一种教育用机器人控制系统技术方案

本发明专利技术涉及一种教育用机器人控制系统，它包括控制器、执行器和／或传感器，控制器与执行器和／或传感器之间通过线路连接；控制器与执行器和／或传感器之间通过三线制总线连接，三线制总线由两根电源线和一根信号线组成；执行器和／或传感器通过信号转换电路与总线连接。本发明专利技术控制系统的控制器与执行器、传感器之间通过三线制总线连接，线路简单，体积小，可方便地采用接口的形式使执行器、传感器与总线连接，使控制系统具有强大的扩展功能。

【技术实现步骤摘要】
一种教育用机器人控制系统
本专利技术涉及教育用机器人，特别是教育用机器人的控制系统。
技术介绍
教育用机器人是面向应用教学、娱乐用途的一类机器人产品。通过该类产品，可以使使用者(学生)了解到机器人等智能产品的组成、控制原理、方法和用途，使使用者(学生)拓展其动手能力、思维空间和创造力。现有的教育用机器人，其控制系统通常包括控制器、执行器(主要为电机)、传感器；控制器与执行器之间通过线路连接，控制器控制执行器；控制器与传感器之间通过线路连接，控制器控制传感器并接收传感器输出的信号。如：广茂达生产的AS-EI能力风暴教育用机器人，它的控制器采用Motorola单片机；中鸣数码生产的积木机器人，它的控制器采用AVR单片机；乐高生产的积木式教育机器人、上海集成生产的积木式教育机器人，其控制器采用8052单片机。上述现有的教育用机器人的控制系统，它们均采用集中式的控制方式，即：控制器通过线路分别与各执行器、各传感器连接，因此，现有的教育用机器人的控制系统存在以下缺陷：1、由于教育用机器人的控制系统中的执行器、传感器较多，因此现有的教育用机器人控制系统线路复杂，体积庞大；2、扩展功能简单或者没有扩展；3、控制器控制所有的执行器和传感器，不具备独立组合模块的能力。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种线路简单，体积小，且有利于功能扩展的教育用机器人控制系统。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种教育用机器人控制系统，它包括控制器、执行器和/或传感器，控制器与执行器和/或传感器之间通过线路连接；控制器与执行器和/或传感器之间通过三线制总线连接，三线制总线由两根电源线和一根信号线组成；执行器和/或传感器通过信号转换电路与总线连接。上述方案中，控制系统还包括总控制器，总控制器通过四线制总线与控制器连接，四线制总线由两根电源线、一根数据发送(TXD)信号线、一根数据接收(RXD)信号线组成。与现有技术相比，本专利技术教育用机器人控制系统的优点在于：1、控制器与执行器、传感器之间通过三线制总线连接，线路简单，体积小；2、对于单独的传感器或者电机元器件，由于环境影响和本身特性，其工作精度和稳定性一般不能直接与控制器进行信号交换。因此，本专利技术控制系统在底层的元件和控制器之间加-->一层信号转换电路，既向使用者屏蔽掉硬件的差异提供统一的接口，增加操作的方便性和工作的稳定性，也提高设备的智能功能，一部分控制算法可以隐藏在信号转换电路中快速直接的对实时数据进行处理。3、可方便地采用接口的形式使执行器、传感器与总线连接，使控制系统具有强大的扩展功能；4、具备独立组合模块的能力。当要做的控制系统复杂度较大时，这时候单单一个控制器已不能满足需求，于是本专利技术控制系统增加了一个总控制器，总控制器可以方便地通过总线控制多个由一个控制器、若干个执行器、传感器组成的控制单元(功能模块)，每个控制器完成一部分工作，使多个控制器作到相互合作，互相通信。附图说明图1为本专利技术控制系统实施例1的结构框图图2为本专利技术控制系统实施例2的结构框图图3为控制器电路原理图图4为直流电机元件模块(直流电机及其信号转换电路)的电路原理图图5为红外探测传感器元件模块(红外探测传感器及其信号转换电路)的电路原理图图6为超声波测距传感器元件模块(超声波测距传感器及其信号转换电路)的电路原理图具体实施方式如图1所示的本专利技术控制系统实施例1，它包括控制器、执行器、传感器，执行器为直流电机，传感器包括红外探测传感器和超声波测距传感器；控制器与执行器、传感器之间通过三线制总线连接；控制器控制执行器、传感器，并接收传感器输出的信号；三线制总线由两根电源线和一根信号线组成；执行器、传感器通过信号转换电路与总线连接，信号转换电路采用接口的方式与总线连接。