专利名称：一种两栖机器人电机控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及水下机器人电机控制技术，具体说是提供一个通用的、 分布式的轮桨腿一体化两栖机器人电机控制装置。
背景技术：
轮桨腿一体化两栖机器人是一种既可以在陆地、滩涂、海底爬行，又可 以在极浅水海域浮游的特种机器人，能够在普通陆地爬行机器人和水下浮游 机器人无法进入的极浅水、碎浪带和海滩区域考察作业。这种两栖机器人巧 妙地将水下机器人最常用的螺旋桨推进器与陆地爬行机器人的驱动轮和爬 行腿结合为一体，实现了多种运动模式自动切换，从而增强了这种机器人的 作业能力。轮桨腿一体化两栖机器人是一种仿生机器人，具有浮游、六足爬 行和四足爬行等运动模式，其上的电机较多，传统的机器人控制系统对各台 电机釆用集中式控制，这种控制方式过分依赖主控计算机和电机集中控制 板， 一旦主控计算机或电机集中控制板发生故障，整个两栖机器人就会无法 运行，陷入瘫痪。机器人控制系统的可靠性降低，同时也不利于系统的装配、 调试、故障检测与排除以及系统的维护、维修与保养。由于主控计算机以及 电机集中控制板上的资源是有限的，很难随意的增加设备，系统的可扩展性 差。随着电子技术、通信技术的发展，两栖机器人所搭载的传感器越来越多， 完成的使命也日趋复杂，传统的集中式电机控制方式无法满足两栖机器人控 制系统发展的需求。
实用新型内容
为了克服上述不足，本实用新型的目的是提供一种模块化、接口简单且 独立性强、可扩展性强、安全性高、工作效率髙、可靠性高的轮桨腿一体化 两栖机器人电机控制装置。
为了实现上述目的，本实用新型釆用的技术方案是 一种两栖机器人电 机控制装置，所述控制装置通过总线模块与主控计算机连接，所述该控制装 置以A腿微处理器为控制核心，ARM微处理器通过第一隔离器与CAN收发器 连接、第二隔离器与RS485收发器连接，CAN总线与CAN收发器连接，RS—85 总线与RS485收发器连接；A脂微处理器I/O端直接通过第一、第二电机驱 动器接至第一、第二电机；ARM微处理器通过数/模输出转换模块与第一、第 二电机驱动器连接，所述第一、第二电机驱动器输出控制信号至第一、第二 电机；所述第一、第二电机通过第一、第二电机驱动器与模/数输入转换模 块连接，所述模/数输入转换模块与A腿微处理器连接；ARM微处理器通过解码芯片模块与旋转变压器连接，且ARM微处理器与旋转电位计连接；第一电
机通过旋转电位计与ARM微处理器连接，第二电机通过旋转变压器与解码芯 片模块连接。
控制装置通过解码芯片模块釆集旋转变压器信号，通过模/数输入转换 模块釆集电机的角度、电流及转速信号，通过ARM微处理器对电机进行闭 环/定位控制。
所述控制装置主程序流程为
先执行初始化，
启动通信接收任务、通信发送任务和电机控制任务，
然后处于循环状态；
在循环中等待通信任务通过邮箱传递的指令消息，判断指令消息类型，
并对数据进行分析处理后，再通过消息邮箱触发相关任务； 处理完成指令消息后，程序返回，判定是否结束？ 若为否，则等待下一个指令消息； 若为是，则结束程序。
本实用新型与现有技术相比，更具有如下优点
1. 本实用新型灵活布置，易于安装，提髙了两栖机器人结构上空间的 利用，减少了连线的长度，减轻了两栖机器人的重量，同时也减少故障的发 生。由于电机控制装置为一个相对独立的智能模块，体积小，布置灵活，提 髙了两栖机器人整体的利用空间。
2. 本实用新型易更换和调试方便，减少工作量。两栖机器人上使用的 电机较多，电机的控制方式相同，由于釆用相同的控制装置，因此节省大量 的开发时间和工作量，同时若哪个控制装置出现故障，不影响其它控制装置， 直接更换一个即可。
3. 本实用新型通用性好，降低成本。由于电机控制装置相同，可以批
量的进行釆购、加工，因此节约成本。
4. 本实用新型通信接口灵活选择，适应性强。该装置既有CAN总线接 口模块又有RS-485总线接口模块，使用时可根据接口需要，将通信线接到 所使用的总线端子上。
5. 本实用新型可实现故障诊断，容易定位哪个节点或电机出现故障， 由于该控制装置釆用A腿微处理器作为核心控制器，因此通过检测电机驱动 装置上的信号，可以判断出哪个电机或节点出现故障，节省了排除故障的时 间。
