一种用于轮式机器人的电源安全控制系统的制作方法

本发明属于电源安全控制系统及应用领域，涉及对电源系统的监控及用电模块的安全控制，具体是一种用于轮式机器人的电源安全控制系统。

背景技术：

目前机器人电源系统使用模块化的电源来对各个子系统进行供电，中间配合了T型连接线和紧急开关来为同一电压的不同模块供电以及控制整个电源系统的开启和关断。现有电源系统的拓扑图参见图1。

目前普遍使用的机器人电源系统无法做到对各个用电模块的上下电时序和用电电流的实时检测，对电源异常(包括过流、短路等)和系统异常也无法实行监控和处理，更不能实现对用电模块的各个系统状态进行实时监控，一旦系统出现故障无法迅速响应异常和做出相应的保护处理，并且无法进行直观有效的定位，后期的故障定位和维修十分的不便。

基于现实应用需求，现有电源系统有如下三个方面需要改进：

1.可生产性：考虑到产品日后的大批量生产产能，需要将各个电源模块集成在一起作为整个机器人的电源系统，电源系统与其他的用电子系统之间的交互需采用标准接口和标准线缆进行连接，同时应适配机器人的结构和模具以及方便日后的生产和装配。

2.供电和监控：电源系统是机器人系统的唯一能量来源，核心设计思想主要有两方面：供电和监控。供电方面：除了需要提供必要的能量输出之外，由于机器人是一个大型集成自动化系统，集成了若干个子系统，各个子系统之间的启动是有先后要求的，因此需要控制电源对各个子系统上电和下电的顺序，即上电时序。监控方面：机器人的子系统较多，各子系统的电源具有高电压，大电流的特点。一旦电源出现异常，那么可能会产生毁灭性后果，因此，电源系统必须要实时监控各个子系统的用电情况和系统状态，一旦某个子系统出现异常，则实时响应异常并对其电源进行处理。

3.视觉交互：一个成熟的产品不仅要考虑高性能和功能稳定，还需要考虑用户使用的方便性和舒适性。对于机器人而言，人机交互则是一个重要环节。机器人上已经有了一个屏幕显示操作界面和laucher。对于用户而言，需要另一块屏幕让用户可直观的看到机器人的用电情况、剩余电量等，同时，屏幕上需要一个简单的界面供用户选择显示内容。对于售后工程师而言，当机器人出现故障时，需要直观的定位故障点和故障类型，因此，屏幕上除了显示系统状态之外也应显示异常代码。

现在的电源系统使用的是分离式的电源模块通过系统级联方式搭建形成的，因此上述的要求还没有满足。

技术实现要素：

针对现有技术的不足之处，本发明提出一种用于轮式机器人的电源安全控制系统。该系统的设计核心思想在于将高输入电压转换为各个子系统所需要的电压输出，同时与由电流计、传感器和CAN总线等组成的反馈网络组成一个闭环的电压管理和安全监控系统。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，设计一种用于轮式机器人的电源安全控制系统，其特征在于，包括电源调控模块、CPU、LCD显示屏、温度传感器，并且，在供电模块与电源调控模块之间的线路上依次安装有总路应急开关、总路MOS管、总路电流计，在电源调控模块与用电模块之间的线路上依次安装有分路MOS管、分路电流计和分路应急开关；总路MOS管、分路MOS管、总路电流计、分路电流计均与CPU相连，电源调控模块上有单独一路常供电电源,给CPU供电；LCD显示屏通过SPI接口接入到CPU上，温度传感器通过I2C总线与CPU连接，CPU通过CAN总线与用电模块连接；CPU还设置有一I2C总线，与供电模块相连。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：本发明电源安全控制系统通过电流计实时监测用电模块的电流与电压的状况，并通过MOS管控制分路线路的关闭和导通；另外，本系统设置有温度传感器和与用电模块直接连接的CAN总线与CPU连接，通过监控机器人内部温度和用电模块的状况执行反馈控制策略。本发明设计的电源安全控制系统一方面可以实现电源系统管理，另一方面，通过温度传感器、CAN总线和CPU控制实现了闭环监控网络，当系统出现异常的时候可自动进行保护措施，同时将系统的实时状态和异常信息直观的展现在用户和维修人员面前；预留出较多的GPIO和各种通信接口，为日后功能扩展提供了广阔的空间。

附图说明

图1为现有电源系统的拓扑图。

图2为本发明一种用于轮式机器人的电源安全控制系统一种实施例的框架结构及工作原理示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明做进一步的说明，但不应以此来限制本发明的保护范围。

