一種電磁軌道式移動機(jī)器人的運動控制系統(tǒng)及控制方法
【專利摘要】一種電磁軌道式移動機(jī)器人的運動控制系統(tǒng)及控制方法，該系統(tǒng)中的發(fā)射線圈和接收線圈構(gòu)成能量傳輸通道并復(fù)用為通信裝置的天線構(gòu)成通信系統(tǒng)，車載控制器將從速度傳感器采集回來的速度信號發(fā)送給發(fā)射控制系統(tǒng)，發(fā)射控制系統(tǒng)將當(dāng)前速度與給定速度相比較，得到誤差后利用PID算法控制發(fā)射電路的功率，經(jīng)發(fā)射電路控制驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速；幅值檢測器和補償電容組構(gòu)成諧振頻率自適應(yīng)控制系統(tǒng)，幅值檢測器檢測當(dāng)前接收線圈諧振電壓的幅值并將采集的幅值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量傳遞給車載控制器，車載控制器將補償電容組中的一個以上小容量電容接入或撤出電路。該方法基于上述控制系統(tǒng)。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、操作簡便、控制精度高、通信質(zhì)量好、可靠性高等優(yōu)點。
【專利說明】一種電磁軌道式移動機(jī)器人的運動控制系統(tǒng)及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明主要涉及到移動機(jī)器人的控制領(lǐng)域，特指一種電磁軌道式移動機(jī)器人的運動控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，在移動機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域，電磁軌道式移動機(jī)器人已經(jīng)開始出現(xiàn)在人們的視野中，這類機(jī)器人一般沿預(yù)定的軌跡移動，其能量主要依靠鋪設(shè)于地面下的發(fā)射線圈提供。其中，由地面下的發(fā)射線圈和固定于移動機(jī)器人本體的接收線圈組成磁耦合諧振系統(tǒng)，接收線圈上產(chǎn)生的高頻交流電經(jīng)車載控制器處理后給移動機(jī)器人供電，此類機(jī)器人的運動控制還不成熟，還無法充分的發(fā)掘出此類機(jī)器人的應(yīng)用潛力，還存在例如:電能利用率低、軌道切換易出錯、通信質(zhì)量差、精確定位困難等一系列問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就在于:針對現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡單緊湊、操作簡便、控制精度高、通信質(zhì)量好、可靠性高的電磁軌道式移動機(jī)器人的運動控制系統(tǒng)及控制方法。
[0004]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0005]一種電磁軌道式移動機(jī)器人的運動控制系統(tǒng)，包括發(fā)射線圈、接收線圈、發(fā)射電路、通信裝置、發(fā)射控制系統(tǒng)、車載控制器、幅值檢測器、補償電容組和速度傳感器；所述發(fā)射線圈和接收線圈構(gòu)成能量傳輸通道并復(fù)用為通信裝置的天線構(gòu)成通信系統(tǒng)，所述發(fā)射控制系統(tǒng)與車載控制器之間通過通信裝置、發(fā)射線圈、接收線圈進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，所述車載控制器將從速度傳感器采集回來的速度信號發(fā)送給發(fā)射控制系統(tǒng)，所述發(fā)射控制系統(tǒng)將當(dāng)前速度與設(shè)置好的給定速度相比較，得到誤差之后利用PID算法控制發(fā)射電路的功率，經(jīng)發(fā)射電路控制驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速；所述幅值檢測器和補償電容組構(gòu)成諧振頻率自適應(yīng)控制系統(tǒng)，所述幅值檢測器不斷的檢測當(dāng)前接收線圈諧振電壓的幅值并將采集的幅值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量傳遞給車載控制器，所述車載控制器將補償電容組中的一個以上小容量電容接入或撤出電路。
