CN111585486A - 八驱步进电机差速全向式运动控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种八驱步进电机差速全向式运动控制系统及控制方法，采用在重载机器人底盘的四个支撑点上设置四个驱动模块，每个驱动模块由两个对称设置的步进电机、角速度传感器模块和速度传感器模块组成，八台步进电机各自配套驱动器，底盘上八台步进电机全部接入控制系统，通过速度传感器模块和角度传感器模块实现闭环控制，通过联动控制算法和差分控制算法以及自动纠偏算法实现每台步进电机独立控制，机器人本体实现联动。本发明解决了现有仓储物流重载机器人机动性差、转弯半径大、伺服驱动成本高的缺陷，本发明控制系统柔性化程度高、机动灵活，实现八驱步进电机360°无死角任意曲线运动、原地旋转、90°侧移、斜行运动、任意半径圆周运动。

Description

八驱步进电机差速全向式运动控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种八驱步进电机差速全向式运动控制系统，尤其是一种将步进电机应用于重载搬运机器人运动系统，实现高效的货物搬运的控制系统，属于仓储物流领域。

背景技术

在智能仓储领域，客户为了提升实现空间利用率，最大化节约成本，将仓库的机器人航道设计的很窄，这就需要仓储机器人更加的机动灵活，能在复杂工况下实现高效、稳定、安全作业。

传统仓储物流重载机器人采用两轮伺服电机差速驱动，前驱或者后驱模式外加辅助轮配合，控制系统无法实现对底盘辅助轮的联动，一方面转弯半径大、机动性能低，另外一方面是重载机器人采用大轮毂配合伺服电机，设计较大占用空间、载重量有限，伺服成本高。因此，一个智能仓储分拣库就需要配备不同种类的IGV（“Intelligent GuidedVehicle”，智慧型引导运输车）来满足不同工况下作业，导致整个系统的协调、调度复杂化，这都将极大的影响仓储立体库分拣的时效性、准确性。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种八驱步进电机差速全向式运动控制系统，将机器人底盘的所有轮子纳入被控对象，实现360°自由调节，步进电机体积小、重量轻，空间结构紧凑，解决目前转弯半径大的缺陷，缩小占用空间，提高机动性能。

按照本发明提供的技术方案，一种八驱步进电机差速全向式运动控制系统，其特征是：包括主控系统硬件平台、设置于重载机器人底盘的四个支撑点上的四个驱动模块，四个驱动模块与底盘组成机器人的行车支架；每个驱动模块分别由两个对称设置的步进电机、角度传感器模块和速度传感器模块组成，八台步进电机各自配套步进电机驱动器；

所述主控系统硬件平台包括处理器，处理器连接各个角度传感器模块、速度传感器模块及步进电机驱动器，处理器由角度传感器模块和速度传感器模块的采集信息获取步进电机的运动数据；

所述处理器连接上位机单元用于与上位机通信，上位机单元用于接收目标指令及上传控制系统的状态信息数据；

所述处理器连接PWM输出单元和使能及方向信号输出单元，处理器将采集信息与目标指令相比较，通过PWM输出单元和使能及方向信号输出单元输出差分PWM脉冲、差分方向信号、使能信号，PWM输出单元和使能及方向信号输出单元连接至步进电机驱动器，以控制步进电机的运动。

进一步地，所述主控系统硬件平台上设置角度传感器数据接收单元，作为角度传感器模块的上传数据的串口。

进一步地，所述角度传感器模块上设置磁编码器采集芯片和角度传感器数据处理器；所述角度传感器数据处理器用于与主控系统硬件平台通信，用于处理器数据反馈。

进一步地，所述速度传感器模块设置于步进电机的电机轴上连接步进电机转子一起转动，用于获取转动脉冲数；所述主控系统硬件平台上设置有差分接收芯片，用于接收速度传感器模块的差分输入脉冲，将差分信号转成单端信号输入到处理器中。

