专利名称：一种适合移动机器人的三轴运动控制卡的利记博彩app
技术领域：
一种适合移动机器人的三轴运动控制卡技术领域[0001]本实用新型涉及自动化控制领域，尤其是一种适合移动机器人的三轴运动控制卡。
背景技术：
[0002]目前国内移动机器人的配件尚不够丰富，特别是移动机器人专用的运动控制卡， 让很多移动机器人爱好者、发烧友、学校机器人竞技(CCTV机器人大赛)、公司产品开发者制作和开发困难。国内也有几家机器人配件公司在生产类似产品，也有三轴甚至多轴的运动控制卡，然而的价格昂贵，控制协议和控制方式都不太适合移动机器人。[0003]所以为了解决这样的问题，我们将步进电机作为控制对象，需要发明一种满足以下功能的控制卡[0004]O响应协议指令实时[0005]2)能够长期、实时地、频繁的急停，急转[0006]3)能够平稳地的加减速，使得运动体验平稳[0007]4)每次协议维持时间定时[0008]5)程序跑飞自动重启[0009]6)调速范围和调速精度较高[0010]7)价格便宜，使用方便可靠[0011]而对于头部运动而言[0012]O能够以不同速度转动不同角度[0013]2)能够限位,而且限位成功率100%[0014]3)能够归零[0015]能够满足这样功能的集成控制卡市场上还没有，而一些基于DSP、FPGA, ARM的控制卡，其功能强大，但是不一定适合移动机器人的制；另一方面它们的价格也让爱好者和学生望而却步。[0016]所以面临这样的情况，无论我们自己研发机器人还是为了满足发烧友需求，一款能够满足机器人运动基本属性的、高性能、高性价比的运动控制卡的研发和设计都是迫在眉睫的。[0017]为了满足上述机器人功能的需求，利用高价格的DSP或者ARM或者ARM加FPGA等方式实现上述功能不是很难，市场上也有相应的产品；或者利用高价的8位单片机实现对单轴的控制也不难，也有相应的产品。但是如何利用低价格8位单片机，分别能够满足机器人头部和脚部等三轴功能需要并集成，市场上也没有相应的产品。技术难点主要集中在满足机器人的功能需耗相当多的资源，而如何充分利用和分配芯片的资源以及外围电路的合理设计，并设计出简单、可靠、高效率的硬件和软件为关键难点技术。实用新型内容[0018]本实用新型的发明目的在于针对上述存在的问题，提供一种适合移动机器人的三轴运动控制卡，满足机器人运动基本属性且高性能、高性价。[0019]本实用新型采用的技术方案是这样的一种适合移动机器人的三轴运动控制卡， 包括中央处理单元、中央处理单元分别连接电源管理单元、通信单元、协议时间保持单元、 平滑运动单元、限位传感器采集处理单元、计数单元、频率可变脉冲产生控制单元；[0020]其中，中央处理单元，为各单元提供统一时针信号、控制寄存器和端口连接；[0021]电源管理单元，用于将电源电压转为线性电压；[0022]通信单元，分别与协议解析单元和协议时间保持单元连接，和上位机采用串口通[0023]协议时间保持单元，与平滑运动单元连接，保证定时器每条正确的协议能够维持在规定时间内；[0024]平滑运动单元，分别与限位传感器采集处理单元及频率可变脉冲产生控制单元连接，根据协议中平滑时间实现梯形加减速；[0025]限位传感器采集处理单元，分别与频率可变脉冲产生控制单元和计数单元连接， 通过外部中断去计算脉冲个数；[0026]频率可变脉冲产生控制单元，根据控制协议为步进电机分配相应脉冲；[0027]计数单元，计算控制电机的脉冲个数。[0028]作为优选，还包括过流保护单元，分别与电源输入端口、电源管理单元、中央处理单元连接，用于电源电压过大、或者内部出现短路现象时，断开电路的物理连接。[0029]作为优选，还包括继电器控制单元，分别与过流保护单元、电源管理单元及中央处理单元连接，用于在需要的时候关闭电机电流。[0030]作为优选，还包括指示灯单元，分别与中央处理单元和电源管理单元连接，保障程序正常运行和电源正常的指示。[0031]作为优选，还包括自动复位单元，与中央处理单元连接，起到程序跑飞或者死机时的重启。[0032]作为优选，电源管理单元中，所述的电源电压为7V到24V，线性电压为5V。