[0006]作為本發(fā)明方法的進(jìn)一步改進(jìn):所述幅值檢測器包括幅值保持電路和A/D轉(zhuǎn)換器。
[0007]作為本發(fā)明方法的進(jìn)一步改進(jìn):所述通信裝置包括信號編碼器、調(diào)制電路、功率放大電路、選頻放大器、解調(diào)電路和解碼器，所述信號編碼器用于將數(shù)據(jù)按照曼徹斯特編碼規(guī)則進(jìn)行編碼，所述調(diào)制電路將曼徹斯特編碼進(jìn)行FSK調(diào)制，調(diào)制波通過功率放大電路進(jìn)行放大直接輸入發(fā)射線圈或接收線圈中完成信息發(fā)送；所述選頻放大器將接收線圈或發(fā)射線圈接收到的信號進(jìn)行選頻放大后，得到FSK調(diào)制的通信信號，通過解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)，將信號還原成曼徹斯特編碼，由所述解碼器將曼徹斯特編碼還原為原數(shù)據(jù)輸出完成信息的接收。[0008]作為本發(fā)明方法的進(jìn)一步改進(jìn):所述發(fā)射線圈為窄長型結(jié)構(gòu)、兩端收縮變窄。
[0009]作為本發(fā)明方法的進(jìn)一步改進(jìn):所述發(fā)射線圈為窄長型結(jié)構(gòu)、中部具有多個收縮擴(kuò)張段。
[0010]本發(fā)明進(jìn)一步提供一種基于上述運動控制系統(tǒng)的控制方法，其步驟為:(I)、檢測發(fā)射電路(3)的功率，當(dāng)發(fā)射電路(3)的功率低于設(shè)定的閾值時，執(zhí)行步驟(2);否則，返回繼續(xù)檢測檢測發(fā)射電路(3)的功率；
[0011](2)、選擇移動機(jī)器人的行進(jìn)方向:前進(jìn)或后退；當(dāng)為前進(jìn)時，關(guān)閉當(dāng)前發(fā)射線圈，開啟移動機(jī)器人前方發(fā)射線圈，完成后，返回繼續(xù)檢測檢測發(fā)射電路(3)的功率；當(dāng)為后退時，關(guān)閉當(dāng)前發(fā)射線圈，開啟移動機(jī)器人后方發(fā)射線圈，完成后，返回繼續(xù)檢測檢測發(fā)射電路(3)的功率。
[0012]作為本發(fā)明方法的進(jìn)一步改進(jìn):包括諧振頻率自適應(yīng)控制流程，其步驟為:利用幅值檢測器檢測諧振電壓的幅值大小，當(dāng)幅值檢測器檢測到諧振電壓的幅值增大，說明接收電路的固有頻率大于發(fā)射電路的頻率，那么車載控制器將繼續(xù)將補償電容組中的電容接入電路，以降低接收電路的固有頻率，直到諧振電壓的幅值不再增大為止；當(dāng)電容撤出電路時，如果幅值檢測器檢測到諧振電壓的幅值增大，說明接收電路的固有頻率小于發(fā)射電路的頻率，那么車載控制器將繼續(xù)將補償電容組中的電容依次撤出電路，以增大接收電路的固有頻率，直到諧振電壓的幅值不再增大為止。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0014]1、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，成本低，通過發(fā)射線圈和接受線圈的復(fù)用，實現(xiàn)了能量波與通信信號的混合傳輸，實際無線通信距離只有發(fā)射線圈到接收線圈十幾厘米的距離，保證了通信質(zhì)量。解決了現(xiàn)有的WIFI通信技術(shù)以及GPRS通信技術(shù)難以克服的信號死區(qū)問題，保證了通信信號的穩(wěn)定。
[0015]2、本發(fā)明的速度控制在發(fā)射端進(jìn)行，相比于現(xiàn)有的直接使用調(diào)速器來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速相比，提高了電能的利用率。
[0016]3、由于每個發(fā)射線圈的參數(shù)難以做完全一致加之難以預(yù)料的環(huán)境因素的影響本發(fā)明提出了移動機(jī)器人磁耦合諧振系統(tǒng)的諧振頻率自適應(yīng)控制，使得磁耦合諧振強(qiáng)度得到保證，提高了電能傳輸效率并且穩(wěn)定了電能質(zhì)量。