所述八驱步进电机差速全向式运动控制方法，其特征是：采用在重载机器人底盘的四个支撑点上分别设置四个驱动模块，每个驱动模块由两个对称设置的步进电机、角速度传感器模块和速度传感器模块组成，八台步进电机各自配套驱动器；通过速度传感器模块和角度传感器模块获取到机器人本体的运动数据，将运动数据进行矢量分解，分配到每个轮子上，每台步进电机独立控制协调八个步进电机联动，每个电机按照分配的速度和角度运动，机器人本体实现联动；包括以下方法：

S1、控制系统接收到上位机的指令后，获取到每个轮子的位姿信息，并调整每个驱动模块角度与目标角度保持一致；

S2、角度传感器模块将角度数据通过角度传感器数据接收单元传给处理器，处理器得到每个驱动模块的角度信息，用于与目标角度相比较，实时调整驱动模块的两个步进电机的速度差以实现角度的矫正；

S3、速度传感器模块设置于步进电机的转子上，随着转子转动，输出两路相位差90°的差分方波信号，转成单端信号输入处理器，处理器集成了定时器，处理器调用定时器的光电编码器模式记录输入的脉冲数，与每个轮子的量化后目标转速脉冲数进行对比，使用PID控制算法进行量化运算得到PWM脉冲，通过定时器的PWM功能将计算得到的PWM脉冲数输出，驱动步进电机调整速度；

S4、在目标值不变的情况下，角度传感器模块和速度传感器模块检测出轮子偏离目标轨迹后，调用自动纠偏算法调整轮子的位姿，自动纠偏算法依据偏离的情况自动调整速度差；

所述自动纠偏算法是指机器人在执行运动命令的过程中，通过角度传感器模块和传感器模块获知速度信息和角度信息，与目标指令比较通过自动纠偏控制调整步进电机的速度和角度，使其与其它被控对象保持协调一致。

进一步地，每个驱动模块在运动之前，先调整驱动模块角度与目标角度保持一致，每个驱动模块调整到位后再执行运动命令。

进一步地，运动过程中接收到上位机的运动指令与当前指令不一致，每个驱动模块继续运动，新的运动指令通逐步覆盖原来的运动指令，再配合自动纠偏算法使轮子调整到目标指令。

进一步地，所述角度传感器模块包括角度传感器数据处理器和磁编码器采集芯片，角度传感器数据处理器获取磁编码器采集芯片的绝对角度值，并由角度传感器数据处理器处理成正负180°的相对值。

本发明具有以下优点：

（1）本发明每个驱动模块分别设置一个角度传感器和速度传感器，即一个脉冲量对应一个角度值，便于控制，并且体积小、重量轻，便于安装、缩小空间；

（2）用于底盘支撑点的驱动模块集成了两台步进电机和角度传感器以及速度传感器，托起整个机器人本体，跟随本体运动，检测模块的角度和步进电机的速度信息，适用范围广，安全稳定可靠；

（3）本发明解决了现有仓储物流重载机器人机动性差、转弯半径大、伺服驱动成本高的缺陷，本发明的运动控制系统柔性化程度高、机动灵活，能够实现八驱步进电机360°无死角任意曲线运动、原地旋转、90°侧移、斜行运动、任意半径圆周运动。

附图说明

图1为重载机器人的底盘示意图。

图2为本发明所述控制系统的硬件平台接口示意图。

图3为本发明所述控制系统的角度传感器示意图。

图4为本发明所述控制系统的速度传感器示意图。

图5为本发明所述控制系统的步进电机驱动器示意图。

附图标记说明：1-第一步进电机、2-第二步进电机、3-第三步进电机、4-第四步进电机、5-第五步进电机、6-第六步进电机、7-第七步进电机、8-第八步进电机、A-第一驱动模块、B-第二驱动模块、C-第三驱动模块、D-第四驱动模块、9-角度传感器数据接收单元、10-PWM输出单元、11-使能及方向信号输出单元、12-差分接收芯片、13-连接上位机单元、14-处理器、15-角度传感器数据处理器、16-磁编码器采集芯片、17-速度传感器模块、18-角度传感器模块、19-步进电机驱动器。

