一種適合移動機器人的三軸運動控制卡制造技術

本實用新型專利技術公開了一種適合移動機器人的三軸運動控制卡，涉及自動化控制領域，包括中央處理單元、中央處理單元分別連接電源管理單元、通信單元、協議解析單元、協議時間保持單元、平滑運動單元、限位傳感器采集處理單元、計數單元、頻率可變脈沖產生控制單元。本實用新型專利技術具體效果可以描述為：將頭部和行走等三軸控制集成，對于移動機器人而言，顯得專業、體積小、便于應用開發；行走電機精度高，具有通信故障定時1秒運行保護；行走電機加速時間可調，上層便于應用，運行平穩；頭部電機轉動角度精準；頭部電機限位、歸零精度高；高性價比，一塊運動控制卡其成本不足80元。（*該技術在2022年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

一種適合移動機器人的三軸運動控制卡
本技術涉及自動化控制領域，尤其是一種適合移動機器人的三軸運動控制卡。
技術介紹
目前國內移動機器人的配件尚不夠豐富，特別是移動機器人專用的運動控制卡， 讓很多移動機器人愛好者、發燒友、學校機器人競技(CCTV機器人大賽)、公司產品開發者制作和開發困難。國內也有幾家機器人配件公司在生產類似產品，也有三軸甚至多軸的運動控制卡，然而的價格昂貴，控制協議和控制方式都不太適合移動機器人。所以為了解決這樣的問題，我們將步進電機作為控制對象，需要專利技術一種滿足以下功能的控制卡O響應協議指令實時2)能夠長期、實時地、頻繁的急停，急轉3)能夠平穩地的加減速，使得運動體驗平穩4)每次協議維持時間定時5)程序跑飛自動重啟6)調速范圍和調速精度較高7)價格便宜，使用方便可靠而對于頭部運動而言O能夠以不同速度轉動不同角度2)能夠限位,而且限位成功率100%3)能夠歸零能夠滿足這樣功能的集成控制卡市場上還沒有，而一些基于DSP、FPGA, ARM的控制卡，其功能強大，但是不一定適合移動機器人的制；另一方面它們的價格也讓愛好者和學生望而卻步。所以面臨這樣的情況，無論我們自己研發機器人還是為了滿足發燒友需求，一款能夠滿足機器人運動基本屬性的、高性能、高性價比的運動控制卡的研發和設計都是迫在眉睫的。為了滿足上述機器人功能的需求，利用高價格的DSP或者ARM或者ARM加FPGA等方式實現上述功能不是很難，市場上也有相應的產品；或者利用高價的8位單片機實現對單軸的控制也不難，也有相應的產品。但是如何利用低價格8位單片機，分別能夠滿足機器人頭部和腳部等三軸功能需要并集成，市場上也沒有相應的產品。技術難點主要集中在滿足機器人的功能需耗相當多的資源，而如何充分利用和分配芯片的資源以及外圍電路的合理設計，并設計出簡單、可靠、高效率的硬件和軟件為關鍵難點技術。
技術實現思路
本技術的專利技術目的在于針對上述存在的問題，提供一種適合移動機器人的三軸運動控制卡，滿足機器人運動基本屬性且高性能、高性價。本技術采用的技術方案是這樣的一種適合移動機器人的三軸運動控制卡， 包括中央處理單元、中央處理單元分別連接電源管理單元、通信單元、協議時間保持單元、 平滑運動單元、限位傳感器采集處理單元、計數單元、頻率可變脈沖產生控制單元；其中，中央處理單元，為各單元提供統一時針信號、控制寄存器和端口連接；電源管理單元，用于將電源電壓轉為線性電壓；通信單元，分別與協議解析單元和協議時間保持單元連接，和上位機采用串口通協議時間保持單元，與平滑運動單元連接，保證定時器每條正確的協議能夠維持在規定時間內；平滑運動單元，分別與限位傳感器采集處理單元及頻率可變脈沖產生控制單元連接，根據協議中平滑時間實現梯形加減速；限位傳感器采集處理單元，分別與頻率可變脈沖產生控制單元和計數單元連接， 通過外部中斷去計算脈沖個數；頻率可變脈沖產生控制單元，根據控制協議為步進電機分配相應脈沖；計數單元，計算控制電機的脈沖個數。作為優選，還包括過流保護單元，分別與電源輸入端口、電源管理單元、中央處理單元連接，用于電源電壓過大、或者內部出現短路現象時，斷開電路的物理連接。作為優選，還包括繼電器控制單元，分別與過流保護單元、電源管理單元及中央處理單元連接，用于在需要的時候關閉電機電流。作為優選，還包括指示燈單元，分別與中央處理單元和電源管理單元連接，保障程序正常運行和電源正常的指示。作為優選，還包括自動復位單元，與中央處理單元連接，起到程序跑飛或者死機時的重啟。作為優選，電源管理單元中，所述的電源電壓為7V到24V，線性電壓為5V。作為優選，所述的電源管理單元在輸入和輸出均增加了旁路濾波電容。作為優選，所述的繼電器控制單元采用24V/6A繼電器，并使用三極管作為驅動。綜上所述，由于采用了上述技術方案，本技術的有益效果是該運動控制卡經過嚴格測試和產品中長期應用反饋，可知解決移動機器人驅動控制的有效方法。和其他產品相比，具體效果可以描述為輸入電壓范圍寬，具有過流保護；繼電器控制電機電流，進一步降低功耗和熱量；通信接口簡單、方便、普通、可靠；通信協議完整、簡單，便于上層應用；將頭部和行走等三軸控制集成，對于移動機器人而言，顯得專業、體積小、便于應用開發；行走電機精度高，具有通信故障定時I秒運行保護；行走電機加速時間可調，上層便于應用，運行平穩；頭部電機轉動角度精準；頭部電機限位、歸零精度高；電機工作指示燈，便于調試和故障檢測；高性價比，一塊運動控制卡其成本不足80元。該運動控制卡區別其他相似產品最為突出優點表現在(I)移動機器人專用性，將頭部和行走集成一塊板子的三軸運動，既可以聯動也可以獨立運動，實際功能和實時性均滿足移動機器人的要求；(2)高性價比，其成本不足80元，遠遠低于同類產品的成本；(3)可靠，經過產品驗證，其硬件、軟件、散熱均沒有出現問題，可以為工業產品級；移動機器人控制行走頭部集成一體化問題，也解決了市場上沒有專賣移動機器人運動控制卡的難題，其專業、方便、高性能、高集成、高性價比特點，必定會迎得各機器人發燒友、研發人員、學校學生等的青睞。附圖說明圖I是本技術的功能單元示意圖。具體實施方式以下結合附圖，對本技術作詳細的說明。運動控制卡巧妙地利用芯片的定時器、比較器和外部中斷等，具體所涉及的功能單元如下—I中央處理單元，主要功能為上層決策，提供系統時鐘，采用AVR492內核。一2過流保護單元，功能為如果電源電壓過大、或者內部出現短路現象，通過采樣電阻AD采樣后得到母線電流信息，并作判斷是否過流，如果過流則在程序上斷開驅動部分，并加用保險絲，起到更可靠的物理斷開。-3電源管理單元，功能為電源電壓(7 24V)轉為紋波很小的線性電壓5V，采用東芝的三端線性穩壓芯片LM78M05，并在輸入和輸出均加了旁路濾波電容。-4繼電器控制單元，步進電機具有一定保持力矩，因此靜止不動的時候具有O. 5 左右的電流，三個電機的電流為I. 5A左右，為了降低功耗和散熱，需要在待機的時候關閉電機電流。所以采用歐姆龍的繼電器，這里采用PNP8050三極管作為驅動。-5通信單元，與外部模塊通信采用RS232通信，為了抗干擾和便于和計算機聯系，采用RS232電平，由于CMU為TTL電平，所以采用MAX232電平轉換芯片，采用三線制通信，波特率為9600，8位數據位，I位停止位,無校驗位?！?協議解析單元，功能為通過UART接收響應字節中斷，定義一個緩沖區數組，接收數據幀，如果得到合法數據幀則執行；否則清空緩沖區。如果執行完畢，則清空當期協議緩沖區。保證協議可以分幀，當然如果幀間數據延時超過IOOms認為錯幀；一幀正確的數據隱藏在一組數據中能夠發現執行，最終達到數據不會漏幀、虛幀。-7協議時間保持單元，功能為如果通信出現了問題，而機器人又在繼續行走，為了盡量保證機器人少受到傷害，所以一條運動協議只能維持I秒，I秒之后變處于靜止等待狀態，采用16位的定時器I?！?平滑運動單元，功能為給定速度改變或者速度換向時，特別是速度變化過大時，一是為了防止突然的加速使得機器人產生振動；二是讓運動體驗更接近自然化。通過控制協議獨立控制加速(減速)時間，默認為沒有加速時間(很短)本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種適合移動機器人的三軸運動控制卡，包括中央處理單元、其特征在于：中央處理單元分別連接電源管理單元、通信單元、協議時間保持單元、平滑運動單元、限位傳感器采集處理單元、計數單元、頻率可變脈沖產生控制單元；其中，中央處理單元，為各單元提供統一時針信號、控制寄存器和端口連接；電源管理單元，用于將電源電壓轉為線性電壓；通信單元和上位機采用串口通信；協議時間保持單元，與平滑運動單元連接，保證定時器每條正確的協議能夠維持在規定時間內；平滑運動單元，分別與限位傳感器采集處理單元及頻率可變脈沖產生控制單元連接，根據協議中平滑時間實現梯形加減速；限位傳感器采集處理單元，分別與頻率可變脈沖產生控制單元和計數單元連接，通過外部中斷去計算脈沖個數；頻率可變脈沖產生控制單元，根據控制協議為步進電機分配相應脈沖；計數單元，計算控制電機的脈沖個數。

