CN112186819B - 巡检机器人、供电系统保护装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种巡检机器人、供电系统保护装置及其控制方法，所述装置包括电压检测单元、第一电流检测单元、温度检测单元、第一处理器、门电路控制单元和电源开关；所述第一处理器根据电压检测单元、第一电流检测单元和温度检测单元输出的模拟信号，产生使能门电路控制单元的电平信号；所述门电路控制单元根据电压检测单元、第一电流检测单元、温度检测单元和第一处理器输出的电平信号进行逻辑运算，从而控制电源开关。本发明的门电路控制单元可以根据电压检测单元、第一电流检测单元和温度检测单元输出的电平信号快速产生保护动作，以减少故障后需要人为干预的情况。本发明可以广泛应用于机器人领域。

Description

巡检机器人、供电系统保护装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其是一种巡检机器人、供电系统保护装置及其控制方法。

背景技术

智能机器人被应用在很多工业场景之中，这些机器人通常包括电机控制系统，其电源模块可以分为工作电源和驱动电源，工作电源通常提供稳定的12V、5V和3.3V直流电源供给MCU或者传感器等部件，其间接作用于电机控制系统。而驱动电源则功率比较大，提供足够的动力直接作用于电机控制系统。由于驱动电源的功率较大，电机存在堵转和过热情况会导致驱动电源输出的电流过大，因此，容易存在电池过放或者控制板短路等情况。严重考验着电池的续航能力及可靠性。

而这些机器人中，常用的充电电池为铅酸电池，而铅酸电池没有任何过压、欠压、过流、过热及反接保护，如果机器人系统没有设计这些检测保护，电池寿命将会大大减少，不仅有可能会对机器人造成不可逆的损坏，还存在机器人起火的风险。所以电源保护装置在机器人中占据着重要的地位。

目前市面上用于电源保护的方案有两种，一种的电源管理芯片的方案，另一种是单片机方案。然而电源管理芯片的方案往往是为小电流场合设计的，其功能固定单一，因而不适用于机器人这样需要大电流驱动的场合。而单片机方案存在的问题则是检测延时，单片机需要通过ADC对采样电压进行转换，然后再根据转换后的数据来进行运算，这里所产生的延迟会使熔断保护器先发生动作，但是一旦熔断保护器发生熔断保护，机器人的电源会被完全断开，需要人工更换熔断保护器才能使机器人重新工作。这样使得机器人无法适用于24小时无间断工作的应用场景。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种巡检机器人、供电系统保护装置及其控制方法，以实现更可靠的供电保护，减少机器人发生保护动作时需要人工介入的情况，使得机器人可以适用于24小时无间断工作的应用场景。

本发明实施例的第一方面提供了：

一种供电系统保护装置，包括电压检测单元、第一电流检测单元、温度检测单元、第一处理器、门电路控制单元和电源开关；其中，

电压检测单元，用于对电池电压进行采样，得到第一模拟信号，并将第一模拟信号输入到第一处理器，以及将第一模拟信号与第一设定阈值比较得到第一电平信号，并将第一电平信号输出到门电路控制单元的第一输入端；

第一电流检测单元，用于对电池输出电流进行采样，得到第二模拟信号，并将第二模拟信号输入到第一处理器，以及将第二模拟信号与第二设定阈值比较得到第二电平信号，并将第二电平信号输出到门电路控制单元的第二输入端；

温度检测单元，用于对电池或者电源开关的温度进行采样，得到第三模拟信号，并将第三模拟信号输入到第一处理器，以及第三模拟信号与第三设定阈值比较得到第三电平信号，并将第三电平信号输出到门电路控制单元的第三输入端；

