CN211906017U - 一种基于柔性绳索的便携式自动升降装置控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于柔性绳索的便携式自动升降装置控制器，涉及高空输电线路检修技术领域，其包括处理器、电源管理模块、传感器模块和电机驱动电路，电源管理模块包括按电流流向连接的供电电源、电源选择电路和电源保护电路，电源选择电路用于在多个电源中选择一优先级最高的有效电源来作为供电电源，电源保护电路用于在电路过压和过流时保护处理器；传感器模块用于采集自动升降装置的实时位置与姿态，处理器用于接收用户指令并结合自动升降装置的实时位置与姿态计算得到控制量，电机驱动电路用于根据接收的控制量控制输出电机。本实用新型可以根据自动升降装置的实时位置与姿态发出控制量指令，提高高空作业人员的安全性。

Description

一种基于柔性绳索的便携式自动升降装置控制器

技术领域

本实用新型涉及高空输电线路检修技术领域，具体涉及一种基于柔性绳索的便携式自动升降装置控制器。

背景技术

由于我国近年大规模发展超特高压电网建设，相较于国外电压等级较低输电线路，其高空作业难度比国外大了很多，而国内常见的用于空作业防坠保护、物料传递、人员攀爬的技术措施和装置主要有：防坠落保护装置、绞磨、绳梯、攀爬机、绳索滑轮组合等，都有各自有缺点。但现有技术中的自动升降装置一般只是实现上下升降功能，相较而言单个设备功能单一，因此其配套使用的控制器仅仅只是实现升降功能，无法满足高空作业的安全需求。

实用新型内容

针对现有技术中的不足，本实用新型提供一种基于柔性绳索的便携式自动升降装置控制器，用于配合自动升降装置使用，其可以获取自动升降装置的实时位置与姿态，并根据自动升降装置的实时位置与姿态发出控制量指令，提高高空作业人员的安全性。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种基于柔性绳索的便携式自动升降装置控制器，包括处理器、电源管理模块、传感器模块和电机驱动电路，所述电源管理模块包括按电流流向连接的供电电源、电源选择电路和电源保护电路，所述电源选择电路用于在多个电源中选择一优先级最高的有效电源来作为供电电源，所述电源保护电路用于在电路过压和过流时保护所述处理器；所述传感器模块包括主板模块，所述主板模块包括第一数字运动处理器、电子罗盘和第一气压计；所述电源保护电路通过第一电源管理电路连接所述处理器和所述传感器模块，所述电源保护电路通过第二电源管理电路连接所述电机驱动电路；所述传感器模块用于采集自动升降装置的实时位置与姿态，所述处理器用于接收用户指令并结合自动升降装置的实时位置与姿态计算得到控制量，所述电机驱动电路用于根据接收的控制量控制输出电机。

如上所述的基于柔性绳索的便携式自动升降装置控制器，进一步地，所述处理器包括主控微控制器和辅助微控制器，所述主控微控制器用于接收用户指令并结合自动升降装置的实时位置与姿态计算得到控制量，当所述主控微控制器不工作时切换到所述辅助微控制器。

如上所述的基于柔性绳索的便携式自动升降装置控制器，进一步地，所述传感器模块包括至少一载板模块，所述载板模块包括第二数字运动处理器、陀螺仪、加速度计和气压计。

如上所述的基于柔性绳索的便携式自动升降装置控制器，进一步地，所述处理器连接有数传电路和外部接口电路，所述电源保护电路给所述数传电路和所述外部接口电路供电。

如上所述的基于柔性绳索的便携式自动升降装置控制器，进一步地，所述处理器连接有存储器，所述存储器用于储存备份数据。

如上所述的基于柔性绳索的便携式自动升降装置控制器，进一步地，所述供电电源通过电源接口电路连接所述电源选择电路，所述电源接口电路设置至少有两个，其中至少一个为备用电源接口电路。

如上所述的基于柔性绳索的便携式自动升降装置控制器，进一步地，所述外部接口电路连接有无线通信模块，所述电源保护电路通过第三电源管理电路给所述无线通信模块供电。

本实用新型与现有技术相比，其有益效果在于：本实用新型具有电源选择电路，能从多个电源中选择优先级最高的有效电源来给负载供电，防止在实际工作中供电电源出现电力不足；电源到负载设有电源保护电路、电源管理电路等保障电路，能多重保障在高空作业中出现的电源故障；控制器配备多套传感器，即使一套传感器设备损坏或失灵另一冗余传感器设备也能立即投入工作，保障高空检修作业安全。

