一种手持控制器及其控制方法与流程

本发明涉及自动控制领域，特别涉及一种手持控制器及其控制方法。

背景技术：

自动控制能自动调节、检测、加工的机器设备、仪表，按规定的程序或指令自动进行作业的技术措施。其目的在于增加产量、提高质量、降低成本和劳动强度、保障生产安全等，这是机械化、电气化与自动控制相结合的结果，处理的对象是离散工件。早期的机械制造自动化是采用机械或电气部件的单机自动化或是简单的自动生产线；20世纪60年代以后，由于电子计算机的应用，出现了数控机床、加工中心、机器人、计算机辅助设计、计算机辅助制造、自动化仓库等，然而在对自动定位精度要求较高的所有滚轮架式变位机系统的中，任然要求设置有人工手动操作设备进行控制和操作加工过程，工人通过变位机手操器点动完成；在少数自动化焊接系统中由系统控制器按照一定角度开环控制变位机进行旋转，但通常变位过程中会发生滑动、起始点不正确等问题，使变位的最终位置具有较大误差，不能满足全操作需求，如公开号CN205272048U，公开日为2016年6月1日，名称为“一种智能焊接机器人用手持式移动控制器”的中国实用新型专利文献，公开了一种智能焊接机器人用手持式移动控制器，包括承载壳、防护盖板、端口连接电路、操控键、显示屏、控制滚轮及定位电磁铁，其中承载壳为气密性腔体结构，其上表面设定位槽，侧表面设握持手环，端口连接电路安装在承载壳内，操控键、显示屏、控制滚轮均嵌于承载壳上表面的定位槽内，并与端口连接电路电气连接，定位电磁铁至少一个并嵌于承载壳下表面，定位电磁铁与端口连接电路电气连接，防护盖板通过棘轮机构与防护壳上表面铰接并包覆在定位槽外侧。本新型可满足多种操控模式的需要，同时另具有良好的系统兼容性，从而在极大的方便智能焊接机器人操控的同时，另有效的提高了设备通用性，提高了设备应用范围。

综上所述，现有技术中存在的问题如下：

一、传统手持式控制器只能手动控制变位机运动，该控制过程很难保证自动化作业所需要的变为精度。

二、传统手持式控制器采用IO点方式与主控系统进行交互，不能传送跟复杂的信息(如工件姿态、工件温度等。)。

技术实现要素：

本发明提供一种即可以作为常规的手动控制器使用，又可以作为变位姿态检测器和变位机速度控制器使用实现自动闭环控制变位，同时还具备非接触式温度检测的功能，满足预热温度检测和工作过程中工件温度检测需要的手持控制器及其控制方法。

本发明的目的具体通过以下技术方案实现：

一种手持控制器，其特征在于：包括手持操作器和接收器；所述手持操作器包括壳体，所述壳体内包括温度模块、无线通讯模块、电池管理模块、电池和隔热垫块，以及集成在手持操作器的主板上的微控制器、陀螺仪和数码管；所述壳体上设置有转接底座和自恢复型微动式的开关用以切换模式，按键通过上拉电阻链接方式与微处理器的GPIO脚相连；所述数码管链接于微处理器GPIO脚上；所述接收器包括微控制器、无线通讯模块、有线隔离通讯模块和电源模块。

所述自恢复型微动式的开关包括正/反转按钮、自动调整按钮和测温按钮分别对应手动控制模式、自动控制模式和测温模式。

所述温度模块是一种非接触式红外测温探头，与所述微控制器之间采用TTL电平的UART方式连接；所述无线通讯模块是一种射频串口透传模块如433Mh透传模块，与所述微控制器之间采用TTL电平的UART方式连接；所述电池管理模块是一种采用LDO方式进行恒流和/或涓流充电，采用boost电路进行恒压放电的电池管理单元。

