專利名稱：一種兩棲機器人電機控制裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及水下機器人電機控制技術，具體說是提供一個通用的、 分布式的輪槳腿一體化兩棲機器人電機控制裝置。
背景技術：
輪槳腿一體化兩棲機器人是一種既可以在陸地、灘涂、海底爬行，又可 以在極淺水海域浮游的特種機器人，能夠在普通陸地爬行機器人和水下浮游 機器人無法進入的極淺水、碎浪帶和海灘區(qū)域考察作業(yè)。這種兩棲機器人巧 妙地將水下機器人最常用的螺旋槳推進器與陸地爬行機器人的驅動輪和爬 行腿結合為一體，實現(xiàn)了多種運動模式自動切換，從而增強了這種機器人的 作業(yè)能力。輪槳腿一體化兩棲機器人是一種仿生機器人，具有浮游、六足爬 行和四足爬行等運動模式，其上的電機較多，傳統(tǒng)的機器人控制系統(tǒng)對各臺 電機釆用集中式控制，這種控制方式過分依賴主控計算機和電機集中控制 板， 一旦主控計算機或電機集中控制板發(fā)生故障，整個兩棲機器人就會無法 運行，陷入癱瘓。機器人控制系統(tǒng)的可靠性降低，同時也不利于系統(tǒng)的裝配、 調試、故障檢測與排除以及系統(tǒng)的維護、維修與保養(yǎng)。由于主控計算機以及 電機集中控制板上的資源是有限的，很難隨意的增加設備，系統(tǒng)的可擴展性 差。隨著電子技術、通信技術的發(fā)展，兩棲機器人所搭載的傳感器越來越多， 完成的使命也日趨復雜，傳統(tǒng)的集中式電機控制方式無法滿足兩棲機器人控 制系統(tǒng)發(fā)展的需求。

實用新型內容
為了克服上述不足，本實用新型的目的是提供一種模塊化、接口簡單且 獨立性強、可擴展性強、安全性高、工作效率髙、可靠性高的輪槳腿一體化 兩棲機器人電機控制裝置。
為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型釆用的技術方案是 一種兩棲機器人電 機控制裝置，所述控制裝置通過總線模塊與主控計算機連接，所述該控制裝 置以A腿微處理器為控制核心，ARM微處理器通過第一隔離器與CAN收發(fā)器 連接、第二隔離器與RS485收發(fā)器連接，CAN總線與CAN收發(fā)器連接，RS—85 總線與RS485收發(fā)器連接；A脂微處理器I/O端直接通過第一、第二電機驅 動器接至第一、第二電機；ARM微處理器通過數(shù)/模輸出轉換模塊與第一、第 二電機驅動器連接，所述第一、第二電機驅動器輸出控制信號至第一、第二 電機；所述第一、第二電機通過第一、第二電機驅動器與模/數(shù)輸入轉換模 塊連接，所述模/數(shù)輸入轉換模塊與A腿微處理器連接；ARM微處理器通過解碼芯片模塊與旋轉變壓器連接，且ARM微處理器與旋轉電位計連接；第一電
機通過旋轉電位計與ARM微處理器連接，第二電機通過旋轉變壓器與解碼芯 片模塊連接。
控制裝置通過解碼芯片模塊釆集旋轉變壓器信號，通過模/數(shù)輸入轉換 模塊釆集電機的角度、電流及轉速信號，通過ARM微處理器對電機進行閉 環(huán)/定位控制。
所述控制裝置主程序流程為
先執(zhí)行初始化，
啟動通信接收任務、通信發(fā)送任務和電機控制任務，
然后處于循環(huán)狀態(tài)；
在循環(huán)中等待通信任務通過郵箱傳遞的指令消息，判斷指令消息類型，
并對數(shù)據(jù)進行分析處理后，再通過消息郵箱觸發(fā)相關任務； 處理完成指令消息后，程序返回，判定是否結束？ 若為否，則等待下一個指令消息； 若為是，則結束程序。
本實用新型與現(xiàn)有技術相比，更具有如下優(yōu)點
