CN110244745A - 轮式机器人运动执行及外设控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了轮式机器人运动执行及外设控制系统，包括控制器、工控机、驱动器、电机、测距传感器、直流电机、停障传感器、防跌落传感器、外围设备电源以及急停按钮，所述控制器通过通讯接口11与工控机通讯连接，所述控制器通过通讯接口12与驱动器通讯连接，所述控制器通过接口16、接口14与接口13分别与测距传感器、停障传感器与防跌落传感器电性连接。本发明主要针对轮式机器人运动执行及外设控制系统，可实现机器人运动控制功能和实现控制算法以及某些特定传感器的数据处理与控制独立于工控机，可极大提高机器人运动的实时性和稳定性，且集成多种传感器和控制接口，提高系统集成度，简化结构和电气布局，提高了系统的扩展性和可维护性。
Description
技术领域
本发明涉及机器人控制领域，具体为轮式机器人运动执行及外设控制系统。
背景技术
牵引变电所智能巡检机器人项目致力于实现铁路变电站智能化，无人化，涉及图像识别，红外测温，语音识别，激光导航，运动控制等高新技术，能够实现变电站各类仪表，变压器油位，绝缘子破损情况，线头脱落与松动情况的智能检测，实现快速报警与迅速反应，智能机器人完全实现激光导航无轨化自主行走，轮式机器人分为两驱、四驱、全向全驱等，由电机驱动车轮旋转完成机器人的运动控制，两驱和四驱机器人主要通过差速转向完成机器人的转向操作，全向全驱机器人除了有四个驱动电机外，还有四个舵机完成机器人的转向操作，现有机器人运动控制方式是由基于ROS的工控机来完成，工控机同时需要完成机器人的构图、导航、停障、运动规划、与上位机和各种传感器的通讯和驱动设备的控制等功能，对于某些需要特殊接口控制的传感器和驱动设备，通过外接转换电路或接口的方式来实现，往往导致工控机负担过大和CPU占有率过高，进而导致运动控制实时性过低增大机器人的不稳定性，甚至出现机器人发生撞击事件等更严重的后果。整个机器人的检测和控制需要较多的传感器和驱动、控制设备，由于设备多且分散，对结构布局、电气布线带来较大的工作量，同时较多的接口数量对工控机设计、产品选型都增加了难度，有时需增加接口转换模块，使控制系统较为繁琐。
发明内容
本发明的目的在于提供轮式机器人运动执行及外设控制系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：轮式机器人运动执行及外设控制系统，包括控制器、工控机、驱动器、电机、测距传感器、直流电机、停障传感器、防跌落传感器、外围设备电源以及急停按钮，所述控制器通过通讯接口11与工控机通讯连接，所述控制器通过通讯接口12与驱动器通讯连接，所述驱动器与电机电性连接，所述控制器通过接口16、接口14与接口13分别与测距传感器、停障传感器与防跌落传感器电性连接，所述控制器通过接口15与直流电机电性连接，所述控制器通过接口19与接口18分别与外围设备电源与急停按钮电性连接，所述控制器的接口17接直流电机三相电，所述控制器的接口20接驱动器三相电，控制器可以接收工控机的控制指令，并经过速度规划算法转换为各电机转速，下发至驱动器，控制器可以检测驱动器、测距传感器、停障传感器与防跌落传感器信息，完成特殊状况下的应急操作，并将信息反馈给工控机，控制器可完成外围设备的电源管理，控制器可完成驱动器三相电流滤波和急停状态下电机的电流释放。
优选的，所述控制器接收到工控机指令后经过运算，将控制指令发送到驱动器，并采集驱动器信息。
优选的，所述控制器可检测停障传感器与防跌落传感器的数据，获取路况信息，完成特殊路况下的紧急停车或其他应急动作。
优选的，所述接口13为GPI输入接口，所述接口14为RS485接口，所述接口15为PWM输出接口，所述接口16为RS485接口，所述通讯接口12采用CAN接口，所述接口19为继电器输出接口。
优选的，所述控制器通过接口13和接口14可连接防跌落传感器和避障传感器，获得机器人路况信息，并完成特殊路况下的紧急停车或其他应急动作。
优选的，所述控制器通过接口19和外围设备的电源电气相连，可控制设备电源通断，完成外围设备电源管理。
