CN112578708A - 一种积木主控系统 - Google Patents

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Abstract

一种积木主控系统，它涉及一种玩具技术领域，具体涉及一种积木系统，它包含包含控制器模块主体、直流电机和舵机，所述控制器模块主体包括上盖及与所述上盖可拆卸连接的电池盒，所述上盖安装有PCB板，所述电池盒设有容纳电池的容纳腔，所述上盖顶部设有多排平行设置的凸柱，所述电池盒底部设有多排平行设置的板连接孔，所述电池侧还包括前端面、后端面、左侧面及右侧面，所述电池盒的前端面、后端面、左侧面及右侧面均设有若干个第一梁连接孔，所述直流电机和舵机连接在控制器模块主体上，本发明搭建方式灵活多样，其主控模块集各种功能为一体的特点，具有良好的电机驱动能力和舵机控制方式。

Description

一种积木主控系统
技术领域
本发明涉及控制技术领域，具体涉及一种积木主控系统。
背景技术
目前，积木板面结构与梁结构相互搭建并存困难，在板面结构中很难使用梁结构，在梁结构中很难使用板面结构，用来固定控制器装置；在板面结构中，只能使用适用板面结构的控制器装置，在梁结构中，只能使用适用梁结构的控制器装置，这样会导致成本上升各适用范围变小。
同时当前市场上应用于玩具上的驱动装置都采用直流电直接控制，驱动方式简单，存在着使用效果差等缺点，同时在舵机连接上，传统的S-Wire单总线舵机中，每个总线上的舵机都是串接在一个信号线上的，信号线上的数据对每个舵机均可见，这种方式资源结构简单、成本低廉但是速度低，当主机与从机发生数据交互时，其他串接在主机上的舵机需要等待，这就对舵机的实时性产生了影响。在UART异步总线舵机中，每个总线上的舵机都相当与一个数据收发器使用的是发送方发出数据后，不等接收方发回响应，接着发送下个数据包的通讯方式，这种情况下虽然通信速度极大的提高了但是数据的可靠性不能得到很好的保证因此在实际使用中容易因为数据堵塞或者失效造成舵机的动作不规整，这为用户的使用带来了不便。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种积木主控系统，它集多中功能模式为一体，既满足人机交互功能，又具有驱动电机和控制管理舵机的功能，具有功能强大，控制效果好等特点。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案是：它包含控制器模块主体、直流电机和舵机，所述控制器模块主体包含上盖1及与所述上盖1可拆卸连接的电池盒2，所述上盖1安装有PCB板3，所述电池盒2设有容纳电池的容纳腔，所述PCB板3与所述电池电性连接，所述上盖1顶部设有多排平行设置的凸柱11，所述电池盒2底部设有多排平行设置的板连接孔22，所述电池盒2的前端面、后端面、左侧面及右侧面均设有若干个第一梁连接孔21，所述电池盒2的后端面设有两个电机接口12，所述上盖1左右两侧设有舵机接口13，所述上盖1设有电源开关5,所述电池盒2底部两端设有第二梁连接孔23，所述上盖1包含盖体及与所述盖体可拆卸连接的支撑板4，所述PCB板3设于所述盖体与所述支撑板4之间且通过螺栓固定在所述支撑板4上，所述的PCB板3上设有单片机、驱动模组、通信模组、蓝牙BLE模组和RF模组，所述的驱动模组、通信模组、蓝牙BLE模组和RF模组都与单片机电性连接，所述的驱动模组连接电机接口12，所述的通信模组连接舵机接口13，所述的直流电机连接在电机接口12上，所述的直流电机的转轴上设有位置传感器，所述的舵机连接在舵机接口13上。
所述的单片机内设有PWM信号发生器，所述的PWM信号发生器输出PWM的信号通过驱动模组驱动直流电机，实现单片机控制直流电机，所述的单片机控制直流电机采用PWM调速控制，所述的PWM调速控制方法包括，
1)通过改变单片机输出的PWM信号的占空比，用以调节直流电机的转速；
2)通过改变控制直流电机正反转的单片机输出口电平，以实现直流电机的正反转；
