一种驱动器的制作方法

本申请涉及机器人控制领域，尤其涉及一种一拖二驱动器。

背景技术：

对于使用矢量控制驱动器及双轮差动方案的移动机器人来说，目前常规的驱动方案中，驱动轮的电机和驱动器是一一对应的，即一台电机，由一台独立的驱动器进行拖动及调速，由此控制机器人的两个驱动轮以相应的转速进行转动，从而实现前进、后退、转向等动作。

在实际场景中，若当机器人当前正在匀速向前行进，而其中的一个驱动轮遇到了障碍(如驱动轮前出现一块大的石子，或者一个坑)，那么在该驱动轮越过阻碍时，另一个驱动轮并没有遇到这个阻碍，由于两个驱动器单独对两个驱动轮的电机进行控制，就会使得机器人在这个瞬间无法保证同步，行进方向发生偏差，甚至发生无法预计的后果。

由于上位机的控制命令到达各驱动器的时间会存在一定的延迟，两台驱动器接收命令的时间同样会存在延迟，从而造成电机之间的动作不同步，导致累积误差。

技术实现要素：

本申请的一个目的是提供一种一拖二驱动器，用以解决现有技术中两个驱动轮的电机同步性较差的问题。

为实现上述目的，本申请提供了一种驱动器，用于对包含两个驱动轮的机器人设备进行驱动控制，所述机器人设备的每个驱动轮分别由一个电机驱动，其中，所述驱动器包括控制芯片、两个驱动电路和两个反馈电路；

所述两个反馈电路，分别与两个电机连接，用于对对应电机进行采样，获取反馈信号，并将反馈信号发送至所述控制芯片；

所述两个驱动电路，分别与两个电机，用于根据驱动控制信号生成对应电机的驱动信号，并基于所述驱动信号驱动对应电机；

所述控制芯片，连接所述反馈电路和驱动电路，用于根据对应电机的输入信号和反馈信号进行同步处理，生成两个驱动电路的驱动控制信号，并将所述驱动控制信号发送至对应电机的驱动电路。

进一步地，所述反馈电路包括电流反馈电路和速度反馈电路；

所述电流反馈电路，用于对电机的电流进行采样，获取电流反馈信号，并将所述电流反馈信号发送至所述控制芯片；

所述速度反馈电路，用于对电机的速度进行采用，获取速度反馈信号，并将所述速度反馈信号发送至所述控制芯片。

进一步地，所述电机的输入信号为电机的速度输入信号，所述控制芯片包括：

速度环模块，用于根据对应电机的速度输入信号和速度反馈信号生成对应电机的速度环控制信号；

速度跟踪比率同步环模块，用于根据两个电机的速度输入信号和速度反馈信号生成对应电机的同步跟踪信号；

电流环模块，用于根据对应电机的速度环同步信号和同步跟踪信号生成对应电机的速度环控制信号；

驱动控制模块，用于根据对应电机的速度环控制信号生成驱动控制信号。

进一步地，所述驱动控制模块，用于采用磁场定向控制算法以及空间矢量脉宽调制算法生成驱动控制信号。

进一步地，所述控制芯片，还包括：

输入模块，用于获取所述机器人设备的移动速度和旋转速度，并基于所述移动速度和旋转速度进行速度分解，获取每个电机的输入速度信号。

进一步地，所述控制芯片，还包括：

输出模块，用于获取两个电机的反馈速度信号，根据两个电机的反馈速度信号以及所述机器人设备的原始方位，获取所述机器人设备的当前方位。

与现有技术相比，本申请提供了一种一拖二的驱动器，即该驱动器包括一个控制芯片、两个驱动电路和两个反馈电路，同时对两个驱动轮的电机进行驱动控制。采用一个控制芯片，通过相应的控制算法分别驱动两路电机，由整个反馈同步的过程在驱动器内完成，能够减少接受控制命令的时间延迟，避免因为驱动不同步导致的累计误差，提高两个电机的同步性。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本申请实施例提供的一种驱动器的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的驱动器中控制芯片的结构示意图；

图3为本申请实施例中速度分解的运动学模型示意图；

图4为本申请实施例提供的驱动器的处理原理示意图；

图5为现有技术中常用的驱动器的算法架构图；

图6为本申请实施例提供的驱动器的算法架构图；

附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步详细描述。

在本申请一个典型的配置中，终端、服务网络的设备和可信方均包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器 (RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器 (DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括非暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

本申请实施例提供了一种驱动器，该驱动器用于对包含两个驱动轮的机器人设备进行驱动控制，所述机器人设备的每个驱动轮分别由一个电机驱动。所述驱动器包括控制芯片、两个驱动电路和两个反馈电路，其与两个电机的连接结构，如图1所示。

