CN214474500U - 一种基于阿克曼运动模型的核心控制电路及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于阿克曼运动模型的核心控制电路及系统，涉及移动控制技术领域，能够在有限的移动机器人安装空间实现核心控制电路板与转接驱动板、信号发射和大电流供电相融合，实现对移动机器人的监测和控制；该电路包括直流电压转换电路、USB转接电路、主控电路和CAN通信电路；所述直流电压转换电路分别与所述USB转接电路、所述主控电路和所述CAN通信电路连接；所述主控电路分别与所述USB转接电路和所述CAN通信电路连接；主控电路包括转接端子，所述核心控制电路通过所述转接端子与外部转接驱动电路连接。本实用新型提供的技术方案适用于移动机器人控制的过程中。

Description

一种基于阿克曼运动模型的核心控制电路及系统

【技术领域】

本实用新型涉及移动控制技术领域，尤其涉及一种基于阿克曼运动模型的核心控制电路及系统。

【背景技术】

目前移动机器人控制核心电路板的功能，往往单板面积过于庞大或不利于整体布线，与驱动电路板很难很好的结合。核心电路板的信号采集电路经常会受到驱动电路板供电电路电流产生的磁干扰而造成信号失真。对于室内四轮系小型底盘的小车而言，当小车的底盘要求缩小到一定尺寸时，如果要保证符合智能小车的结构空间，受到移动机器人小车整体尺寸、电机尺寸、电池、控制板等安装空间的限制，电路板的整体设计会出现瓶颈，留给电路板的空间就非常狭小，在有限的空间内根本无法满足扩展电路、控制电路和驱动电路同时在一张电路板上。

因此，如何设计出完美结合驱动电力的控制电路板，并且符合小车结构紧凑的布局，保证小车车身和电路板的完美结合在尽可能小的控制仓位机器人就显得迫切而重要。

因此，有必要研究一种基于阿克曼运动模型的核心控制电路板来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

【实用新型内容】

有鉴于此，本实用新型提供了一种基于阿克曼运动模型的核心控制电路及系统，该主控电路与转接驱动电路分开设计，能够在有限的移动机器人安装空间实现核心控制电路板与转接驱动板、数据采集和设备控制相融合，实现对移动机器人的监测和控制。

一方面，本实用新型提供一种基于阿克曼运动模型的核心控制电路，其特征在于，所述控制电路包括直流电压转换电路、USB转接电路、主控电路和CAN通信电路；

所述直流电压转换电路分别与所述USB转接电路、所述主控电路和所述CAN通信电路连接；

所述主控电路分别与所述USB转接电路和所述CAN通信电路连接。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述主控电路包括主控芯片、转接端子、晶振电路和复位电路，所述主控芯片通过所述转接端子与外部转接驱动电路连接；所述晶振电路和所述复位电路均与所述主控芯片连接。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述主控芯片的型号为STM32F103RCT6。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述晶振电路采用8MHz晶振元件。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述复位电路包括串接的开关支路和电源支路；所述开关支路包括开关SW4；所述电源支路包括上拉电阻R6，所述上拉电阻R6与DC3.3V电源连接；所述开关SW4和所述上拉电阻R6的连接端与所述主控芯片的复位端连接；所述开关SW4的另一端接地；所述复位端串接滤波电容C15后接地。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述直流电压转换电路采用5伏转3.3伏的电压转换芯片；所述电压转换芯片的输入端连接DC5V电源，且所述输入端和和地之间并联有稳压二极管和若干滤波电容；所述电压转换芯片输出端与地之间并联有指示灯支路和若干滤波电容；所述指示灯支路为分压电阻和指示灯的串联电路。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述电压转换芯片的型号为AMS1117-3.3。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述USB转接电路包括转换芯片；所述转换芯片采用DC5V电压驱动；所述转换芯片的XI端和XO端之间连接第二晶振，且XI端和XO端分别串接滤波电容后接地；所述转换芯片的两个数据传输端分别与所述主控电路的主控芯片连接；所述转换芯片的RTS端串接电阻R2后与第一三极管Q1的基极连接；所述第一三极管Q1的集电极与DC3.3V电源连接，发射极串接电阻R4后与所述主控芯片的BOOT0端连接；所述转换芯片的DTR端串接电阻 R3后与第二三极管Q2的基极连接；所述第二三极管Q2的集电极分两个支路，一个支路接上拉电阻R5后与DC3.3V电源连接，另一个支路与主控芯片连接。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述转换芯片具体为USB总线转接芯片CH340G。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述第二三极管Q2的集电极与主控芯片连接的支路具体为：所述主控芯片的NRST端连接第一二极管D1后与所述第二三极管Q2的集电极连接；所述第一二极管D1的型号为LL4148LL-341206。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述CAN通信电路包括CAN通信芯片；所述CAN通信芯片的CANH端和CANL 端之间串接电阻R9，R端和D端均与主控芯片连接。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述CAN通信芯片型号为VP230。