[0033]作为优选，所述的电源管理单元在输入和输出均增加了旁路滤波电容。[0034]作为优选，所述的继电器控制单元采用24V/6A继电器，并使用三极管作为驱动。[0035]综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是该运动控制卡经过严格测试和产品中长期应用反馈，可知解决移动机器人驱动控制的有效方法。和其他产品相比，具体效果可以描述为输入电压范围宽，具有过流保护；继电器控制电机电流，进一步降低功耗和热量；通信接口简单、方便、普通、可靠；通信协议完整、简单，便于上层应用；将头部和行走等三轴控制集成，对于移动机器人而言，显得专业、体积小、便于应用开发；行走电机精度高，具有通信故障定时I秒运行保护；行走电机加速时间可调，上层便于应用，运行平稳；头部电机转动角度精准；头部电机限位、归零精度高；电机工作指示灯，便于调试和故障检测；高性价比，一块运动控制卡其成本不足80元。[0036]该运动控制卡区别其他相似产品最为突出优点表现在[0037](I)移动机器人专用性，将头部和行走集成一块板子的三轴运动，既可以联动也可以独立运动，实际功能和实时性均满足移动机器人的要求；[0038](2)高性价比，其成本不足80元，远远低于同类产品的成本；[0039](3)可靠，经过产品验证，其硬件、软件、散热均没有出现问题，可以为工业产品级；[0040]移动机器人控制行走头部集成一体化问题，也解决了市场上没有专卖移动机器人运动控制卡的难题，其专业、方便、高性能、高集成、高性价比特点，必定会迎得各机器人发烧友、研发人员、学校学生等的青睐。
[0041]图I是本实用新型的功能单元示意图。
具体实施方式
[0042]
以下结合附图，对本实用新型作详细的说明。[0043]运动控制卡巧妙地利用芯片的定时器、比较器和外部中断等，具体所涉及的功能单元如下[0044]—I中央处理单元，主要功能为上层决策，提供系统时钟，采用AVR492内核。[0045]一2过流保护单元，功能为如果电源电压过大、或者内部出现短路现象，通过采样电阻AD采样后得到母线电流信息，并作判断是否过流，如果过流则在程序上断开驱动部分，并加用保险丝，起到更可靠的物理断开。[0046]-3电源管理单元，功能为电源电压(7 24V)转为纹波很小的线性电压5V，采用东芝的三端线性稳压芯片LM78M05，并在输入和输出均加了旁路滤波电容。[0047]-4继电器控制单元，步进电机具有一定保持力矩，因此静止不动的时候具有O. 5 左右的电流，三个电机的电流为I. 5A左右，为了降低功耗和散热，需要在待机的时候关闭电机电流。所以采用欧姆龙的继电器，这里采用PNP8050三极管作为驱动。[0048]-5通信单元，与外部模块通信采用RS232通信，为了抗干扰和便于和计算机联系，采用RS232电平，由于CMU为TTL电平，所以采用MAX232电平转换芯片，采用三线制通信，波特率为9600，8位数据位，I位停止位,无校验位。[0049]—6协议解析单元，功能为通过UART接收响应字节中断，定义一个缓冲区数组，接收数据帧，如果得到合法数据帧则执行；否则清空缓冲区。如果执行完毕，则清空当期协议缓冲区。保证协议可以分帧，当然如果帧间数据延时超过IOOms认为错帧；一帧正确的数据隐藏在一组数据中能够发现执行，最终达到数据不会漏帧、虚帧。[0050]-7协议时间保持单元，功能为如果通信出现了问题，而机器人又在继续行走，为了尽量保证机器人少受到伤害，所以一条运动协议只能维持I秒，I秒之后变处于静止等待状态，采用16位的定时器I。[0051]—8平滑运动单元，功能为给定速度改变或者速度换向时，特别是速度变化过大时，一是为了防止突然的加速使得机器人产生振动；二是让运动体验更接近自然化。通过控制协议独立控制加速(减速)时间，默认为没有加速时间(很短)，这样便于急停、急转。加速采用8位定时器2，实现梯形加减速，斜率由协议中加减速时间而定。[0052]-9限位传感器采集处理单元，功能主要分为三个方面，一是为头部转动需要有一定的角度限制，以免引起线的缠绕；二是限位传感器可以知道头部的较为精确的相对角度位置；三是可以起到头部归零转到正中位置。