附图说明

图1为本实用新型实施例的便携式自动升降装置控制器的电路原理图；

图2为本实用新型实施例的电源选择电路的电路图；

图3为本实用新型实施例的电源保护电路的电路图；

图4为本实用新型实施例的第一电源管理电路的电路图；

图5为本实用新型实施例的第二电源管理电路的电路图；

图6为本实用新型实施例的电源接口电路的电路图；

图7为本实用新型实施例的第三电源管理电路的电路图；

图8为本实用新型实施例的存储器点路的的电路图；

图9为本实用新型实施例的电机驱动电路的电路图；

图10为本实用新型实施例的主板模块的MPU9250的电路图；

图11为本实用新型实施例的一种优选实施例的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型的内容做进一步详细说明。

实施例：

参见图1至图11，一种基于柔性绳索的便携式自动升降装置控制器，包括处理器、电源管理模块、传感器模块和电机驱动电路，电源管理模块包括按电流流向连接的供电电源、电源选择电路和电源保护电路，电源选择电路用于在多个电源中选择一优先级最高的有效电源来作为供电电源，电源保护电路用于在电路过压和过流时保护处理器；传感器模块包括主板模块，主板模块包括第一数字运动处理器、电子罗盘和第一气压计；电源保护电路通过第一电源管理电路给处理器和传感器模块供电，电源保护电路通过第二电源管理电路给电机驱动电路供电；传感器模块用于采集自动升降装置的实时位置与姿态，处理器用于接收用户指令并结合自动升降装置的实时位置与姿态计算得到控制量，电机驱动电路用于根据接收的控制量控制输出电机。

具体地，电源选择电路选用了凌力尔特公司的三电源优先级供电控制器LTC4417，该电器元件适用于2.5V至36V系统。该控制器可从电源接口、USB、电调电源三个输入中选择优先级最高的有效电源来给负载供电。优先级由引脚分配来确定，当某个电源的电压连续处于一个由准确度为1.5％的欠压和过压门限设定的窗口之内达到256ms时，此电源就被定义为有效。经过电源选择电路输出的有效电压进入到电源保护电路，电源保护电路选用电池控制芯片BQ24315和BQ24313，BQ24315和BQ24313都是高度集成的过压和过流保护芯片，输入电流上限1.5A。BQ23313/5时刻监控着控制器的电路的输入电压和输入电流，并且有着线性的输出。当过压情况出现时，它能通过关闭内部开关迅速转移电压，响应时间小于1毫秒；在发生过流情况时，它能够将系统的电流限制在一定的范围内，这极大的提高了控制器的安全性。

处理器包括主控微控制器和辅助微控制器，主控微控制器用于接收用户指令并结合自动升降装置的实时位置与姿态计算得到控制量，当主控微控制器不工作时切换到辅助微控制器。本实施例中，处理器主要负责完成控制与协调功能，具体地，处理器用于接收用户发出的指令并结合自动升降装置的实时位置与姿态转化为控制驱动电机的控制量指令，考虑到控制器对硬件的需求和安全性等因素，本控制器的处理器采用了双核心的设计方案，处理器包括主控微控制器和辅助微控制器，主控微控制器采用高性能32bit Cortex M4主处理器，辅助微控制器采用32bit Cortex M3协处理器，该方案保证了高空作业人员的安全性，即使主控微控制器死机仍有一辅助微控制器工作。

第一电源管理电路的具体电路如图4所示，本实施例中，主控微控制器和辅助微控制器都是在3.3V电压下运行，而且主控微控制器和辅助微控制器设有独用的双通道校准器，每个双通道校准器都有一个通电的重置输出，绑定了校准器的通电和断电序列。第一电源管理电路使用了一款双输出超低压降LDO电源管理芯片MIC5332，能够对负载的电压变化进行快速响应。从一路输入无延迟的分出两路稳定的输出电压。输入电压2.3V到5.5V，EN1，EN2引脚都拉高，表示输入使能。Vouut1和Vouut2输出3.3V的电压给传感器模块和处理器提供电能。第二电源管理电路的具体电路如图5所示，本实施例中，升降装置的输出电机支持标准的5V和有限的高压(最高到10.5V伺服供能)，图中BQ24313对于低于10.5V的输入电压输出电压限制在5.5V以内，当输入电压超过阈值时，芯片将阻止电压输出。EN2引脚置为高，使能输入，最后通过VOUT2输出3.3V电压供电机驱动电路使用。