另一方面，本实用新型提供一种移动机器人控制系统，其特征在于，所述控制系统包括核心控制电路板、转接驱动电路板和待监管设备；所述核心控制电路板上集成如上任一所述的控制电路；

所述核心控制电路板与通过所述转接驱动电路板与所述待监管设备连接。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述待监管设备包括但不限于四组超声波采集设备、四组舵机设备和双电机设备。

与现有技术相比，本实用新型可以获得包括以下技术效果：该主控电路与转接驱动电路分开设计，能够在有限的移动机器人安装空间实现核心控制电路板与转接驱动板、信号发射和大电流供电相融合，实现对移动机器人的监测和控制。

当然，实施本实用新型的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

【附图说明】

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本实用新型一个实施例提供的智能轮式机器人核心控制板的电路连接图；

图2是本实用新型一个实施例提供的直流电压转换电路原理图；

图3是本实用新型一个实施例提供的USB转接电路原理图；

图4是本实用新型一个实施例提供的晶振电路原理图；

图5是本实用新型一个实施例提供的复位电路原理图；

图6是本实用新型一个实施例提供的主控电路原理图；

图7是本实用新型一个实施例提供的主控电路连接端子原理图；

图8是本实用新型一个实施例提供的CAN通信电路原理图。

【具体实施方式】

为了更好的理解本实用新型的技术方案，下面结合附图对本实用新型实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

针对现有技术中存在的技术缺陷或者不足，本实用新型提供一种在有限空间内的核心控制电路板，有效地与驱动板完美结合，能够信号发射和大电流供电电路相融合的集成电路板。

双电机控制电路控制核心电路板，刚好符合5cm*5cm的正方形机舱空间，独立供电电路，包括双电压源电路，晶振电路，复位电路、主控电路和CAN通信电路等几个部分。该电路板为间接供电电路板，从智能小车锂电池供电端直接接线供电给驱动电路板，驱动电路板变压后提供给控制核心电路板5伏的电压，核心板通讯部分采用双边60针接口，有效地适配多种驱动电路板。电机供电及其信号采集接收采用集成式分布在电路板的两侧，方便双电机的接线。该电路板含有独立USB通信串口，并受复位电路控制。

下面对各个电路做详细说明：

1、双电压源电路

双电压源电路原理图如图2-3所示。双电压源电路包括直流电压转换电路(如图2所示)和转接电路(如图3所示)。直流电压转换电路主要由电压转换芯片U2完成直流电压5伏转3.3伏功能(U2的型号选择ASM1117-3.3)，电压转换芯片U2的Vin端连接DC5V电源，GND端接地。电压转换芯片U2的Vin端和GND端之间并联稳压二极管D2、滤波电容C8和滤波电容C9。电压转换芯片U2的Vout端(即3.3V输出端) 和GND端之间并联滤波电容C10、滤波电容C11和指示灯支路，指示灯支路为串联支路，具体为分压电阻R1和蓝色指示灯L1的串联电路。U2 为降压型单片同步电源芯片，该器件具有软启动功能，能够有效抑制输入浪涌电流与输出电压过冲。

USB转接电路的原理图如图3所示。USB转接电路主要由USB总线转接芯片CH340G来实现(即转换芯片U3)，用于实现USB转串口、USB 转IrDA红外或者USB转打印口等功能，有效的扩展了控制端的通讯兼容性。转换芯片U3的VCC端接DC5V电源，V3.3端串接滤波电容C14后接地，即处于5V工作电压状态。转换芯片U3的XI端和XO端之间连接第二晶振Y2，且XI端和XO端分别串接滤波电容后接地。转换芯片U3 的TXD和RXD端分别与主控电路的主控芯片U1连接，用于与U1进行通信。转换芯片U3的RTS端串接电阻R2后与第一三极管Q1的基极连接，第一三极管Q1的集电极连接DC3.3V电源，发射极串接电阻R4后与主控芯片U1的BOOT0端连接(BOOT0信号为CH340G的使能信号，通过脉冲信号来实现)。转换芯片U3的DTR端串接电阻R3后与第二三极管Q2 的基极连接，第二三极管Q2的集电极一个支路接上拉电阻R5后与DC3.3V电源连接，另一个支路与主控芯片U1连接，具体为主控芯片U1 的NRST端连接第一二极管D1后与第二三极管Q2的集电极连接。第一二极管D1的型号为LL4148LL-34 1206。第二三极管Q2的发射极与USB 口RTS引脚相连接，完成电路闭环通电的读取。

