CN108873774A - 一种vex机器人教学辅助控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种VEX机器人教学辅助系统，包括用于检测碰撞和控制运动的测控电路，其由第一MCU控制器、加速度传感器电路、电压放大电路、第一电源电路、第一无线通信电路、USB串口电路组成；用于实现PC机和测控电路远距离信号交互的通信电路，其由第二MCU控制器、第二无线通信电路、第二电源电路、串口电路组成。本发明通过使用DA转换器输出的电压值模拟光线传感器的输出，以满足机器人主控对特殊传感器的需求，从而实现对机器人的运动控制，同时加入了无线通信功能，以实现PC机对机器人的远距离控制的功能。

Description

一种VEX机器人教学辅助控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及VEX机器人技术领域，尤其涉及一种VEX机器人教学辅助控制系统及控制方法。

背景技术

VEX机器人是美国太空总署(NASA)、美国易安信公司(EMC)、亚洲机器人联盟(Asian Robotics League)雪佛龙，德州仪器，诺斯罗普·格鲁曼公司，和其他美国公司大力支持的机器人项目。学生可以充分发挥创意，根据当年发布的规则，用手中的工具和材料创作出自己的机器人，是提升学生创造性的有效途径。然而，由于训练的频繁性，训练机器人时常会出现因为学生的误操作而引起的碰撞，导致机体损坏。为了避免这一情况的发生，一种可用于减少碰撞的检测装置是必不可少的。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术缺陷，本发明提供VEX机器人教学辅助控制系统及控制方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种VEX机器人教学辅助控制系统，用于对VEX机器人的运动进行辅助控制，所述辅助控制系统包括用于检测碰撞和控制运动的测控电路以及用于实现PC机和测控电路远距离信号交互的通信电路；其中：

所述测控电路包括第一MCU控制器、加速度传感器电路、电压放大电路、第一电源电路、第一无线通信电路、USB串口电路；所述第一MCU控制器分别与所述加速度传感器电路、所述电压放大电路、所述USB串口电路、所述第一无线通信电路连接，所述第一电源电路分别为所述第一MCU控制器、所述加速度传感器电路、所述电压放大电路、所述USB串口电路供电；所述电压放大电路与所述VEX机器人的工作电路连接；所述通信电路包括第二MCU控制器、第二无线通信电路、串口电路、第二电源电路；所述第二MCU控制器分别与所述第二无线通信电路和所述串口电路连接，所述第二电源电路分别为所述第二MCU控制器、所述第二无线通信电路、所述串口电路供电；所述第二无线通信电路与所述第一线通信电路以2.4G无线的方式连接；所述串口电路用于接入外部PC机。

所述加速度传感器电路用于实时采集所述VEX机器人的运动加速度数据，并将所述运动加速度数据发送给所述第一MCU控制器；所述第一MCU控制器用于将所述运动加速度数据转换输出为相应的控制信号；所述电压放大电路用于对所述控制信号进行放大，并输出放大控制信号至所述VEX机器人的工作电路；所述VEX机器人工作电路根据所述放大控制信号控制调整机器人的运动。

利用上述辅助控制系统对VEX机器人的运动进行辅助控制的方法，包括如下步骤：

步骤S1，利用所述加速度传感器电路实时采集所述VEX机器人的运动加速度数据，并将所述运动加速度数据发送给所述第一MCU控制器。

步骤S2，利用所述第一MCU控制器将所述运动加速度数据转换输出为相应的控制信号；利用所述电压放大电路对所述控制信号进行放大，并输出放大控制信号至所述VEX机器人的工作电路；所述VEX机器人根据所述放大控制信号控制调整机器人的运动。

本发明相对于现有技术的有益效果在于：

第一，本发明提出了一种新型的对VEX机器人进行控制的方法，通过DA转换器输出电压以模拟光线传感器的作用，以满足机器人主控对传感器的特殊需求，从而达到对机器人的运动控制，能够减少机器人在平时的训练中因碰撞对机身造成的损伤。

