CN108681279A - 一种携带冗余度机械臂的飞行机器人电源驱动器的设计方法 - Google Patents

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张智军
陈沛帆
翁卓荣
林亮洪
郑陆楠
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Abstract

本发明公开了一种携带冗余度机械臂的飞行机器人电源驱动器的设计方法，步骤包括：(1)根据设计需要，设计电源驱动器的输入输出指标；(2)根据输入输出指标，对电源芯片进行选型并设计电源驱动器及***电路；(3)根据电源芯片选型及***电路的设计，将电源驱动器的硬件模块组合成***，设计硬件***的原理图；(4)根据硬件***原理图，设计制作飞行机器人电源驱动器的硬件***的电路板；(5)根据电路板，安装上携带冗余度机械臂的飞行机器人，实现飞行机器人主控***与机械臂的可靠供电与电源异常状态报警功能。本发明能够满足携带冗余度机械臂的飞行机器人电源驱动器设计的相关技术要求，具有很强的适应性和通用性。

Description

一种携带冗余度机械臂的飞行机器人电源驱动器的设计方法
技术领域
本发明涉及飞行机器人硬件***设计领域，尤其涉及一种携带冗余度机械臂的飞行机器人电源驱动器的设计方法。
背景技术
携带冗余度机械臂的飞行机器人***是一种将飞行机器人与冗余度机械臂结合的复杂***工程。冗余度机械臂是一种自由度大于任务空间所需最少自由度的末端能动机械装置，其运动任务包括焊接、油漆、组装、挖掘和绘图等，广泛应用于装备制造、产品加工、机器作业等国民经济生产活动中。飞行机器人的电源来源于航模装载的锂电池，对于功率、安全、可靠性有一定的要求，特别是在进行携带负载的运动时。不当的设计可能会导致硬件电路的失效，对飞行安全构成威胁。目前大部分技术是将电源驱动器与电源报警器作为一个独立的部分进行设计，二次开发难度大。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种携带冗余度机械臂的飞行机器人电源驱动器的设计方法。本发明实现了飞行机器人电源驱动器与携带冗余度机械臂的飞行机器人的硬件***进行信息融合。为解决飞行机器人携带冗余度机械臂平台构建等问题提供了硬件基础。
本发明的目的能够通过以下技术方案实现：
一种携带冗余度机械臂的飞行机器人电源驱动器的设计方法，具体步骤包括：
(1)根据携带冗余度机械臂的飞行机器人的设计需要，设计电源驱动器的输入输出指标；
(2)根据步骤(1)设计的输入输出指标，对电源芯片进行选型并设计电源驱动器及***电路；
(3)根据步骤(2)的电源芯片选型及***电路的设计，将携带冗余度机械臂的飞行机器人电源驱动器的硬件模块组合成***，设计硬件***的原理图；
(4)根据步骤(3)设计的硬件***原理图，设计制作飞行机器人电源驱动器的硬件***的电路板；
(5)根据步骤(4)设计的电路板，安装上携带冗余度机械臂的飞行机器人，对包含微处理器的电路模块烧录电源控制***程序，利用通讯接口与飞行机器人主控芯片连接，结合多模块协同控制，实现飞行机器人主控***与冗余度机械臂的可靠供电和电源异常状态报警功能。
具体地，所述步骤(1)中的设计需要包括航模锂离子电池、主控制电路与传感器等；所述输入输出指标包括输入电压、报警电压、输出电压、输出电流等。
具体地，所述携带冗余度机械臂的飞行机器人电源驱动器包括飞行机器人主控供电***、冗余度机械臂供电***、低电压报警***。
进一步地，所述飞行机器人主控供电***包括5V稳压模块和3.3V稳压模块，用于为飞行机器人的主控微机及其他外设提供电源。
进一步地，所述冗余度机械臂供电***包括多路4V～10V可调稳压模块，用于为冗余度机械臂提供4V～10V的可调稳压电源输出。
进一步地，所述低电压报警***包括ADC模块、蜂鸣器驱动模块、通讯接口模块以及显示与输入模块。
更进一步地，ADC模块用于测量锂电池的电压。
更进一步地，蜂鸣器驱动模块用于在锂电池电压低于报警电压时发出一定频率的报警声。
更进一步地，通讯接口模块使用同步时钟串行总线，用于向飞行机器人主控芯片发送锂电池状态。
更进一步地，显示与输入模块包括3位数码管和多功能按钮；所述3位数码管用于显示当前电池电压；所述多功能按钮用于设定报警点电压、接触报警状态、重设电池使用时间等。
更进一步地，所述低电压报警***以一片8051内核的微处理器***为核心。
更进一步地，所述电源驱动器按照飞行机器人主控供电***、冗余度机械臂供电***以及低电压报警***的顺序来进行设计。
优选地，所述飞行机器人主控供电***采用LM2596-3.3及其***电路将3S～6S锂电池电压稳压到3.3V；采用LM2596-5及其***电路将上述锂电池电压稳压到5V。