图中，三线制总线是指a、b、c三线。a线是信号线，可以把控制器的指令传给电机或传感器，也可以把传感器的数据传输给控制器；所有信息的传送在a线上完成。b线是电源线，给元件供电。c是电源地线。根据控制器所采用的芯片型号不同，所能提供的信号线接口数目有多有少。本专利技术实施例1在设计中运用和专利技术了多种技术和协议，包括有：三线制接口方式，信号转换电路设计，控制电路设计。定义的三线通讯方式使用a、b、c三线插头，其中a为信号线，b，c为电源线。信号线是支持双向的数据传送，减少了连线，可以明显的减小机器人的体积，有利于功能扩展。如图2所示的本专利技术控制系统实施例2，控制系统包括一个总控制器和两个控制单元(功能模块)，两控制单元分别由一个控制器、一个执行器、两个传感器组成，总控制器通过四线-->制总线与控制器连接，四线制总线由两根电源线、一根TXD信号线、一根RXD信号线组成。总控制器可为单片机，也可为计算机。本专利技术控制系统实施例2的总线采用RS232/485，USB连接总控制器(PC机)下载程序。本专利技术控制系统实施例2的总线还可采用无线遥控的方式连接，无线遥控信号经过解码器解码，将模拟信号转换成PWM，再经过软件解码分8路马达控制信号输出。采用矢量运动控制方式，用PID设计软件控制精度，通过向运动控制芯片发送包括速度和方向的矢量，只要通过数字接口发送简单的速度和方向帧指令就可以达到控制小车运动方向和速度的目的。本专利技术控制系统实施例2能够应用于教育目的的综合控制系统，它采用模块化设计，工作性能稳定、控制灵活。对比已有的小型教育机器人，本专利技术实施例2的优点在于：1、制作了各种具有独立工作能力的传感器、控制器元件模块，元件模块既可以组合功能模块，又可以单独与PC机相连在电脑上演示，构造了一个可裁剪的试验平台。这种方式不仅隔离了硬件的差异，是用户通过标准的接口操作，而且提高了传感器精度和工作稳定性，是单纯的传感器元件所不能比拟的。2、使用结构化的程序设计方式，实现接受用户控制指令完成各种动作，使用者既可以通过计算机上的配套软件编程下载运行，也可以通过计算机直接在线控制。3、可具有独特的无线遥控功能，可以同时遥控8个电机。4、可用于实验教学目的，实验过程中可以根据控制需要选择功能模块，既节省了空间，又能做到心中有数按需配置。5、由于传统的模拟元件精度和稳定性有限，随着数字信号处理技术的发展当前利用软件算法来处理信号不仅可以提高精度而且控制性能更佳。6、使用信号转换电路来处理传感器或者电机的信号，不仅可以分散控制器的处理任务，解决控制器的高速和外围硬件的低速问题，而且使得外围的硬件可以做到统计接口。7、即使脱离了总控制器也可以独立或者互相组合进行工作。本专利技术控制系统实施例2，可将用户程序直接存储在芯片的非易失性存储器中，不需要电源来维持，即使长时间的关机也不会造成用户程序丢失。如图3所示，控制器采用单片机PIC18F8520，它的TTL_RX与总线的RXD信号线连接，TTL_TX与总线的TXD信号线连接。Port端口连接信号线a，VCC连接的是电源线b。如图4、5、6所示，直流电机的信号转换电路、红外探测传感器的信号转换电路、超声波测距传感器的信号转换电路均通过接口与总线连接，其中白线与信号线a连接，红线与电源线b连接，黑线与电源线c(地线)连接。直流电机的信号转换电路主要分为：电平转换、信号处理、PWM发生三个部分：电平转换由一块集成电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种教育用机器人控制系统，它包括控制器、执行器和／或传感器，控制器与执行器和／或传感器之间通过线路连接；其特征在于：控制器与执行器和／或传感器之间通过三线制总线连接，三线制总线由两根电源线和一根信号线组成；执行器和／或传感器通过信号转换电路与总线连接。

【技术特征摘要】
1、一种教育用机器人控制系统，它包括控制器、执行器和/或传感器，控制器与执行器和/或传感器之间通过线路连接；其特征在于：控制器与执行器和/或传感器之间通过三线制总线连接，三线制总线由两根电源线和一根信号线组成；执...

【专利技术属性】
技术研发人员：李文锋，张帆，陈维克，杨小铸，王中云，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]