6. 本实用新型可独立使用也可组成分布式网络控制。该装置由于釆用 CAN总线和RS-485总线接口，因此该装置可根据需要单独使用或多个使用而 组成分布式控制网络。7.本实用新型系统工作效率高，把主控计算机的工作分配到节点执行。 通过总线把计算机主机的集中式控制任务分散到控制装置上执行，大大减轻 了主控计算机的任务，提高了系统效率。
图l-l为本实用新型整体结构图； 图1-2为本实用新型整体电路原理图； 图2-1为本实用新型主程序流程图； 图2-2为本实用新型通信接收任务流程图； 图2-3为本实用新型通信发送任务流程图； 图2-4为本实用新型电机控制任务流程图； 图3为本实用新型中断处理程序流程图； 图4为本实用新型网络应用扩展示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。
如图1-1所示， 一种轮桨腿一体化两栖机器人电机控制装置，所述控制 装置通过总线模块与主控计算机连接，接收主控计算机发送的通信命令，所 述该控制装置以A腹微处理器为控制核心(ARM微处理器釆用ARM7系)，ARM 微处理器通过第一隔离器与CAN收发器连接、第二隔离器与RS485收发器连 接，CAN总线与CAN收发器连接，RS-485总线与RS485收发器连接；ARM微 处理器1/0端直接通过第一、第二电机驱动器接至第一、第二电机；ARM微 处理器通过数/模输出转换模块与第一、第二电机驱动器连接，所述第一、 第二电机驱动器输出控制信号至第一、第二电机，输出两路电机的控制信号； 所述第一、第二电机通过第一、第二电机驱动器与模/数输入转换模块连接， 所述模/数输入转换模块与ARM微处理器连接；
ARM微处理器通过解码芯片模块与旋转变压器连接，且ARM微处理器与旋 转电位计连接；第一电机通过旋转电位计与ARM微处理器连接，第二电机通 过旋转变压器与解码芯片模块连接。控制装置釆集各个电机驱动装置的信息 及传感器的信息，这些命令和信息经过ARM微处理器处理后，实现对各个电 机的控制。所述总线模块有两种类型， 一种为CAN总线，另一种为两线制 RS-485总线，两种方式通过接线端子进行选择，总线模块选择其中一种类型。 ARM微处理器通过模拟量输入接口模块釆集电机转速、电流等信息，ARM微 处理器的A/D接口通过釆集旋转电位计的输出值，釆集第一电机的位置信息。 A腿微处理器通过解码芯片模块与旋转变压器相连，釆集与旋转变压器相连 的第二电机输出轴的转速及位置信息。
如图1-2所示，所述控制装置通过CAN总线和RS-485总线与外部主控计算机实现信息交换。CAN总线通过CAN收发器U9-2，经第一隔离器隔离后 与ARM微处理器U1的CAN管脚相连;RS-485总线通过RS-485收发器U10-4 经第二隔离器隔离后与ARM微处理器Ul的UARTO管脚相连。该控制装置是 以A腹微处理器U1为核心，通过尸c管脚与数/模输出转换模块U3相连，其 输出两路0 5V的模拟电压信号至第一、第二电机驱动器来控制第一、第二 电机的转速，ARM微处理器U1通过I/0管线来控制第一、第二电机驱动器的 势能、制动、转向等；模/数输入转换模块U7-4采集第一、第二电机驱动器 的转速与电流反馈信号，并反馈信号至ARM微处理器Ul。 ARM微处理器Ul 通过解码芯片模块旋转变压器相连提高了对轮桨或足板的控制精度。旋转变 压器解码芯片U2输出激励信号经缓冲放大后，激励旋转变压器的转子，从 其定子绕组输出的感应信号再返回解码芯片模块进行解码处理，然后解码芯 片模块通过SPI0+I/O管脚向A腿微处理器Ul回传解算之后的角速度和角度 信号。而旋转电位计则与ARM微处理器Ul的A/D管脚相连。A腹微处理器 Ul通过总线模块接收主控机命令之后，通过既定策略进行处理后对电机进行 控制，并釆集电机驱动器反馈的电机转速、电流信息，从而实现对电机的双 闭环控制。在第二电机的输出轴上设有旋转变压器釆集输出轴的转速及位置 信息，第一电机则设有旋转电位计釆集位置信息，实现对整个驱动装置的精 确控制。
ARM微处理器Ul釆用jLtCOS-II嵌入式实时操作系统，各驱动及主程序
编写釆用嵌入式c语言。pcos-n是一种可设定任务优先级的、多任务嵌入
式实时操作系统，各任务之间可以通过消息队列、互斥信号量以及消息邮箱
通信。nCOS-II及程序经过汇编后，通过JTAG调试口下载到ARM微处理器 Ul的片内Flash,上电之后自动运行。整个程序的编写包括中断处理程序、 驱动程序是基于HCOS-II的任务设计。
如图2-1所示，控制装置主程序的具体流程为