所述电池是锂电池；所述隔热垫块是由电木材料制成的，且隔热垫块设置在所述手持操作器的尾部用以与所述转接底座间隔热。

所述微控制器是一种嵌入式单片机，采用MODBUS-RTU工业现场总线协议连接上层被控制系统的变位机速度寄存器与温度数据寄存器，变位机寄存器与温度数据寄存器均为被控制系统CPU中一特定的寄存器位置，CPU将根据该寄存器中的数据控制变位机电机进行运动，所述CPU如常用的PLC。

所述陀螺仪是一种采用MEMS技术的微机械陀螺仪。

所述有线隔离通讯模块，采用高速光耦将通讯部分与微处理器部分进行电气隔离，并采用专用芯片进行TTL电平到RS485电平装换。

所述电源模块是将控制系电源转换为隔离通讯模块和微处理器无线通讯模块使用的隔离电源的隔离型电源模块。

一种手持控制器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

模式选择步骤：系统上电时一个枚举类型变量初始化为空闲模式；接收器上的微控制器分析由手持操作器自恢复型微动式的开关、温度模块和陀螺仪传回的数据，得到模式选择、温度数据、姿态数据三个变量；通过操作所述开关选择手动控制模式、自动控制模式和测温模式三种模式中的一种，并由数码管显示；

数据处理步骤：当选择手动模式时，根据开关状态向被控制系统CPU中的变位机速度寄存器中写入正转或反转的数值；当选择自动模式时，根据陀螺仪传递的姿态数据与目标姿态数据调用接收器上微处理器中的自动控制模块计算是否达到控制目标并输出变位机速度，并将该转速写入变位机速度寄存器；当选择测温模式时，将手持操作器温度模块传回的温度数据写入被控制系统的温度数据寄存器中。

指令生成步骤：根据数据处理步骤的结果，将控制信号由所述无线通讯模块和有线隔离通讯模块经由所述转接底座通过通讯线路传送至被控制系统。

本发明的有益效果如下：

一、本发明提供的一种手持式控制器，包括手持操作器和接收器；所述手持操作器包括设置在壳体内的温度模块、无线通讯模块、电池管理模块、电池和隔热垫块，以及集成在手持操作器的主板上的微控制器、陀螺仪和数码管；所述壳体上设置有转接底座和自恢复型微动式的开关，用以切换模式，按键通过上拉电阻链接方式与微处理器的GPIO脚相连；所述数码管链接于微处理器GPIO脚上；所述接收器包括微控制器、无线通讯模块、有线隔离通讯模块和电源模块；温度模块可实时的对工件进行温度测量、陀螺仪可检测工件当前姿态得作为反馈信息进行闭环运动控制实现优于现有水平的工件姿态控制，这样即可以作为常规的手动控制器使用，又可以作为变位姿态检测器和变位机速度控制器使用实现自动闭环控制变位，满足预热温度检测和工作过程中工件温度检测需要，并且具有相当高的精度。

二、本发明提供的一种手持式控制器，温度模块是一种非接触式红外测温探头，与所述微控制器之间采用TTL电平的UART方式连接，非接触式红外测温探头更适用于复杂环境，且精度较高；无线通讯模块是一种射频串口透传模块如433Mh透传模块，与所述微控制器之间采用TTL电平的UART方式连接，透传模块的通信效果明显，抗干扰能力强；电池管理模块是一种采用LDO方式进行恒流和/或涓流充电，采用boost电路进行恒压放电的电池管理单元，管理精确，电能质量稳定；微控制器是一种嵌入式单片机，采用MODBUS-RTU工业现场总线协议连接上层被控制系统的变位机速度寄存器与温度数据寄存器，这种控制方式技术成熟，效果优异；MEMS技术的微机械陀螺仪测量精度高；有线隔离通讯模块，采用高速光耦将通讯部分与微处理器部分进行电气隔离，并采用专用芯片进行TTL电平到RS485电平装换，隔离效果好，抗干扰能力强；电源模块是将控制系电源转换为隔离通讯模块和微处理器无线通讯模块使用的隔离电源的隔离型电源模块分别转换供电，工作效率高。