3)单片机采用PID算法控制PWM信号，所述的PID算法采用公式:
Figure BDA0002831257280000021
式中u(t)为PWM信号控制量，e(t)为直流电机实时转速out(t)与预设转速in(t)的偏差值，所述的直流电机实时转速通过直流电机上的位置传感器输送的脉冲信号来表示，所述的预设转速为单片机上设定的转速值；取T时间为采样用时间，将其直流电机转速关于时间的连续函数转换为离散函数，则式(a)可转化为，
Figure BDA0002831257280000022
其中u(k)为第K采样时刻的控制量，Kp为比例放大倍数，Ki为积分放大系数，Kd为微分放大系数，u(0)为k＝0时，PWM信号控制量的基值。
所述的单片机通过通信模组与舵机连接，所述的单片机与舵机之间采用IIC总线控制方式，所述的总线控制方式包含以下过程：
1)在总线上将单片机设为主机，将舵机设为从机，并对连接在总线上的单片机和舵机设置唯一的地址编号；
2)单片机向总线上的舵机发送数据，单片机在总线上发送起始位信号通知所有舵机准备接收数据，然后单片机发出带地址的信息数据，将数据发送给地址匹配的舵机，而地址不匹配的舵机，将不再与单片机通信；
3)单片机读取舵机的数据，单片机首先通过发送地址信息寻找需要读取舵机的地址，寻找到地址匹配的舵机后，单片机再发送起始位，然后发送带地址的信息给对应的舵机，从舵机中读取数据。
本发明的工作原理：本发明将主控模块封装于PCB板上并设置在积木内，其积木后端面设有电机接口，积木的左右两侧面设有舵机接口，所述的电机接口采用Micro USB接口，当主控控制电机时，只需将电机接至该接口，主控模块发出PWM信号至驱动模块中，驱动模块将PWM放大后，驱动连接在电机接口上的直流电机，其电机控制模式为PID调节闭环控制模式，同时在电机驱动模块电路中设有自动跳闸保护装置，当电机因堵转导致回路电流增大时，该保护装置将切断电机回路，防止电机烧毁，同时该Micro USB接口也可支持有线红外测距，有线声强，有线光强传感器的数据采集。
在积木的左右两侧面设有舵机接口与主控模块上的通信模组连接，主控模块与舵机的通信采用IIC总线协议，所述的舵机接口为Type-c接口，其IIC总线协议映射在type-C接口，舵机通过该type-C接口与主控进行数据交换，连接在该总线上的设备都具有唯一地址，主控模块在总线上发出的数据都能被总线上的舵机检测到，并与信号中地址匹配的舵机进行数据交换。
同时主控模块上还设有蓝牙BLE模组和RF模组，其蓝牙BLE模组用于使主控接受手机APP控制，RF模组采用2.4G技术，其用于使主控模块能接收无线传感器的数据采集以及遥控器控制。
采用上述技术方案后，本发明有益效果为：本发明在主控装置具有结构紧凑和集各种功能为一体的特点，采用外置接口的设置方式，可方便其驱动电机与采集数据，在驱动电机时采用PID闭环控制模式，提高了系统对电机的控制精度，保证了电机转速的稳定性，同时采用总线协议控制舵机的方式，降低了系统的复杂程度，并提高了舵机的控制精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的控制器模块主体的结构示意图。
图2是图1另一角度的结构示意图；
图3是图1又一角度的结构示意图；
图4是本发明的控制器模块主体的分解结构示意图。
图5是本发明的硬件原理示意图。
图6是本发明的PID算法示意图。
附图标记说明：上盖1、电池盒2、PCB板3、支撑板4、电源开关5、凸柱11、电机接口12、舵机接口13、第一梁连接孔21、板连接孔22、第二梁连接孔23。
具体实施方式