第二，本发明实现了对机器人实时状态的监测，实现了PC机远距离对机器人进行控制。

第三，测控电路使机器人具有了一定自动处理碰撞事件的能力。

附图说明

图1为实施例1提供的VEX机器人教学辅助控制系统的整体结构框图。

图2a为第一MCU控制器的电路原理图。

图2b为加速度传感器电路的电路原理图。

图2c为电压放大电路的电路原理图。

图2d为第一电源电路的电路原理图。

图2e为USB串口电路的电路原理图。

图2f为第一无线通信电路的电路原理图。

图2g为第二MCU控制器的电路原理图。

图2h为第二无线通信电路的电路原理图。

图2i为串口电路的电路原理图。

图2j为第二电源电路的电路原理图。

图3为测控电路的工作原理流程图。

图4为通信电路的工作原理流程图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，包括：

第一MCU控制器11、加速度传感器电路12、电压放大电路13、USB串口电路14、第一无线通信电路15、第二MCU控制器21、第二无线通信电路22、串口电路23。

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方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

如图1所示，一种VEX机器人教学辅助控制系统，用于对VEX机器人的运动进行辅助控制，所述辅助控制系统包括用于检测碰撞和控制运动的测控电路以及用于传输信息的通信电路；其中：

所述测控电路包括第一MCU控制器11、加速度传感器电路12、电压放大电路13、第一电源电路、USB串口电路14、第一无线通信电路15；所述第一MCU控制器11分别与所述加速度传感器电路12、所述电压放大电路13、第一无线通信电路15、所述USB串口电路14连接，所述第一电源电路分别为所述第一MCU控制器11、所述加速度传感器电路12、所述电压放大电路13、第一无线通信电路15、所述USB串口电路14供电；所述电压放大电路13与所述VEX机器人的工作电路连接。

所述通信电路包括第二MCU控制器21、第二无线通信电路22、串口电路、第二电源电路；所述第二MCU控制器21分别与所述第二无线通信电路22和所述串口电路23连接，所述第二电源电路分别为所述第二MCU控制器21、所述第二无线通信电路22、所述串口电路23供电；所述串口电路23用于接入外部PC机。

所述加速度传感器电路12用于实时采集所述VEX机器人的运动加速度数据，并将所述运动加速度数据发送给所述第一MCU控制器11；所述第一MCU控制器11用于将所述运动加速度数据转换输出为相应的控制信号；所述电压放大电路13用于对所述控制信号进行放大，并输出放大控制信号至所述VEX机器人的工作电路；所述VEX机器人根据所述放大控制信号控制调整机器人的运动。

所述VEX机器人的工作电路由模拟输入接口、VEX主控芯片组成。VEX模拟输入接口由地线、电源线和信号线组成。其中，信号线与第一MCU控制器经电压放大电路输出的电压信号相连。VEX主控芯片将会采集电压信号，根据电压信号的大小与事先设定值进行比较，实现对机器人启停的控制。

所述第一MCU控制器11用于根据所述运动加速度数据进行判断，若所述运动加速度数据大于预设的安全阈值，则同时输出停止控制信号和停止状态信号；所述停止控制信号经所述电压放大电路13进行放大后输入所述VEX机器人的工作电路，控制所述VEX机器人停止运动；所述停止状态信号经由所述第二无线通信电路22发送给所述第二MCU控制器21，所述第二MCU控制器21通过所述串口电路23将所述停止状态信号发送给外部PC机，实现外部PC机对所述VEX机器人运动状态的监控。

所述串口电路23接收来自外部PC机的恢复运动指令，并发送给所述第二MCU控制器21；所述第二MCU控制器21通过所述第二无线通信电路22将所述恢复运动指令发送给所述第一无线通信电路15，并发送至第一MCU控制器11；所述第一MCU控制器11根据所述恢复运动指令输出相应的恢复控制信号；所述恢复控制信号经所述电压放大电路13进行放大后输入所述VEX机器人的工作电路，控制所述VEX机器人恢复运动。在实际应用中，所述第一MCU控制器11可选用STM32F103ZE芯片，如图2a所示。STM32F103ZE芯片内部含有5个串口、1个12位DAC等资源，能够满足串口传输以及DA转换的需求。后备区域供电脚VBAT脚的供电采用CR1220纽扣电池和VCC3.3混合供电的方式，在有外部电源(VCC3.3)的时候，CR1220不给VBAT供电，而在外部电源断开的时候，则由CR1220给其供电。这样，VBAT总是有电的，以保证RTC的走时以及后备寄存器的内容不丢失。为了配合之后的放大电路，MCU(第一MCU控制器11)内部的DA使用的是3.3V的参考电压，即Vref+连接VDDA，即MCU(第一MCU控制器11)的DA输出的最大电压为3.3V。