优选地，所述冗余度机械臂供电***采用多路LM2596-ADJ及其***电路将3S～6S锂电池电压稳压到4V～10V，输出电压由电路板上的电位器调节，能够适配由不同型号舵机构成的冗余度机械臂。
优选地，所述低电压报警***，采用电压放大器电路将各路电源电压信号转换为0-5V的信号；同时采用了一片STC15系列的8051内核增强型单片机，利用片内的多通道ADC，采集转换后的锂电池、舵机电源、主控电源的信号电压，为低电压报警***提供输入信号；
所述低电压报警***，采用大功率蜂鸣器驱动电路，可驱动最大6W的蜂鸣器，在锂电池电压低于设定报警值或者主控电源电压以及冗余度机械臂电源电压异常时，能够鸣响蜂鸣器进行报警。
优选地，所述显示与输入模块中的显示模块由三位七段带小数点的数码管及其***驱动电路构成，用于显示对应节点的电压值；输入模块由独立按键构成用于设定报警电压、蜂鸣器报警消音；电压报警与主控的接口是开漏输出的，便于低电压报警***的报警输出与3.3V～5V的主控供电***进行适配。
具体地，根据电路原理图完成硬件PCB电路图设计，焊接制作模块电路，并将模块电路安装在携带冗余度机械臂的飞行机器人上，通过导线将飞行器主控芯片、冗余度机械臂控制器连接构成飞行机器人硬件***，通过编写微处理器控制程序完成低电压报警***的控制***开发。
本发明相较于现有技术，具有以下的有益效果：
将硬件***进行模块化设计，降低了设计难度与复杂度。***化的设计增强了各模块功能的充分发挥。电源报警器具有较高的二次开发能力，实现了飞行机器人电源驱动器与携带冗余度机械臂的飞行机器人的硬件***进行信息融合。有效地保障了携带冗余度机械臂的飞行机器人的飞行安全。
附图说明
图1为本发明的设计流程图；
图2为本实施例中携带冗余度机械臂的飞行机器人电源驱动器的结构图；
图3为本实施例中携带冗余度机械臂的飞行机器人电源驱动器的功能图；
图4为本实施例中携带冗余度机械臂的飞行机器人电源驱动器的主控供电***的电路原理图；
图5为本实施例中携带冗余度机械臂的飞行机器人电源驱动器的低电压报警***的电路原理图；
图6为本实施例中携带冗余度机械臂的飞行机器人电源驱动器的冗余度机械臂供电***的电路原理图；
图7为本实施例中电源驱动器和携带冗余度机械臂的飞行机器人硬件***协同设计的PCB电路图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所述为一种携带冗余度机械臂的飞行机器人电源驱动器的设计方法的流程图。具体步骤包括：
(1)根据携带冗余度机械臂的飞行机器人的设计需要，设计电源驱动器的输入输出指标；
(2)根据步骤(1)设计的输入输出指标，对电源芯片进行选型并设计电源驱动器及***电路；
(3)根据步骤(2)的电源芯片选型及***电路的设计，将携带冗余度机械臂的飞行机器人电源驱动器的硬件模块组合成***，设计硬件***的原理图；
(4)根据步骤(3)设计的硬件***原理图，设计制作飞行机器人电源驱动器的硬件***的电路板；
(5)根据步骤(4)设计的电路板，安装上携带冗余度机械臂的飞行机器人，对包含微处理器的电路模块烧录电源控制***程序，利用通讯接口与飞行机器人主控芯片连接，结合多模块协同控制，实现飞行机器人主控***与冗余度机械臂的可靠供电与电源异常状态报警功能。
如图2所示为本实施例中携带冗余度机械臂的飞行机器人电源驱动器的结构图。
在本实施例中，所述电源驱动器包括主控供电***、低电压报警***以及冗余度机械臂供电***。
所述飞行机器人主控供电***包括5V稳压模块以及3.3V稳压模块。
所述低电压报警***包括ADC模块、蜂鸣器驱动模块、主控通讯接口模块以及显示与输入模块。
所述冗余度机械臂供电***包括多路4V～10V可调稳压模块。
如图3所示为本实施例中携带冗余度机械臂的飞行机器人电源驱动器的功能图。
所述主控供电***主要为飞行机器人的主控电路提供5V和3.3V稳压电源。
在本实施例中，结合主控供电***的组成与功能，采用以LM2596-5为例的开关电源芯片及其***电路，将航模11.5V～16V电池电压稳压到5V；采用以LM1117-3.3LDO为例的稳压芯片及其***电路，将上述5V稳压输出的电压稳压至3.3V。所述主控供电***的原理图如图4所示。
所述低电压报警***主要用于采集电池电压信号，控制蜂鸣器发生，与飞行器、机械臂控制器通信，发送电源状态，设置报警电压、电池型号等参数。