优选的，所述控制器通过接口17和接口20可连接直流电机三相电和驱动器三相电，通过接口18连接急停按钮，完成驱动器三相电流滤波和急停状态下电机电流释放。
优选的，所述通讯接口11选用RJ45接口和UDP通讯方式。
优选的，所述控制器包括主控芯片与PHY芯片，所述主控芯片选用STM32F407，且主控芯片通过PHY芯片连接RJ45接口形成网络通讯接口。
优选的，所述PHY芯片选用DP83848C，RJ45接口为输入输出的网口，RJ45接口为标准的以太网物理层接口，所述PHY芯片实现数据编码、译码和收发，通过网口RJ45进行数据的交互。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明主要针对轮式机器人运动执行及外设控制系统，此系统硬件系统由市场主流控制单片机芯片以及各种接口组成，包括：工控机通讯接口、电机驱动器通讯接口、停障超传感器、防跌落传感器、机器人其他设备传感器通讯接口，外围设备电源管理接口以及驱动器和电机三相电滤波接口等，并且所有接口都设计滤波和隔离措施，提高系统的抗干扰能力，同样软件系统包括各种通讯协议，能够和工控机完成实时通讯，控制器将编码器、电流、速度等机器人实时数据传送至工控机，同时接受工控机运动指令，经过速度规划算法转化为各电机转速，控制机器人运动，并与机器人电机驱动器进行实时通讯，获取电机驱动器状态并控制电机运动，结合停障超声波通讯协议，获取机器人停障超声波数据，集成PWM和PID控制算法，控制机器人云台升降，硬件中断算法，实现机器人防跌落功能，接收工控机外围设备电源控制指令并控制外围设备电源通断，以上，可实现机器人运动控制功能和实现某些特定传感器的数据处理和控制独立于工控机，可极大提高机器人运动的实时性和稳定性，且集成多种传感器和控制接口，提高系统集成度，简化结构和电气布局，提高了系统的扩展性和可维护性。
附图说明
图1为本发明的控制器整体结构示意图；
图2为本发明的控制器的主控芯片的集成接口示意图；
图3为本发明的供电系统示意图；
图4为本发明的驱动器通讯接口电路示意图；
图5为本发明的升降杆高度检测接口电路示意图；
图6为本发明的通用输入接口电路示意图；
图7为本发明的停障传感器接口电路连接示意图；
图8为本发明的网络通讯接口电路连接示意图；
图9为本发明的直流电机驱动电路示意图；
图10为本发明的外围电源控制电路；
图11为本发明的电感滤波和紧急停车电路；
图12为本发明的主要软件控制算法。
具体实施方式
下面将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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
请参阅图1至图12，本发明提供一种技术方案：轮式机器人运动执行及外设控制系统，如图1所示，包括控制器、工控机、驱动器、电机、测距传感器、直流电机、停障传感器、防跌落传感器、外围设备电源以及急停按钮，所述控制器通过通讯接口11与工控机通讯连接，所述控制器通过通讯接口12与驱动器通讯连接，所述驱动器与电机电性连接，所述控制器通过接口16、接口14与接口13分别与测距传感器、停障传感器与防跌落传感器电性连接，所述控制器通过接口15与直流电机电性连接，所述控制器通过接口19与接口18分别与外围设备电源与急停按钮电性连接，所述控制器的接口17接直流电机三相电，所述接口20接驱动器三相电，控制器可以接收工控机的控制指令，并经过速度规划算法转化为各电机转速，控制车体运动，控制器可以检测驱动器、测距传感器、停障传感器与防跌落传感器信息，完成特殊状况下的应急操作，并将信息反馈给工控机，控制器可接收工控机外围设备电源控制指令并控制外围设备电源通断，控制器可完成驱动器三相电滤波，控制器可在急停状态下完成电机三相电流释放。