三、本发明提供的一种手持式控制器的控制方法，通过“模式选择步骤-数据处理步骤-指令生成步骤”完成手持器的控制，接收器上的微控制器分析由手持操作器开关、温度模块和陀螺仪传回的数据，得到模式选择、温度数据、姿态数据三个变量能够及时为操作提供参考和修正；具有手动控制模式、自动控制模式和测温模式三种模式可选，适用性强。

附图说明

图1是本发明一种优选方案的结构示意图；

图2是本发明一种优选方案的正面示意图；

图3是本发明一种优选方案的背面示意图；

图4是本发明一种优选方案的右侧示意图；

图5是本发明一种优选方案的左侧示意图；

图6是本发明一种优选方案的使用状态示意图；

图中：

1、壳体；2、温度模块；3、无线通讯模块；4、电池管理模块；5、电池；6、隔热垫块；7、主板；8、数码管；9、转接底座；10、自恢复型微动式的开关。

具体实施方式

以下通过几个实施例来进一步说明本发明的技术方案。

实施例1

如图1至图6，一种手持控制器，包括手持操作器和接收器；所述手持操作器包括壳体1，所述壳体内包括温度模块2、无线通讯模块3、电池管理模块4、电池5和隔热垫块6，以及集成在手持操作器的主板7上的微控制器、陀螺仪和数码管8；所述壳体上设置有转接底座9和自恢复型微动式的开关10用以切换模式，自恢复型微动式的开关10通过上拉电阻链接方式与微处理器的GPIO脚相连；所述数码管链接于微处理器GPIO脚上；所述接收器包括微控制器、无线通讯模块、有线隔离通讯模块和电源模块。

这是本发明的一种最基本实施方案。温度模块2可实时的对工件进行温度测量、陀螺仪可检测工件当前姿态得作为反馈信息进行闭环运动控制实现优于现有水平的工件姿态控制，这样即可以作为常规的手动控制器使用，又可以作为变位姿态检测器和变位机速度控制器使用实现自动闭环控制变位，满足预热温度检测和工作过程中工件温度检测需要，并且具有相当高的精度。

实施例2

如图1至图6，一种手持控制器，包括手持操作器和接收器；所述手持操作器包括壳体1，所述壳体内包括温度模块2、无线通讯模块3、电池管理模块4、电池5和隔热垫块6，以及集成在手持操作器的主板7上的微控制器、陀螺仪和数码管8；所述壳体上设置有转接底座9和自恢复型微动式的开关10用以切换模式，自恢复型微动式的开关10通过上拉电阻链接方式与微处理器的GPIO脚相连；所述数码管链接于微处理器GPIO脚上；所述接收器包括微控制器、无线通讯模块、有线隔离通讯模块和电源模块。

所述自恢复型微动式的开关10包括正/反转按钮、自动调整按钮和测温按钮分别对应手动控制模式、自动控制模式和测温模式。

这是本发明的一种优选的实施方案。温度模块2可实时的对工件进行温度测量、陀螺仪可检测工件当前姿态得作为反馈信息进行闭环运动控制实现优于现有水平的工件姿态控制，这样即可以作为常规的手动控制器使用，又可以作为变位姿态检测器和变位机速度控制器使用实现自动闭环控制变位，满足预热温度检测和工作过程中工件温度检测需要，并且具有相当高的精度；自恢复型微动式的开关10包括正/反转按钮、自动调整按钮和测温按钮分别对应手动控制模式、自动控制模式和测温模式，操作时易于选择模式，操控简单不会出错。

实施例3

如图1至图6，一种手持控制器，包括手持操作器和接收器；所述手持操作器包括壳体1，所述壳体内包括温度模块2、无线通讯模块3、电池管理模块4、电池5和隔热垫块6，以及集成在手持操作器的主板7上的微控制器、陀螺仪和数码管8；所述壳体上设置有转接底座9和自恢复型微动式的开关10用以切换模式，自恢复型微动式的开关10通过上拉电阻链接方式与微处理器的GPIO脚相连；所述数码管链接于微处理器GPIO脚上；所述接收器包括微控制器、无线通讯模块、有线隔离通讯模块和电源模块。

