CN108964186A - 应用于携带冗余机械臂的飞行机器人的模块化电源的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于携带冗余机械臂的飞行机器人的模块化电源的设计方法，主要包括如下步骤：根据携带冗余机械臂的飞行机器人的设计需求，设计模块化电源的输入输出指标；根据所述的输入输出指标，设计电源模块与电路板的连接方式、输入输出端口等；根据电源模块的端口设计内容，画出单个电源模块的功能框图；所述单个电源模块包括开关电源系统、自主均流系统、保护系统；根据设计的单个电源模块的硬件系统原理图，设计制作模块化电源的PCB电路板；将所述PCB电路板安装到携带冗余度机械臂的飞行器机器人中。本发明方法在模块化电源的安全性、可靠性、二次开发等方面有很大提高，具有很强的实用性。
Description
技术领域
本发明涉及飞行机器人电源驱动器设计领域，特别涉及一种应用于携带冗余机械臂的飞行机器人的模块化电源的设计方法。
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。冗余度机械臂的电源来源于航模装载的锂电池，对于功率、安全、可靠性有一定的要求，特别是在进行携带负载的运动时。不当的设计可能会导致硬件电路的失效，对飞行安全构成威胁。
目前大部分技术是将电源驱动器与电源报警器作为一个独立的部分进行设计，二次开发难度大。为了解决上述问题，并实现飞行机器人电源驱动器与携带冗余度机械臂的飞行机器人的硬件系统进行信息融合，为解决飞行机器人携带冗余度机械臂平台构建等问题提供硬件基础。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供应用于携带冗余机械臂的飞行机器人的模块化电源的设计方法，将电源模块并联组合，实现功率分配，并采用自主均流法，保证在某些电源模块出现异常时，不至于在飞行机器人携带的机械臂工作时异常中切断电源的输出，产生某些灾难性后果。
为实现以上目的，本发明采取如下技术方案：
应用于携带冗余机械臂的飞行机器人的模块化电源的设计方法，包括下述步骤：
1)根据携带冗余机械臂的飞行机器人的设计需求，设计模块化电源的输入输出指标；
2)设计电源模块与电路板的连接方式、输入输出端口和使用的接插件及其定义；
3)将电源模块与电路板按照功能组合进一步设计，画出单个电源模块的功能框图；所述单个电源模块包括开关电源系统、自主均流系统、保护系统；
4)根据步骤3)设计的单个电源模块的硬件系统原理图，结合单个电源模块与主电路的连接方式与接插件定义，设计制作模块化电源的PCB电路板；
5)根据步骤4)设计得到的模块化电源的PCB电路板，将该PCB电路板安装到携带冗余度机械臂的飞行机器人中，对保护系统的电路模块烧录保护控制程序，利用功率和串行通讯接口与飞行机器人主板连接，实现多模块冗余工作控制。
作为优选的技术方案，步骤1)中，所述模块化电源的输入输出指标包括：输入电压范围、输出电压范围、以及输出电流范围；
作为优选的技术方案，步骤2)中，所述电源模块与电路板的连接方式采用HT508K-5.08-8P接线端子；
所述电源模块的输出端口设计包括输出功率、输出电压、以及输出电流的信号输出端口，同时还设计一个用于控制开关电源模块的接入与切断的信号输入端口；
所述使用的接插件及其定义分别为：①电源输入+、②电源输入-、③电源输出+、④电源输出-、⑤均流信号-、⑥均流信号+、⑦串口TXD、⑧串口RXD；其中①～④号接口为功率接口，⑤、⑥号接口为均流母线接口，⑦、⑧号接口为串口通讯总线。
作为优选的技术方案，步骤3)中，所述开关电源系统包括反馈式BUCK降压开关电源稳压电路；
所述自主均流系统包括电流反馈电路、均流控制器和电源调节电路；
所述保护系统包括电压采样电路、电流采样电路、保护控制器和无触点开关电路。
作为优选的技术方案，所述开关电源系统使用LM2596-ADJ芯片及其外围电路组成；所述开关电源系统，用于实现将11.1V～22.2V航模锂电池电压稳压到可供冗余机械臂的伺服电机或舵机并作为电源的电压，同时开关电源系统用作所述自主均流系统实现电流平均过程的执行器。
作为优选的技术方案，所述自主均流系统采用均流控制器，用于实现开关电源模块供电电流的检测、放大与比较；并采用最大电流自主均流法进行电源模块的负载电流平均，实现模块化电源系统的冗余备份。