1. 本實用新型靈活布置，易于安裝，提髙了兩棲機器人結構上空間的 利用，減少了連線的長度，減輕了兩棲機器人的重量，同時也減少故障的發(fā) 生。由于電機控制裝置為一個相對獨立的智能模塊，體積小，布置靈活，提 髙了兩棲機器人整體的利用空間。
2. 本實用新型易更換和調試方便，減少工作量。兩棲機器人上使用的 電機較多，電機的控制方式相同，由于釆用相同的控制裝置，因此節(jié)省大量 的開發(fā)時間和工作量，同時若哪個控制裝置出現(xiàn)故障，不影響其它控制裝置， 直接更換一個即可。
3. 本實用新型通用性好，降低成本。由于電機控制裝置相同，可以批
量的進行釆購、加工，因此節(jié)約成本。
4. 本實用新型通信接口靈活選擇，適應性強。該裝置既有CAN總線接 口模塊又有RS-485總線接口模塊，使用時可根據(jù)接口需要，將通信線接到 所使用的總線端子上。
5. 本實用新型可實現(xiàn)故障診斷，容易定位哪個節(jié)點或電機出現(xiàn)故障， 由于該控制裝置釆用A腿微處理器作為核心控制器，因此通過檢測電機驅動 裝置上的信號，可以判斷出哪個電機或節(jié)點出現(xiàn)故障，節(jié)省了排除故障的時 間。
6. 本實用新型可獨立使用也可組成分布式網絡控制。該裝置由于釆用 CAN總線和RS-485總線接口，因此該裝置可根據(jù)需要單獨使用或多個使用而 組成分布式控制網絡。7.本實用新型系統(tǒng)工作效率高，把主控計算機的工作分配到節(jié)點執(zhí)行。 通過總線把計算機主機的集中式控制任務分散到控制裝置上執(zhí)行，大大減輕 了主控計算機的任務，提高了系統(tǒng)效率。


圖l-l為本實用新型整體結構圖； 圖1-2為本實用新型整體電路原理圖； 圖2-1為本實用新型主程序流程圖； 圖2-2為本實用新型通信接收任務流程圖； 圖2-3為本實用新型通信發(fā)送任務流程圖； 圖2-4為本實用新型電機控制任務流程圖； 圖3為本實用新型中斷處理程序流程圖； 圖4為本實用新型網絡應用擴展示意圖。
具體實施方式

以下結合附圖對本實用新型作進一步詳細說明。
如圖1-1所示， 一種輪槳腿一體化兩棲機器人電機控制裝置，所述控制 裝置通過總線模塊與主控計算機連接，接收主控計算機發(fā)送的通信命令，所 述該控制裝置以A腹微處理器為控制核心(ARM微處理器釆用ARM7系)，ARM 微處理器通過第一隔離器與CAN收發(fā)器連接、第二隔離器與RS485收發(fā)器連 接，CAN總線與CAN收發(fā)器連接，RS-485總線與RS485收發(fā)器連接；ARM微 處理器1/0端直接通過第一、第二電機驅動器接至第一、第二電機；ARM微 處理器通過數(shù)/模輸出轉換模塊與第一、第二電機驅動器連接，所述第一、 第二電機驅動器輸出控制信號至第一、第二電機，輸出兩路電機的控制信號； 所述第一、第二電機通過第一、第二電機驅動器與模/數(shù)輸入轉換模塊連接， 所述模/數(shù)輸入轉換模塊與ARM微處理器連接；
ARM微處理器通過解碼芯片模塊與旋轉變壓器連接，且ARM微處理器與旋 轉電位計連接；第一電機通過旋轉電位計與ARM微處理器連接，第二電機通 過旋轉變壓器與解碼芯片模塊連接?？刂蒲b置釆集各個電機驅動裝置的信息 及傳感器的信息，這些命令和信息經過ARM微處理器處理后，實現(xiàn)對各個電 機的控制。所述總線模塊有兩種類型， 一種為CAN總線，另一種為兩線制 RS-485總線，兩種方式通過接線端子進行選擇，總線模塊選擇其中一種類型。 ARM微處理器通過模擬量輸入接口模塊釆集電機轉速、電流等信息，ARM微 處理器的A/D接口通過釆集旋轉電位計的輸出值，釆集第一電機的位置信息。 A腿微處理器通過解碼芯片模塊與旋轉變壓器相連，釆集與旋轉變壓器相連 的第二電機輸出軸的轉速及位置信息。