具体实施方式

下面结合具体附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明所述八驱步进电机差速全向式运动控制系统包括以STM32系列处理器为控制核心的主控系统硬件平台、设置于重载机器人底盘的四个支撑点上的第一驱动模块A、第二驱动模块B、第三驱动模块C和第四驱动模块D，上述四个驱动模块A-D与底盘组成IGV机器人的行车支架；每个驱动模块分别由两个对称设置的步进电机、角度传感器模块18和速度传感器模块17组成，八台步进电机各自配套步进电机驱动器19，步进电机驱动器19设置于控制柜中（如图5所示）；具体地：第一驱动模块A由第一步进电机1、第二步进电机2、角度传感器和速度传感器组成，第二驱动模块B由第三步进电机3、第四步进电机4、角度传感器和速度传感器组成，第三驱动模块C由第五步进电机5、第六步进电机6、角度传感器和速度传感器组成，第四驱动模块D由第七步进电机7、第八步进电机8、角度传感器和速度传感器组成。

所述主控系统硬件平台包括处理器14，处理器14采用STM32系列处理器，主频最高达到400MH；所述处理器14连接各个角度传感器模块、速度传感器模块及步进电机驱动器，处理器14根据各个角度传感器模块和速度传感器模块的采集信息获取步进电机的运动数据，调用联动控制算法、差速控制算法和自动纠偏算法等功能计算出合理的脉冲数，通过定时器PWM功能输出控制步进电机驱动器。

软件算法包括联动控制算法和差分控制算法以及自动纠偏算法，所述软件算法实现整个运动控制的协调、联动；角度传感器依次设置于每个动力模块，速度传感器装置依次设置于每台步进电机上；八台步进电机依次设置于底盘的支撑点上；驱动器连接步进电机和主控系统。

如图3所示，为了实现对角度传感器和速度传感器进行高效的数据采集，能为运动控制提供精准的数据提供依据，所述主控系统硬件平台上设置角度传感器数据接收单元9（即角度传感器模块18的上传数据的串口）；所述角度传感器模块18上设置用于感应磁场强度的磁编码器采集芯片16和角度传感器数据处理器15，磁编码器采集芯片16分辨率可达1/13；所述角度传感器数据处理器15用于与主控系统硬件平台通信，用于处理器数据反馈，在本实施例中采用STM32芯片，用于将SPI获取的数据通过传输器UART232发送给主控板，采用全双工模式，提高通信的稳度性。

所述速度传感器模块17设置于步进电机的电机轴上连接步进电机转子一起转动，用于获取转动脉冲数；所述速度传感器模块17采用的是500线的光电编码器差分输出，主控系统硬件平台上设置有差分接收芯片12，用于接收速度传感器模块17的差分输入脉冲，将差分信号转成单端信号输入到处理器14中；为了实现对步进电机进行精确的控制，所述主控板上设置了PWM输出单元10和使能及方向信号输出单元11，PWM输出单元10用于输出差分PWM脉冲、差分方向信号，使能及方向信号输出单元11用于输出使能信号，PWM输出单元10和使能及方向信号输出单元11输出到步进电机驱动器19，步进电机接收到使能有效情况下，记录输入的脉冲数和方向信号，驱动步进电机按照脉冲数和方向运动，实现对步进电机的精准控制，设置于主控板上的连接上位机单元13用于与上位机通信，上位机单元13用于接收目标指令（如速度指令）及上传控制系统的里程计及状态信息等数据，保证上位机能实时高效地对控制主控系统。

本发明所述八驱步进电机差速全向式运动控制方法，采用在重载机器人底盘的四个支撑点上分别设置四个驱动模块，每个驱动模块由两个对称设置的步进电机、角速度传感器模块和速度传感器模块组成，八台步进电机各自配套驱动器，底盘上八台步进电机全部接入控制系统，通过速度传感器模块和角度传感器模块实现闭环控制，通过联动控制算法和差分控制算法以及自动纠偏算法实现每台步进电机独立控制，机器人本体实现联动。即：所述联动控制算法是获取到机器人本体的运动数据（角度数据和速度数据）后，将运动数据进行矢量分解，分配到每个轮子上，协调八个步进电机联动，每个电机按照分配的速度和运动方向运动；所述差分控制算法是指获取的运动数据需要机器人本体切换原来的运行轨迹，通过调整八个电机的速度差来调整机器人的位姿；所述自动纠偏算法是指机器人在执行运动命令的过程中，通过外置的传感器获知出现未能准确执行目标速度指令和方向指令的电机，通过自动纠偏控制调整步进电机的速度和角度，使其与其它被控对象保持协调一致。

