一种移动机器人电源管理系统及方法与流程

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源管理系统及方法的设计。

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。

现有的移动机器人中，缺少一个系统的电源管理板。在充电模式时，移动机器人的电源直接与充电站连接充电，很可能由于过流、过压、温度过高或者充电超时等原因对电源造成损坏；在放电模式时，移动机器人的电源直接与其余部件连接供电，在供电过程中没有相应的管理保护措施，可能由于过流或者温度过高等原因对机器人的其余部件造成损坏。

此外，现有的移动机器人一般采用单一电源为整个机器人的动力机构以及控制系统供电，当电源出现故障或者电量不足时，不仅会导致机器人的动力机构停止工作，机器人停止运动，还会导致机器人的控制系统停止工作，进而导致整个机器人彻底瘫痪，无法响应用户发出的各种指令，对移动机器人的控制和管理造成了极大的不便。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有的移动机器人缺少电源管理系统的问题，提出了一种移动机器人电源管理系统及方法。

本发明的技术方案为：一种移动机器人电源管理系统，包括主控模块、充电控制模块、放电控制模块、温度检测模块、RS422总线通信模块、无线通信模块以及微动开关模块；主控模块分别与充电控制模块、放电控制模块、温度检测模块、RS422总线通信模块、无线通信模块、微动开关模块通信连接，充电控制模块还分别与充电站、移动机器人的主电池和备用电池电连接，放电控制模块还分别与移动机器人的主电池、备用电池、控制系统、动力机构电连接。

优选地，充电控制模块包括两个BUCK电路，用于采集移动机器人主电池和备用电池的电压及电流信息，并控制充电电流。

优选地，放电控制模块用于检测放电电流，并控制移动机器人主电池和备用电池的输出开关。

优选地，温度检测模块采用TMP432芯片，用于检测两个BUCK电路中的电感温度以及移动机器人主电池和备用电池温度。

优选地，RS422总线通信模块通过RS422总线与上位机通信连接，用于向上位机发送当前电源管理系统的状态，并接受上位机向电源管理系统发送的指令。

优选地，无线通信模块用于与其他机器人或充电站进行通信。

优选地，微动开关模块包括三个微动开关，用于检测电源管理系统与充电站的对接情况。

本发明还公开了一种移动机器人电源管理方法，包括充电模式管理方法和放电模式管理方法；

充电模式管理方法包括以下步骤：

S1、充电控制模块检测移动机器人主电池和备用电池的电量，判断其是否低于低电量阈值，若是则进入步骤S2，否则移动机器人正常工作；

S2、移动机器人到达充电站附近，电源管理系统与充电站对接，报告上位机并开始充电；

S3、充电控制模块判断是否达到充电并行保护指标，若是则停止充电并进行相应处理，否则进入步骤S4；

S4、充电控制模块判断移动机器人主电池和备用电池的电量是否达到满电量阈值，若是则进入步骤S5，否则继续充电，返回步骤S3；

S5、结束充电，并报告上位机充电结束，移动机器人驶离充电站；

放电模式管理方法包括以下步骤：

T1、电源管理系统接收到上位机发出的放电指令，开始放电；

T2、放电控制模块判断是否达到放电并行保护指标，若是则停止放电并进行相应处理，否则进入步骤T3；

T3、放电控制模块判断主电池电量是否低于低电量阈值，若是则进入步骤T5，否则进入步骤T4；

T4、放电控制模块开启主电池输出开关，关闭备用电池输出开关，由主电池为移动机器人的控制系统和动力机构供电；

T5、放电控制模块开启备用电池输出开关，关闭主电池输出开关，由备用电池为移动机器人的控制系统供电。

进一步地，步骤S3中的充电并行保护指标包括：

(1)过流保护指标：检测移动机器人主电池和备用电池的电流是否超过充电电流阈值，若超过则停止充电并进行过流处理；

(2)过压保护指标：检测移动机器人主电池和备用电池的电压是否超过充电电压阈值，若超过则停止充电并进行过压处理；

(3)超时保护指标：检测移动机器人主电池和备用电池的充电时间是否超过时间阈值，若超过则停止充电并进行充电时间超限处理；

(4)温度保护指标：检测移动机器人主电池和备用电池的温度是否超过温度阈值，若超过则停止充电并进行温度超限处理。

进一步地，步骤T2中的放电并行保护指标包括：

(1)过流保护指标：检测移动机器人主电池和备用电池的电流是否超过放电电流阈值，若超过则停止放电并进行过流处理；

(2)温度保护指标：检测移动机器人主电池和备用电池的温度是否超过温度阈值，若超过则停止放电并进行温度超限处理。

本发明的有益效果是：

(1)本发明在充电站与移动机器人的电源之间设置了充电控制模块，加上温度检测模块的辅助，能够在移动机器人的电源充电过程中形成过流、过压、超时以及温度四个并行的保护模式，从而有效地保护了移动机器人的电源。

(2)本发明在移动机器人的电源与控制系统以及动力机构之间设置了放电控制模块，加上温度检测模块的辅助，能够在移动机器人的电源放电过程中形成过流和温度两个并行的保护模式，从而有效地保护了移动机器人的电源、控制系统以及动力机构。