具体的，如图1所示，控制器可以接收上位机的控制指令，同时可以将驱动器和传感器信息反馈给上位机，可选的通讯接口11包括RJ45封装的网络接口、CAN接口、串口等，通讯方式可以为TCP/IP、UDP、CANOPEN、RS485等，本发明中选用RJ45接口和UDP通讯方式，控制器接收到工控机指令后经过运算，将控制指令发送到驱动器，并采集驱动器信息，可选的通讯接口可12以是CAN接口或串口，通信协议可以遵循CANOPEN协议或RS485、RS232等，本发明中采用CAN接口和CANOPEN通讯协议，控制器通过接口13和14可连接防跌落和避障传感器，获得机器人路况信息，完成特殊路况下的紧急停车或其他应急动作，防止机器人发生碰撞和跌落，可选的13、14接口可根据传感器配置，本发明中13接口为GPI输入接口，14为RS485接口，控制器可以通过接口19控制外围设备电源的通断，本发明中为继电器输出接口，控制器可以通过15接口驱动直流无刷电机并可通过16接口检测距离信息，本发明中15接口驱动升降杆，并通过16RS232接口检测升降杆高度信息，控制器可通过18接口控制车体的紧急停车，通过17、20接口完成驱动器三相电流的电感滤波和急停状态下释放反向电流达到保护驱动器的目的。
具体的，如图2所示，可选的，主控芯片可以为常规主控单片机芯片，本发明中选用STM32F407，接口包括主控芯片与工控机通讯接口，可选的，本发明中采用RJ45网络通讯接口；传感器信号通用输入接口，本发明中，传感器包括跌落传感器；电源接口，本发明中电源为24V直流电源；障碍物检测接口，本发明中传感器为超声波传感器，接口为RS485接口；模拟信号输出接口，本发明中主要用于检测电池母线电压；升降杆高度检测接口，本发明中为RS232接口；电机驱动接口，本发明中用于驱动升降杆；传感器电源控制接口，本发明中为继电器控制外围各传感器的电源，急停电路输出接口，本发明中为经过电感滤波的电机UVW动力电源、急停电路输入接口，本发明中包括急停信号输入和驱动器UVW信号输入接口。
具体的，如图3所示，输入总电源为24V直流电源，为整个系统供电，通过电压转换芯片输出5V和3.3V信号，在此对电压转换芯片的类型不做限制，本发明中选用MC34063和AMS1117芯片，通过电压转换芯片MC34063将24V直流电转换为5V直流电源，为RS232、RS485、CAN通讯芯片供，再通过芯片AMS1117转换为3.3V为主控芯片STM32F407、温度传感器、网络通讯芯片供电。
具体的，如图4所示，运控板可通过驱动器通讯接口和驱动器进行数据通讯，本发明中选择CAN通讯接口，CAN通讯接口与电机驱动器交互信息，可以控制电机运动，同时采集电机运动信息，主控芯片通过高速光耦6N137与CAN通讯芯片PCA82C251T相连，增强通讯的抗干扰性能，PCA82C251T与外部设备相连，同时末路CAN接口输出端CANH与CANL配置120R电阻，并可通过跳线选择连接或断开，当控制器作为CAN总线终端设备时，可连接120R电阻作为终端电阻。
具体的，如图5所示，可选的，本发明中为RS232接口，接口芯片采用SP3232芯片并经过6N137隔离。
具体的，如图6所示，可检测防跌落传感器状态，本发明中，接口选用数字输入接口，主控芯片GPI接口通过光耦EL357N和输入接口相连，当有跌落状态产生时，光耦导通，主控芯片检测到跌落信号。
具体的，如图7所示，本发明中选用RS485接口，可与避障超声波板、高度传感器等支持RS485接口的设备通讯，主控芯片通过高速隔离芯片与RS485芯片相连，隔离芯片与RS485芯片的型号、类型和性能不做限制，本发明中隔离芯片选用高速光耦6N137,RS485芯片选择SP485EE，两芯片采用隔离5V电源供电，SP485EE与RS485输出接口相连。
具体的，如图8所示，主控芯片通过PHY芯片连接RJ45接口形成网络通讯接口与工控机通讯，在本发明中，PHY芯片可以根据不同的应用场景选择任何可以实施的芯片，在此对于上述芯片的具体型号、类型和性能均不做限制可选地，本发明中PHY芯片选用DP83848C，输入输出接口可以是网口RJ45，主控芯片与PHY芯片相连，PHY芯片实现数据编码、译码和收发，通过标准的以太网物理层接口，即网口RJ45进行数据的交互。
具体的，如图9所示，驱动芯片采用BTS7960，驱动电流可达43A，通过主控芯片控制实现电机控制，可实现电机正反转控制和速度调节，配合测距传感器使用可实现位置控制，可选的如控制机器人升降杆的升降，由RS232通讯的拉绳传感器检测升降杆实时高度，并控制升降杆电机运动，从而实现升降杆的精确位置控制。