2、晶振电路

晶振电路原理图如图4所示。晶振电路主要由第一晶振Y1、滤波电容C6和滤波电容C7组成。第一晶振Y1的两端分别与主芯片U1的 PD0-OSC_IN端以及PD1端连接来实现晶振作用。同时，第一晶振Y1的两端分别串接滤波电容后接地，具体为第一晶振Y1的IN端(作为主芯片U1晶振输入的端)串接滤波电容C6后接地，第一晶振Y1的另一端串接滤波电容C7后接地。第一晶振Y1选用8MHz晶振。两个滤波电容均选用22pF的电容。晶振电路用于通过基准频率来控制整个电路中频率的准确性。

3、复位电路

复位电路用来完成核心控制板中程序的重新启动。其电路原理图如图5所示。复位电路包括开关支路和电源支路，开关支路由开关SW4来实现，电源支路为上拉电阻R6和3.3V电源，两个支路合流后与主芯片 U1的NRST端连接。NRST端串接滤波电容C15后接地，以防止杂散信号对复位电路造成干扰。开关支路的另一端接地。开关SW4按下时主芯片 U1的NRST端接地，弹起时通过上拉电阻接3.3V电源，从而实现复位电路的功能。

4、主控电路

主控电路的原理图如图6-7所示，用来实现对智能小车的控制。主控电路由主芯片U1(即图6中的U1A)来实现。主芯片U1采用 STM32F103RCT6。主芯片的各端口以及本申请其他各模块电路的最终信号通过图7中的连接端子J5和J6的60针与转接板连接，从而实现该核心控制电路板与转接板之间的信号连接。

PA组引脚主要用于接收和处理底板传回来的相关电信号，比如I MU 信息、遥控器信息等；PB组引脚主要用于接收和处理底板传回来的传感器和电控信号，比如超声波传感器、舵机信号、电机信号等；PC组引脚主要是供电和复位功能。

5、CAN通信电路

CAN通信电路的原理图如图8所示。CAN通信电路由VP230通信芯片实现，即CAN通信芯片U4。CAN通信芯片U4的CANH端和CANL端之间串接电阻R9。R端和D端均与主控芯片连接。CAN通信芯片U4采用 DC3.3V电源驱动进行工作。

本申请电路板为间接供电电路板，从智能小车锂电池供电端直接接线供电给转接驱动电路板，转接驱动电路板变压后提供给控制核心电路板5伏的电压，核心板通讯部分采用双边60针接口，有效地适配多种驱动电路板。电机供电及其信号采集接收采用集成式分布在电路板的两侧，方便双电机的接线。本申请电路板含有独立USB通信串口，并受复位电路控制。

本申请核心控制电路板大小为5cm*5cm，无安装孔，采用排针直焊连接驱动电路板(即通过连接端子J5和J6与转接板进行连接，驱动电路板即转接板)。60针输出到驱动电路板，独立供电电源，转接驱动电路板与控制端的各设备连接，用于控制各个设备或者采集设备信号。控制端包括四组超声波采集端，四组超声波采集端的信号通过连接端子J5 和J6实现连接。USB通信独立串口元件U3，负责与工控机进行usb串口通信，通讯高电平电压5伏。副控板为直流12伏输入供电。控制端可控制四个舵机电路，每个舵机控制电路分配一个独立信号通讯引脚，更好的配合双电机并排放置的底盘结构，包括车身、前轮转向组件和后轮驱动组件。一个复位开关负责清零重启整张电路板控制信号。内含独立遥控器信号控制引脚，可以适配多种遥控手柄(遥控器信号控制引脚占用PA10到PA14五个引脚，通过不同引脚之间的通断状态完成遥控器模拟量传递和解码)。内含两个电机控制引脚(PC5、PC6)，分别是主要负责电机控制信号包括A4950双路电机驱动模块信号，通过PWM信号来调节输出信号大小，来改变电机速度。

本申请核心控制电路板，内含直流电压转换模块，主要由U2完成直流电压5伏转3.3伏功能。内含转接电路，主要由U3完成，即CH340 芯片，该芯片是一个USB总线的转接芯片，实现USB转串口、USB转IrDA 红外或者USB转打印口等功能，有效的扩展了控制端的通讯兼容性。内含微控制电路由U1即STM32F103RCT6微控制器承担主要控制任务,该电路为电机控制提供32位计算方式,该电路通讯频率为72MHz,该STM 芯片有64引脚,该控制电路提供给该芯片控制电压3.3伏。该电路里 STM32F103RCT6芯片使用的是LQFP封装，并且内含RISC有效的完成每一个执行指令，增强范围的强化输入输出,以及外部连接至两个APB总线，并且该电路围绕该芯片设计有低功率应用。