[0017]4、本發(fā)明采用了特殊的發(fā)射線圈設(shè)計，在使得軌道切換更加順利的同時，能夠在同一個發(fā)射線圈內(nèi)實現(xiàn)更加精確的移動機(jī)器人的定位。相比于GPS定位而言成本低而且更
加可靠。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明移動機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2是本發(fā)明在具體實施例中通信系統(tǒng)采用天線復(fù)用時的示意圖。
[0020]圖3是本發(fā)明在具體實施例中通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖4是本發(fā)明在具體實施例中速度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖5是本發(fā)明在具體實施例中諧振頻率自適應(yīng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖6是本發(fā)明控制方法的流程示意圖。
[0024]圖7是本發(fā)明控制方法中進(jìn)行諧振頻率自適應(yīng)控制的流程示意圖。[0025]圖8是本發(fā)明在具體實施例中所采用的一種發(fā)射線圈的原理示意圖。
[0026]圖9是本發(fā)明在具體實施例中所采用的另一種發(fā)射線圈的原理示意圖。
[0027]圖10是本發(fā)明所提出的一種環(huán)形軌道的發(fā)射線圈鋪設(shè)方法示意圖。
[0028]圖例說明:
[0029]1、發(fā)射線圈；2、接收線圈；3、發(fā)射電路；4、通信裝置；41、信號編碼器；42、調(diào)制電路；43、功率放大電路；44、選頻放大器；45、解調(diào)電路；46、解碼器；5、發(fā)射控制系統(tǒng)；6、車載控制器；7、幅值檢測器；71、A/D轉(zhuǎn)換器；72、幅值保持電路；8、補償電容組；9、速度傳感器。10、驅(qū)動電機(jī)。
【具體實施方式】
[0030]以下將結(jié)合說明書附圖和具體實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0031]如圖1?圖5所示，本發(fā)明的電磁軌道式移動機(jī)器人的運動控制系統(tǒng)，包括發(fā)射線圈1、接收線圈2、發(fā)射電路3、通信裝置4、發(fā)射控制系統(tǒng)5、車載控制器6、幅值檢測器7、補償電容組8和速度傳感器9 ;發(fā)射線圈I鋪設(shè)于地面，接收線圈2安裝于移動機(jī)器人上，發(fā)射線圈I和接收線圈2構(gòu)成能量傳輸通道并復(fù)用為通信裝置4的天線構(gòu)成通信系統(tǒng)，發(fā)射控制系統(tǒng)5與車載控制器6之間通過通信裝置4、發(fā)射線圈1、接收線圈2進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。車載控制器6將從速度傳感器9采集回來的速度信號發(fā)送給通信裝置4，通過發(fā)射線圈I與接收線圈2之間的通信，通信裝置4將當(dāng)前速度發(fā)送給發(fā)射控制系統(tǒng)5，發(fā)射控制系統(tǒng)5將當(dāng)前速度與設(shè)置好的給定速度相比較，得到誤差之后利用PID算法控制發(fā)射電路3的功率。
[0032]若當(dāng)前速度偏小則加大發(fā)射電路3的電壓以增加發(fā)射功率提高驅(qū)動電機(jī)10的轉(zhuǎn)速；若當(dāng)前速度偏大則減小發(fā)射電路3的電壓以增加發(fā)射功率降低驅(qū)動電機(jī)10的轉(zhuǎn)速,直到當(dāng)前速度與給定速度的誤差小于給定值為止，最終達(dá)到速度控制的目的。
[0033]幅值檢測器7和補償電容組8構(gòu)成諧振頻率自適應(yīng)控制系統(tǒng)，幅值檢測器7不斷的檢測當(dāng)前接收線圈2諧振電壓的幅值并將采集的幅值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量傳遞給車載控制器6，車載控制器6不斷地試探性地將補償電容組8中的一個小容量電容接入或撤出電路。