所述加速度传感器电路12包括型号为ADXL345Z的加速度传感器芯片，如图2b所示。ADXL345Z芯片的8、13、14号引脚分别与MCU(第一MCU控制器11)的PF11、PB11和PB10引脚相接，其2、4、5、10号引脚接地，其1、7、12号引脚通过电阻R1与电源V3.3相接，其6号引脚与1号引脚相接，并通过并联的电容C1和C2与芯片的2号引脚相接。该芯片具有分辨率高(13位)，测量范围大(±16g)的特点，支持多种接口，本发明使用IIC接口来访问。

所述电压放大电路13包括型号为LM324的运算放大器芯片，如图2c所示。LM324芯片的2号引脚通过电阻R3接地、并通过电阻R2与1号引脚相接，其3号引脚通过R5与MCU(第一MCU控制器11)的PA4引脚相接。

所述第一电源电路由2个稳压芯片U4和U6组成，分别提供3.3V电压和5V电压，如图2d所示。DC_IN用于外部直流电源输入，经过U4DC-DC芯片转换为5V电源输出，其中D4是防反接二极管，避免外部直流电源极性搞错的时候，烧坏MCU芯片。K1为测控电路的总电源开关，F1为500mA自恢复保险丝，用于保护电源。U6为3.3V稳压芯片，给芯片提供3.3V电源。

所述USB串口电路14包括CH340G芯片和MiniUSB座，如图2e所示。其中，RESET是开发板的复位信号，BOOT0则是启动模式的B0信号。USB_232是一个MiniUSB座，提供CH340G和电脑通信的接口，同时可以在下载程序时给电路供电。USB串口电路主要用于程序的下载。

所述第一无线通信电路15使用NRF2401芯片，如图2f所示。此芯片与所述第一MCU控制器11无线通信连接，其1、2号引脚分别与地和3.3V电源相接，其3-8号引脚分别接到MCU(第一MCU控制器11)的PG6、PG7、PB13、PB15、PB14、PG8引脚。所述第二MCU控制器21选用STM32F407ZGT6芯片，如图2g所示。STM32F407ZGT6芯片包括3个IIC、6个串口、2个USB，能充分满足需求。

所述第二无线通信电路22使用NRF2401芯片，如图2h所示。此芯片与所述第二MCU控制器21无线通信连接，其3、4号引脚分别与第二MCU控制器21的PG6、PG7相接，其6、7、8号引脚分别与MCU(第二MCU控制器21)的PB3、PB5、PB4相接。所述的串口电路23采用型号为CH340G的USB转串口芯片，如图2i所示。芯片CH340G的2、3引脚分别与MCU的PA9和PA10相接，其5、6号引脚分别与USB的2、3接口相接。串口电路主要有两个作用，为通信电路供电和实现PC机和MCU的信息传输。第二电源电路由2个稳压芯片组成，U5为电路提供3.3V的电压，U6为电路提供5V的电压，如图2j所示。

实施例2：

如图3和图4所示，利用实施例1公开的辅助控制系统对VEX机器人的运动进行辅助控制的方法，包括如下步骤：

步骤S1，利用所述加速度传感器电路12实时采集所述VEX机器人的运动加速度数据，并将所述运动加速度数据发送给所述第一MCU控制器11。

步骤S2，利用所述第一MCU控制器将所述运动加速度数据转换输出为相应的控制信号(这里的控制信号是一个电压信号)；利用所述电压放大电路对所述控制信号进行放大，并输出放大控制信号至所述VEX机器人的工作电路；所述VEX机器人根据所述放大控制信号控制调整机器人的运动。

为了减少VEX机器人在发生剧烈碰撞时遭受损伤，作为较佳的实施方式，所述步骤S2进一步包括：

步骤S201，利用所述第一MCU控制器11根据所述运动加速度数据进行判断。若所述运动加速度数据大于预设的安全阈值，则进入步骤S202，否则进入步骤S203。

本步骤中的安全阈值可以根据实际情况进行选取。当VEX机器人在正常练习时，其机身加速度一般不会超过2g(考虑到启动时的瞬时加速度)，而发生剧烈碰撞时的瞬时加速度能达到20g。此数值甚至超出了加速度传感器的±16g量程。所以发生碰撞时，加速度传感器的输出为远远超出了1g左右的正常输出值。因此，可以将2g的加速度值设为安全阈值。