普通IO 口查询存在延时问题，如果在极限位置向运动方向稍微转动，会对电机轴或者内壁造成很大的损害，所以采用外部中断的方式， 而外部中断很敏感，极易受外界噪声和信号毛刺影响，所以加上滤波电容。[0053]—10计数单元，功能为计算控制电机的脉冲个数，这样能够控制电机的转动位置。[0054]-11指示灯单元，功能主要有电源指示灯，表示电源正常工作；程序正常运行指示灯，如果程序出现跑飞或者死机，指示灯会方便简洁显示；还有三个电机正常工作的指示灯，便于调试和故障检测。[0055]-12自动复位单元，功能为当单片机出现程序跑飞或者死机时，通过看门狗产生复位信号，而AVR单片机的IO 口复位时为输入高阻，因此对外界没有影响，这样起到了避免因为跑飞和死机而出现故障问题。[0056]-13频率可变脉冲产生控制单元，功能为三轴步进电机提供脉冲，并且频率可调， 分辨率高，频率精度高。利用其内部的PSC单元，提供了 8位比较器，所以其频率方便可调。[0057]如图I所示，包括中央处理单元，过流保护单元，电源管理单元，继电器控制单元，通信单元，协议解析单元，协议时间保持单元，平滑运动单元，限位传感器采集处理单元，计数单元，指示灯单元，自动复位单元，频率可变脉冲产生控制单元。[0058]其中，中央处理单元为各单元提供统一时针信号、控制寄存器和端口连接。[0059]过流保护单元，与电源输入端口、电源管理单元以及继电器控制单元连接，主要分两种保护，一是电机运行中出现堵转而使得电流增加，这样通过采样电阻得到模拟电压，然后通过AD采样得到其电流大小，这样程序控制过流；二是接保险丝和嵌位二极管，防止电源反接和短路，以保证控制卡中IC的电气安全。[0060]电源管理单元，该单元为各单元提供可靠、纹波很小的线性工作电压，与过流保护单元连接。[0061]继电器控制单元，该单元与电源管理单元和过流保护单元连接，电流经过流保护单元分为两路电流，一路为头部电机提供，另一路给脚部电机提供，而步进电机没运行时也存在保持力矩，这样就约有O. 5A左右电流，3个电机就有I. 5A电流左右，为了降低功耗，当电机没有运行时就可以利用继电器断开电流，起到了减少功耗以及更好散热，继电器采用 PNP8050三极管作为驱动，且并联一个肖特基二极管，防止电压过高或者浪涌电流对继电器的损害。[0062]通信单元，与协议解析单元和协议时间保持单元连接，且通过RS232端口和上位机连接，采用串口通信。[0063]协议解析单元，与通信单元、协议时间保持单元和频率可变脉冲产生控制单元连接，将上位机的下行协议数据进行解析并判断行为，通过频率可变脉冲产生控制单元去执行行为。[0064]协议时间保持单元，与协议解析单元和平滑运动单元连接，利于定时器保证每条正确的协议能够维持I秒，如果平滑时间大于ls，则优先执行协议时间保持单元。[0065]平滑运动单元，与协议时间保持单元、协议解析单元和频率可变脉冲产生控制单元连接，根据协议中平滑时间实现梯形加减速。[0066]限位传感器采集处理单元，与频率可变脉冲产生控制单元连接，通过外部中断去计脉冲个数，以便控制脉冲个数。[0067]指示灯单元，和中央处理单元连接也和电源管理单元连接，起到程序正常运行和电源正常运行的指示作用。[0068]自动复位单元，与中央处理单元连接，起到程序跑飞或者死机时的重启。[0069]频率可变脉冲产生控制单元，与协议解析单元、平滑运动单元和限位传感器采集处理单元连接，起到后端控制卡产生所要求的脉冲，实现脉冲分配执行行为的功能。[0070]本实用新型的运动控制卡采用全面积覆铜的双层板，并有规律的打有很小过孔起散热和过流的作用。电机电流的布线也是采用覆铜连接，这样既利于过流也利于散热，为了更好地过流，并在PCB的阻焊层镀锡。实践证明控制卡完全满足电气要求和散热要求。[0071]本实用新型的运动控制卡的工作原理如下首先，通过电源端口给控制卡上电，通过通信端口和上位机连接。待上电后，如果电源正常，则指示灯单元的电源指示灯会亮，如果芯片和程序初始化正常则指示灯单元的程序指示灯亮，并通过通信单元将自检信息发给上位机。