一種用于輪式機器人的電源安全控制系統的制作方法

本發明屬于電源安全控制系統及應用領域，涉及對電源系統的監控及用電模塊的安全控制，具體是一種用于輪式機器人的電源安全控制系統。

背景技術：

目前機器人電源系統使用模塊化的電源來對各個子系統進行供電，中間配合了T型連接線和緊急開關來為同一電壓的不同模塊供電以及控制整個電源系統的開啟和關斷。現有電源系統的拓撲圖參見圖1。

目前普遍使用的機器人電源系統無法做到對各個用電模塊的上下電時序和用電電流的實時檢測，對電源異常(包括過流、短路等)和系統異常也無法實行監控和處理，更不能實現對用電模塊的各個系統狀態進行實時監控，一旦系統出現故障無法迅速響應異常和做出相應的保護處理，并且無法進行直觀有效的定位，后期的故障定位和維修十分的不便。

基于現實應用需求，現有電源系統有如下三個方面需要改進：

1.可生產性：考慮到產品日后的大批量生產產能，需要將各個電源模塊集成在一起作為整個機器人的電源系統，電源系統與其他的用電子系統之間的交互需采用標準接口和標準線纜進行連接，同時應適配機器人的結構和模具以及方便日后的生產和裝配。

2.供電和監控：電源系統是機器人系統的唯一能量來源，核心設計思想主要有兩方面：供電和監控。供電方面：除了需要提供必要的能量輸出之外，由于機器人是一個大型集成自動化系統，集成了若干個子系統，各個子系統之間的啟動是有先后要求的，因此需要控制電源對各個子系統上電和下電的順序，即上電時序。監控方面：機器人的子系統較多，各子系統的電源具有高電壓，大電流的特點。一旦電源出現異常，那么可能會產生毀滅性后果，因此，電源系統必須要實時監控各個子系統的用電情況和系統狀態，一旦某個子系統出現異常，則實時響應異常并對其電源進行處理。

3.視覺交互：一個成熟的產品不僅要考慮高性能和功能穩定，還需要考慮用戶使用的方便性和舒適性。對于機器人而言，人機交互則是一個重要環節。機器人上已經有了一個屏幕顯示操作界面和laucher。對于用戶而言，需要另一塊屏幕讓用戶可直觀的看到機器人的用電情況、剩余電量等，同時，屏幕上需要一個簡單的界面供用戶選擇顯示內容。對于售后工程師而言，當機器人出現故障時，需要直觀的定位故障點和故障類型，因此，屏幕上除了顯示系統狀態之外也應顯示異常代碼。

現在的電源系統使用的是分離式的電源模塊通過系統級聯方式搭建形成的，因此上述的要求還沒有滿足。

技術實現要素：

針對現有技術的不足之處，本發明提出一種用于輪式機器人的電源安全控制系統。該系統的設計核心思想在于將高輸入電壓轉換為各個子系統所需要的電壓輸出，同時與由電流計、傳感器和CAN總線等組成的反饋網絡組成一個閉環的電壓管理和安全監控系統。

本發明解決所述技術問題的技術方案是，設計一種用于輪式機器人的電源安全控制系統，其特征在于，包括電源調控模塊、CPU、LCD顯示屏、溫度傳感器，并且，在供電模塊與電源調控模塊之間的線路上依次安裝有總路應急開關、總路MOS管、總路電流計，在電源調控模塊與用電模塊之間的線路上依次安裝有分路MOS管、分路電流計和分路應急開關；總路MOS管、分路MOS管、總路電流計、分路電流計均與CPU相連，電源調控模塊上有單獨一路常供電電源,給CPU供電；LCD顯示屏通過SPI接口接入到CPU上，溫度傳感器通過I2C總線與CPU連接，CPU通過CAN總線與用電模塊連接；CPU還設置有一I2C總線，與供電模塊相連。

本發明與現有技術相比，其有益效果在于：本發明電源安全控制系統通過電流計實時監測用電模塊的電流與電壓的狀況，并通過MOS管控制分路線路的關閉和導通；另外，本系統設置有溫度傳感器和與用電模塊直接連接的CAN總線與CPU連接，通過監控機器人內部溫度和用電模塊的狀況執行反饋控制策略。本發明設計的電源安全控制系統一方面可以實現電源系統管理，另一方面，通過溫度傳感器、CAN總線和CPU控制實現了閉環監控網絡，當系統出現異常的時候可自動進行保護措施，同時將系統的實時狀態和異常信息直觀的展現在用戶和維修人員面前；預留出較多的GPIO和各種通信接口，為日后功能擴展提供了廣闊的空間。

附圖說明

圖1為現有電源系統的拓撲圖。

圖2為本發明一種用于輪式機器人的電源安全控制系統一種實施例的框架結構及工作原理示意圖。

具體實施方式

以下將結合附圖對本發明做進一步的說明，但不應以此來限制本發明的保護范圍。

為了方便說明并且理解本發明的技術方案，以下說明所使用的方位詞均以附圖所展示的方位為準。

一種用于輪式機器人的電源安全控制系統(簡稱電源安全控制系統，參見圖1-2)，其特征在于，包括電源調控模塊、CPU、LCD顯示屏、溫度傳感器，在供電模塊與電源調控模塊之間的線路上依次安裝有總路應急開關、總路MOS管、總路電流計，在電源調控模塊與用電模塊之間的線路上依次安裝有分路MOS管、分路電流計和分路應急開關；總路MOS管、分路MOS管、總路電流計、分路電流計均與CPU相連，電源調控模塊上有單獨一路常供電電源,給CPU供電；LCD顯示屏通過SPI接口接入到CPU上，溫度傳感器通過I2C總線與CPU連接，CPU通過CAN總線與用電模塊連接；CPU還設置有一I2C總線，與供電模塊相連，用來讀取供電模塊的實時電量。

