CN200997078Y - 全方位自主移动机器人电机控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种全方位自主移动机器人电机控制系统，包括上位机，光电码盘单元，鉴相电路和测速电路单元，所述上位机与一核心处理器模块连接，所述上位机的USB口给所述核心处理器模块供电，所述核心处理器模块与驱动信号产生与测量模块连接，所述驱动信号产生与测量模块的输出经过驱动电路控制电机的工作，电机的运转信号通过光电码盘单元接至鉴相电路和测速电路单元后输出至所述核心处理器模块。本实用新型经过改进，可使用通用51系列标准单片机作为核心处理器，成本降低，并保证电机驱动功能能全部实现，使得电路在功耗上进一步降低，整个控制电路的电源已简化为一个USB口供电，完全可以用笔记本的USB口供电。

Description

全方位自主移动机器人电机控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种电机控制系统，特别是一种全方位自主移动机器人电机控制系统，属于足球机器人技术领域。

背景技术

随着足球机器人比赛的推广和足球机器人技术的发展，足球机器人的性能日趋完善。在全自主足球机器人竞赛中，比赛规则对机器人的大小有严格的规定、比赛中允许机器人之间频繁的冲撞，要求机器人具有很高的灵活性和很强的抗冲击性，因此在比赛中，足球机器人移动是否准确、对抗时能否承受高强度冲击，这些问题显得非常重要。为了机器人更加灵活，现有全自主足球机器人开始采用四全向轮的全方位移动形式进行运动，由于目前全自主足球机器人的移动速度较慢，专业的驱动装置问题显得不太突出。

如今随着机器人移动速度的提升，甚至今后将以高速、高定位精度同人类同场竞技，迫切需要精确、牢固、稳定的驱动装置来保障运动过程。根据对现有技术的进一步检索，中南大学吴敏等人申请的中国发明专利“足球机器人小车的电机控制装置”(申请号200410022956.8)中涉及一种足球机器人电机控制装置，其自述为：选择DSP作为小车子系统电机控制的主芯片，同时为减少核心控制器的负担，使用CPLD对双电机反馈脉冲鉴相、四倍频和计数，使核心控制器主要用于高级控制算法的研究。该专利驱动技术主要应用于7.5cm×7.5cm×7.5cm的小型机器人驱动电路，电流需求小，较好控制，如果用于中型机器人，有以下不足之处：

(1)使用L298集成电机驱动芯片驱动电机，电流驱动能力只有2A左右，无法满足中型机器人最大10A的驱动能力；

(2)选用电机扭矩过小，不适合中型机器人行走使用，会造成功率不够，不能达到高速运动，且力量不够、对抗性差，不适用于中型组足球机器人比赛；

(3)核心处理器，此发明由于没有很好的设计CPLD，只好放弃成本低廉的单片机，转而选用复杂度高价格昂贵的DSP芯片，设计不具有通用型，因为它设计中只需两个PWM产生模块，DSP刚好具有，如果象我们的全方位机器人有五个PWM产生模块就无法满足；

(4)电源采用8.4V电池组，并采用7805芯片稳压到5V使用，7805效能比不高，损耗大，已明显说明设计中未充分考虑移动式机器人对功耗的严格要求；

(5)对电路的保护设计，发明中提到它电路具有电流检测部分，但是没有任何电路和说明支持；

(6)以上不足造成这种驱动装置寿命短，需要经常维修更换；

(7)各部件相对零散，安装复杂，可移植性和硬件置换性均不高，在高强度竞赛中必然造成失误。

除以上专用于足球机器人的电机驱动发明外，还有多种用于机器人驱动的电机驱动电路方案，均存在大量使用高级昂贵芯片处理信号、电流驱动能力弱、电机出现控制错误或过热烧毁等现象的保护性设计过少或判断过于复杂等等不足。

