一种移动机器人电机驱动控制系统及其控制和监测方法与流程

本发明属于移动机器人技术领域，具体涉及一种移动机器人电机驱动控制系统及其控制和监测方法的设计。

背景技术：

随着机器人技术的日益发展，机器人的应用越来越广泛，几乎渗透到所有领域。移动机器人是机器人学中的一个重要分支，按结构分，一般可分为轮式、腿足式、履带式、吸盘式以及复合式机器人。其中，轮式移动机器人由于其控制简单，运动稳定和能源利用率高等特点应用较为广泛。

轮式移动机器人根据其移动能力又分为全方位移动和非全方位移动。其中，轮式全方位移动机器人由于具有较快的速度、较高的稳定性以及灵活性而得到了广泛应用。这种机器人的驱动系统通常由3个或更多的偏心万向轮或麦克纳姆轮轮等构成。麦克纳姆轮轮是在车轮的轮毂外缘按一定倾斜方向均匀分布多个被动的辊子，它操作灵活，反应迅速，非常适合工作在空间狭窄有限、对机器人的机动性要求高的场合中。

一个稳定的电机驱动控制系统是移动机器人稳定运行的前提保障，现有的移动机器人中，其电机驱动控制系统的模块化程度较低，控制部分和输出部分之间的耦合性较高，影响了整个控制系统的稳定性。同时，现有的电机驱动控制方法相对简单，控制模式相对单一，并未采用闭环控制的思想，容易造成移动机器人运动过程中电机的损坏。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中移动机器人电机驱动控制系统和控制方法存在的上述问题，提出了一种移动机器人电机驱动控制系统及其控制和监测方法。

本发明的技术方案为：一种移动机器人电机驱动控制系统，包括主控模块、电源模块、串口通信模块、CAN通信模块、编码器模块、电流采样模块以及MOS管H桥电路模块；主控模块分别与串口通信模块、CAN通信模块、编码器模块、电流采样模块、MOS管H桥电路模块通信连接，电源模块分别与主控模块、编码器模块、MOS管H桥电路模块电连接，MOS管H桥电路模块还分别与电流采样模块以及移动机器人的电机通信连接。

优选地，电源模块用于为电机驱动控制系统的其余模块提供适配的电源。

优选地，串口通信模块通过串口设备与上位机相连，用于接收上位机的指令，并根据指令对电机驱动控制系统进行调试。

优选地，CAN通信模块通过CAN高速总线与移动机器人的其他模块连接。

优选地，编码器模块用于获取移动机器人的电机转速，并结合主控模块对移动机器人的电机转速形成闭环PID调节。

优选地，电流采样模块用于通过MOS管H桥电路模块对移动机器人的电机的电流进行ADC采样，并结合主控模块对移动机器人的电机电流形成闭环PID调节。

优选地，MOS管H桥电路模块用于根据主控模块的控制信号对移动机器人的电机进行速度和方向的调节。

本发明还公开了一种移动机器人电机驱动控制方法，包括以下步骤：

S1、电机驱动控制系统相关硬件初始化；

S2、串口通信模块判断是否接收到上位机的速度指令，若是则进入步骤S4，否则进入步骤S3；

S3、将移动机器人的电机转速设定为默认值0，进入步骤S4；

S4、通过电机转速PID调节计算出电机的转速控制输出；

S5、通过电机电流PID调节计算出电机的最终控制输出；

S6、判断电机的最终控制输出是否在额定范围内，若是则进入步骤S7，否则进入步骤S8；

S7、将最终控制输出发送至移动机器人的电机，进入步骤S9；

S8、释放电机，进入步骤S9；

S9、串口通信模块向上位机发送响应信号，返回步骤S2。

本发明还公开了一种移动机器人电机驱动监测方法，包括以下步骤：

T1、电机驱动控制系统相关硬件初始化；

T2、电流采样模块对移动机器人电机的电流进行ADC采样；

T3、判断电机电流是否在一级阈值范围内，若是则返回步骤T2，否则进入步骤T4；

T4、判断电机电流是否在二级阈值范围内，若是则进入步骤T5，否则进入步骤T7；

T5、连续向上位机发出危险信号；

T6、判断危险信号的持续时间是否大于阈值，若是则进入步骤T7，否则返回步骤T2；

T7、释放电机。

本发明的有益效果是：

(1)本发明提供的电机驱动控制系统中控制部分与输出部分都采用模块化隔离，相互之间无干扰，集成化程度较高，具有较高的功率密度(功率密度＝输出功率/体积)，使移动机器人的性能更加优化。

(2)本发明采用转速和电流双闭环对移动机器人的电机进行控制，并设置了两级电流阈值进行监测，在保证电机始终在安全工作的同时实现了对电机更加精准的控制。

附图说明

图1为本发明提供的一种移动机器人电机驱动控制系统结构框图。

图2为本发明实施例的PID控制原理图。

图3为本发明提供的一种移动机器人电机驱动控制方法流程图。

图4为本发明提供的一种移动机器人电机驱动监测方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。

本发明提供了一种移动机器人电机驱动控制系统，如图1所示，包括主控模块、电源模块、串口通信模块、CAN通信模块、编码器模块、电流采样模块以及MOS管H桥电路模块；主控模块分别与串口通信模块、CAN通信模块、编码器模块、电流采样模块、MOS管H桥电路模块通信连接，电源模块分别与主控模块、编码器模块、MOS管H桥电路模块电连接，MOS管H桥电路模块还分别与电流采样模块以及移动机器人的电机通信连接。