所述两个反馈电路，即第一反馈电路131和第二反馈电路132，分别与两个电机连接，即第一反馈电路131连接第一电机141、第二反馈电路 132连接第二电机142。每个反馈电路用于对对应电机进行采样，获取反馈信号，并将反馈信号发送至所述控制芯片，使得控制芯片能够根据相应的反馈信号对电机的速度进行控制。

其中，所述反馈信号可以根据实际的反馈控制方式的不同而采用不同类型的信号，例如在一种实施方式中，采用速度环结合电流环的反馈控制方式，则所述反馈信号可以包括对应电机的电流反馈信号和速度反馈信号，相应地，所述反馈电路可以包括电流反馈电路和速度反馈电路，所述电流反馈电路用于对电机的电流进行采样，获取电流反馈信号，并将所述电流反馈信号发送至所述控制芯片；而所述速度反馈电路用于对电机的速度进行采样，获取速度反馈信号，并将所述速度反馈信号发送至所述控制芯片。在实际场景中，所述速度反馈电路的具体实现可以是QEP(Quadrature Encoder Pulse，正交编码脉冲)编码器，而所述电流反馈电路的具体实现可以是各类电流采样芯片等。

所述两个驱动电路，即第一驱动电路121和第二驱动电路122，分别与两个电机连接，即第一驱动电路121连接第一电机141、第二驱动电路 122连接第二电机142。每个驱动电路，用于根据驱动控制信号生成对应电机的驱动信号，并基于所述驱动信号驱动对应电机，其中，根据具体控制场景的不同，所述驱动信号也同样可以采用相应形式的信号，例如在一种实施例中，电机为无刷直流电机、控制芯片采用FOC(Field Oriented Control，磁场定向控制)算法结合SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制)算法进行控制，此时所述驱动控制信号可以是三相PWM(Pulse Width Modulation，脉宽调制)信号。

所述控制芯片110，连接所述反馈电路和驱动电路，即分别与第一反馈电路131、第二反馈电路132、第一驱动电路121以及第二驱动电路122 连接，根据对应电机的输入信号和反馈信号进行同步处理，生成两个驱动电路的驱动控制信号，并将所述驱动控制信号发送至对应电机的驱动电路。

在实际场景中，所述电机的输入信号可以是电机的速度值，即电机的速度输入信号。所述控制芯片的内部结构可以包括以下处理模块：速度环模块111、速度跟踪比率同步环模块113、电流环模块112和驱动控制模块114，如图2所示。

其中，速度环模块111用于根据对应电机的速度输入信号和速度反馈信号生成对应电机的速度环控制信号。对于每个电机，独立进行速度环的闭环反馈控制，例如，第一反馈电路131的速度反馈电路采集到第一电机 141的速度反馈信号之后，发送至速度环模块，由速度环模块根据第一电机141的速度输入信号和速度反馈信号进行鼻环控制，生成第一电机141 的速度环控制信号，进一步交给速度电流环模块进行电流环的闭环反馈控制。

速度跟踪比率同步环模块113用于根据两个电机的速度输入信号和速度反馈信号生成对应电机的同步跟踪信号。对每个电机而言，速度跟踪比率同步环模块113会对两台电机的速度跟踪比率做PID算法，其输出的同步跟踪信号将给每个电机的交轴(q轴)电流一个附加增量，从而影响电机的输出力矩，改变电机转速，最终产生速度追踪的同步效果。对于背景技术中提及场景，若机器人设备的一个驱动轮遇到了障碍，另一个驱动轮并没有遇到这个阻碍时，可以通过速度环和电流环的反馈可以感知到，此时，速度跟踪比率同步环模块113根据此时电机的速度输入信号和速度反馈信号，能够生成对应的同步跟踪信号，作为电流环的反馈输入，从而在短时间内调整电机的转速，行进方向发生偏差，实现同步控制。

电流环模块112用于根据对应电机的速度环同步信号和同步跟踪信号生成对应电机的速度环控制信号。

驱动控制模块114用于根据对应电机的速度环控制信号生成驱动控制信号。作为一种优选的实施方式，所述驱动控制模块采用磁场定向控制算法以及空间矢量脉宽调制算法生成驱动控制信号。

进一步地，本申请提供的驱动器中，所述控制芯片还可以包括输入模块，所述输入模块用于获取所述机器人设备的移动速度和旋转速度，并基于所述移动速度和旋转速度进行速度分解，获取每个电机的输入速度信号。

本实施例中，以如图3所示的模型对所述速度分解的原理进行说明。其中，F为机器人设备的关键点，G为机器人设备的旋转中心，b为两个驱动轮之间的距离，r为驱动轮的半径，l_G为点G和点F之间的距离，φ为机器人设备的转角，θ_l为做驱动轮的转角，θ_r为做驱动轮的转角。

基于机器人设备的移动速度和旋转速度，可以确定机器人设备的某一时刻的速度，假设机器人设备的速度为v_G，其垂直于机器人设备两个驱动轮的轮轴，由此可知，移动速度在两个坐标轴上的分量分别为：

x_G＝v_Gcosφ，y_G＝v_Gsinφ，

消去v_G得

x_Gsinφ-y_Gcosφ＝0.