第一处理器，用于根据第一模拟信号、第二模拟信号和/或第三模拟信号，产生第四电平信号输出门电路控制单元的使能端；

门电路控制单元，用于根据第四电平信号对第一电平信号、第二电平信号和第三电平信号进行逻辑运算，输出用于控制电源开关的第五电平信号；

电源开关，用于根据第五电平信号控制电池的供电回路的通断。

进一步，还包括急停按钮，所述第一处理器还用于检测急停按钮的状态，并根据急停按钮的状态产生第四电平信号。

进一步，所述第一处理器上还连接有蜂鸣器和指示灯；

所述第一处理器根据第四电平信号控制蜂鸣器和指示灯。

进一步，还包括第二电流检测单元所述第二电流检测单元用于对电源开关的输出电流进行采样得到第四模拟信号，并将第四模拟信号输出到第一处理器；

所述第一处理器根据第四模拟信号和第二模拟信号判断是否存在反向电流，所述第一处理器判定存在反向电流时，通过第四电平信号使门电路控制单元断开电源开关。

进一步，所述电压检测单元包括双限比较器，所述双限比较器用于将第一模拟信号与第一设定阈值的上限值及下限值进行比较，得到第一电平信号；

第一电流检测单元包括第一单限比较器，所述第一单限比较器用于将第二模拟信号与第二设定阈值比较，得到第二电平信号；

温度检测单元包括第二单限比较器，所述第二单限比较器用于将第三模拟信号与第三设定阈值比较，得到第三电平信号。

进一步，还包括第二处理器、充电电路和充电开关，所述充电电路用于连接外部电源并向电池提供充电电压；

所述第二处理器与第一处理器通信，所述第一处理器根据第一模拟信号判定电池需要充电后，向第二处理器发送充电指令；

所述第二处理器根据充电指令，控制充电开关闭合，从而使充电电路与电池形成充电回路。

进一步，所述充电电路上设置有充电电流采样单元和充电电压采样单元，所述第二处理器通过充电电流采样单元采集电池的充电电流数据；所述第二处理器通过充电电压采样单元采集电池的充电电压数据；

在充电开关闭合时，所述第一处理器根据第一模拟信号判定电池已经完成充电后，向第二处理器发送停止充电指令；

在充电开关闭合时，所述第二处理器根据所述停止充电指令、电池的充电电压数据和/或电池的充电电流数据，控制充电开关断开。

进一步，所述电源开关的功率MOS管。

本发明实施例的第二方面提供了：

一种巡检机器人，包括所述的供电系统保护装置。

本发明实施例的第三方面提供了：

一种供电系统保护装置的控制方法，包括以下步骤：

从电压检测单元获取第一模拟信号；

从第一电流检测单元获取第二模拟信号；

从温度检测单元获取第三模拟信号；

根据第一模拟信号、第二模拟信号和/或第三模拟信号，产生第四电平信号输出门电路控制单元的使能端。

本发明的有益效果是：本发明的电压检测单元、第一电流检测单元和温度检测单元均分别将采样结果输出到第一处理器和门电路控制单元，当电压、电流和温度超出安全范围的情况可以通过门电路控制单元快速响应，减少在发生保护时由于器件烧毁需要人工干预的可能，同时，第一处理器也可以根据电压检测单元、第一电流检测单元和温度检测单元的采样结果使能门电路控制单元，从而控制电源开关的通断，因此本发明具备双重保护，在门电路控制单元根据电压检测单元、第一电流检测单元和温度检测单元的采样结果实施保护动作的保护机制失效时，还能通过第一处理器关断电压检测单元，从而切断电源开关，因此本发明具备更高的可靠性，使得机器人可以适用于24小时不间断工作的应用场景。

附图说明

图1为本发明一种具体实施例的供电系统保护装置的模块框图；

图2为本发明一种具体实施例的一种单限比较器的原理图；

图3为本发明一种具体实施例的一种双线比较器的原理图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例对本发明进行进一步的说明。

参照图1，本实施例公开了一种供电系统保护装置，其包括电压检测单元、第一电流检测单元、温度检测单元、第一处理器、门电路控制单元和电源开关；其中，

电压检测单元，用于对电池电压进行采样，得到第一模拟信号，并将第一模拟信号输入到第一处理器，以及将第一模拟信号与第一设定阈值比较得到第一电平信号，并将第一电平信号输出到门电路控制单元的第一输入端。

其中，电压检测单元，可以通过若干个采样电阻对电池电压进行分压采样，然后将分压后的采样电压直接输出到第一处理器的AD接口，使得第一处理器可以通过AD接口将采样电压的模拟值转换为数字值，然后根据采样电阻的参数，计算得到当前电池的电压，从而判定电池是否需要充电或者是否处于过低或者过高的电压。