传感器模块主要是为了获得升降装置的实时位置与姿态，当升降装置接收到用户发出的指令以后，传感器模块便将实时测得的数据进行融合，并传输给处理器进而解算出给驱动装置的控制量。主板模块包括第一数字运动处理器、电子罗盘和第一气压计，第一数字运动处理器选用MPU92509轴数字运动处理器，主板上的MPU9250电路设计如图10所示，其包含了三轴16位加速度计、陀螺仪、AK8963磁力计(相当于MPU6050+AK8963)，MPU9250的角速度全格感测范围为±250、±500、±1000与±2000°/s，可准确跟踪快速与慢速动作，并且用户可程式控制的加速度计全格感测范围为±2g、±4g、±8g与±16g，以及最大磁力计可达到4800μT。产品传输可透过最高400kHz的I2C或最高达20MHz的SPI。MPU9250陀螺仪是由三个独立检测XYZ轴的MEMS组成。利用科里奥效应来检测每个轴的转动(一但某个轴发生变化，相应电容传感器会发生相应的变化，产生的信号被放大、调解、滤波，最后产生个与角速率成正比的电压，然后将每一个轴的电压转换成16位的数据)。各种速率(±250、±500、±1000、or1000、或者±2000°/s)都可以被编程。ADC的采样速率也是可编程，从每秒3.9-8000个，用户还可以选择是否使用低通滤波器来滤掉多余的杂波。MPU9250的三轴加速度也是单独分开测量。根据每个轴上的电容来测量轴的偏差度。结构上降低了各种因素造成的测量偏差。当被置于平面时候，当被置于平面时候，它会出在X和Y轴上为0g，Z轴上为1g的重力加速度。加速度计校准是根据工厂的标准来设定。每一个传感器都有专门ADC来提供数字性的输出。范围是通过编程可调±2g、±4g、±8g、或±16g。三轴磁力计采用高精度的霍尔效应传感器，通过三轴磁力计采用高精度的霍尔效应传感器，通过驱动电路，信号放大和计算电路来处理信号采集地磁场在X，Y，Z轴上的电磁强度。每个ADC均可满量程(0±4800μT)输出16位的数据。电子罗盘采用霍尼韦尔三轴电子罗盘HMC5983，霍尼韦尔三轴电子罗盘HMC5983是一个温度补偿的用于测量磁场的三轴集成电路罗盘，其内置高分辨的HMC118X系列的磁阻传感器。测量航向角的精确度达到1-2度。在±8GS的磁场中实现2mGS的分辨率，与单片机相同的供电电压，供电电压2.16V-3.6V，-30℃至+85℃的工作环境温度。用于测量高度的气压计选用MEAS MSP5611，MS5611气压计响应时间只需1ms，工作功耗为1μA，可以测量10-1200mbar的气压数值。MS5611具有SPI和I2C总线接口、与单片机有着相同的供电电压、-40℃至+85℃的工作温度、全贴片封装、全金属屏蔽外壳、集成24位高精度AD采集器等特性，这些特性使其非常适合在高度集成的数字电路中工作，所以成为了升降装置测量气压高度的首选。电机驱动电路使用了TXSTXSTXS0108通用电平驱动芯片，其主要是起到信号隔离和增强驱动能力的作用，一旦串口出现大电流只能烧毁驱动芯片而不会烧毁MCU。图中TXS0108E的OE脚连接了一个电容并接到GND上，这样设计的目的是使得在上电以及断电过程中输出处于高阻态。VCCA＝VCCB，A端与B端不需要电平转换，只起到隔离作用。在辅助处理器上连接了8个PWM输出，主控处理器上有6个PWM输出。

本控制器应用于自动升降装置上，特别是应用于基于柔性绳索的便携式自动升降装置中，控制器内的传感器模块可以采集自动升降装置的实时位置与姿态，根据输入的用户指令可以得到上升下降的控制量，控制量则用于驱动自动升降装置的电机。

进一步地，传感器模块包括至少一载板模块，载板模块包括第二数字运动处理器、陀螺仪、加速度计和气压计。本事实例中，陀螺仪采用ST公司的三轴16bit ST MicroL3GD20陀螺仪，用于测量旋转速度。L3GD20具备2.4V-3.6V供电电压、-40℃至+85℃的工作环境温度、兼容I2C和SPI数字接口、内置可调低/高通滤波器电路、6mA的工作功耗，以及集成的温度传感器，用作高集成电路角速率陀螺仪十分方便。加速度计采用ST公司的LSM303D，其与L3GD20一同可以组成完整的9自由度(Degree ofFreedom，英文简称DOF)航姿传感器系统，并且其供电、测量精度和数字接口几乎一模一样。LSM303D具备2.16V-3.6V供电电压、-40℃至+85℃的工作环境温度、兼容I2C和SPI数字接口、集成温度传感器，这些参数几乎与L3GD20一致。第二数字运动处理器采用MPU60006轴运动处理组件，其包含了3轴加速度和3轴陀螺仪。MPU-6000的角速度全格感测范围为±250、±500、±1000与±2000°/sec(dps)，可准确追踪快速与慢速动作，并且，用户可程式控制的加速器全格感测范围为±2g、±4g±8g与±16g。产品传输可透过最高至400kHz的I2C或最高达20MHz的SPI。MPU-6000可在不同电压下工作，VDD供电电压为2.5V±5％、3.0V±5％或3.3V±5％，逻辑接口VVD协处理器供电为1.8V±5％。气压计选用MS5611，MS5611电路连接与主板上的MS5611相同，但本实施例的MS5611与IMU载板模块上的其他传感器都使用另一套SPI总线。