所述電源調控模塊將供電模塊提供的輸入電壓轉化為用電模塊所需要的輸入電壓值；所述電源調控模塊具有多個電壓輸出端，當用電模塊包含多個子系統時，將供電模塊的輸入電壓轉化為各個子系統及CPU所需要的輸入電壓值，具有400W以上的功率輸出能力。

所述電源調控模塊的多個電壓輸出端與用電模塊的子系統之間的線路上均分別安裝有一個分路MOS管、一個分路電流計，分路應急開關安裝在用電模塊的子系統所需電壓最大的線路上。

所述CPU控制通過控制總路MOS管、分路MOS管的開啟和關斷來進行用電模塊各個子系統的上下電時序控制。電流計將電流信號轉化為模擬電壓信號輸出，CPU將該信號采集并計算出電流值，實現對各個線路的電流進行實時監控。當電流值超過閾值，則認為該路線路異常，CPU會關斷此路線路，實現對系統進行保護。

溫度傳感器對機器人內部的空氣溫度進行實時監控，CPU通過I2C接口讀取實時溫度值，并將溫度顯示在LCD顯示屏上，當溫度超過閾值時關斷所有線路。

所述CPU通過CAN總線協議對用電模塊的各個子系統的實時狀態進行監控，當檢測到某個子系統異常時，則做出相應處理。

每一個子系統的異常場景，會預設一個對應的異常代碼，當CPU監測到某一子系統的異常場景時，會將對應的異常代碼顯示在LCD顯示屏上，便于維修人員直觀地定位故障點和故障類型。

所述CPU通過I2C接口對供電模塊的電量進行實時讀取，當電量低于設定值時，如20％時，則進行低電量預警，并將警示信號顯示在LCD顯示屏。

所述LCD顯示屏為點陣式的LCD顯示屏，接口為SPI接口。CPU將供電模塊的電量、各個線路的實時電流、機器人內部的實時溫度以及異常代碼顯示在LCD顯示屏上。

如圖2所示，本發明控制系統通過CPU作為核心控制元件對各個事件進行集中處理，實現了供電、監控和顯示三大功能。

圖2中，選用的供電模塊的輸出電壓為42V，電源調控模塊的電壓輸出端為四個，分別為兩個24V的電壓輸出端，一個12V的電壓輸出端，以及一個3.3V的電壓輸出端；其中3.3V的電壓輸出端接入到CPU上，其它三個電壓輸出端接入到用電模塊的三個子系統上，在該三個電壓輸出端與用電模塊的三個子系統之間的導線上，分別均依次安裝有一個分路MOS管和一個分路電流計，另有一個分路應急開關安裝在一個24V電壓輸出端的線路上。供電模塊通過電源調控模塊的電壓調控后，可轉化為四路可滿足不同用電需求的供電電源，CPU通過對每一個MOS管的控制和電流計的監測，可實時監控到用電模塊三個子系統的電壓和電流狀況，當某個子系統所在的線路的電流超過閾值，則關斷該線路。所述CPU通過CAN總線協議對用電模塊的各個子系統的實時狀態進行監控，當檢測到某個子系統異常時，則做出相應處理。每一個子系統的異常場景，會預設一個對應的異常代碼，當CPU監測到某一子系統的異常場景時，會將對應的異常代碼顯示在LCD顯示屏上。所述CPU通過I2C接口對供電模塊的電量進行實時讀取，當電量低于20％時，則進行低電量預警，并將警示信號顯示在LCD顯示屏。溫度傳感器對機器人內部的空氣溫度進行實時監控，CPU通過I2C接口讀取實時溫度值，并將溫度顯示在LCD顯示屏上，當溫度超過閾值時關斷所有線路。

本發明設計的電源安全控制系統，是一個高度集成的電路系統，各路電源均用標準接口引出并且做了防呆設計，最大限度的節省了生產和裝配的時間。本發明電源安全控制系統通過電流計實時監測用電模塊的電流與電壓的狀況，并通過MOS管控制分路線路的關閉和導通；另外，本系統設置有溫度傳感器和與用電模塊直接連接的CAN總線與CPU連接，通過監控機器人內部溫度和用電模塊的狀況執行反饋控制策略。本發明設計的電源安全控制系統一方面可以實現電源系統管理，另一方面，通過溫度傳感器、CAN總線和CPU控制實現了閉環監控網絡，當系統出現異常的時候可自動進行保護措施。另外，該控制系統可拓展性較強，通過預留出較多的GPIO和各種通信接口，為日后功能擴展提供了廣闊的空間。

根據上述說明書的揭示和教導，本發明所屬領域的技術人員還可以對上述實施方式進行變更和修改。因此，本發明并不局限于上面揭示和描述的具體實施方式，對本發明的一些修改和變更也應當落入本發明的權利要求的保護范圍內。此外，盡管本說明書中使用了一些特定的術語，但這些術語只是為了方便說明，并不對本發明構成任何限制。

本發明未述及之處適用于現有技術。