点F与点G存在如下位置关系：

x_F＝x_G+l_Gcosφ， (1)

y_F＝y_G+l_Gsinφ. (2)

对式(1)、(2)求导，可得

由此，点F的速度关系可表示为：

机器人设备质心的速度与驱动轮转速之间的关系式为：

可以得到矩阵表达式为：

从而得到

式(3)中

其中，J定义为机器人设备的广义雅可比矩阵，反映了机器人设备的速度与两个驱动轮的速度之间的关系。

进一步地，所述控制芯片还可以包括输出模块，所述输出模块用于对输出的信号进行里程合成，具体为：获取两个电机的反馈速度信号，根据两个电机的反馈速度信号以及所述机器人设备的原始方位，获取所述机器人设备的当前方位。其中，所述方位包括机器人设备的坐标及转角(x，y，φ)，本申请实施例提供了一种计算所述机器人位置当前方位的方法，其算法伪代码如下：

Actual_x:积分后的实际x

Actual_y:积分后的实际y

Actual_φ:积分后的实际φ

left_wheel_pos＝wheelPos.pos_left；/左驱动轮的坐标/

right_wheel_pos＝wheelPos.pos_right；/右驱动轮的坐标/

x＝(right_wheel_pos+left_wheel_pos)*0.5；

y＝0

φ＝(right_wheel_pos-left_wheel_pos)/wheel_dist；

float dx＝x*cos(Actual_φ)-y*sin(Actual_φ)；

float dy＝x*sin(Actual_φ)+y*cos(Actual_φ)；

float dφ＝φ；

Actual_x＝Actual_x+dx；

Actual_y＝Actual_y+dy；

Actual_φ＝Actual_φ+dφ

此时，获取到的Actual_x、Actual_y和Actual_φ即为所述机器人设备的当前方位。

由此可知，本申请实施提供的驱动器的处理原理如图4所示，其输入为机器人设备的前进速度及旋转速度，输出为机器人设备在平面环境中的具体坐标和转角。

由于目前常规的驱动方案中，驱动轮的电机和驱动器是一一对应的，即一台电机，由一台独立的驱动器进行拖动及调速，整个驱动器的具体算法构架如图5所示。每一个电机都是由均包含一个由控制芯片、驱动电路和反馈电路组成的驱动器提供驱动信号，两个驱动器的无法直接进行同步控制，因此需要由通过总线连接的上位机来实现同步，对于传统的总线来说，其传输速度会在毫秒级。由于上位机的控制命令到达各驱动器的时间会存在一定的延迟，两台驱动器接收命令的时间同样会存在延迟，从而造成电机之间的动作不同步，导致累积误差。

而本申请实施例提供的方案对算法构架进行了改进，如图6所示，图中方框内的部分即为图5所示的常规驱动方案的算法构架。本方案采用一个控制芯片，通过相应的控制算法分别驱动两路电机，由整个反馈同步的过程在驱动器内完成，能够减少接受控制命令的时间延迟，避免因为驱动不同步导致的累计误差，提高两个电机的同步性。

需要注意的是，本申请可在软件和/或软件与硬件的组合体中被实施，例如，可采用专用集成电路(ASIC)、通用目的计算机或任何其他类似硬件设备来实现。在一个实施例中，本申请的软件程序可以通过处理器执行以实现上文所述步骤或功能。同样地，本申请的软件程序(包括相关的数据结构) 可以被存储到计算机可读记录介质中，例如，RAM存储器，磁或光驱动器或软磁盘及类似设备。另外，本申请的一些步骤或功能可采用硬件来实现，例如，作为与处理器配合从而执行各个步骤或功能的电路。

另外，本申请的一部分可被应用为计算机程序产品，例如计算机程序指令，当其被计算机执行时，通过该计算机的操作，可以调用或提供根据本申请的方法和/或技术方案。而调用本申请的方法的程序指令，可能被存储在固定的或可移动的记录介质中，和/或通过广播或其他信号承载媒体中的数据流而被传输，和/或被存储在根据所述程序指令运行的计算机设备的工作存储器中。在此，根据本申请的一个实施例包括一个装置，该装置包括用于存储计算机程序指令的存储器和用于执行程序指令的处理器，其中，当该计算机程序指令被该处理器执行时，触发该装置运行基于前述根据本申请的多个实施例的方法和/或技术方案。

对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。装置权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。