目前足球机器人由于无法同时产生四路脉宽调制(简称PWM)波，又进行PID计算，又与上位机通信的快速单片机，均采用价格昂贵的数字信号处理(简称DSP)芯片和ARM(Adanced RISC Machines)作为控制核心，但是又没有充分利用其资源，造成浪费和功耗损失。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于针对现有技术中的不足，重新合理规划电机驱动系统硬软件功能划分，引入FPGA技术使得硬件设计更加灵活方便，大大降低核心处理器工作负担，驱动电路采用硬软件结合方式用最经济方式解决了电机死锁和共态导通问题，为当今足球机器人世界杯赛提供一种中型足球机器人驱动系统，结构紧凑，调速灵活，使机器人具有快速移动、定位精确、抗冲击、对抗性强的功能，不仅适用于全自主足球机器人竞赛项目，还可推广应用于定位精度要求高、结构紧凑、承受冲击的其他机器人项目。

为此，本实用新型提供了一种全方位自主移动机器人电机控制系统，包括上位机，光电码盘单元，鉴相电路和测速电路单元，其中，所述上位机与一核心处理器模块连接，所述上位机的USB口给所述核心处理器模块供电，所述核心处理器模块与驱动信号产生与测量模块连接，所述驱动信号产生与测量模块的输出经过驱动电路控制电机的工作，电机的运转信号通过光电码盘单元接至鉴相电路和测速电路单元后输出至所述核心处理器模块。

本实用新型经过改进，可使用通用51系列单片机作为核心处理器，价格低廉，此类单片机为具有40管脚标准的单片机，也就是最普通的单片机，具有一个串口，IO口功能，一个中断，两个定时器，并保证电机驱动功能能全部实现，使得电路在功耗上进一步降低，这点对于移动性机器人非常重要。整个控制电路的电源已简化为一个USB口供电，而不是电池供电并用有电量损失的稳压芯片稳压，主要得益于电路设计时考虑了功耗，使得电路功耗大为降低，完全可以用笔记本的USB口供电。本实用新型具有在硬件不改动情况下随时修改FPGA设计完成不同的控制功能，在很复杂的控制运行中，具有响应速度快、超调量小、稳定性高和安全性能强等优点，由于使用了嵌入式系统理念设计，具有非常强的系统扩展能力。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型系统的逻辑框图；

图2为本实用新型驱动电路中H桥的电路图；

图3为本实用新型电流采样判断电路的示意图。

具体实施方式

图1为本实用新型系统的逻辑框图。如图1所示，本实用新型采取模块化设计，尽量减少硬件电路和降低功耗，包括上位机1，光电码盘单元6，鉴相电路和测速电路单元7，其中，上位机1与一核心处理器模块2连接，上位机1的USB口给核心处理器模块2供电，核心处理器模块2与驱动信号产生与测量模块3连接，驱动信号产生与测量模块3的输出经过驱动电路4控制电机5的工作，电机5的运转信号通过光电码盘单元6接至鉴相电路和测速电路单元7后输出至核心处理器模块2。

驱动信号产生与测量模块可采用一现场可编程门阵列(简称FPGA)芯片。FPGA芯片由脉宽调制(简称PWM)波产生电路8和共态导通消除电路9构成，脉宽调制PWM(请提供中文术语)波产生电路8的输出连接共态导通消除电路9的输入。这样大大降低了对核心处理器2的要求，使得我们可以采用价钱低廉又速度不亚于DSP的单片机作为处理芯片，其功耗又非常低，电源不再采取电池供电，而是由上位机1USB口供电，由于设计合理，供电口最大提供30小时控制电路使用，完全解决了电机控制电路电源问题，不再外接控制电路电源。电机为直流电机，共有四个，分别控制四个轮子转动。上位机1可采用笔记本电脑。

核心处理器模块1中包含单片机10，和用于使用所述上位机USB口给单片机10供电的USB供电电路11；单片机10可为Atmel公司的AT89S52。单片机10通过RS232通信单元12的串行口和上位机1通信，接收上位机1对电机5的定位指令并计算处理为电机信号控制电机5，反馈四个电机5实际速度供上位机1参考，四路电机5控制通路上首先单片机10发出占空比数据给现场可编程门阵列FPGA芯片，FPGA产生PWM并做共态导通处理后发送给驱动电路4。