本发明所述八驱步进电机差速全向式运动控制方法，具体如下：

S1、控制系统上电后，一直处于待机状态，通过连接上位机单元13接收到上位机的速度指令后，调用联动控制算法进行矢量分解，获取到每个轮子的位姿信息，并调整每个驱动模块角度与目标角度保持一致；

S2、角度传感器数据处理器15通过SPI获取磁编码器采集芯片16的绝对角度值，并由角度传感器数据处理器15处理成正负180°的相对值；将处理后的角度数据通过角度传感器数据接收单元传给处理器14，处理器14得到每个驱动模块的角度信息，用于与目标角度相比较，实时调整驱动模块的两个步进电机的速度差以实现角度的矫正；速度传感器模块17设置于步进电机的转子上，随着转子转动，输出两路相位差90°的差分方波信号，主控系统硬件平台通过差分接收芯片12转成单端信号输入处理器14，处理器14集成了定时器，处理器14调用定时器的光电编码器模式记录输入的脉冲数，与每个轮子的量化后目标转速脉冲数进行对比，使用PID控制算法进行量化运算得到PWM脉冲，通过定时器的PWM功能将计算得到的PWM脉冲数输出，驱动步进电机调整速度；

获取的运动数据需要机器人本体切换原来的运行轨迹，采用差分控制算法调整八个电机的速度差实现调整机器人的位姿调整；所述差分控制算法将上位机获取的速度信息矢量分解后得到四个单驱动模块A~D的速度信息，每个单驱动模块集成两台步进电机，通过调用差分控制算法分解得到每台步进电机的位姿信息，通过PWM输出单元10、使能及方向信号输出单元11控制步进电机驱动器19，适时调整速度和方向。

所述联动控制算法控制八台步进电机1~8的速度和启、停的节奏，保证四个单驱动模块A~D在运动的过程中保持相对一致，使IGV底盘平稳移动，不致出现本体扭动、摇晃等想象，静止状态下接收到上位机的运动指令，每个驱动模块在运动之前，先调整模块角度与目标角度保持一致，依据路况执行的先后顺序不同，调整到位会有先后，所述联动控制算法协调每个驱动模块保证所有模块调整到位后再执行运动命令。运动过程中接收到上位机的运动指令与当前指令不一致，所述联动控制算法使每个驱动模块A~D继续运动，新的运动指令通过PID控制算法逐步覆盖原来的运动指令，再配合自动纠偏算法使轮子快速调整到目标指令。

S3、在目标值不变的情况下，角度传感器模块18和速度传感器模块17检测出轮子偏离目标轨迹后，调用自动纠偏算法调整轮子的位姿，自动纠偏算法依据偏离的情况自动调整速度差；

所述角度传感器模块18检测到与目标角度相差越大，驱动模块A~D内置的两个对称步进电机的自动调整速度差越大，轮子就会越快速纠正到原来的轨道，基于步进电机速度越大，其输出扭矩越小的特点，为了保证有足够的力矩输出驱动IGV拉货，在自动纠偏算法中设置了步进电机调整的最大速度值，自动调整速度值超过最大设置速度值按最大设置速度值调整。

Claims (8)

1.一种八驱步进电机差速全向式运动控制系统，其特征是：包括主控系统硬件平台、设置于重载机器人底盘的四个支撑点上的四个驱动模块，四个驱动模块与底盘组成机器人的行车支架；每个驱动模块分别由两个对称设置的步进电机、角度传感器模块（18）和速度传感器模块（17）组成，八台步进电机各自配套步进电机驱动器；

所述主控系统硬件平台包括处理器（14），处理器（14）连接各个角度传感器模块、速度传感器模块及步进电机驱动器，处理器由角度传感器模块和速度传感器模块的采集信息获取步进电机的运动数据；