所述自恢复型微动式的开关10包括正/反转按钮、自动调整按钮和测温按钮分别对应手动控制模式、自动控制模式和测温模式。

所述温度模块2是一种非接触式红外测温探头，与所述微控制器之间采用TTL电平的UART方式连接；所述无线通讯模块3是一种射频串口透传模块如433Mh透传模块，与所述微控制器之间采用TTL电平的UART方式连接；所述电池管理模块4是一种采用LDO方式进行恒流和/或涓流充电，采用boost电路进行恒压放电的电池管理单元。

这是本发明的一种优选的实施方案。温度模块2可实时的对工件进行温度测量、陀螺仪可检测工件当前姿态得作为反馈信息进行闭环运动控制实现优于现有水平的工件姿态控制，这样即可以作为常规的手动控制器使用，又可以作为变位姿态检测器和变位机速度控制器使用实现自动闭环控制变位，满足预热温度检测和工作过程中工件温度检测需要，并且具有相当高的精度；自恢复型微动式的开关10包括正/反转按钮、自动调整按钮和测温按钮分别对应手动控制模式、自动控制模式和测温模式，操作时易于选择模式，操控简单不会出错；非接触式红外测温探头更适用于复杂环境，且精度较高；无线通讯模块是一种射频串口透传模块如433Mh透传模块，透传模块的通信效果明显，抗干扰能力强；电池管理模4块采用boost电路进行恒压放电的电池管理单元，管理精确，电能质量稳定。

实施例4

如图1至图6，一种手持控制器，包括手持操作器和接收器；所述手持操作器包括壳体1，所述壳体内包括温度模块2、无线通讯模块3、电池管理模块4、电池5和隔热垫块6，以及集成在手持操作器的主板7上的微控制器、陀螺仪和数码管8；所述壳体上设置有转接底座9和自恢复型微动式的开关10用以切换模式，自恢复型微动式的开关10通过上拉电阻链接方式与微处理器的GPIO脚相连；所述数码管链接于微处理器GPIO脚上；所述接收器包括微控制器、无线通讯模块、有线隔离通讯模块和电源模块。

所述自恢复型微动式的开关10包括正/反转按钮、自动调整按钮和测温按钮分别对应手动控制模式、自动控制模式和测温模式。

所述温度模块2是一种非接触式红外测温探头，与所述微控制器之间采用TTL电平的UART方式连接；所述无线通讯模块3是一种射频串口透传模块如433Mh透传模块，与所述微控制器之间采用TTL电平的UART方式连接；所述电池管理模块4是一种采用LDO方式进行恒流和/或涓流充电，采用boost电路进行恒压放电的电池管理单元。