其中，主控模块由STM32F103芯片及其外围电路构成，其具体电路结构为本领域的公知常识，在此不再赘述。

电源模块用于为电机驱动控制系统的其余模块提供适配的电源。本发明实施例中，具体为：为主控模块提供3.3V电源，为编码器模块提供5V电源，为MOS管H桥电路模块提供12V电源。

串口通信模块通过串口设备与上位机相连，用于接收上位机的指令，并根据指令对电机驱动控制系统进行调试。

CAN通信模块通过CAN高速总线与移动机器人的其他模块(如惯性导航模块、传感器控制模块等)连接。CAN(Controller Area Network，控制器局域网总线)是一种用于实时应用的串行通讯协议总线，它可以使用双绞线来传输信号，传输速率高达1Mb/s，是世界上应用最广泛的现场总线之一。CAN总线具有如下优点：

(1)实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低；

(2)采用双线串行通信方式，检错能力强，可在高噪声干扰环境中工作；

(3)具有优先权和仲裁功能，多个控制模块通过CAN控制器挂到CAN-bus上，形成多主机局部网络；

(4)可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文；

(5)可靠的错误处理和检错机制；

(6)发送的信息遭到破坏后，可自动重发；

(7)节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能；

(8)报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息。

由于CAN协议常用于汽车中各种不同元件之间的通信，以此取代昂贵而笨重的配电线束，以及拥有以上众多优点，因此将其用于电机驱动控制系统和移动机器人其他模块之间的通信。

编码器模块用于获取移动机器人的电机转速，并结合主控模块对移动机器人的电机转速形成闭环PID调节。

电流采样模块用于通过MOS管H桥电路模块对移动机器人的电机的电流进行ADC采样，并结合主控模块对移动机器人的电机电流形成闭环PID调节。

PID控制器由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成。如图2所示为PID控制原理图，其中r(t)为系统给定值，e(t)为系统偏差，u(t)为控制量，c(t)为实际输出值。则PID控制器各校正环节的作用如下：

(1)比例环节：成比例地反应系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器马上产生调节作用，以减少偏差。

(2)积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度，积分作用的强弱取决于积分时间常数T_i,T_i越大，积分作用越弱，反之则越强。

(3)微分环节：能够反映偏差信号的变化趋势，即偏差信号的变化率，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。

本发明中采用内环电流PID调节与外环转速PID调节的双闭环控制模式对移动机器人的电机进行控制。

MOS管H桥电路模块用于根据主控模块的控制信号对移动机器人的电机进行速度和方向的调节。

本发明还提供了一种移动机器人电机驱动控制方法，如图3所示，包括以下步骤：

S1、电机驱动控制系统相关硬件初始化。

S2、串口通信模块判断是否接收到上位机的速度指令，若是则进入步骤S4，否则进入步骤S3。

S3、将移动机器人的电机转速设定为默认值0，进入步骤S4。

S4、通过电机转速PID调节计算出电机的转速控制输出，具体计算方法为：

电机驱动控制系统接受一个转速给定输入量，给定量与当前的实际转速差分作为外环转速PID调节器进行PID运算，得到电机的转速控制输出。

S5、通过电机电流PID调节计算出电机的最终控制输出，具体计算方法为：

将步骤S4得到的得到电机的转速控制输出作为输入电流给定值，通过ADC采样计算当前的电流值与输入电流给定值作差分，将差分结果作为内环电流PID调节器的输入量，通过计算电流PID值得到电机的最终控制输出。

S6、判断电机的最终控制输出是否在额定范围内，若是则进入步骤S7，否则进入步骤S8。

S7、将最终控制输出发送至移动机器人的电机，进入步骤S9。

S8、释放电机，进入步骤S9。

S9、串口通信模块向上位机发送响应信号，返回步骤S2。

本发明还提供了一种移动机器人电机驱动监测方法，如图4所示，包括以下步骤：

T1、电机驱动控制系统相关硬件初始化。

T2、电流采样模块对移动机器人电机的电流进行ADC采样。

T3、判断电机电流是否在一级阈值范围内，一级阈值为电机正常工作电流阈值，若是说明电机的电流在正常工作范围内，返回步骤T2继续对电机电流进行采样；否则说明电机电流超过了正常工作范围，进入步骤T4进行进一步的判定。

T4、判断电机电流是否在二级阈值范围内，二级阈值为电机临界毁坏电流阈值，若是则说明电机电流超过了正常工作范围，但并未达到临界毁坏电流，此时机器人可能正在上坡或者电机负载过大，进入步骤T5，否则说明电机电流已经超过临界毁坏电流，此时极易导致电机损坏，必须马上进入步骤T7释放电机。

T5、连续向上位机发出危险信号。

T6、判断危险信号的持续时间是否大于阈值，若是则说明电机长时间处于高负载的状态，此时容易导致电机损坏，应当进入步骤T7释放电机；否则返回步骤T2继续对电机电流进行采样。

T7、释放电机。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。