如圖1-2所示，所述控制裝置通過CAN總線和RS-485總線與外部主控計算機實現(xiàn)信息交換。CAN總線通過CAN收發(fā)器U9-2，經第一隔離器隔離后 與ARM微處理器U1的CAN管腳相連;RS-485總線通過RS-485收發(fā)器U10-4 經第二隔離器隔離后與ARM微處理器Ul的UARTO管腳相連。該控制裝置是 以A腹微處理器U1為核心，通過尸c管腳與數(shù)/模輸出轉換模塊U3相連，其 輸出兩路0 5V的模擬電壓信號至第一、第二電機驅動器來控制第一、第二 電機的轉速，ARM微處理器U1通過I/0管線來控制第一、第二電機驅動器的 勢能、制動、轉向等；模/數(shù)輸入轉換模塊U7-4采集第一、第二電機驅動器 的轉速與電流反饋信號，并反饋信號至ARM微處理器Ul。 ARM微處理器Ul 通過解碼芯片模塊旋轉變壓器相連提高了對輪槳或足板的控制精度。旋轉變 壓器解碼芯片U2輸出激勵信號經緩沖放大后，激勵旋轉變壓器的轉子，從 其定子繞組輸出的感應信號再返回解碼芯片模塊進行解碼處理，然后解碼芯 片模塊通過SPI0+I/O管腳向A腿微處理器Ul回傳解算之后的角速度和角度 信號。而旋轉電位計則與ARM微處理器Ul的A/D管腳相連。A腹微處理器 Ul通過總線模塊接收主控機命令之后，通過既定策略進行處理后對電機進行 控制，并釆集電機驅動器反饋的電機轉速、電流信息，從而實現(xiàn)對電機的雙 閉環(huán)控制。在第二電機的輸出軸上設有旋轉變壓器釆集輸出軸的轉速及位置 信息，第一電機則設有旋轉電位計釆集位置信息，實現(xiàn)對整個驅動裝置的精 確控制。
ARM微處理器Ul釆用jLtCOS-II嵌入式實時操作系統(tǒng)，各驅動及主程序
編寫釆用嵌入式c語言。pcos-n是一種可設定任務優(yōu)先級的、多任務嵌入
式實時操作系統(tǒng)，各任務之間可以通過消息隊列、互斥信號量以及消息郵箱
通信。nCOS-II及程序經過匯編后，通過JTAG調試口下載到ARM微處理器 Ul的片內Flash,上電之后自動運行。整個程序的編寫包括中斷處理程序、 驅動程序是基于HCOS-II的任務設計。
如圖2-1所示，控制裝置主程序的具體流程為
先執(zhí)行HCOS-II、硬件及硬件驅動的初始化，并啟動通信接收任務、通
信發(fā)送任務和兩個優(yōu)先級相同的電機控制任務，然后處于循環(huán)狀態(tài)；
在循環(huán)中等待通信接收任務通過郵箱傳遞的指令消息，對消息類型與數(shù)
據(jù)進行分析處理后，再通過消息郵箱觸發(fā)相關任務；
處理完指令消息后，判斷是否結束，若否，則主程序返回，等待下一個 指々消息.若是，貝ij結束。
如￡'2-2所示，通P信接收任務初始化之后，循環(huán)等待各中斷的郵箱消息。 在郵箱消息到來之后，先判斷是否為CAN總線消息，如是，則根據(jù)既定CAN 總線協(xié)議進行數(shù)據(jù)解析；如否，則判斷是否為RS-485總線消息，如果是， 則根據(jù)既定RS-485總線協(xié)議進行數(shù)據(jù)解析。數(shù)據(jù)解析的結果，再通過消息 郵箱傳送到主程序任務。
如圖2-3所示，通信發(fā)送任務初始化之后，循環(huán)等待主程序的郵箱消息。 在郵箱消息到來之后，先判斷是否通過CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)，如是，則根據(jù)既定CAN總線協(xié)議生成數(shù)據(jù)報；如否，則判斷是否通過RS-485總線發(fā)送數(shù)據(jù), 如果是，則根據(jù)既定RS-485總線協(xié)議生成數(shù)據(jù)報。然后通過設置消息郵箱， 觸發(fā)相關中斷完成數(shù)據(jù)報的發(fā)送。