所述电池5是锂电池；所述隔热垫块6是由电木材料制成的，且隔热垫块6设置在所述手持操作器的尾部用以与所述转接底座9间隔热。

所述微控制器是一种嵌入式单片机，采用MODBUS-RTU工业现场总线协议连接上层被控制系统的变位机速度寄存器与温度数据寄存器。

所述陀螺仪是一种采用MEMS技术的微机械陀螺仪。

所述有线隔离通讯模块，采用高速光耦将通讯部分与微处理器部分进行电气隔离，并采用专用芯片进行TTL电平到RS485电平装换。

所述电源模块是将控制系电源转换为隔离通讯模块和微处理器无线通讯模块使用的隔离电源的隔离型电源模块。

这是本发明的一种优选的实施方案。温度模块2可实时的对工件进行温度测量、陀螺仪可检测工件当前姿态得作为反馈信息进行闭环运动控制实现优于现有水平的工件姿态控制，这样即可以作为常规的手动控制器使用，又可以作为变位姿态检测器和变位机速度控制器使用实现自动闭环控制变位，满足预热温度检测和工作过程中工件温度检测需要，并且具有相当高的精度；自恢复型微动式的开关10包括正/反转按钮、自动调整按钮和测温按钮分别对应手动控制模式、自动控制模式和测温模式，操作时易于选择模式，操控简单不会出错；非接触式红外测温探头更适用于复杂环境，且精度较高；无线通讯模块是一种射频串口透传模块如433Mh透传模块，透传模块的通信效果明显，抗干扰能力强；电池管理模4块采用boost电路进行恒压放电的电池管理单元，管理精确，电能质量稳定；微控制器是一种嵌入式单片机，采用MODBUS-RTU工业现场总线协议连接上层被控制系统的变位机速度寄存器与温度数据寄存器，这种控制方式技术成熟，效果优异；MEMS技术的微机械陀螺仪测量精度高；有线隔离通讯模块采用高速光耦将通讯部分与微处理器部分进行电气隔离，并采用专用芯片进行TTL电平到RS485电平装换，隔离效果好，抗干扰能力强；电源模块是将控制系电源转换为隔离通讯模块和微处理器无线通讯模块使用的隔离电源的隔离型电源模块分别转换供电，工作效率高。

实施例5

一种手持控制器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

模式选择步骤：系统上电时一个枚举类型变量初始化为空闲模式；接收器上的微控制器分析由手持操作器自恢复型微动式的开关10、温度模块2和陀螺仪传回的数据，得到模式选择、温度数据、姿态数据三个变量；通过操作所述开关选择手动控制模式、自动控制模式和测温模式三种模式中的一种，并由数码管显示；

数据处理步骤：当选择手动模式时，根据开关状态向被控制系统CPU中的变位机速度寄存器中写入正转或反转的数值；当选择自动模式时，根据陀螺仪传递的姿态数据与目标姿态数据调用接收器上微处理器中的自动控制模块计算是否达到控制目标并输出变位机速度，并将该转速写入变位机速度寄存器；当选择测温模式时，将手持操作器温度模块传回的温度数据写入被控制系统的温度数据寄存器中。

指令生成步骤：根据数据处理步骤的结果，将控制信号由所述无线通讯模块和有线隔离通讯模块经由所述转接底座通过通讯线路传送至被控制系统。

这是本发明的一种优选的实施方案。通过“模式选择步骤-数据处理步骤-指令生成步骤”完成手持器的控制，接收器上的微控制器分析由手持操作器开关、温度模块和陀螺仪传回的数据，得到模式选择、温度数据、姿态数据三个变量能够及时为操作提供参考和修正；具有手动控制模式、自动控制模式和测温模式三种模式可选，适用性强。

实施例6

如图1至图6，手持操作器由微控制器、MEMS陀螺仪、无线通讯模块、电池管理模块、数码管、按键、电池、本体壳体、隔热垫块和转接底座组成；其中微控制器、MEMS陀螺仪、数码管集成在手持操作器的主板上。

微控制器采用STM32微处理器开发完成，在不同的工作状态下实现不同的功能和工作流程。状态切换由手持控制器上的按钮实现。该按钮采用自恢复型微动开关实现，该类按钮通过上拉电阻链接方式与微处理器的GPIO脚相连，实现按钮状态读取。

手持操作器共有手动控制模式、自动控制模式和测温模式3种工作模式，分别对应按下正/反转按钮、自动调整按钮和测温按钮；

在手动模式下，微处理器根据GPIO传回的开关量信号确定是正转或者反转，并通过无线通讯模块向接收器发送正转或反转指令。

在自动模式下，微处理器通过I2C接口从MEMS陀螺仪读回当前的姿态数据，并将当前的工件姿态数据通过无线通讯模块发送到接收器。

在测温模式下，微处理器通过UART端口从测温模块读回当前的温度数据，并将温度数据通过无线通讯模块发送回接收器。

温度模块采用红外非接触式测温探头，由然太测温模组实现，可随时监控工件预热和焊接过程中的温度情况；

陀螺仪模块采用MEMS技术的陀螺仪，配以卡尔曼滤波器对地磁场、重力和角速度进行融合，得到手持操作器的姿态数据，本发明中的陀螺仪采用MPU9250实现；

数码管采用三位八段数码管以共阴极拓扑链接于微处理器GPIO脚上。采用每位轮流显示的方式，在不同工作状态下，显示不同的状态信息。在手动模式下显示旋转速度，自动模式下显示工件姿态，测温模式下显示温度数据，空闲模式下显示剩余电量；

