四轮式室内移动机器人发明专利说明书

说明书四轮式室内移动机器人技术领域本发明的技术方案涉及机器人，具体地说是四轮式室内移动机器人。

背景技术移动机器人技术是机器人技术中的一个重要分支，它的研究始于二十世纪六十年代，其主要目标是研究应用人工智能技术，在复杂环境下系统地自主推理、规划和控制。

自主式移动机器人是具有高度的自规划、自组织和自适应能力，适合于在复杂的环境中工作的一种智能机器人，具有模型不确定性、系统的高度非线性和控制的复杂性。

地面移动机器人在环境中无约束的运动需要一个具有优异性能的移动平台，机器人的运动机构则是机器人移动平台的一个重要组成部分，它直接影响到机器人运动的稳定性、灵活性和可操作性。

因此，合理选择和设计机器人的运动机构是移动机器人设计的一个重要方面。

一般来讲，地面移动机器人的运动机构主要有3种：轮式移动机构、履带式移动机构和腿足式移动机构。

轮式移动机构通常应用于室内移动机器人，该运动机构采用车辆人造工艺技术，结构相对简单，非常适合于相对平坦的地面。

轮式移动机器人是移动机器人中应用最多的一种，在相对平坦的地面上，车轮式移动方式具有相当的优势。

与其他形式的移动机器人相比，轮式移动机器人具有机械结构简单、运动灵活度大、操作性能好和能量利用率高的优点，因此轮式移动机器人的应用领域最为广泛。

轮式移动机器人是最重要、最常见的一类移动机器人。

发明内容本发明所要解决的技术问题是：提供四轮式室内移动机器人，安装有两个独立的采用带有霍尔效应传感器的轮毂式直流无刷电机作为驱动电机的驱动轮，驱动轮与驱动电机构成一体，其控制器采用工作于双极模式下的全桥PWMDC/DC变换器来驱动直流无刷电机，克服了现有技术中直流有刷电机换向速度慢、噪声较大和电机长期处于磨损状态会导致容易损坏的缺点。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：四轮式室内移动机器人，包括底盘、两个驱动轮、两个万向轮、控制器和锂电池；其中，两个驱动轮分别安置在底盘左右两侧的缺口处，两个万向轮分别安置在底盘前后，四个轮子的安装中心在水平平面上位于同一圆周，控制器和锂电池置于底盘面上；所述的两个驱动轮均是独立的采用带有霍尔效应传感器的轮毂式直流无刷电机作为驱动电机的驱动轮；控制器是采用工作于双极模式下的全桥PWMDC/DC变换器来驱动直流无刷电机的控制器，该控制器包括硬件部分和软件部分，其中硬件部分由信号采集/处理电路和驱动电路两部分构成，软件部分包括信号采集/处理程序、驱动控制程序、过流保护程序、CAN通信程序和差速控制程序。

上述四轮式室内移动机器人，所述两个驱动轮均是8寸的轮毂式驱动轮。

上述四轮式室内移动机器人，所述两个万向轮是3寸的聚氨酯万向轮。

上述四轮式室内移动机器人，所述锂电池是24V的锂电池。

上述四轮式室内移动机器人，所述控制器的硬件部分中的信号采集/处理电路由霍尔位置信号采集/处理电路和霍尔电流信号采集/处理电路两部分构成；其中，霍尔位置信号采集/处理电路包括三个10K的电阻R22、R72和R73，三个2K的电阻R9、R10和R11，及三个0.01uf的电容C5、C6和C7，电阻R22的一端接+5V，电阻R22的另一端接电阻R9，并接出信号线HALL1a，电阻R9的另一端接电容C5，并接出信号先HALL1ain，电容C5的另一端接地，电阻R72的一端接+5V，电阻R72的另一端接电阻R10，并接出信号线HALL1b，电阻R10的另一端接电容C6，并接出信号先HALL1bin，电容C6的另一端接地，电阻R73的一端接+5V，电阻R73的另一端接电阻R11，并接出信号线HALL1c，电阻R11的另一端接电容C7，并接出信号先HALL1cin，电容C7的另一端接地，其中，HALLain、HALLbin、HALLcin为电机的霍尔位置信号线，HALLa、HALLb、HALLc接DSP的捕捉引脚；霍尔电流信号采集/处理电路包括四个ACS712电流传感器U11、U12、U13和U14，四个100pf的电容C49、C50、C51和C52，四个5.1K的电阻R32、R62、R65和R67，四个1nf的电容C53、C54、C55和C56，及四个10K的电阻R68、R69、R70和R71，U11的1和U11的2引脚短接接IRA+，U11的3和U11的4引脚短接接IRA-，U11的5引脚接地，U11的6引脚接电容C53，电容C53的另一端接地，U11的7引脚接电阻R32，电阻R32的另一端接电阻R68，并接出IRAout，电阻R68的另一端接地，U11的8引脚接电容C49并接+5V，电容C49的另一端接地，U12的1和U12的2引脚短接接IRB+，U12的3和U12的4引脚短接接IRB-，U12的5引脚接地，U12的6引脚接电容C54，电容C54的另一端接地，U12的7引脚接电阻R62，电阻R62的另一端接电阻R69，并接出IRBout，电阻R69的另一端接地，U12的8引脚接电容C50并接+5V，电容C50的另一端接地，U13的1和U13的2引脚短接接ILA+，U13的3和U13的4引脚短接接ILA-，U13的5引脚接地，U13的6引脚接电容C55，电容C55的另一端接地，U13的7引脚接电阻R65，电阻R65的另一端接电阻R70，并接出ILAout，电阻R70的另一端接地，U13的8引脚接电容C51并接+5V，电容C51的另一端接地，U14的1和U14的2引脚短接接ILB+，U14的3和U14的4引脚短接接ILB-，U14的5引脚接地，U14的6引脚接电容C56，电容C56的另一端接地，U14的7引脚接电阻R67，电阻R67的另一端接电阻R71，并接出ILBout，电阻R71的另一端接地，U14的8引脚接电容C52并接+5V，电容C52的另一端接地。