具体的，如图10所示，输出端配有光电耦合器隔离，光电耦合器的输出端为+24v，驱动继电器输出，输出驱动芯片采用MC1413，光耦芯片采用EL357N。
具体的，如图11所示，由双节点继电器控制，当急停按钮按下时，由2个20W，30RJ的水泥电阻释放反向电流。
具体的，如图12所示，主要包括机器人运动控制算法，主控芯片接收工控机的车体速度和角度指令，通过差速转向或全向全驱控制算法，转化为各电机的速度，并控制车轮转动；速度控制算法，包括S曲线和T曲线控制算法，控制电机平滑运动；直流电机控制算法和升降杆高度控制算法，定时接收工控机高度指令并检测升降杆实时高度，并通过PID控制算法精确控制升降杆高度；停障，防跌落算法算法，实时接收停障传感器和跌落传感器信息，经过滤波后，如发现有跌落和碰撞风险，及时停车；温度控制算法，定时检测环境温度，超过阈值后通过控制风扇和加热器控制机舱温度；外围传感器电源控制算法，定时接收工控机电源管理指令，控制电源通断。
综上所述，该轮式机器人运动控制器，控制器可以接收工控机的控制指令，同时可以将驱动器和传感器信息反馈给工控机，可选的通讯接口11包括RJ45封装的网络接口、CAN接口、串口等，通讯方式可以为TCP/IP、UDP、CANOPEN、RS485等，本发明中选用RJ45接口和UDP通讯方式，控制器接收到工控机指令后经过运算，将控制指令发送到驱动器，并采集驱动器信息，可选的通讯接口12为CAN接口或串口，通信协议可以遵循CANOPEN协议或RS485、RS232等，本发明中采用CAN接口和CANOPEN通讯协议，控制器通过接口13和14可连接防跌落传感器和避障传感器，获得机器人路况信息，防止机器人发生碰撞和跌落，可选的接口13与接口14可根据传感器进行配置，本发明中接口13为GPI输入接口，接口14为RS485接口，控制器可以通过接口15和接口16检测车体内其他传感器或者控制车体内其他驱动设备，接口方式可根据传感器选择，本发明中接口15为PWM输出接口，接口16为RS485接口，主控芯片可以为常规主控单片机芯片，本发明中选用STM32F407，主控芯片通过PHY芯片连接RJ45接口形成网络通讯接口，在本发明中，PHY芯片可以根据不同的应用场景选择任何可以实施的芯片，在此对于上述芯片的具体型号、类型和性能均不做限制，本发明中PHY芯片选用DP83848C，输入输出接口可以是网口RJ45，主控芯片与PHY芯片相连，PHY芯片实现数据编码、译码和收发，通过标准的以太网物理层接口，即网口RJ45进行数据的交互，控制器供电系统通过电压转换芯片输出的3.3V直流电源供电，在此对电压转换芯片的类型不做限制，本发明中选用MC34063和AMS1117芯片，通过电压转换芯片MC34063将24V直流电转换为5V主流电源，再通过芯片AMS1117转换为3.3V为主控芯片STM32F407供电，同时，MC34063芯片输出的5VDC通过电源隔离芯片BS0505为RS485和CAN通讯芯片供电，控制器可通过接口12和驱动器进行数据通讯，本发明中选择CAN通讯接口，CAN通讯接口与电机驱动器交互信息，可以控制电机运动，同时采集电机运动信息，主控芯片通过高速光耦6N137与CAN通讯芯片PCA82C251T相连，增强通讯的抗干扰性能，PCA82C251T与外部设备相连，同时CAN接口输出端CANH与CANL配置120R电阻，并可通过跳线选择连接或断开，当运动控制板作为CAN总线终端设备时，可连接120R电阻作为终端电阻，控制器集成防跌落传感器接口，本发明中，防跌落传感器接口选用数字输入接口，主控芯片GPI接口通过光耦EL357N和输入接口相连，控制器集成避障传感器接口，本发明中选用RS485接口，可与避障超声波板、测距传感器等支持RS485接口的设备通讯，主控芯片通过高速隔离芯片与RS485芯片相连，隔离芯片与4RS85芯片的型号、类型和性能不做限制，本发明中隔离芯片选用高速光耦6N137,RS485芯片选择SP485EE，两芯片采用隔离5V电源供电，SP485EE与RS485输出接口相连，控制器可通过接口17和接口20分别接电机和驱动器三相电，完成驱动器三相电流滤波，本发明中，滤波电感采用8A，60uH工型电感。控制器可通过接口18接急停按钮，本发明通过两个20W，30RJ的水泥电阻释放反向电流，保护驱动器。