无线通讯模块采用具有透传技术的工业射频通讯模块，由SX1278型透传模块实现；

电池管理模块在充电阶段具备过电压保护、恒流充电、涓流充电等功能，在放电阶段具备电源升压、恒压输出、过流保护、过放保护等功能，该模块采用TP5410芯片配合相应的电感、电容器件构成一个同时具有LDO降压充电和BOOST升压放电拓扑的电池管理模块；

电池采用锂电池储电方案，采用三洋18650型电池实现。

隔热垫块是为了在工件预热后进行自动姿态调整，防止高温工件损害操作器本体设计的，采用电木材质加工实现。

转接底座为金属质件，在姿态测量过程中需要手持控制器与工件孔精密配合才能准确测量工件姿态，因此设计该部件。一套手持控制器配有多个该部件以适应工件不同孔径大小，该部件顶端以统一接口与手持控制器本体链接，底部为不同直径的圆柱体。

接收器由微控制器、无线通讯模块、有线隔离通讯模块、电源模块四部分组成。

微控制器同样采用STM32编程实现，微控制器从无线通讯模块读回手持操作器的状态与数据，根据不同的状态进行不同的操作。

当手持操作器处于手动状态时，根据操作器数据的正转、反转向变位机速度寄存器写入固定正转速度或反转速度。

当手持操作器处于自动状态时，以手持操作器的姿态数据作为输入，以手持式操作器姿态正向上为目标，通过自动控制算法进行计算得出变位机旋转速度，并将该速度写入变位机速度寄存器。

当手持操作器处于测温状态时，将操作器数据的温度数据写入温度数据寄存器中。

微控制器实现了MODBUS-RTU工业现场总线协议，上层控制系统可以使用工业现场总线读取变位机速度寄存器与温度数据寄存器。

无线通讯模块采用与手持操作器相同的具有透传技术的工业射频通讯模块实现；

有线隔离通讯模块实现了微控制器电平到工业现场总线电平的装换并同时实现电气隔离,采用PC410与HCPL0630光耦实现。

接收器软件系统工作模式为状态机结构。一个枚举类型变量表达手持式控制器处于手动模式、自动模式、测温模式和空闲模式之一的状态。

当系统上电时该变量初始化为空闲模式；无线通讯软件模块不断分析由手持操作器传回的数据，得到按键状态、温度数据、姿态数据三个变量；当按键状态处于按下正转或反转按钮时，状态变量无条件跳转到手动模式；当按键状态处于自动按钮按下时且状态变量处于空闲模式，状态变量跳转到自动模式，当自动控制目标达到时自动调回空闲模式；当按键状态处于测温按钮按下时且状态变量处于空闲模式，状态变量跳转到测温模式；当按键状态处于无任何按键按下时且状态变量不处于自动模式，状态变量跳转到空闲模式。

一个定时以固定时间查询状态变量，当变量处于空闲模式时，系统不做任何动作。当变量处于手动模式时，根据按键状态正转与反转的不同向变位机速度寄存器中写入正转或反转的数值；当变量处于自动模式时，根据姿态数据与目标姿态数据调用自动控制模块计算是否达到控制目标并出变位机速度，并将该转速写入变位机速度寄存器；当变量处于测温模式时，将手持操作器传回的温度数据写入温度数据寄存器中。

工业总线通讯模块实现了MODBUS-RTU协议，作为从站实时接收其他工业控制设备通过MODBUS-RTU协议访问手持式控制器的变位机速度寄存器与温度数据寄存器。