上述四轮式室内移动机器人，所述控制器的硬件部分中的驱动电路为直流无刷电机的驱动电路，由MOSFET构成的三相全桥逆变电路组成，包括一片驱动芯片IR2136，一个0.1uf 的电容C22，二个10K电阻R26、R27，一个5.1电阻R35，三个FR107的二极管D2、D3、D4，三个1uf的电解电容C28、C29、C30，二个100uf的电解电容C34、C35，六个MOSFET 管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6，六个200电阻R37、R38、R39、R40、R42、R45，六个200K 电阻R50、R51、R52、R53、R55、R57，一个三针的端口CON1，驱动芯片IR2136的1引脚接+12V，驱动芯片IR2136的9引脚接地，驱动芯片IR2136的10引脚接电阻R27，电阻R27的另一端接电容C22并同时接+12V，驱动芯片IR2136的11引脚接电阻R26，电阻R26的另一端接电容C22并同时接+12V，电容C22的另一端接地，驱动芯片IR2136的12和驱动芯片IR2136的13引脚短接接地，驱动芯片IR2136的14引脚接电阻R45，电阻R45的另一端接MOSFET管Q6的G极，并接电阻R57，电阻R57的另一端接MOSFET管Q6的S极，并接地，驱动芯片IR2136的15引脚接电阻R42，电阻R42的另一端接MOSFET管Q5的G 极，并接电阻R55，电阻R55的另一端接MOSFET管Q5的S极，并接地，驱动芯片IR2136的16引脚接电阻R40，电阻R40的另一端接MOSFET管Q4的G极，并接电阻R53，电阻R53的另一端接MOSFET管Q4的S极，并接地，驱动芯片IR2136的18引脚接电解电容C30的-极，并与MOSFET管Q6的D极相接，接端口CON1的3号位置，电解电容C30的+极接二极管D4，二极管D4的另一端接电阻R35，驱动芯片IR2136的19引脚接电阻R39，电阻R39的另一端接MOSFET管Q3的G极，并接电阻R52，电阻R52的另一端接MOSFET管Q5的S极，并接端口CON1的3号位置，驱动芯片IR2136的22引脚接电解电容C29的-极，并与MOSFET管Q5的D极接，接出IRB+，IRB-接端口CON1的2号位置，电解电容C29的+极接二极管D3，二极管D3的另一端接电阻R35，23引脚接电阻R38，电阻R38的另一端接MOSFET管Q2的G极，并接电阻R51，电阻R51的另一端接MOSFET管Q2的S极，并接IRB+，26引脚接电解电容C28的-极，并与MOSFET管Q4的D极接，接出IRA+，IRA-接端口CON1的１号位置，电解电容C28的+极接二极管D2，二极管D2的另一端接电阻R35，27引脚接电阻R37，电阻R37的另一端接MOSFET管Q1的G极，并接电阻R50，电阻R50的另一端接MOSFET管Q1的S极，并接IRA+，28引脚接电解电容C28+极，电阻R35的另一端接+12V，MOSFET管Q1、Q2、Q3的D极接B+，并接电解电容C34的+极，电解电容C34的-极接电解电容C35的+极，电解电容C35的-极接地。

上述四轮式室内移动机器人，所述控制器的软件部分的信号采集/处理程序的流程是：定时器下溢触发A/D转换→A/D中断标志位Adflag=1→进行电流值A/D转换操作→将A/D 转换结果存入变量中→电流PI调节器→过流保护→霍尔位置信号检测→换相程序→慢周期计数器time_cnt+1→Time_cnt>200?—否→速度更新标志=1？；—是→慢周期标志位flag_san=1→速度更新标志=1？—否→结束；—是→进度更新程序→结束。

上述四轮式室内移动机器人，所述控制器的软件部分的驱动控制程序的流程是：开始→设置看门狗，锁相环，频率与预频器，模块时钟使能→关中断初始化程序变量→初始化PIE控制器和PIE矢量表→初始化GPIO模块→初始化AD模块→初始化EV模块→设置中断逻辑→电机预定位启动→开中断→循环等待。

上述四轮式室内移动机器人，所述控制器的软件部分的过流保护程序的流程是：开始→I_down=实际电流-最大电流→I_down是否大于0？—是→过流标志Flag_oc=1，存储占空比duty0=duty→duty0>I_down?—是→减小PWM占空比，duty=duty0-I_down；—否→flag_oc=1?—否→过流处理次数cnt_oc=0→tmp0=duty0-duty→tmp0=0?；—是→duty=duty+tmp0→结束；—否→tmp0>1?；—是→tmp0=1；—否→tmp0<-1→tmp0=-1→duty=duty+tmp0→结束；—是→cnt_oc++→cnt_oc>2?—否→cnt_oc=0，duty=duty0+1→输出占空比duty；—否→调节后的duty是否大于调节前的duty?—否→不对duty进行处理；—是→flag_oc=0，调节后的duty=调节前的duty。