先执行HCOS-II、硬件及硬件驱动的初始化，并启动通信接收任务、通
信发送任务和两个优先级相同的电机控制任务，然后处于循环状态；
在循环中等待通信接收任务通过邮箱传递的指令消息，对消息类型与数
据进行分析处理后，再通过消息邮箱触发相关任务；
处理完指令消息后，判断是否结束，若否，则主程序返回，等待下一个 指々消息.若是，贝ij结束。
如￡'2-2所示，通P信接收任务初始化之后，循环等待各中断的邮箱消息。 在邮箱消息到来之后，先判断是否为CAN总线消息，如是，则根据既定CAN 总线协议进行数据解析；如否，则判断是否为RS-485总线消息，如果是， 则根据既定RS-485总线协议进行数据解析。数据解析的结果，再通过消息 邮箱传送到主程序任务。
如图2-3所示，通信发送任务初始化之后，循环等待主程序的邮箱消息。 在邮箱消息到来之后，先判断是否通过CAN总线发送数据，如是，则根据既定CAN总线协议生成数据报；如否，则判断是否通过RS-485总线发送数据, 如果是，则根据既定RS-485总线协议生成数据报。然后通过设置消息邮箱， 触发相关中断完成数据报的发送。
如图2-4所示，两个电机控制任务初始化之后，循环等待主程序的邮箱 消息。然后判断是否为闭环控制，并依据相关控制策略完成对两路电机的控 制。在闭环控制中，需要采集电机驱动板的电流、转速等反馈信号，还需要
采集旋转变压器和旋转电位计等的输出信号。
如图3所示，两栖机器人电机控制装置中断服务程序主要有3中类型 CAN总线中断负责CAN总线数据的接收和发送；RS-485总线中断负责RS-485 总线的数据接收与发送；定时器中断则在相关任务用到定时器时，进行相关 中断处理。在接收到中断后，A腿7根据终端类型转到相应的中断处理程序， 执行完中断服务程序之后中断返回。
如图4所示，两栖机器人电机控制装置可通过CAN总线或RS-485总线 进行扩展，与其它控制节点形成分布式的控制网络，控制装置节点彼此独立， 可根据实际需要来增加或减少节点的数量，同时也可根据电机及电机驱动器 的实际位置来灵活布置电机控制装置的位置，从而提高了水下机器人上空间 的合理利用，使整个机器人变得非常紧凑。
权利要求1.一种两栖机器人电机控制装置，所述控制装置通过总线模块与主控计算机连接，其特征在于所述该控制装置以ARM微处理器为控制核心，ARM微处理器通过第一隔离器与CAN收发器连接、第二隔离器与RS485收发器连接，CAN总线与CAN收发器连接，RS-485总线与RS485收发器连接；ARM微处理器I/O端直接通过第一、第二电机驱动器接至第一、第二电机；ARM微处理器通过数/模输出转换模块与第一、第二电机驱动器连接，所述第一、第二电机驱动器输出控制信号至第一、第二电机；所述第一、第二电机通过第一、第二电机驱动器与模/数输入转换模块连接，所述模/数输入转换模块与ARM微处理器连接；ARM微处理器通过解码芯片模块与旋转变压器连接，且ARM微处理器与旋转电位计连接；第一电机通过旋转电位计与ARM微处理器连接，第二电机通过旋转变压器与解码芯片模块连接。
2.按照权利要求1所述一种两栖机器人电机控制装置，其特征在于 所述控制装置通过解码芯片模块釆集旋转变压器信号，通过模/数输入转换 模块釆集电机的角度、电流及转速信号，通过ARM微处理器对电机进行闭环 /定位控制。
专利摘要本实用新型公开一种两栖机器人电机控制装置，所述控制装置通过总线模块与主控计算机连接，所述该控制装置以ARM微处理器为控制核心，ARM微处理器通过第一隔离器与CAN收发器连接、第二隔离器与RS485收发器连接，CAN总线与CAN收发器连接，RS-485总线与RS485收发器连接；ARM微处理器I/O端直接通过第一、第二电机驱动器接至第一、第二电机；ARM微处理器通过数/模输出转换模块与第一、第二电机驱动器连接；第一电机通过旋转电位计与ARM微处理器连接，第二电机通过旋转变压器与解码芯片模块连接。本装置接口通用性好，易更换；体积小布置灵活，易于安装；结构清楚，调试方便，成本低，可靠性高，并可实现故障诊断。
文档编号B25J13/00GK201385313SQ20092001321
公开日2010年1月20日 申请日期2009年4月24日 优先权日2009年4月24日
发明者余元林, 俞建成, 威 郭 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所