步骤S202，利用所述第一MCU控制器11同时输出停止控制信号(即第一MCU控制器11控制DA转换器输出值为3V)；所述停止控制信号经所述电压放大电路13进行放大后输入所述VEX机器人的工作电路，VEX机器人主控采集到电压信号之后控制所述VEX机器人停止运动；所述停止状态信号经由所述第一无线通信电路15发给所述第二无线通信电路22再发送给所述第二MCU控制器21，所述第二MCU控制器21通过所述串口电路23将所述停止状态信号发送给外部PC机，实现外部PC机对所述VEX机器人运动状态的监控。

步骤S203，利用所述第一MCU控制器11输出运行控制信号，所述VEX机器人正常运行。

在上述步骤中，当所述运动加速度数据大于预设的安全阈值时，即判定为VEX机器人发生剧烈碰撞，因此，及时控制机器人停止运动能够有效避免机器人因碰撞产生的损伤。进一步的，为了在机器人停机后及时恢复机器人的运行，保证机器人的正常工作，作为进一步的优化方案，辅助控制方法还可以进一步包括：

步骤S3，利用所述串口电路23接收来自外部PC机的恢复运动指令，并发送给所述第二MCU控制器21；利用所述第二MCU控制器21通过所述第二无线通信电路22将所述恢复运动指令发送给第一无线通信电路15，再发给所述第一MCU控制器11；利用所述第一MCU控制器11根据所述恢复运动指令输出相应的恢复控制信号；所述恢复控制信号经所述电压放大电路13进行放大后输入所述VEX机器人的工作电路，控制所述VEX机器人恢复运动。

在执行本实施例提供的控制方法的过程中，辅助控制系统内部具体的信号流转过程如下所示：PC机通过所述的串口电路23向第二MCU控制器21发送复位指令，所述的第二MCU控制器21通过101和102引脚接收到来自PC机的指令，与事先设置好的指令进行对比，如果指令一致则通过第二MCU控制器的91、92、93、133、134、135引脚以SPI的通信方式控制第二无线通信芯片，控制其输出复位指令，以便第一MCU控制器接收。第一MCU控制器通过第一无线通信电路接收到复位信号后，通过其内部的DAC转换器控制40引脚停止输出3V电平，并通过IIC的方式控制引脚69、70重新读取此时的加速度值，并按照一定的关系式转换为电压输出。所述的VEX主控芯片通过模拟输入接口采集到经过放大器输出的电压状态，并和自身内部预先设定值进行比较。此时的电压值并没有超出安全阈值，VEX主控芯片恢复对VEX机器人的供电，使其恢复工作状态。

本领域的技术人员容易理解，以上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VEX机器人教学辅助控制系统，用于对VEX机器人的运动进行辅助控制，其特征在于，所述辅助控制系统包括用于检测碰撞和控制运动的测控电路以及用于实现PC机和测控电路远距离信号交互的通信电路；其中：

所述测控电路包括第一MCU控制器、加速度传感器电路、电压放大电路、第一电源电路、第一无线通信电路、USB串口电路；所述第一MCU控制器分别与所述加速度传感器电路、所述电压放大电路、所述USB串口电路、所述第一无线通信电路连接，所述第一电源电路分别为所述第一MCU控制器、所述加速度传感器电路、所述电压放大电路、所述USB串口电路供电；所述电压放大电路与所述VEX机器人的工作电路连接；所述通信电路包括第二MCU控制器、第二无线通信电路、串口电路、第二电源电路；所述第二MCU控制器分别与所述第二无线通信电路和所述串口电路连接，所述第二电源电路分别为所述第二MCU控制器、所述第二无线通信电路、所述串口电路供电；所述第二无线通信电路与所述第一线通信电路以2.4G无线的方式连接；所述串口电路用于接入外部PC机；

所述加速度传感器电路用于实时采集所述VEX机器人的运动加速度数据，并将所述运动加速度数据发送给所述第一MCU控制器；所述第一MCU控制器用于将所述运动加速度数据转换输出为相应的控制信号；所述电压放大电路用于对所述控制信号进行放大，并输出放大控制信号至所述VEX机器人的工作电路；所述VEX机器人工作电路根据所述放大控制信号控制调整机器人的运动。