[0034]在具體實施例中，幅值檢測器7包括幅值保持電路72和A/D轉(zhuǎn)換器71，按式
/ =可知，當(dāng)電容接入時C會增大，相應(yīng)接收電路的固有頻率f會減小，此時如果幅
值檢測器7檢測到諧振電壓的幅值增大，說明接收電路的固有頻率大于發(fā)射電路3的頻率，那么車載控制器6將繼續(xù)將補償電容組8中的電容接入電路，以降低接收電路的固有頻率，直到諧振電壓的幅值不再增大為止。反之當(dāng)電容撤出電路時，如果幅值檢測器7檢測到諧振電壓的幅值增大，說明接收電路的固有頻率小于發(fā)射電路3的頻率，那么車載控制器6將繼續(xù)將補償電容組8中的電容依次撤出電路，以增大接收電路的固有頻率，直到諧振電壓的幅值不再增大為止，這是一個往復(fù)的動態(tài)調(diào)整過程。時刻保證電路的諧振，以提高電能的傳輸效率。
[0035]本實施例中，通信裝置4包括信號編碼器41、調(diào)制電路42、功率放大電路43、選頻放大器44、解調(diào)電路45和解碼器46，通信裝置4負(fù)責(zé)將通信數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和調(diào)制產(chǎn)生比功率波高得多的調(diào)制波，將調(diào)制好的通信信號通過發(fā)射線圈I和接收線圈2進(jìn)行傳遞，并且能夠通過對信號進(jìn)行選頻放大、將通信信號提取出來，進(jìn)而進(jìn)行解調(diào)解碼操作從而還原原始數(shù)據(jù)以完成通信。由于每個發(fā)射線圈I的參數(shù)難以做完全一致，加之難以預(yù)料的環(huán)境因素的影響。
[0036]具體應(yīng)用時，車載控制器6將數(shù)據(jù)送往通信裝置4。首先，信號編碼器41負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)按照曼徹斯特編碼規(guī)則進(jìn)行編碼，然后調(diào)制電路42將曼徹斯特編碼進(jìn)行FSK調(diào)制，最后調(diào)制波通過功率放大電路43進(jìn)行放大直接輸入發(fā)射線圈I或接收線圈2中完成信息發(fā)送。相應(yīng)的，選頻放大器44將接收線圈2或發(fā)射線圈I接收到的信號進(jìn)行選頻放大后，得到FSK調(diào)制的通信信號，然后通過解調(diào)電路45進(jìn)行解調(diào)，將信號還原成曼徹斯特編碼，最后由解碼器46將曼徹斯特編碼還原為原數(shù)據(jù)輸出，完成信息的接收。
[0037]在具體應(yīng)用實例中，速度傳感器9可以根據(jù)實際需要采用轉(zhuǎn)速傳感器、加速度計等器件，移動機(jī)器人的速度控制由發(fā)射電路3的功率直接控制。
[0038]移動機(jī)器人的定位和軌道切換方法依賴于電磁感應(yīng)定律，由電磁感應(yīng)定律可得:
[0039]
【權(quán)利要求】
1.一種電磁軌道式移動機(jī)器人的運動控制系統(tǒng)，其特征在于，包括發(fā)射線圈(I)、接收線圈(2)、發(fā)射電路(3)、通信裝置(4)、發(fā)射控制系統(tǒng)(5)、車載控制器(6)、幅值檢測器(7 )、補償電容組(8 )和速度傳感器(9 );所述發(fā)射線圈(I)和接收線圈(2 )構(gòu)成能量傳輸通道并復(fù)用為通信裝置(4)的天線構(gòu)成通信系統(tǒng)，所述發(fā)射控制系統(tǒng)(5)與車載控制器(6)之間通過通信裝置(4)、發(fā)射線圈(I)、接收線圈(2)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，所述車載控制器(6)將從速度傳感器(9)采集回來的速度信號發(fā)送給發(fā)射控制系統(tǒng)(5)，所述發(fā)射控制系統(tǒng)(5)將當(dāng)前速度與設(shè)置好的給定速度相比較，得到誤差之后利用PID算法控制發(fā)射電路(3)的功率，經(jīng)發(fā)射電路(3)控制驅(qū)動電機(jī)10的轉(zhuǎn)速；所述幅值檢測器(7)和補償電容組(8)構(gòu)成諧振頻率自適應(yīng)控制系統(tǒng)，所述幅值檢測器(7)不斷的檢測當(dāng)前接收線圈(2)諧振電壓的幅值并將采集的幅值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量傳遞給車載控制器(6)，所述車載控制器(6)將補償電容組(8)中的一個以上小容量電容接入或撤出電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁軌道式移動機(jī)器人的運動控制系統(tǒng)，其特征在于，所述幅值檢測器(7 )包括幅值保持電路(72 )和A/D轉(zhuǎn)換器(71)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁軌道式移動機(jī)器人的運動控制系統(tǒng)，其特征在于，所述通信裝置(4)包括信號編碼器(41)、調(diào)制電路(42)、功率放大電路(43)、選頻放大器(44)、解調(diào)電路(45)和解碼器(46)，所述信號編碼器(41)用于將數(shù)據(jù)按照曼徹斯特編碼規(guī)則進(jìn)行編碼，所述調(diào)制電路(42)將曼徹斯特編碼進(jìn)行FSK調(diào)制，調(diào)制波通過功率放大電路(43)進(jìn)行放大直接輸入發(fā)射線圈(I)或接收線圈(2)中完成信息發(fā)送；所述選頻放大器(44)將接收線圈(2)或發(fā)射線圈(I)接收到的信號進(jìn)行選頻放大后，得到FSK調(diào)制的通信信號，通過解調(diào)電路(45)進(jìn)行解調(diào)，將信號還原成曼徹斯特編碼，由所述解碼器(46)將曼徹斯特編碼還原為原數(shù)據(jù)輸出完成信息的接收。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的電磁軌道式移動機(jī)器人的運動控制系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)射線圈(I)為窄`長型結(jié)構(gòu)、兩端收縮變窄。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的電磁軌道式移動機(jī)器人的運動控制系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)射線圈(I)為窄長型結(jié)構(gòu)、中部具有多個收縮擴(kuò)張段。
6.一種基于上述權(quán)利要求1~5中任意一項所述運動控制系統(tǒng)的控制方法,其特征在于，步驟為: (1)、檢測發(fā)射電路(3)的功率，當(dāng)發(fā)射電路(3)的功率低于設(shè)定的閾值時，執(zhí)行步驟(2);否則，返回繼續(xù)檢測檢測發(fā)射電路(3)的功率； (2)、選擇移動機(jī)器人的行進(jìn)方向:前進(jìn)或后退；當(dāng)為前進(jìn)時，關(guān)閉當(dāng)前發(fā)射線圈，開啟移動機(jī)器人前方發(fā)射線圈，完成后，返回繼續(xù)檢測檢測發(fā)射電路(3)的功率；當(dāng)為后退時，關(guān)閉當(dāng)前發(fā)射線圈，開啟移動機(jī)器人后方發(fā)射線圈，完成后，返回繼續(xù)檢測檢測發(fā)射電路(3)的功率。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的所述運動控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，包括諧振頻率自適應(yīng)控制流程，其步驟為:利用幅值檢測器(7)檢測諧振電壓的幅值大小，當(dāng)幅值檢測器(7)檢測到諧振電壓的幅值增大，說明接收電路的固有頻率大于發(fā)射電路(3)的頻率，那么車載控制器(6)將繼續(xù)將補償電容組(8)中的電容接入電路，以降低接收電路的固有頻率，直到諧振電壓的幅值不再增大為止；當(dāng)電容撤出電路時，如果幅值檢測器(7)檢測到諧振電壓的幅值增大，說明接收電路的固有頻率小于發(fā)射電路(3)的頻率，那么車載控制器(6)將繼續(xù)將補償電容組(8 )中的電容依次撤出電路，以增大接收電路的固有頻率，直到諧振電壓的幅值不 再增大為止。
【文檔編號】G05D1/02GK103699128SQ201310737433
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月27日
【發(fā)明者】樊紹勝, 李森濤, 李富林, 衛(wèi)星, 沈春陽 申請人:長沙理工大學(xué)