图2为本实用新型驱动电路中H桥的电路图。选取了允许大电流大电压的功率场效应管IRF4905和IRF3205；并使功率场效应管完全工作于饱和区，有效防止了电路发热浪费能源问题，设计中也注意消除了共态导通问题；输入端采用光电隔离消除电路对控制端的影响；实验证明，该驱动电路设计完全满足要求，可应用于中型机器人比赛。直流电机采用驱动额定电压24伏，标称功率60W的大功率直流电机Maxon RE30，这种电机由定子、转子、换向器(又称整流子)、电刷等组成，定子用作产生磁场。转子于是在定子磁场作用下，得到转矩而旋转起来。换向器及时改变了电流方向，使转子能连续旋转下去。光电码盘设计为500线相位差90度两路输出供FPGA芯片判断电机旋转方向(鉴相电路)和测量电机旋转速度(测速电路)，将信息通过8位数据口传递给单片机，形成一个闭环控制系统，采取专家型PID算法完成对四路电机的实时控制。

单片机程序设计主要完成的任务是根据上位机串口传送的数据控制电机的转速及转向。

图3为本实用新型电流采样判断电路的示意图。图中通过取样电阻R1实现(接在AB之间)，当电流过大时，取样电阻R1两端的电压会升高，其取样电压输出信号接至集成比较器LM39 3N一端，另一端是稳压二极管D1和可变电阻W1产生的基准电压(可调)，两者比较后输出信号，该信号通过光电隔离器件U1隔离之后与RS触发器U3相连，过流时，它会触发RS触发器U3翻转，RS触发器U3的Q端将输出低电压，封锁了与门U4输入的信号端IN1(为驱动信号产生与测量模块产生的PWM信号)，将送来的PWM脉冲信号屏蔽掉，第一时间阻止电流过大损坏电路。同时，单片机可采集检测到过流情况的发生，并停止输出PWM脉冲，待恢复正常时，控制IN2(由1变0)端使RS触发器U3翻转，RS触发器U3的Q端输出变为高电平，并重新发送PWM脉冲信号，使电机重新启动。

Claims (8)

1.一种全方位自主移动机器人电机控制系统，包括上位机，光电码盘单元，鉴相电路和测速电路单元，其特征在于，所述上位机与一核心处理器模块连接，所述上位机的USB口给所述核心处理器模块供电，所述核心处理器模块与驱动信号产生与测量模块连接，所述驱动信号产生与测量模块的输出经过驱动电路控制电机的工作，电机的运转信号通过光电码盘单元接至鉴相电路和测速电路单元后输出至所述核心处理器模块。

2.根据权利要求1所述的全方位自主移动机器人电机控制系统，其特征在于，所述驱动信号产生与测量模块为一现场可编程门阵列芯片。

3.根据权利要求2所述的全方位自主移动机器人电机控制系统，其特征在于，所述现场可编程门阵列芯片由脉宽调制波产生电路和共态导通消除电路构成，所述脉宽调制波产生电路的输出连接所述共态导通消除电路的输入。

4.根据权利要求1所述的全方位自主移动机器人电机控制系统，其特征在于，所述核心处理器模块中包含单片机，和用于使用所述上位机USB口给所述单片机供电的USB供电电路。

5.根据权利要求1或4所述的全方位自主移动机器人电机控制系统，其特征在于，所述上位机为笔记本电脑。

6.根据权利要求4所述的全方位自主移动机器人电机控制系统，其特征在于，所述单片机通过RS232串行口与所述上位机通信连接。

7.根据权利要求1所述的全方位自主移动机器人电机控制系统，其特征在于，所述电机为直流电机。

8.根据权利要求1或7所述的全方位自主移动机器人电机控制系统，其特征在于，所述电机为四个。

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