参看图1-图6所示，本具体实施方式采用的技术方案是：它包含控制器模块主体、直流电机和舵机，所述控制器模块主体包含上盖1及与所述上盖1可拆卸连接的电池盒2，所述上盖1安装有PCB板3，所述电池盒2设有容纳电池的容纳腔，所述PCB板3与所述电池电性连接，所述上盖1顶部设有多排平行设置的凸柱11，所述电池盒2底部设有多排平行设置的板连接孔22，所述电池盒2的前端面、后端面、左侧面及右侧面均设有若干个第一梁连接孔21，所述电池盒2的后端面设有两个电机接口12，所述的电机接口12为Micro USB接口，所述的Micro USB接口既可作为用于驱动直流电机接口也可用于有线传感器数据采集接口，所述上盖1左右两侧设有舵机接口13，所述的舵机接口13为Type-c接口，所述上盖1设有电源开关5,所述电池盒2底部两端设有第二梁连接孔23，所述上盖1包含盖体及与所述盖体可拆卸连接的支撑板4，所述PCB板3设于所述盖体与所述支撑板4之间且通过螺栓固定在所述支撑板4上，所述的PCB板3上设有单片机、驱动模组、通信模组、蓝牙BLE模组和RF模组，所述的驱动模组、通信模组、蓝牙BLE模组和RF模组都与单片机电性连接，所述的驱动模组的驱动电路采用H桥电路，所述的H桥电路上设有回路电流检测单元，所述的驱动模组连接电机接口12，所述的通信模组连接舵机接口13，所述的直流电机连接在电机接口12上，所述的直流电机的转轴上设有位置传感器，所述的位置传感器为光电编码器，所述的舵机连接在舵机接口13上，所述的蓝牙BLE模组用于控制器模块主体连接手机APP,所述的RF模组采用2.4G技术，用于控制器模块主体接收无线传感器的数据采集以及遥控器控制。
所述的单片机内设有PWM信号发生器，所述的PWM信号发生器输出PWM的信号通过驱动模组驱动直流电机，实现单片机控制直流电机，所述的单片机控制直流电机采用PWM调速控制，所述的PWM调速控制方法包括，
1)通过改变单片机输出的PWM信号的占空比，用以调节直流电机的转速；
2)通过改变控制直流电机正反转的单片机输出口电平，以实现直流电机的正反转；
3)单片机采用PID算法控制PWM信号，所述的PID算法采用公式:
Figure BDA0002831257280000051
式中u(t)为PWM信号控制量，e(t)为直流电机实时转速out(t)与预设转速in(t)的偏差值，所述的直流电机实时转速通过直流电机上的位置传感器输送的脉冲信号来表示，所述的预设转速为单片机上设定的转速值；取T时间为采样用时间，将其直流电机转速关于时间的连续函数转换为离散函数，则式(a)可转化为，
Figure BDA0002831257280000061
其中u(k)为第K采样时刻的控制量，Kp为比例放大倍数，Ki为积分放大系数，Kd为微分放大系数，u(0)为k＝0时，PWM信号控制量的基值,附图6为所述PID算法示意图。
所述的单片机通过通信模组与舵机连接，所述的单片机与舵机之间采用IIC总线控制方式，所述的总线控制方式包含以下过程：
1)在总线上将单片机设为主机，将舵机设为从机，并对连接在总线上的单片机和舵机设置唯一的地址编号；
2)单片机向总线上的舵机发送数据，单片机在总线上发送起始位信号通知所有舵机准备接收数据，然后单片机发出带地址的信息数据，将数据发送给地址匹配的舵机，而地址不匹配的舵机，将不再与单片机通信；
3)单片机读取舵机的数据，单片机首先通过发送地址信息寻找需要读取舵机的地址，寻找到地址匹配的舵机后，单片机再发送起始位，然后发送带地址的信息给对应的舵机，从舵机中读取数据。
本发明将主控模块封装于PCB板上并设置在积木内，其积木后端面设有电机接口，积木的左右两侧面设有舵机接口，所述的电机接口采用Micro USB接口，当主控控制电机时，只需将电机接至该接口，主控模块发出PWM信号至驱动模块中，驱动模块将PWM放大后，驱动连接在电机接口上的直流电机，其电机控制模式为PID调节闭环控制模式，同时在电机驱动模块电路中设有自动跳闸保护装置，当电机因堵转导致回路电流增大时，该保护装置将切断电机回路，防止电机烧毁，同时该Micro USB接口也可支持有线红外测距，有线声强，有线光强传感器的数据采集，附图5为本发明硬件连接示意图。