然后，控制卡通过通信单元处于等待协议状态，如果收到协议，则通过协议解析单元解析协议，如果不合法则清空数据缓冲区继续等待；如果合法，则判断其命令号。如果是脚部电机，则首先读取速度和加减速时间，速度则通过频率可变脉冲产生控制单元来实现， 加减速时间则通过平滑运动单元产生梯形速度，再由频率可变脉冲产生控制单元实现。然后判断Is之内是否有协议，有则按照前述流程运行，如果没有则通过协议时间保持单元停止电机。如果是头部电机，则通过协议解析单元得出是平常转动还是归零，如果是平常转动则通过计数单元计数脉冲个数以控制转动角度，同时启动限位传感器采集处理单元，以中断判断是否会碰到极限位置，如果会则停止在极限位置，不会则运行。如果是归零行为，则通过频率可变脉冲产生控制单元顺时针转动，再通过限位传感器采集处理单元判断是否触发右边限位，如果没有则继续运行，如果触发则通过计数单元和频率可变脉冲产生控制单元逆时针转62度，即是中间位置。最后清空协议数据缓冲区，由通信单元等待协议。当然控制运行过程中，过流保护单元和自动复位单元一直为消息中断状态，一旦触发则执行。
权利要求1.一种适合移动机器人的三轴运动控制卡，包括中央处理单元、其特征在于中央处理单元分别连接电源管理单元、通信单元、协议时间保持单元、平滑运动单元、限位传感器采集处理单元、计数单元、频率可变脉冲产生控制单元； 其中，中央处理单元，为各单元提供统一时针信号、控制寄存器和端口连接； 电源管理单元，用于将电源电压转为线性电压； 通信单元和上位机采用串口通信； 协议时间保持单元，与平滑运动单元连接，保证定时器每条正确的协议能够维持在规定时间内； 平滑运动单元，分别与限位传感器采集处理单元及频率可变脉冲产生控制单元连接，根据协议中平滑时间实现梯形加减速； 限位传感器采集处理单元，分别与频率可变脉冲产生控制单元和计数单元连接，通过外部中断去计算脉冲个数； 频率可变脉冲产生控制单元，根据控制协议为步进电机分配相应脉冲； 计数单元，计算控制电机的脉冲个数。
2.根据权利要求I所述的一种适合移动机器人的三轴运动控制卡，其特征在于还包括过流保护单元，分别与电源输入端口、电源管理单元、中央处理单元连接，用于电源电压过大、或者内部出现短路现象时，断开电路的物理连接。
3.根据权利要求2所述的一种适合移动机器人的三轴运动控制卡，其特征在于还包括继电器控制单元，分别与过流保护单元、电源管理单元及中央处理单元连接，用于需要的时候关闭电机电流。
4.根据权利要求3所述的一种适合移动机器人的三轴运动控制卡，其特征在于还包括指示灯单元，分别与中央处理单元和电源管理单元连接，保障程序正常运行和电源正常的指示。
5.根据权利要求4所述的一种适合移动机器人的三轴运动控制卡，其特征在于还包括自动复位单元，与中央处理单元连接，起到程序跑飞或者死机时的重启。
6.根据权利要求I或2或3或4或5所述的一种适合移动机器人的三轴运动控制卡，其特征在于电源管理单元中，所述的电源电压为7V到24V，线性电压为5V。
7.根据权利要求6所述的一种适合移动机器人的三轴运动控制卡，其特征在于所述的电源管理单元在输入和输出均增加了旁路滤波电容。
8.根据权利要求3或4或5所述的一种适合移动机器人的三轴运动控制卡，其特征在于所述的继电器控制单元采用24V/6A继电器，并使用三极管作为驱动。
专利摘要本实用新型公开了一种适合移动机器人的三轴运动控制卡，涉及自动化控制领域，包括中央处理单元、中央处理单元分别连接电源管理单元、通信单元、协议解析单元、协议时间保持单元、平滑运动单元、限位传感器采集处理单元、计数单元、频率可变脉冲产生控制单元。本实用新型具体效果可以描述为将头部和行走等三轴控制集成，对于移动机器人而言，显得专业、体积小、便于应用开发；行走电机精度高，具有通信故障定时1秒运行保护；行走电机加速时间可调，上层便于应用，运行平稳；头部电机转动角度精准；头部电机限位、归零精度高；高性价比，一块运动控制卡其成本不足80元。
文档编号G05B19/042GK202815474SQ201220309849
公开日2013年3月20日 申请日期2012年6月29日 优先权日2012年6月29日
发明者包壁祯 申请人:成都四威高科技产业园有限公司