作为优选的技术方案，所述均流控制器通过均流母线使各个电源模块并联，采用自主均流法进行均流，将电流最大的电源模块作为主模块，剩余模块作为从模块；当模块化电源系统中作为主模块的电源模块失效时，若输出断开，则该电源模块输出电流降低，由主模块自动变为从模块；若输出短路，则保护控制器及时切断输出；
所述均流控制器还用于主从电源模块间的电流比较和开关电源系统的电压反馈环节的调节，从而实现主从模块的电流跟踪。
作为优选的技术方案，所述保护系统采用电压放大电路，将开关电源系统输出的电压信号转换成0-5V的信号；采用电流专用放大器，将开关电源系统输出的电流信号转换成0-5V的信号；
所述保护控制器采用了STC15系列的8051内核增强型单片机，利用单片机内的多通道ADC，采集ADC转换后的输出电压和电流信号，作为所述保护模块的输入参考信号；
采用MOSFET构成开关电源系统的功率输出端和自主均流系统的共享总线输出端的无触点开关，用于在电源异常或主控控制作用下切断电源的输出和均流信号的输出。
作为优选的技术方案，步骤4)中，所述设计制作模块化电源硬件系统的电路板，具体过程如下：
将多个电源模块并联，并将航模电池按照极性接入电源输入端口，模块化电源并联时，各电源模块的8个接插件分别相连接，其中电源输入包括电源输入+与电源输入－两个接口，电源输出包括电源输出+与电源输出－两个接口，均流母线包括均流+与均流－两个接口，串口总线包括串口发送与串口接收两个端口，电源系统控制器通过串口总线与各个电源模块相连。
作为优选的技术方案，步骤5)中，通过编写保护系统中保护控制器的控制程序完成电源故障报警与主动保护系统的控制系统开发。
本发明相对于现有技术具有如下的优点和效果：
本发明采用冗余设计，主要目的是主控能够及时切断产生异常的电源模块，将电源模块并联组合，实现功率分配，并采用自主均流法。冗余设计可以保证在某些电源模块出现异常时，不至于在飞行机器人携带的机械臂工作时异常中断电源的输出，产生某些灾难性后果。本发明的方法对于携带冗余机械臂的飞行机器人的机械臂驱动电源设计具有较强的指导意义，在模块化电源的安全性、可靠性、二次开发等方面有很大提高，大大提高了相应系统的整体安全性能，具有很强的实用性。
附图说明
图1为本发明的应用于携带冗余机械臂的飞行机器人的模块化电源的设计方法流程图；
图2为本实施例的模块化电源单模块的结构图；
图3为本实施例的模块化电源系统的组合结构图；
图4为本实施例的模块化电源系统安装结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案以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的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不限于本发明。
实施例
如图1所示，应用于携带冗余机械臂的飞行机器人的模块化电源的设计方法，包括下述步骤：
1)根据携带冗余机械臂的飞行机器人的设计需求，设计模块化电源的输入输出指标；
所述模块化电源的输入输出指标包括：输入电压范围、输出电压范围、以及输出电流范围；
2)设计电源模块与电路板的连接方式、输入输出端口和使用的接插件与其定义，具体如下：
所述电源模块与电路板的连接方式采用HT508K-5.08-8P接线端子；
所述电源模块的输出端口设计包括输出功率、输出电压、以及输出电流的信号输出端口，同时还设计一个用于控制电源模块的接入与切断的信号输入端口；
所述使用的接插件及其定义分别为：①电源输入+、②电源输入-、③电源输出+、④电源输出-、⑤均流信号-、⑥均流信号+、⑦串口TXD、⑧串口RXD；其中①～④号接口为功率接口，⑤、⑥号接口为均流母线接口，⑦、⑧号接口为串口通讯总线。
3)将电源模块与电路板按照功能组合进一步设计，画出单个电源模块的功能框图；所述单个电源模块包括开关电源系统、自主均流系统、保护系统；
所述开关电源系统包括反馈式BUCK降压开关电源稳压电路；
所述自主均流系统包括电流反馈电路、均流控制器和电源调节电路；
所述保护系统包括电压采样电路、电流采样电路、保护控制器和无触点开关电路。
4)根据步骤3)设计的单个电源模块的硬件系统原理图，结合单个电源模块与主电路的连接方式与接插件定义，设计制作模块化电源的PCB电路板，具体过程如下：