供电电源分为两种直流电压，分别为5伏和3.3伏两种供电电压。其中5伏为各信号的发射和接收提供一个高电平标准，3.3伏为独立供电模块，是由电压转换芯片和部分电容构成了5伏转3.3伏电路，为 STM32F103RCT6芯片供电同时提供一个高电平标准。该电路板含有OLED 显示模块J2，由单排六针插针组合模式，有两个供电引脚，供电电压 3.3伏，四个信号传输引脚分别对应STM32F103RCT6芯片2、3、4、8四个引脚。

本实用新型的有益效果包括：

1、本申请以双电机核心控制电路为基准，3.3伏独立电源模块，两电机独立控制，布线美观可靠、结构合理、安装方便；

2、本申请带有OLED显示电路，可适配多种显示模块安装方便，使用可靠不影响其他采集信号电路的信道传输。

3、本申请的核心控制由STM32F103RCT6芯片组成的控制电路为核心完成整台智能无人驾驶小车的核心控制，其他扩展模块也做了有效的信道处理。

以上对本申请实施例所提供的一种基于阿克曼运动模型的核心控制电路及系统，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于阿克曼运动模型的核心控制电路，其特征在于，所述控制电路包括直流电压转换电路、USB转接电路、主控电路和CAN通信电路；

所述直流电压转换电路分别与所述USB转接电路、所述主控电路和所述CAN通信电路连接；

所述主控电路分别与所述USB转接电路和所述CAN通信电路连接。

2.根据权利要求1所述的基于阿克曼运动模型的核心控制电路，其特征在于，所述主控电路包括主控芯片、转接端子、晶振电路和复位电路，所述主控芯片通过所述转接端子与外部转接驱动电路连接；所述晶振电路和所述复位电路均与所述主控芯片连接。

3.根据权利要求2所述的基于阿克曼运动模型的核心控制电路，其特征在于，所述晶振电路采用8MHz晶振元件。

4.根据权利要求2所述的基于阿克曼运动模型的核心控制电路，其特征在于，所述复位电路包括串接的开关支路和电源支路；所述开关支路包括开关SW4；所述电源支路包括上拉电阻R6，所述上拉电阻R6与DC3.3V电源连接；所述开关SW4和所述上拉电阻R6的连接端与所述主控芯片的复位端连接；所述开关SW4的另一端接地；所述复位端串接滤波电容C15后接地。

5.根据权利要求1所述的基于阿克曼运动模型的核心控制电路，其特征在于，所述直流电压转换电路采用5伏转3.3伏的电压转换芯片；所述电压转换芯片的输入端连接DC5V电源，且所述输入端和和地之间并联有稳压二极管和若干滤波电容；所述电压转换芯片输出端与地之间并联有指示灯支路和若干滤波电容；所述指示灯支路为分压电阻和指示灯的串联电路。

6.根据权利要求1所述的基于阿克曼运动模型的核心控制电路，其特征在于，所述USB转接电路包括转换芯片；所述转换芯片采用DC5V电压驱动；所述转换芯片的XI端和XO端之间连接第二晶振，且XI端和XO端分别串接滤波电容后接地；所述转换芯片的两个数据传输端分别与所述主控电路的主控芯片连接；所述转换芯片的RTS端串接电阻R2后与第一三极管Q1的基极连接；所述第一三极管Q1的集电极与DC3.3V电源连接，发射极串接电阻R4后与所述主控芯片的BOOT0端连接；所述转换芯片的DTR端串接电阻R3后与第二三极管Q2的基极连接；所述第二三极管Q2的集电极分两个支路，一个支路接上拉电阻R5后与DC3.3V电源连接，另一个支路与主控芯片连接。

7.根据权利要求6所述的基于阿克曼运动模型的核心控制电路，其特征在于，所述第二三极管Q2的集电极与主控芯片连接的支路具体为：所述主控芯片的NRST端连接第一二极管D1后与所述第二三极管Q2的集电极连接。

8.根据权利要求1所述的基于阿克曼运动模型的核心控制电路，其特征在于，所述CAN通信电路包括CAN通信芯片；所述CAN通信芯片的CANH端和CANL端之间串接电阻R9，R端和D端均与主控芯片连接。

9.一种控制系统，其特征在于，所述控制系统包括核心控制电路板、转接驱动电路板和待监管设备；所述核心控制电路板上集成如权利要求1-8任一所述的控制电路；

所述核心控制电路板与通过所述转接驱动电路板与所述待监管设备连接。

10.根据权利要求9所述的控制系统，其特征在于，所述待监管设备包括但不限于四组超声波采集设备、四组舵机设备和双电机设备。

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