的供电，可为单片机、PLC、CPLD等低功耗可编程器件一个或多个的组合。电源控制电路3为机器人的电源开关电路，可由继电器、可控硅、MOSFET等可以实现控制电源通断的器件或者电路组成，电源控制电路3在电源管理单元2的控制下，根据机器人的供电电源1的电量和机器人的工作状态调节机器人电源管理系统中各部分的供电。

其中，无线通信模块4、运动控制模块8、传感器单元5和执行单元7与主控制器6连接。主控制器6为机器人的核心控制单元，可为基于DSP、ARM、FGPA、工控机等的控制系统。无线通信模块4负责机器人与用户的之间的无线通信，可以接收用户的指令并发送给主控制器6，无线通信模块4可为蓝牙模块、红外收发器、433无线通信模块等。运动控制模块8包括电机驱动电路和电机控制单元，正常情况下，用于根据主控制器6接收到的无线指令控制机器人的运动。

电源管理单元包括电量检测电路，用于检测供电电压的电压值，电源管理单元根据检测的电压值判断供电电池的电量值，当电源管理单元2检测到机器人处于低电量状态(供电电池电量低于30％)时，主控制器6通过无线通信模块4向控制台发送低电量状态信号，运动控制模块8控制机器人按照预定的路线自动返回充电设备处进行充电。其中，控制台可以为遥控器、监控主机等能与机器人进行无线通信的控制平台。

电源管理单元2与运动控制模块8和无线通信芯片连接，具体的，当电源管理单元2检测到机器人处于紧急电量状态，即机器人的供电电源1的电量严重不足，无法提供机器人按照预定的路线自动返回充电设备的电量时，机器人通过无线通信模块4向控制台发送紧急电量状态信号，同时，电源管理单元2控制电源控制电路3关闭主控制器6、传感器单元5和执行单元7的供电线路，只保留无线通信模块4和运动控制模块8的供电。此后，用户可通过控制台向机器人手动发送返回充电的无线指令，根据电源管理单元2从无线通信模块4接收到的无线指令，机器人在运动控制模块8的控制下运动，由用户手动控制机器人返回充电设备处进行充电。

进一步地，在手动控制的情况下，机器人返回充电之前，当电源管理单元3检测到供电电源1低于预设紧急电量时，电源管理单元3控制机器人先进入待机省电模式，使得无线通信模块4与控制台之间保持无线通信，且关闭其他功能模块的电源。

传感器模块为机器人系统感知外部运行环境的单元，其包括避障系统，用于机器人正常工作移动路线和自动返回充电返回路线的自动避障，可由超声波、激光传感器等组成。执行单元7与主控制器6连接，在主控制器6的控制下执行相应的动作，以满足机器人的各种工作需求。

如图2和图3所示，在上述电源管理系统的基础上，本发明的另一目的还在于提供一种机器人电源管理方法包括：S1.电源管理单元2检测供电电源1的电量状态；S2.无线通信模块4接收用户的操作指令；S3.根据供电电源1的电量状态和用户的操作指令，电源管理单元2控制机器人在不同的工作模式之间转换；

其中，工作模式包括正常工作模式M1，整机硬件系统的所有功能模块均上电并运行；待机省电模式M2，机器人与用户之间保持无线通信，关闭运动控制模块、主控制器、传感器模块和执行单元的供电，使机器人进入最低功耗的省电状态；自动返航模式M3，机器人按照预设的路径移动到充电位置进行充电；手动返航模式M4，机器人通过无线通信模块4接收控制台发送的指令，由电源管理单元2控制机器人移动到充电位置进行充电；当机器人供电电源1电量为低电量状态时，机器人进入自动返航模式M3；当机器人供电电源1电量为紧急电量状态时，机器人自动进入待机省电模式M2，并通过无线通信模块4告知用户，接收到控制台的操作指令后进入手动返航模式M4；当接收到控制台的操作指令时，机器人进入正常工作模式；充电完成后进入正常工作模式。优选地，当用户指令操作超时，机器人自动进入待机省电模式，此时，机器人处于待机状态，接收到用户的操作指令后进入正常工作模式。

电源管理单元2为机器人电源管理的控制中心，在机器人的所有工作模式下，均需要供电运行，四种工作模式之间的转换主要由电源管理单元2的控制决定。电源管理单元2根据机器人供电电源1当前的电量状态，合理的控制机器人进入最佳的工作模式，关闭不必要的设备的电源，使机器人的供电电源得到合理的利用，增强了机器人的续航能力。