在积木的左右两侧面设有舵机接口与主控模块上的通信模组连接，主控模块与舵机的通信采用IIC总线协议，所述的舵机接口为Type-c接口，其IIC总线协议映射在type-C接口，舵机通过该type-C接口与主控进行数据交换，连接在该总线上的设备都具有唯一地址，主控模块在总线上发出的数据都能被总线上的舵机检测到，并与信号中地址匹配的舵机进行数据交换。
同时主控模块上还设有蓝牙BLE模组和RF模组，其蓝牙BLE模组用于使主控接受手机APP控制，RF模组采用2.4G技术，其用于使主控模块能接收无线传感器的数据采集以及遥控器控制。
以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种积木主控系统，其特征在于：它包含控制器模块主体、直流电机和舵机，所述控制器模块主体包含上盖(1)及与所述上盖(1)可拆卸连接的电池盒(2)，所述上盖(1)安装有PCB板(3)，所述电池盒(2)设有容纳电池的容纳腔，所述PCB板(3)与所述电池电性连接，所述上盖(1)顶部设有多排平行设置的凸柱(11)，所述电池盒(2)底部设有多排平行设置的板连接孔(22)，所述电池盒(2)的前端面、后端面、左侧面及右侧面均设有若干个第一梁连接孔(21)，所述电池盒(2)的后端面设有两个电机接口(12)，所述上盖(1)左右两侧设有舵机接口(13)，所述上盖(1)设有电源开关(5),所述电池盒(2)底部两端设有第二梁连接孔(23)，所述上盖(1)包含盖体及与所述盖体可拆卸连接的支撑板(4)，所述PCB板(3)设于所述盖体与所述支撑板(4)之间且通过螺栓固定在所述支撑板(4)上，所述的PCB板(3)上设有单片机、驱动模组、通信模组、蓝牙BLE模组和RF模组，所述的驱动模组、通信模组、蓝牙BLE模组和RF模组都与单片机电性连接，所述的驱动模组连接电机接口(12)，所述的通信模组连接舵机接口(13)，所述的直流电机连接在电机接口(12)上，所述的直流电机的转轴上设有位置传感器，所述的舵机连接在舵机接口(13)上。
2.根据权利要求1所述的一种积木主控系统，其特征在于：所述的单片机内设有PWM信号发生器，所述的PWM信号发生器输出PWM的信号通过驱动模组驱动直流电机，实现单片机控制直流电机，所述的单片机控制直流电机采用PWM调速控制，所述的PWM调速控制方法包括，
1)通过改变单片机输出的PWM信号的占空比，用以调节直流电机的转速；
2)通过改变控制直流电机正反转的单片机输出口电平，以实现直流电机的正反转；
3)单片机采用PID算法控制PWM信号，所述的PID算法采用公式:
Figure FDA0002831257270000011
式中u(t)为PWM信号控制量，e(t)为直流电机实时转速out(t)与预设转速in(t)的偏差值，所述的直流电机实时转速通过直流电机上的位置传感器输送的脉冲信号来表示，所述的预设转速为单片机上设定的转速值；取T时间为采样用时间，将其直流电机转速关于时间的连续函数转换为离散函数，则式(a)可转化为，u(k)＝Kp(e(k)+Ki∑e(j)+Kd(e(k)-e(k-1)))+u(0) (b),其中u(k)为第K采样时刻的控制量，Kp为比例放大倍数，Ki为积分放大系数，Kd为微分放大系数，u(0)为k＝0时，PWM信号控制量的基值。
3.根据权利要求1所述的一种积木主控系统，其特征在于：所述的单片机通过通信模组与舵机连接，所述的单片机与舵机之间采用IIC总线控制方式，所述的总线控制方式包含以下过程：
1)在总线上将单片机设为主机，将舵机设为从机，并对连接在总线上的单片机和舵机设置唯一的地址编号；
2)单片机向总线上的舵机发送数据，单片机在总线上发送起始位信号通知所有舵机准备接收数据，然后单片机发出带地址的信息数据，将数据发送给地址匹配的舵机，而地址不匹配的舵机，将不再与单片机通信；
3)单片机读取舵机的数据，单片机首先通过发送地址信息寻找需要读取舵机的地址，寻找到地址匹配的舵机后，单片机再发送起始位，然后发送带地址的信息给对应的舵机，从舵机中读取数据。
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