如圖2-4所示，兩個電機控制任務初始化之后，循環(huán)等待主程序的郵箱 消息。然后判斷是否為閉環(huán)控制，并依據(jù)相關控制策略完成對兩路電機的控 制。在閉環(huán)控制中，需要采集電機驅動板的電流、轉速等反饋信號，還需要
采集旋轉變壓器和旋轉電位計等的輸出信號。
如圖3所示，兩棲機器人電機控制裝置中斷服務程序主要有3中類型 CAN總線中斷負責CAN總線數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送；RS-485總線中斷負責RS-485 總線的數(shù)據(jù)接收與發(fā)送；定時器中斷則在相關任務用到定時器時，進行相關 中斷處理。在接收到中斷后，A腿7根據(jù)終端類型轉到相應的中斷處理程序， 執(zhí)行完中斷服務程序之后中斷返回。
如圖4所示，兩棲機器人電機控制裝置可通過CAN總線或RS-485總線 進行擴展，與其它控制節(jié)點形成分布式的控制網絡，控制裝置節(jié)點彼此獨立， 可根據(jù)實際需要來增加或減少節(jié)點的數(shù)量，同時也可根據(jù)電機及電機驅動器 的實際位置來靈活布置電機控制裝置的位置，從而提高了水下機器人上空間 的合理利用，使整個機器人變得非常緊湊。
權利要求1.一種兩棲機器人電機控制裝置，所述控制裝置通過總線模塊與主控計算機連接，其特征在于所述該控制裝置以ARM微處理器為控制核心，ARM微處理器通過第一隔離器與CAN收發(fā)器連接、第二隔離器與RS485收發(fā)器連接，CAN總線與CAN收發(fā)器連接，RS-485總線與RS485收發(fā)器連接；ARM微處理器I/O端直接通過第一、第二電機驅動器接至第一、第二電機；ARM微處理器通過數(shù)/模輸出轉換模塊與第一、第二電機驅動器連接，所述第一、第二電機驅動器輸出控制信號至第一、第二電機；所述第一、第二電機通過第一、第二電機驅動器與模/數(shù)輸入轉換模塊連接，所述模/數(shù)輸入轉換模塊與ARM微處理器連接；ARM微處理器通過解碼芯片模塊與旋轉變壓器連接，且ARM微處理器與旋轉電位計連接；第一電機通過旋轉電位計與ARM微處理器連接，第二電機通過旋轉變壓器與解碼芯片模塊連接。
2.按照權利要求1所述一種兩棲機器人電機控制裝置，其特征在于 所述控制裝置通過解碼芯片模塊釆集旋轉變壓器信號，通過模/數(shù)輸入轉換 模塊釆集電機的角度、電流及轉速信號，通過ARM微處理器對電機進行閉環(huán) /定位控制。
專利摘要本實用新型公開一種兩棲機器人電機控制裝置，所述控制裝置通過總線模塊與主控計算機連接，所述該控制裝置以ARM微處理器為控制核心，ARM微處理器通過第一隔離器與CAN收發(fā)器連接、第二隔離器與RS485收發(fā)器連接，CAN總線與CAN收發(fā)器連接，RS-485總線與RS485收發(fā)器連接；ARM微處理器I/O端直接通過第一、第二電機驅動器接至第一、第二電機；ARM微處理器通過數(shù)/模輸出轉換模塊與第一、第二電機驅動器連接；第一電機通過旋轉電位計與ARM微處理器連接，第二電機通過旋轉變壓器與解碼芯片模塊連接。本裝置接口通用性好，易更換；體積小布置靈活，易于安裝；結構清楚，調試方便，成本低，可靠性高，并可實現(xiàn)故障診斷。
文檔編號B25J13/00GK201385313SQ20092001321
公開日2010年1月20日 申請日期2009年4月24日 優(yōu)先權日2009年4月24日
發(fā)明者余元林, 俞建成, 威 郭 申請人:中國科學院沈陽自動化研究所