为了方便说明并且理解本发明的技术方案，以下说明所使用的方位词均以附图所展示的方位为准。

一种用于轮式机器人的电源安全控制系统(简称电源安全控制系统，参见图1-2)，其特征在于，包括电源调控模块、CPU、LCD显示屏、温度传感器，在供电模块与电源调控模块之间的线路上依次安装有总路应急开关、总路MOS管、总路电流计，在电源调控模块与用电模块之间的线路上依次安装有分路MOS管、分路电流计和分路应急开关；总路MOS管、分路MOS管、总路电流计、分路电流计均与CPU相连，电源调控模块上有单独一路常供电电源,给CPU供电；LCD显示屏通过SPI接口接入到CPU上，温度传感器通过I2C总线与CPU连接，CPU通过CAN总线与用电模块连接；CPU还设置有一I2C总线，与供电模块相连，用来读取供电模块的实时电量。

所述电源调控模块将供电模块提供的输入电压转化为用电模块所需要的输入电压值；所述电源调控模块具有多个电压输出端，当用电模块包含多个子系统时，将供电模块的输入电压转化为各个子系统及CPU所需要的输入电压值，具有400W以上的功率输出能力。

所述电源调控模块的多个电压输出端与用电模块的子系统之间的线路上均分别安装有一个分路MOS管、一个分路电流计，分路应急开关安装在用电模块的子系统所需电压最大的线路上。

所述CPU控制通过控制总路MOS管、分路MOS管的开启和关断来进行用电模块各个子系统的上下电时序控制。电流计将电流信号转化为模拟电压信号输出，CPU将该信号采集并计算出电流值，实现对各个线路的电流进行实时监控。当电流值超过阈值，则认为该路线路异常，CPU会关断此路线路，实现对系统进行保护。

温度传感器对机器人内部的空气温度进行实时监控，CPU通过I2C接口读取实时温度值，并将温度显示在LCD显示屏上，当温度超过阈值时关断所有线路。

所述CPU通过CAN总线协议对用电模块的各个子系统的实时状态进行监控，当检测到某个子系统异常时，则做出相应处理。

每一个子系统的异常场景，会预设一个对应的异常代码，当CPU监测到某一子系统的异常场景时，会将对应的异常代码显示在LCD显示屏上，便于维修人员直观地定位故障点和故障类型。

所述CPU通过I2C接口对供电模块的电量进行实时读取，当电量低于设定值时，如20％时，则进行低电量预警，并将警示信号显示在LCD显示屏。

所述LCD显示屏为点阵式的LCD显示屏，接口为SPI接口。CPU将供电模块的电量、各个线路的实时电流、机器人内部的实时温度以及异常代码显示在LCD显示屏上。

如图2所示，本发明控制系统通过CPU作为核心控制元件对各个事件进行集中处理，实现了供电、监控和显示三大功能。

图2中，选用的供电模块的输出电压为42V，电源调控模块的电压输出端为四个，分别为两个24V的电压输出端，一个12V的电压输出端，以及一个3.3V的电压输出端；其中3.3V的电压输出端接入到CPU上，其它三个电压输出端接入到用电模块的三个子系统上，在该三个电压输出端与用电模块的三个子系统之间的导线上，分别均依次安装有一个分路MOS管和一个分路电流计，另有一个分路应急开关安装在一个24V电压输出端的线路上。供电模块通过电源调控模块的电压调控后，可转化为四路可满足不同用电需求的供电电源，CPU通过对每一个MOS管的控制和电流计的监测，可实时监控到用电模块三个子系统的电压和电流状况，当某个子系统所在的线路的电流超过阈值，则关断该线路。所述CPU通过CAN总线协议对用电模块的各个子系统的实时状态进行监控，当检测到某个子系统异常时，则做出相应处理。每一个子系统的异常场景，会预设一个对应的异常代码，当CPU监测到某一子系统的异常场景时，会将对应的异常代码显示在LCD显示屏上。所述CPU通过I2C接口对供电模块的电量进行实时读取，当电量低于20％时，则进行低电量预警，并将警示信号显示在LCD显示屏。温度传感器对机器人内部的空气温度进行实时监控，CPU通过I2C接口读取实时温度值，并将温度显示在LCD显示屏上，当温度超过阈值时关断所有线路。

本发明设计的电源安全控制系统，是一个高度集成的电路系统，各路电源均用标准接口引出并且做了防呆设计，最大限度的节省了生产和装配的时间。本发明电源安全控制系统通过电流计实时监测用电模块的电流与电压的状况，并通过MOS管控制分路线路的关闭和导通；另外，本系统设置有温度传感器和与用电模块直接连接的CAN总线与CPU连接，通过监控机器人内部温度和用电模块的状况执行反馈控制策略。本发明设计的电源安全控制系统一方面可以实现电源系统管理，另一方面，通过温度传感器、CAN总线和CPU控制实现了闭环监控网络，当系统出现异常的时候可自动进行保护措施。另外，该控制系统可拓展性较强，通过预留出较多的GPIO和各种通信接口，为日后功能扩展提供了广阔的空间。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

本发明未述及之处适用于现有技术。