(3)本发明由放电控制模块控制移动机器人主电池和备用电池的输出开关，当主电池出现故障或电量过低时能够及时跳转至备用电池为移动机器人的控制系统供电，保证对控制系统的供电不间断，从而使移动机器人能够始终对用户的指令作出及时的响应。

附图说明

图1为本发明提供的一种移动机器人电源管理系统结构框图。

图2为本发明提供的一种移动机器人电源管理方法的充电模式管理方法流程图。

图3为本发明提供的一种移动机器人电源管理方法的放电模式管理方法流程图。

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源管理系统，如图1所示，包括主控模块、充电控制模块、放电控制模块、温度检测模块、RS422总线通信模块、无线通信模块以及微动开关模块；主控模块分别与充电控制模块、放电控制模块、温度检测模块、RS422总线通信模块、无线通信模块、微动开关模块通信连接，充电控制模块还分别与充电站、移动机器人的主电池和备用电池电连接，放电控制模块还分别与移动机器人的主电池、备用电池、控制系统、动力机构电连接。

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。

充电控制模块包括两个BUCK电路，其中一个BUCK电路与移动机器人的主电池对应连接，另一个BUCK电路与移动机器人的备用电池对应电连接，从而形成BUCK主拓扑结构。BUCK电路的具体结构为本领域的公知常识，在此不再赘述。充电控制模块用于采集移动机器人主电池和备用电池的电压及电流信息，并控制充电电流。

放电控制模块用于检测放电电流，并控制移动机器人主电池和备用电池的输出开关，即当主电池状态正常时开启主电池输出开关，关闭备用电池输出开关，由主电池为移动机器人的控制系统和动力机构供电；当主电池出现故障或电量过低时开启备用电池输出开关，关闭主电池输出开关，由备用电池为移动机器人的控制系统供电，这样能够保证对控制系统的供电不间断。

温度检测模块由TMP432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。温度检测模块用于检测充电控制模块中两个BUCK电路中的电感温度以及移动机器人主电池和备用电池温度。

RS422总线通信模块通过RS422高速总线与上位机通信连接，用于向上位机发送当前电源管理系统的状态，并接受上位机向电源管理系统发送的指令。

无线通信模块为低速通信模块，用于与其他机器人或充电站进行通信。

微动开关模块包括三个微动开关，用于检测电源管理系统与充电站的对接情况，例如电源管理系统与充电站是否接通，移动机器人与充电站在位置上是否对齐等。

本发明还提供了一种移动机器人电源管理方法，包括充电模式管理方法和放电模式管理方法。

如图2所示，充电模式管理方法包括以下步骤：

S1、充电控制模块检测移动机器人主电池和备用电池的电量，判断其是否低于低电量阈值，若是则进入步骤S2，否则移动机器人正常工作。

S2、移动机器人到达充电站附近，电源管理系统与充电站对接，报告上位机并开始充电。

S3、充电控制模块判断是否达到充电并行保护指标，若是则停止充电并进行相应处理，否则进入步骤S4。

其中充电并行保护指标包括：

(1)过流保护指标：检测移动机器人主电池和备用电池的电流是否超过充电电流阈值，若超过则停止充电并进行过流处理；

(2)过压保护指标：检测移动机器人主电池和备用电池的电压是否超过充电电压阈值，若超过则停止充电并进行过压处理；

(3)超时保护指标：检测移动机器人主电池和备用电池的充电时间是否超过时间阈值，若超过则停止充电并进行充电时间超限处理；

(4)温度保护指标：检测移动机器人主电池和备用电池的温度是否超过温度阈值，若超过则停止充电并进行温度超限处理。

由于四个充电保护指标为并行指标，因此当任意一个指标达到后都会立刻停止充电并进行相应处理。

S4、充电控制模块判断移动机器人主电池和备用电池的电量是否达到满电量阈值，若是则进入步骤S5，否则继续充电，返回步骤S3。

S5、结束充电，并报告上位机充电结束，移动机器人驶离充电站；

如图3所示，放电模式管理方法包括以下步骤：

T1、电源管理系统接收到上位机发出的放电指令，开始放电。

T2、放电控制模块判断是否达到放电并行保护指标，若是则停止放电并进行相应处理，否则进入步骤T3。

其中放电并行保护指标包括：

(1)过流保护指标：检测移动机器人主电池和备用电池的电流是否超过放电电流阈值，若超过则停止放电并进行过流处理；

(2)温度保护指标：检测移动机器人主电池和备用电池的温度是否超过温度阈值，若超过则停止放电并进行温度超限处理。

由于两个放电保护指标为并行指标，因此当任意一个指标达到后都会立刻停止放电并进行相应处理。

T3、放电控制模块判断主电池电量是否低于低电量阈值，若是则进入步骤T5，否则进入步骤T4。

T4、放电控制模块开启主电池输出开关，关闭备用电池输出开关，由主电池为移动机器人的控制系统和动力机构供电。

T5、放电控制模块开启备用电池输出开关，关闭主电池输出开关，由备用电池为移动机器人的控制系统供电。

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。