本发明主要针对轮式机器人运动执行及外设控制系统，此系统硬件系统由市场主流控制单片机芯片以及各种通讯接口组成，包括：工控机通讯接口、电机驱动器通讯接口、停障超传感器、防跌落传感器，驱动器三相电滤波接口，机器人外设电源管理接口以及机器人其他设备传感器通讯接口等，并且所有接口都设计滤波和隔离措施，提高系统的抗干扰能力，同样软件系统包括各种通讯协议，能够和工控机完成实时通讯，控制器将编码器、电流、速度等机器人实时数据传送至工控机，同时接受工控机运动指令，经过速度规划算法转换成各电机转速，控制机器人运动，并与机器人电机驱动器进行实时通讯，获取电机驱动器状态并控制电机运动，结合停障超声波通讯协议，获取机器人停障超声波数据，集成PWM和PID控制算法，控制机器人云台升降，硬件中断算法，实现机器人防跌落功能，控制器可接收工控机外围设备电源控制指令并控制外围设备电源通断，控制器可完成驱动器三相电滤波，控制器可在急停状态下完成电机三相电流释放。以上，可实现机器人运动控制功能和实现某些特定传感器的数据处理独立于工控机，可极大提高机器人运动的实时性和稳定性，且集成多种传感器和控制接口，提高系统集成度，简化结构和电气布局，提高了系统的扩展性和可维护性。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.轮式机器人运动执行及外设控制系统，其特征在于，包括控制器、工控机、驱动器、电机、测距传感器、直流电机、停障传感器、防跌落传感器、外围设备电源以及急停按钮，所述控制器通过通讯接口11与工控机通讯连接，所述控制器通过通讯接口12与驱动器通讯连接，所述驱动器与电机电性连接，所述控制器通过接口16、接口14与接口13分别与测距传感器、停障传感器与防跌落传感器电性连接，所述控制器通过接口15与直流电机电性连接，所述控制器通过接口19与接口18分别与外围设备电源与急停按钮电性连接，所述控制器的接口17接直流电机三相电，所述控制器通过接口20接驱动器三相电，控制器可以接收工控机的控制指令，控制器可将驱动器、测距传感器、停障传感器与防跌落传感器信息反馈给工控机。
2.根据权利要求1所述的轮式机器人运动执行及外设控制系统，其特征在于：所述控制器接收到工控机车体速度指令后经过速度规划算法，转换成各电机的转速，将转速控制指令发送到驱动器，并采集驱动器信息。
3.根据权利要求1所述的轮式机器人运动执行及外设控制系统，其特征在于：所述控制器可检测停障传感器与防跌落传感器的数据，获取路况信息，完成特殊路况下的紧急停车或其他应急动作。
4.根据权利要求1所述的轮式机器人运动执行及外设控制系统，其特征在于：所述接口13为GPI输入接口，所述接口14为RS485接口，所述接口15为PWM输出接口，所述接口16为RS485接口，所述通讯接口12采用CAN接口。
5.根据权利要求1所述的轮式机器人运动执行及外设控制系统，其特征在于：所述控制器通过接口13和接口14可连接防跌落传感器和避障传感器，获得机器人路况信息。
6.根据权利要求1所述的轮式机器人运动执行及外设控制系统，其特征在于：所述控制器通过接口19和外围设备的电源电气相连，可控制设备电源通断，完成外围设备电源管理。
7.根据权利要求1所述的轮式机器人运动执行及外设控制系统，其特征在于：所述控制器通过接口17和接口20可连接直流电机三相电和驱动器三相电，通过接口18连接急停按钮，完成驱动器三相电流滤波和急停状态下电机电流释放。
8.根据权利要求1所述的轮式机器人运动执行及外设控制系统，其特征在于：所述通讯接口11选用RJ45接口和UDP通讯方式。
9.根据权利要求1所述的轮式机器人运动执行及外设控制系统，其特征在于：所述控制器包括主控芯片与PHY芯片，所述主控芯片选用STM32F407，且主控芯片通过PHY芯片连接RJ45接口形成网络通讯接口。
10.根据权利要求9所述的轮式机器人运动执行及外设控制系统，其特征在于：所述PHY芯片选用DP83848C，RJ45接口为输入输出的网口，RJ45接口为标准的以太网物理层接口，所述PHY芯片实现数据编码、译码和收发，通过网口RJ45进行数据的交互。
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