进一步地，处理器连接有数传电路和外部接口电路，电源保护电路给数传电路和外部接口电路供电。图中两个BQ24315芯片都输入稳定的5V电压，分别输出VDD_5V_HIPOWER给数传电路以及VDD_5V_PERIPH通过外部接口电路给GPS、CAN总线以及I2C等外部设备。VDD_5V_HIPOWER_OC指示数传电压的状态，输出高电平正常，输出低电平说明电调电压过压同时切断OUT输出。

进一步地，处理器连接有存储器，存储器用于储存备份数据，存储器选用FM25V01128K非易失铁电存储器，这种存储器既有EEPROM的速度，又像Flash一样掉电不会丢失数据，一般用来作备份数据存储，一旦升降装置在空中故障重启，可以延续前面的状态和计算结果。此外，辅助微控制器还连接有micro SD卡存储器，并通过上拉电阻连接，增加了输出驱动能力，用于存储运行日志和升降装置升降的整个过程的所有数据以及升降装置的脚本启动文件。

进一步地，供电电源通过电源接口电路连接电源选择电路，电源接口电路设置至少有两个，其中至少一个为备用电源接口电路。电源接口电路和备用电源接口电路如图所示6。

进一步地，外部接口电路连接有无线通信模块，电源保护电路通过第三电源管理电路给无线通信模块供电。第三电源管理电路如图7所示，其包含一用于提供过压过流保的BQ24313芯片和MIC5332芯片，无线通信模块为现有技术，如采用ZigBee无线通信技术，在此不再赘述。

参见图11，在一种实施例中，通过另外接入的人机交互装置配置处理器为低功耗模式，检测传感器模块接入情况，同时检测控制器是否过热，然后可选择升降装置的工作模式，在升降装置正常使用中，通过传感器模块采集位姿和高度数据，若数据超标则发出警报。

上述实施例只是为了说明本实用新型的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡是根据本实用新型内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于柔性绳索的便携式自动升降装置控制器，包括处理器、电源管理模块、传感器模块和电机驱动电路，其特征在于：所述电源管理模块包括按电流流向连接的供电电源、电源选择电路和电源保护电路，所述电源选择电路用于在多个电源中选择一优先级最高的有效电源来作为供电电源，所述电源保护电路用于在电路过压和过流时保护所述处理器；所述传感器模块包括主板模块，所述主板模块包括第一数字运动处理器、电子罗盘和第一气压计；所述电源保护电路通过第一电源管理电路连接所述处理器和所述传感器模块，所述电源保护电路通过第二电源管理电路连接所述电机驱动电路；所述传感器模块用于采集自动升降装置的实时位置与姿态，所述处理器用于接收用户指令并结合自动升降装置的实时位置与姿态计算得到控制量，所述电机驱动电路用于根据接收的控制量控制输出电机。

2.根据权利要求1所述的基于柔性绳索的便携式自动升降装置控制器，其特征在于：所述处理器包括主控微控制器和辅助微控制器，所述主控微控制器用于接收用户指令并结合自动升降装置的实时位置与姿态计算得到控制量，当所述主控微控制器不工作时切换到所述辅助微控制器。

3.根据权利要求1所述的基于柔性绳索的便携式自动升降装置控制器，其特征在于：所述传感器模块包括至少一载板模块，所述载板模块包括第二数字运动处理器、陀螺仪、加速度计和气压计。

4.根据权利要求1所述的基于柔性绳索的便携式自动升降装置控制器，其特征在于：所述处理器连接有数传电路和外部接口电路，所述电源保护电路给所述数传电路和所述外部接口电路供电。

5.根据权利要求1所述的基于柔性绳索的便携式自动升降装置控制器，其特征在于：所述处理器连接有存储器，所述存储器用于储存备份数据。

6.根据权利要求1所述的基于柔性绳索的便携式自动升降装置控制器，其特征在于：所述供电电源通过电源接口电路连接所述电源选择电路，所述电源接口电路设置至少有两个，其中至少一个为备用电源接口电路。

7.根据权利要求4所述的基于柔性绳索的便携式自动升降装置控制器，其特征在于：所述外部接口电路连接有无线通信模块，所述电源保护电路通过第三电源管理电路给所述无线通信模块供电。

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