如图4所示，为基于单片机STM32F103RBT6电源管理单元电路原理图，以下详细介绍：

U1为电源管理单元所使用的单片机STM32F103RBT6。U1.1(U1的1引脚，下文均以此种方式表达器件的某个引脚)是芯片实时时钟的电源输入引脚。U1.13、U1.19、U1.32、U1.48、U1.64引脚为U1的芯片工作电源输入引脚，接3.3V的VP_3V3电源。相应地，U1.12、U1.18、U1.31、U1.47、U1.63为电源的地信号输入，接0V的P_GND。在这些引脚旁，均有放置0.1uf或0.01uf电容并联在VP_3V3和P_GND之间，起着电源滤波作用。

U1.7引脚为单片机的上电复位、按键复位引脚，由R7和C11组成RC电路，保证上电期间单片机复位引脚的复位满足电源和复位时序。在程序调试期间，可通过按键SW1引脚拉低PMU_nRST引脚来复位芯片程序。D1一方面起着钳位作用，另一方面，当系统掉电时，能快速拉低复位引脚，以保证下一次上电时芯片的电源和复位满足时序要求。

Y1、C1、C2组成了实时时钟晶体振荡电路，为U1提供内部RTC所需的32.768khz时钟源输入。

Y2、R2、R3、C4、C6共同组成有源晶体振荡器电路，为U1提供程序运行的8Mhz时钟源输入。

由CON1和R1组成的电路为U1芯片程序调试接口，可通过此接口利用程序烧写器对芯片进行程序烧写，将程序存储在U1内部的存储单元里。

由R4和LED1组成PMU的状态灯电路，由U1内部程序决定LED1状态灯的状态。

U1.33接433_PWR_SW信号，负责433无线通信模块的电源控制。U1.42和U1.43的433_UART1_TX和433_UART1_RX信号，为PMU和无线通信模块的串口通信信号，负责接收无线指令。

U1.27接PMU_MOTOR_CTRL信号，负责控制运动控制模块的电源。U1.61和U1.62是U1和运动控制模块的通信接口，这里使用CAN总线通信接口。

U1.24与R10、C10组成电池电压采集输入接口，负责采集当前电池电压信息，以判断剩余电量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种机器人电源管理系统，其特征在于，包括：供电电源、电源管理单元、电源控制电路、无线通信模块、运动控制模块、主控制器、执行单元及传感器单元；

所述供电电源与所述电源管理单元连接，提供机器人各部分所需的电源；所述电源管理单元与所述电源控制电路连接，通过所述电源控制电路控制机器人各部分的供电状态；所述无线通信模块、所述运动控制模块、所述传感器单元和所述执行单元分别与所述主控制器连接；

所述运动控制模块与所述电源管理单元连接，所述无线通信模块与所述电源管理单元连接，当所述电源管理单元检测到所述供电电源低于预设紧急电量时，所述电源管理单元根据所述无线通信模块接收到的无线指令控制所述运动控制模块控制所述机器人返回充电。

2.如权利要求1所述的机器人电源管理系统，其特征在于，当所述电源管理单元检测到所述供电电源低于预设紧急电量时，所述电源管理单元控制所述机器人先进入待机省电模式，使得所述无线通信模块与控制台之间保持无线通信，且关闭其他功能模块的电源。

3.如权利要求1所述的机器人电源管理系统，其特征在于，所述电源管理单元为单片机STM 32F103RBT6。

4.如权利要求1所述的机器人电源管理系统，其特征在于，所述电源管理单元包括电量检测电路，所述电量检测电路用于检测所述供电电源的电量。

5.如权利要求1所述的机器人电源管理系统，其特征在于，所述传感器模块包括避障系统，用于所述机器人移动时的自动避障。

6.一种基于权利要求1至5任一项所述的机器人电源管理系统的控制方法，其特征在于，包括：

所述电源管理单元检测供电电源的电量状态；

所述无线通信模块接收来自控制台的操作指令；

根据所述供电电源的电量状态和用户的操作指令，所述电源管理单元控制所述机器人在不同的工作模式之间转换；

其中所述工作模式包括：正常工作模式，整机硬件系统的所有功能模块均上电并运行；待机省电模式，所述无线通信模块与所述遥控器用户之间保持无线通信，关闭其他功能模块的电源；自动返航模式，机器人按照预设的路径移动到充电位置进行充电；手动返航模式，机器人通过无线通信模块接收控制台发送的指令，由电源管理单元控制机器人移动到充电位置进行充电；

当机器人供电电源电量为低电量状态时，机器人进入自动返航模式；当机器人供电电源电量为紧急电量状态时，机器人进入待机省电模式，并通过无线通信模块告知用户，接收到用户的操作指令后进入手动返航模式；充电完成后进入正常工作模式。

7.权利要求6所述的机器人电源管理系统的控制方法，其特征在于，所述机器人的电源管理单元检测供电电源的电量状态的步骤具体为：电源管理单元采集供电电源的电压信息，根据所述电压信息判断供电电源的剩余电量。

8.权利要求6所述的机器人电源管理系统的控制方法，其特征在于，当用户指令操作超时，机器人自动进入待机省电模式。