当然了，采用AD转换的方式来检测电压会产生延迟，一旦电压、电流或者温度过高有可能触发需要人工恢复的保护动作，因此本实施例的电压检测单元，还会通过比较器，将采样得到的第一模拟信号与第一设定阈值进行比较，从而通过比较器输出一个电平信号来控制门电路控制单元，以增加响应速度。本实施例电压检测单元可以用来检测过压和/或低压，因此可以采用若干个单限比较器或者双限比较器来实现阈值判断。本实施例在同时检测电池过压和低压时，可以采用双限比较器来实现，即在电池电压低于第一设定阈值的下限值或者高于第一设定阈值的上限值时，通过第一电平信号来触发门电路控制单元产生切断电源开关的动作。

第一电流检测单元，用于对电池输出电流进行采样，得到第二模拟信号，并将第二模拟信号输入到第一处理器，以及将第二模拟信号与第二设定阈值比较得到第二电平信号，并将第二电平信号输出到门电路控制单元的第二输入端。

在本实施例中，第一电流检测单元实现电流检测的方式可以是，通过在电池的供电线路上串联采样电阻，然后对采样电阻两端的电压进行采样来间接得到电流采样信号，即得到第二模拟信号。当然，在一些实施例中，第二模拟信号可以经过放大后，才被输入到第一处理器的。所述第二模拟信号通过第一处理器的AD接口输入到第一处理器，第一处理器根据第二模拟信号以及采样电阻的参数，换算出电池的输出电流。当然，与前面讨论的结果一致的是，使用AD采样的方式来检测电流也会产生延时。因此，第一电流检测单元中还通过比较器对第二模拟信号和第二设定阈值进行比较，从而输出一个电平信号来对来触发门电路控制单元产生切断电源开关的动作，以增加响应速度。

温度检测单元，用于对电池或者电源开关的温度进行采样，得到第三模拟信号，并将第三模拟信号输入到第一处理器，以及第三模拟信号与第三设定阈值比较得到第三电平信号，并将第三电平信号输出到门电路控制单元的第三输入端。

温度检测单元在测温时，输出代表温度值的第三模拟信号到第一处理器的AD接口，第一处理器的AD接口对第三模拟信号进行模数转换，从而通过模数转换后的数值换算出温度值。同理，采用AD转换的方式来实现温度检测会产生一个相当的延时，而对于元器件来说，过高的温度会导致寿命快速折损甚至直接烧毁。因而，在温度过高时及时切断供电，能够有效地保护元器件。所以本实施例的温度检测单元也会通过比较器比较第三模拟信号和第三设定阈值之间的大小，从而产生一个电平信号来触发门电路控制单元产生切断电源开关的动作。所述温度检测单元，可以用于测量如功率MOS管、电池以及主芯片等重要部件的温度。

第一处理器，用于根据第一模拟信号、第二模拟信号和/或第三模拟信号，产生第四电平信号输出门电路控制单元的使能端。

所述第一处理器包括至少一个AD接口，在AD接口数量不够的情况下，可以通过设置数字开关的方式来实现AD接口的分时复用。当然了，在一些实施例中，也可以选择带有足够多AD接口的芯片作为第一处理器。所述第一处理器实际上会根据第一模拟信号、第二模拟信号和/或第三模拟信号，确定是否存在过流、低压、过压或者过温的情况，如果出现上述任何一种情况，会通过第四电平信号来禁用门电路控制单元，如果门电路控制单元被禁用，其输出电平会变成使电源开关断开的电平。通过第一处理器来控制门电路控制单元的使能端的目的在于，在由门电路控制单元、温度检测单元、电压检测单元和第一电流检测单元所组成的快速响应的逻辑电路失效的情况下，还能通过第一处理器执行切断电源开关的动作。因此，这相当于双保险的机制，可以增加系统的可靠性。如图1所示，本实施例的第一处理器通过一个DC/DC芯片取电的，因此，电源开关的通断不影响第一处理器的工作电源。