2.根据权利要求1所述的一种VEX机器人教学辅助控制系统，其特征在于：

所述第一MCU控制器用于根据所述运动加速度数据进行判断，若所述运动加速度数据大于预设的安全阈值，则同时输出停止控制信号和停止状态信号；所述停止控制信号经所述电压放大电路进行放大后输入所述VEX机器人的工作电路，所述VEX机器人工作电路中的主控芯片采集到来自所述电压放大电路的电压信号后控制所述VEX机器人停止运动；所述停止状态信号经由所述第一无线通信电路发送给所述第二无线通信电路，并发送至所述第二MCU控制器，所述第二MCU控制器通过所述串口电路将所述停止状态信号发送给外部PC机，实现外部PC机对所述VEX机器人运动状态的监控。

3.根据权利要求1所述的一种VEX机器人教学辅助控制系统，其特征在于：

所述串口电路接收来自外部PC机的恢复运动指令，并发送给所述第二MCU控制器；

所述第二MCU控制器通过所述第二无线通信电路将所述恢复运动指令发送给所述第一无线通信电路，进而发送给第一MCU控制器；所述第一MCU控制器根据所述恢复运动指令输出相应的恢复控制信号；所述恢复控制信号经所述电压放大电路进行放大后输入所述VEX机器人的工作电路，控制所述VEX机器人恢复运动。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种VEX机器人教学辅助控制系统，其特征在于：所述第一MCU控制器选用STM32F103ZE芯片；所述加速度传感器电路包括型号为ADXL345Z的加速度传感器芯片；所述电压放大电路包括型号为LM324的运算放大器芯片；所述USB串口电路包括CH340G芯片和MiniUSB座；所述第一无线通信电路使用NRF2401芯片；

所述第二MCU控制器选用STM32F407ZGT6芯片；所述第二无线通信电路使用NRF2401芯片；所述的串口电路采用型号为CH340G的USB转串口芯片，同时满足5V供电和通信的需求。

5.根据权利要求4所述的一种VEX机器人教学辅助控制系统，其特征在于：

所述的第一电源电路拥有外部直流供电、USB接口供电、电池供电三种方式；所述的第二电源电路使用AMS1117芯片，满足MCU3.3V的供电需求。

6.利用如权利要求1所述的辅助控制系统对VEX机器人的运动进行辅助控制的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，利用所述加速度传感器电路实时采集所述VEX机器人的运动加速度数据，并将所述运动加速度数据发送给所述第一MCU控制器；

步骤S2，利用所述第一MCU控制器将所述运动加速度数据转换输出为相应的控制信号；利用所述电压放大电路对所述控制信号进行放大，并输出放大控制信号至所述VEX机器人的工作电路；所述VEX机器人根据所述放大控制信号控制调整机器人的运动。

7.根据权利要求6所述的辅助控制方法，其特征在于：所述步骤S2进一步包括：

利用所述第一MCU控制器根据所述运动加速度数据进行判断，若所述运动加速度数据大于预设的安全阈值，则同时输出停止控制信号和停止状态信号；所述停止控制信号经所述电压放大电路进行放大后输入所述VEX机器人的工作电路，所述VEX机器人工作电路中的主控芯片采集到来自所述电压放大电路的电压信号后控制所述VEX机器人停止运动；所述停止状态信号经由所述第一无线通信电路发送给所述第二无线通信电路，再发送给所述第二MCU控制器，所述第二MCU控制器通过所述串口电路将所述停止状态信号发送给外部PC机，实现外部PC机对所述VEX机器人运动状态的监控。

8.根据权利要求7所述的辅助控制方法，其特征在于，进一步包括：

步骤S3，利用所述串口电路接收来自外部PC机的恢复运动指令，并发送给所述第二MCU控制器；利用所述第二MCU控制器通过所述第二无线通信电路将所述恢复运动指令发送给所述第一无线通信电路，再发送至第一MCU控制器；利用所述第一MCU控制器根据所述恢复运动指令输出相应的恢复控制信号；所述恢复控制信号经所述电压放大电路进行放大后输入所述VEX机器人的工作电路，控制所述VEX机器人恢复运动。