所述处理器（14）连接上位机单元（13）用于与上位机通信，上位机单元（13）用于接收目标指令及上传控制系统的状态信息数据；

所述处理器（14）连接PWM输出单元（10）和使能及方向信号输出单元（11），处理器（14）将采集信息与目标指令相比较，通过PWM输出单元（10）和使能及方向信号输出单元（11）输出差分PWM脉冲、差分方向信号、使能信号，PWM输出单元（10）和使能及方向信号输出单元（11）连接至步进电机驱动器（19），以控制步进电机的运动。

2.如权利要求1所述的八驱步进电机差速全向式运动控制系统，其特征是：所述主控系统硬件平台上设置角度传感器数据接收单元（9），作为角度传感器模块（18）的上传数据的串口。

3.如权利要求1所述的八驱步进电机差速全向式运动控制系统，其特征是：所述角度传感器模块（18）上设置磁编码器采集芯片（16）和角度传感器数据处理器（15）；所述角度传感器数据处理器（15）用于与主控系统硬件平台通信，用于处理器数据反馈。

4.如权利要求1所述的八驱步进电机差速全向式运动控制系统，其特征是：所述速度传感器模块（17）设置于步进电机的电机轴上连接步进电机转子一起转动，用于获取转动脉冲数；所述主控系统硬件平台上设置有差分接收芯片（12），用于接收速度传感器模块（17）的差分输入脉冲，将差分信号转成单端信号输入到处理器（14）中。

5.一种八驱步进电机差速全向式运动控制方法，其特征是：采用在重载机器人底盘的四个支撑点上分别设置四个驱动模块，每个驱动模块由两个对称设置的步进电机、角速度传感器模块和速度传感器模块组成，八台步进电机各自配套驱动器；通过速度传感器模块和角度传感器模块获取到机器人本体的运动数据，将运动数据进行矢量分解，分配到每个轮子上，每台步进电机独立控制协调八个步进电机联动，每个电机按照分配的速度和角度运动，机器人本体实现联动；包括以下方法：

S1、控制系统接收到上位机的指令后，获取到每个轮子的位姿信息，并调整每个驱动模块角度与目标角度保持一致；

S2、角度传感器模块（18）将角度数据通过角度传感器数据接收单元传给处理器（14），处理器（14）得到每个驱动模块的角度信息，用于与目标角度相比较，实时调整驱动模块的两个步进电机的速度差以实现角度的矫正；

S3、速度传感器模块（17）设置于步进电机的转子上，随着转子转动，输出两路相位差90°的差分方波信号，转成单端信号输入处理器（14），处理器（14）集成了定时器，处理器（14）调用定时器的光电编码器模式记录输入的脉冲数，与每个轮子的量化后目标转速脉冲数进行对比，使用PID控制算法进行量化运算得到PWM脉冲，通过定时器的PWM功能将计算得到的PWM脉冲数输出，驱动步进电机调整速度；

S4、在目标值不变的情况下，角度传感器模块（18）和速度传感器模块（17）检测出轮子偏离目标轨迹后，调用自动纠偏算法调整轮子的位姿，自动纠偏算法依据偏离的情况自动调整速度差；

所述自动纠偏算法是指机器人在执行运动命令的过程中，通过角度传感器模块（18）和传感器模块（17）获知速度信息和角度信息，与目标指令比较通过自动纠偏控制调整步进电机的速度和角度，使其与其它被控对象保持协调一致。

6.如权利要求5所述的八驱步进电机差速全向式运动控制方法，其特征是：每个驱动模块在运动之前，先调整驱动模块角度与目标角度保持一致，每个驱动模块调整到位后再执行运动命令。

7.如权利要求5所述的八驱步进电机差速全向式运动控制方法，其特征是：运动过程中接收到上位机的运动指令与当前指令不一致，每个驱动模块继续运动，新的运动指令通逐步覆盖原来的运动指令，再配合自动纠偏算法使轮子调整到目标指令。

8.如权利要求5所述的八驱步进电机差速全向式运动控制方法，其特征是：所述角度传感器模块（18）包括角度传感器数据处理器（15）和磁编码器采集芯片（16），角度传感器数据处理器（15）获取磁编码器采集芯片（16）的绝对角度值，并由角度传感器数据处理器（15）处理成正负180°的相对值。

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