门电路控制单元，用于根据第四电平信号对第一电平信号、第二电平信号和第三电平信号进行逻辑运算，输出用于控制电源开关的第五电平信号。

也就是说，门电路控制控制单元的第一输入端、第二输入端和第三输入端相当于逻辑运算的电平输入端。

电源开关，用于根据第五电平信号控制电池的供电回路的通断。所述电源开关可以是MOS管或者继电器等。

在本实施例中，所述门电路控制单元，可以采用一个带使能端且能够实现或非逻辑的逻辑电路来实现。门电路控制单元的控制逻辑如表1所示。

表1

第一、第二和第三电平信号相或的结果	第四电平信号	第五电平信号	电源开关
				0	1	1	1
0	0	0	0
				1	0	0	0
1	1	0	0

其中，第一、第二和第三电平信号相或的结果等于1时，代表出现超温、低压、过压或者过流中的至少一种情况；第一、第二和第三电平信号相或的结果等于0时，代表温度、电压和电流均正常。第四电平信号等于1时，代表第一处理器允许门电路控制单元工作，第四电平信号等于0时，代表第一处理器禁止门电路控制单元工作。第五电平信号等于1时，表示接通电源开关，第五电平信号等于0时，表示断开电源开关。电源开关等于1时，表示电源开关的状态为接通，电源开关等于0时，表示电源开关的状态为关闭。

根据表1可知，第四电平信号决定门电路控制单元是否能够工作，而电源开关在出现温度、电流或者电压的异常时会使电源开关断开。

表1只是一种示例性说明，在采用不同的逻辑门设计时，电平的高低可能会与表1存在差异。

参照图1，作为优选的实施例，还包括急停按钮，所述第一处理器还用于检测急停按钮的状态，并根据急停按钮的状态产生第四电平信号。

一般情况下，急停按钮由维护人员手动按下，因此往往急停按钮被按下的原因并非由于出现电流、电压或者温度超过指标的问题。而是维护人员可能需要进行停机检查而实施的操作，可以认为急停按钮被按下后产生一定的延时，对机器人的影响是不大的。因此在本实施例中，急停按钮被按下以后，可以通过第一处理器来进行检测，并通过控制门电路控制单元的使能端来切断电源开关。本实施例将急停按钮的检测设置在第一处理器中，有助于简化门电路控制单元的设计，同时可以增加软件升级的灵活度。例如，可以在巡检机器人的软件中统计急停按钮被按下的次数和时间，以确定维护人员的维护情况。

参照图1，作为优选的实施例，所述第一处理器上还连接有蜂鸣器和指示灯；

所述第一处理器根据第四电平信号控制蜂鸣器和指示灯。

在本实施例中，所述蜂鸣器和指示灯可以由第一处理器的GPIO所控制，本实施例设置指示灯和蜂鸣器的目的在于，在切断电源开关后，能够发出报警，以作提醒。例如，值班人员可以通过远程摄像头观察到指示灯，从而得知机器人异常。或者在现场的值班人员，听到蜂鸣器的声音后可以前往查看情况。同样，在一些实施例中可以在第一处理器上连接多个按键，用于蜂鸣器和指示灯的模式设置，例如，设置亮灯而蜂鸣器不响。

参照图1，作为优选的实施例，还包括第二电流检测单元所述第二电流检测单元用于对电源开关的输出电流进行采样得到第四模拟信号，并将第四模拟信号输出到第一处理器；

所述第一处理器根据第四模拟信号和第二模拟信号判断是否存在反向电流，所述第一处理器判定存在反向电流时，通过第四电平信号使门电路控制单元断开电源开关。

在本实施例中，第一处理器通过第二电流检测单元所采集的第四模拟信号来检测电源开关的输出电流，第一处理器可以通过比较电池的输出电流和电源开关输出端的电流来确定是否存在反相电流。而第二模拟信号和第四模拟信号则是分别对应电池的输出电流的采样值和电流开关的输出电流的采样值。因此，第一处理器是根据第四模拟信号和第二模拟信号来判断是否存在反向电流的。所述第二电流检测单元，可以由串联在电源开关输出端的采样电压和电压放大器所组成。当然了，所述第二电流检测单元，其也可以采用霍尔传感器等电流传感器来实现。