在本实施例中，根据低电压报警***的功能与结构，采用R22与R23构成分压电路，C39用于退耦。根据欧姆定律，将航模锂电池11.5V～16V电压分压到0～5V范围内。Q1及其***电路构成蜂鸣器驱动，用于低电压报警***控制器控制蜂鸣器报警，采用以SS8050为例的三极管最大可以驱动6W蜂鸣器。3位数码管与按键S3构成电压报警***的人机接口，分别用于显示当前电源模块状态、电池电压等信息和更改锂电池参数的功能。低电压报警***的控制器是一块STC15系列的增强型51单片机。控制器主要用于处理电源状态信息，采集电池电压，控制数码管的显示和按键的输入，控制蜂鸣器报警，向飞行机器人主控芯片发送电源信息等。低电压报警***控制器通过UART串口与飞行机器人主控***交换信息。所述低电压报警***的原理图如图5所示。
所述冗余度机械臂供电***主要为冗余度机械臂提供可靠驱动电源。
在本实施例中，冗余度机械臂供电主要由一组LM2596-ADJ实现。LM2596-ADJ开关电源稳压电路输出电压可由电位器R32、R33进行调整，范围为3V～5V，能够满足冗余度机械臂上安装的舵机的驱动电源需求。所述冗余度机械臂供电***的原理图如图6所示。
如图7所示为电源驱动器和携带冗余度机械臂的飞行机器人硬件***协同设计的PCB电路图。该电路板的设计过程严格按照本发明所述方法进行设计，具有良好的可靠性与实用性，能够充分实现设计目标。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种携带冗余度机械臂的飞行机器人电源驱动器的设计方法，其特征在于，具体步骤包括：
(1)根据携带冗余度机械臂的飞行机器人的设计需要，设计电源驱动器的输入输出指标；
(2)根据步骤(1)设计的输入输出指标，对电源芯片进行选型并设计电源驱动器及***电路；
(3)根据步骤(2)的电源芯片选型及***电路的设计，将携带冗余度机械臂的飞行机器人电源驱动器的硬件模块组合成***，设计硬件***的原理图；
(4)根据步骤(3)设计的硬件***原理图，设计制作飞行机器人电源驱动器的硬件***的电路板；
(5)根据步骤(4)设计的电路板，安装上携带冗余度机械臂的飞行机器人，对包含微处理器的电路模块烧录电源控制***程序，利用通讯接口与飞行机器人主控芯片连接，结合多模块协同控制，实现飞行机器人主控***与冗余度机械臂的可靠供电与电源异常状态报警功能。
2.根据权利要求1所述的一种携带冗余度机械臂的飞行机器人电源驱动器的设计方法，其特征在于，所述步骤(1)中的设计需要包括航模锂离子电池、主控制电路与传感器；所述输入输出指标包括输入电压、报警电压、输出电压、输出电流。
3.根据权利要求1所述的一种携带冗余度机械臂的飞行机器人电源驱动器的设计方法，其特征在于，所述携带冗余度机械臂的飞行机器人电源驱动器包括飞行机器人主控供电***、冗余度机械臂供电***、低电压报警***。
4.根据权利要求3所述的一种携带冗余度机械臂的飞行机器人电源驱动器的设计方法，其特征在于，所述低电压报警***以一片8051内核的微处理器***为核心。
5.根据权利要求3所述的一种携带冗余度机械臂的飞行机器人电源驱动器的设计方法，其特征在于，所述飞行机器人主控供电***包括5V稳压模块和3.3V稳压模块，用于为飞行机器人主控微机及其他外设提供电源。
6.根据权利要求3所述的一种携带冗余度机械臂的飞行机器人电源驱动器的设计方法，其特征在于，所述冗余度机械臂供电***包括多路4V～10V可调稳压模块，用于为冗余度机械臂提供4V～10V的可调稳压电源输出。
7.根据权利要求3所述的一种携带冗余度机械臂的飞行机器人电源驱动器的设计方法，其特征在于，所述低电压报警***包括ADC模块、蜂鸣器驱动模块、主控通讯接口模块以及显示与输入模块，用于向飞行机器人主控芯片发送锂电池状态，且在锂电池电压低于报警电压时发出一定频率的报警声。
8.根据权利要求7所述的一种携带冗余度机械臂的飞行机器人电源驱动器的设计方法，其特征在于，所述ADC模块用于测量锂电池的电压；
所述蜂鸣器驱动模块用于在锂电池电压低于报警电压时发出一定频率的报警声；
所述通讯接口模块使用同步时钟串行总线，用于向飞行机器人主控芯片发送锂电池状态；
所述显示与输入模块包括3位数码管和多功能按钮；所述3位数码管用于显示当前电池电压；所述多功能按钮用于设定报警点电压、接触报警状态、重设电池使用时间。
9.根据权利要求1所述的一种携带冗余度机械臂的飞行机器人电源驱动器的设计方法，其特征在于，所述电源驱动器按照飞行机器人主控供电***、冗余度机械臂供电***以及低电压报警***的顺序来进行设计。
10.根据权利要求1所述的一种携带冗余度机械臂的飞行机器人电源驱动器的设计方法，其特征在于，根据电路原理图完成硬件PCB电路图设计，焊接制作模块电路，并将模块电路安装在携带冗余度机械臂的飞行机器人上，通过导线将飞行器主控芯片、冗余度机械臂控制器连接构成飞行机器人硬件***，通过编写微处理器控制程序完成低电压报警***的控制***开发。
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