【技術特征摘要】
1.一種適合移動機器人的三軸運動控制卡，包括中央處理單元、其特征在于中央處理單元分別連接電源管理單元、通信單元、協議時間保持單元、平滑運動單元、限位傳感器采集處理單元、計數單元、頻率可變脈沖產生控制單元； 其中，中央處理單元，為各單元提供統一時針信號、控制寄存器和端口連接； 電源管理單元，用于將電源電壓轉為線性電壓； 通信單元和上位機采用串口通信； 協議時間保持單元，與平滑運動單元連接，保證定時器每條正確的協議能夠維持在規定時間內； 平滑運動單元，分別與限位傳感器采集處理單元及頻率可變脈沖產生控制單元連接，根據協議中平滑時間實現梯形加減速； 限位傳感器采集處理單元，分別與頻率可變脈沖產生控制單元和計數單元連接，通過外部中斷去計算脈沖個數； 頻率可變脈沖產生控制單元，根據控制協議為步進電機分配相應脈沖； 計數單元，計算控制電機的脈沖個數。2.根據權利要求I所述的一種適合移動機器人的三軸運動控制卡，其特征在于還包括過流保護單元，分別與電源輸入端口、電源管理單元、中央處理單元連接，用于電源電壓過大、或者...

【專利技術屬性】
技術研發人員：包壁禎，
申請(專利權)人：成都四威高科技產業園有限公司，
類型：實用新型
國別省市：