作为优选的实施例，所述电压检测单元包括双限比较器，所述双限比较器用于将第一模拟信号与第一设定阈值的上限值及下限值进行比较，得到第一电平信号；

第一电流检测单元包括第一单限比较器，所述第一单限比较器用于将第二模拟信号与第二设定阈值比较，得到第二电平信号；

温度检测单元包括第二单限比较器，所述第二单限比较器用于将第三模拟信号与第三设定阈值比较，得到第三电平信号。

参照图2，本实施例提供一种单限比较器的原理图。参照图3，本实施例提供一种双限比较器的原理图。

本实施例的电压检测单元采用双限比较器，可以同时检测电池电压过压和低压，从而避免电池过放或者过充。

参照图1，作为优选的实施例，还包括第二处理器、充电电路和充电开关，所述充电电路用于连接外部电源并向电池提供充电电压；

所述第二处理器与第一处理器通信，所述第一处理器根据第一模拟信号判定电池需要充电后，向第二处理器发送充电指令；

所述第二处理器根据充电指令，控制充电开关闭合，从而使充电电路与电池形成充电回路。

在本实施例中，所述第一处理器和第二处理器可以通过串口通信，当然双方也可以采用如I2C等接口进行通信。其中，充电电路由充电接口和充电线路组成，在一些实施例中充电电路中还包括电压转换模块，至于充电电路是否包含电压转换模块，视外部供电电压而定。例如，充电电压为5V，如果外部供电电压为12V，则充电电路需要包含电压转换模块。在本实施例中，所述充电开关用于控制外部电源和电池之间的充电回路。所述充电开关由第二处理器控制，所述充电开关可以是MOS管或者继电器。所述第二处理器根据第一处理器对电池电压的测量来判断开始充电和结束充电的时机。

关于第二处理器的供电，其可以由电压变换单元所输出的3.3V进行供电。所述电压变换单元通过电源开关的输出端取电，并将电压变换为3.3V、5V和12V以供系统使用。

然而在实际运作用，充电时如果外部电源所提供的电压不稳定，有可能会造成充电电压或者充电电流不稳，从而缩短机器人电池的寿命。因此，本实施例将对充电时的充电电流和充电电压进行检测，并在充电电流或者充电电压出现异常的时候，切断充电回路。

参照图1，作为优选的实施例，所述充电电路上设置有充电电流采样单元和充电电压采样单元，所述第二处理器通过充电电流采样单元采集电池的充电电流数据；所述第二处理器通过充电电压采样单元采集电池的充电电压数据；

在充电开关闭合时，所述第一处理器根据第一模拟信号判定电池已经完成充电后，向第二处理器发送停止充电指令；

在充电开关闭合时，所述第二处理器根据所述停止充电指令、电池的充电电压数据和/或电池的充电电流数据，控制充电开关断开。

在本实施例中，第一处理器认为电池电压已经达到充满电的电压了，就会向第二处理器发送停止充电指令，让第二处理器断开充电开关。所述第二处理器也会根据充电电流采样单元和充电电压采样单元所采集的数据进行运算，从而算出充电电流和充电电压，并根据充电电流和充电电压与设定阈值之间的关系，判断充电电流和充电电压是否存在异常。

本实施例公开了一种巡检机器人，所述巡检机器人包括传感器、控制板、运动机构，以及上述装置实施例中所述的供电系统保护装置。

本实施例公开了一种供电系统保护装置的控制方法，应用于上述装置实施例中的第一处理器，其包括以下步骤：

从电压检测单元获取第一模拟信号；

从第一电流检测单元获取第二模拟信号；

从温度检测单元获取第三模拟信号；

根据第一模拟信号、第二模拟信号和/或第三模拟信号，产生第四电平信号输出门电路控制单元的使能端。

作为优选的实施例，还包括以下步骤：

在未充电时，根据第一模拟信号判定是否需要充电，在确定要充电后，向第二处理器发送充电指令；

在充电时，根据第一模拟信号判定是否结束充电，在确定要结束充电后，向第二处理器发送停止充电指令。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种供电系统保护装置，其特征在于：包括电压检测单元、第一电流检测单元、第二电流检测单元、温度检测单元、第一处理器、门电路控制单元和电源开关；其中，