如图3所示，将多个电源模块并联，并将航模电池按照极性接入电源输入端口，模块化电源并联时，各电源模块的8个接插件分别相连接；其中电源输入包括电源输入+与电源输入－两个接口；电源输出包括电源输出+与电源输出－两个接口；均流母线包括均流+与均流－两个接口；串口总线包括串口发送与串口接收两个端口；电源系统控制器通过串口总线与各个电源模块相连。
5)根据步骤4)设计得到的模块化电源的PCB电路板，将该PCB电路板安装到携带冗余度机械臂的飞行机器人中，对保护系统的电路模块烧录保护控制程序，利用功率和串行通讯接口与飞行机器人主板连接，实现多模块冗余工作控制。
在本实施例中，通过编写保护系统中保护控制器的控制程序完成电源故障报警与主动保护系统的控制系统开发。
在本实施例的步骤3)中，所述开关电源系统使用LM2596-ADJ芯片及其外围电路组成；所述开关电源系统，用于实现将11.1V～22.2V(3串联～6串联)航模锂电池电压稳压到可供冗余机械臂的伺服电机或舵机并作为电源的电压，同时开关电源系统用作所述自主均流系统实现电流平均过程的执行器。
所述自主均流系统采用均流控制器，用于实现开关电源系统供电电流的检测、放大与比较；并采用最大电流自主均流法进行电源模块的负载电流平均，实现模块化电源系统的冗余备份。
所述保护系统采用电压放大电路，将开关电源系统输出的电压信号转换成0-5V的信号；采用电流专用放大器，将开关电源系统输出的电流信号转换成0-5V的信号；
所述保护控制器采用了STC15系列的8051内核增强型单片机，利用单片机内的多通道ADC，采集ADC转换后的输出电压和电流信号，作为所述保护系统的输入参考信号；
采用MOSFET构成开关电源系统功率输出端和自主均流系统的共享总线输出端的无触点开关，用于在电源异常或主控控制作用下切断电源的输出和均流信号的输出。
如图2所示为模块化电源系统的单个电源模块结构图，均流控制器通过均流母线使各模块并联。在本实施例中，采用自主均流法进行均流，因此电流最大的电源模块作为主模块，剩余模块为从模块；当模块化电源系统中作为主模块的电源模块失效时，若输出断开，则该电源模块输出电流降低，由主模块自动变为从模块，不会影响其余模块正常工作；若输出短路，则保护控制器及时切断输出，也不会对电源系统输出造成严重影响。如在本实施中，所述均流控制器还用于主从电源模块间的电流比较和开关电源系统的电压反馈环节的调节，从而实现主从模块的电流跟踪。在本实施例中，保护控制器的具备两方面的作用：一方面是监控电源模块的电压和电流输出，在电源模块失效时切断输出，保护模块化电源系统；另一方面是接收通过串口通讯总线传输的电压信号，通过DAC调整开关电源模块的反馈输入端电压，调整输出的目标电压。
如图3所示，电源系统控制器通过串口总线与各个电源模块相连，主要功能是：发送设定好的电压值到各电源模块；从电源模块中读取电压、电流值以及故障状态；与主控电路交换数据，在电源失效危及飞行安全时，使飞控程序做出降高、返航等保护动作。
图4所示为模块化电源安装结构示意图。将电源模块集成到一块体积较小的印刷电路板上，在电路板边缘设计金属触点，引出电源模块的所有输入输出端口。安装时将电源模块插入模块化电源系统板上设计的插槽并锁紧，并且设计安装或拆除较为方便，容易替换。
在本实施例中，将电源模块进行组合主要是为了实现功率的分配，因此模块采用并联功率端口输出的方式来提高组合后的电源的功率输出能力；电源并联主要存在功率平均的问题，应当尽量使各电源模块输出功率相近。本实施例还采用冗余设计，主要目的是主控能够及时切断产生异常的电源模块，冗余设计可以保证在某些电源模块出现异常时，不至于在飞行机器人携带的机械臂工作时异常中断电源的输出，产生某些灾难性后果。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以权利要求所述为准。
Claims (10)
1.应用于携带冗余机械臂的飞行机器人的模块化电源的设计方法，其特征在于，包括下述步骤：
1)根据携带冗余机械臂的飞行机器人的设计需求，设计模块化电源的输入输出指标；
2)设计电源模块与电路板的连接方式、输入输出端口和使用的接插件及其定义；
3)将电源模块与电路板按照功能组合进一步设计，画出单个电源模块的功能框图；所述单个电源模块包括开关电源系统、自主均流系统、保护系统；