电压检测单元，用于对电池电压进行采样，得到第一模拟信号，并将第一模拟信号输入到第一处理器，以及将第一模拟信号与第一设定阈值比较得到第一电平信号，并将第一电平信号输出到门电路控制单元的第一输入端；

第一电流检测单元，用于对电池输出电流进行采样，得到第二模拟信号，并将第二模拟信号输入到第一处理器，以及将第二模拟信号与第二设定阈值比较得到第二电平信号，并将第二电平信号输出到门电路控制单元的第二输入端；

温度检测单元，用于对电池或者电源开关的温度进行采样，得到第三模拟信号，并将第三模拟信号输入到第一处理器，以及第三模拟信号与第三设定阈值比较得到第三电平信号，并将第三电平信号输出到门电路控制单元的第三输入端；

第一处理器，用于根据第一模拟信号、第二模拟信号和/或第三模拟信号，产生第四电平信号输出门电路控制单元的使能端；

门电路控制单元，用于根据第四电平信号对第一电平信号、第二电平信号和第三电平信号进行逻辑运算，输出用于控制电源开关的第五电平信号；

电源开关，用于根据第五电平信号控制电池的供电回路的通断；

所述第二电流检测单元用于对电源开关的输出电流进行采样得到第四模拟信号，并将第四模拟信号输出到第一处理器；

所述第一处理器还根据第四模拟信号和第二模拟信号判断是否存在反向电流，所述第一处理器判定存在反向电流时，通过第四电平信号使门电路控制单元断开电源开关。

2.根据权利要求1所述的一种供电系统保护装置，其特征在于：还包括急停按钮，所述第一处理器还用于检测急停按钮的状态，并根据急停按钮的状态产生第四电平信号。

3.根据权利要求1所述的一种供电系统保护装置，其特征在于：所述第一处理器上还连接有蜂鸣器和指示灯；

所述第一处理器根据第四电平信号控制蜂鸣器和指示灯。

4.根据权利要求1所述的一种供电系统保护装置，其特征在于：所述电压检测单元包括双限比较器，所述双限比较器用于将第一模拟信号与第一设定阈值的上限值及下限值进行比较，得到第一电平信号；

所述第一电流检测单元包括第一单限比较器，所述第一单限比较器用于将第二模拟信号与第二设定阈值比较，得到第二电平信号；

所述温度检测单元包括第二单限比较器，所述第二单限比较器用于将第三模拟信号与第三设定阈值比较，得到第三电平信号。

5.根据权利要求1所述的一种供电系统保护装置，其特征在于：还包括第二处理器、充电电路和充电开关，所述充电电路用于连接外部电源并向电池提供充电电压；

所述第二处理器与第一处理器通信，所述第一处理器根据第一模拟信号判定电池需要充电后，向第二处理器发送充电指令；

所述第二处理器根据充电指令，控制充电开关闭合，从而使充电电路与电池形成充电回路。

6.根据权利要求5所述的一种供电系统保护装置，其特征在于：所述充电电路上设置有充电电流采样单元和充电电压采样单元，所述第二处理器通过充电电流采样单元采集电池的充电电流数据；所述第二处理器通过充电电压采样单元采集电池的充电电压数据；

在充电开关闭合时，所述第一处理器根据第一模拟信号判定电池已经完成充电后，向第二处理器发送停止充电指令；

在充电开关闭合时，所述第二处理器根据所述停止充电指令、电池的充电电压数据和/或电池的充电电流数据，控制充电开关断开。

7.根据权利要求1所述的一种供电系统保护装置，其特征在于：所述电源开关的功率MOS管。

8.一种巡检机器人，其特征在于：包括如权利要求1-7任一项所述的供电系统保护装置。

9.一种如权利要求1所述的供电系统保护装置的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

从电压检测单元获取第一模拟信号；

从第一电流检测单元获取第二模拟信号；

从温度检测单元获取第三模拟信号；

根据第一模拟信号、第二模拟信号和/或第三模拟信号，产生第四电平信号输出门电路控制单元的使能端。

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