4)根据步骤3)设计的单个电源模块的硬件系统原理图，结合单个电源模块与主电路的连接方式与接插件定义，设计制作模块化电源的PCB电路板；
5)根据步骤4)设计得到的模块化电源的PCB电路板，将该PCB电路板安装到携带冗余度机械臂的飞行机器人中，对保护系统的电路模块烧录保护控制程序，利用功率和串行通讯接口与飞行机器人主板连接，实现多模块冗余工作控制。
2.根据权利要求1所述的应用于携带冗余机械臂的飞行机器人的模块化电源的设计方法，其特征在于，步骤1)中，所述模块化电源的输入输出指标包括：输入电压范围、输出电压范围、以及输出电流范围。
3.根据权利要求1所述的应用于携带冗余机械臂的飞行机器人的模块化电源的设计方法，其特征在于，步骤2)中，所述电源模块与电路板的连接方式采用HT508K-5.08-8P接线端子；
所述电源模块的输出端口设计包括输出功率、输出电压、以及输出电流的信号输出端口，同时还设计一个用于控制开关电源模块的接入与切断的信号输入端口；
所述使用的接插件及其定义分别为：①电源输入+、②电源输入-、③电源输出+、④电源输出-、⑤均流信号-、⑥均流信号+、⑦串口TXD、⑧串口RXD；其中①～④号接口为功率接口，⑤、⑥号接口为均流母线接口，⑦、⑧号接口为串口通讯总线。
4.根据权利要求1所述的应用于携带冗余机械臂的飞行机器人的模块化电源的设计方法，其特征在于，步骤3)中，所述开关电源系统包括反馈式BUCK降压开关电源稳压电路；
所述自主均流系统包括电流反馈电路、均流控制器和电源调节电路；
所述保护系统包括电压采样电路、电流采样电路、保护控制器和无触点开关电路。
5.根据权利要求4所述的应用于携带冗余机械臂的飞行机器人的模块化电源的设计方法，其特征在于，所述开关电源系统使用LM2596-ADJ芯片及其外围电路组成；所述开关电源系统，用于实现将11.1V～22.2V航模锂电池电压稳压到可供冗余机械臂的伺服电机或舵机并作为电源的电压，同时开关电源系统用作所述自主均流系统实现电流平均过程的执行器。
6.根据权利要求4所述的应用于携带冗余机械臂的飞行机器人的模块化电源的设计方法，其特征在于，所述自主均流系统采用均流控制器，用于实现开关电源模块供电电流的检测、放大与比较；并采用最大电流自主均流法进行电源模块的负载电流平均，实现模块化电源系统的冗余备份。
7.根据权利要求6所述的应用于携带冗余机械臂的飞行机器人的模块化电源的设计方法，其特征在于，所述均流控制器通过均流母线使各个电源模块并联，采用自主均流法进行均流，将电流最大的电源模块作为主模块，剩余模块作为从模块；当模块化电源系统中作为主模块的电源模块失效时，若输出断开，则该电源模块输出电流降低，由主模块自动变为从模块；若输出短路，则保护控制器及时切断输出；
所述均流控制器还用于主从电源模块间的电流比较和开关电源系统的电压反馈环节的调节，从而实现主从模块的电流跟踪。
8.根据权利要求4所述的应用于携带冗余机械臂的飞行机器人的模块化电源的设计方法，其特征在于，所述保护系统采用电压放大电路，将开关电源系统输出的电压信号转换成0-5V的信号；采用电流专用放大器，将开关电源系统输出的电流信号转换成0-5V的信号；
所述保护控制器采用了STC15系列的8051内核增强型单片机，利用单片机内的多通道ADC，采集ADC转换后的输出电压和电流信号，作为所述保护模块的输入参考信号；
采用MOSFET构成开关电源系统的功率输出端和自主均流系统的共享总线输出端的无触点开关，用于在电源异常或主控控制作用下切断电源的输出和均流信号的输出。
9.根据权利要求1所述的应用于携带冗余机械臂的飞行机器人的模块化电源的设计方法，其特征在于，步骤4)中，所述设计制作模块化电源硬件系统的电路板，具体过程如下：
将多个电源模块并联，并将航模电池按照极性接入电源输入端口，模块化电源并联时，各电源模块的8个接插件分别相连接，其中电源输入包括电源输入+与电源输入－两个接口，电源输出包括电源输出+与电源输出－两个接口，均流母线包括均流+与均流－两个接口，串口总线包括串口发送与串口接收两个端口，电源系统控制器通过串口总线与各个电源模块相连。
10.根据权利要求1所述的应用于携带冗余机械臂的飞行机器人的模块化电源的设计方法，其特征在于，步骤5)中，通过编写保护系统中保护控制器的控制程序完成电源故障报警与主动保护系统的控制系统开发。
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