一種擊球控制裝置及擊球控制方法與流程

2023-06-08 21:34:01

本發明涉及控制領域，尤其是涉及一種擊球控制裝置以及擊球控制方法。

背景技術：

機器人足球比賽是近年來人工智慧與智慧機器人研究領域中一個十分令人注目的熱點，它為許多理論，包括人工智慧、機器視覺、運動控制等提供了一個理想的實驗平臺。RoboCup(RobotWorldCup，機器人世界盃足球錦標賽，是目前國際上級別最高、規模最大、影響最廣泛、參與人數最多的國際性機器人賽事。

機器人子系統是整個系統的執行機構，是決策的執行者。為機器人子系統設計的用於擊球的電磁鐵彈射機構採用的技術方案為，高壓電容瞬間接通螺線管，產生的強磁場力，帶動銜鐵彈射實現擊球。本發明針對高壓電容瞬間接通螺線管這一技術問題，設計了本控制電路實現高壓電容充電與放電，使控制高壓電容瞬間接通螺線管實現擊球的過程更加有效、安全。在高壓電容瞬間接通螺線管前需要對電容進行。本發明解決的技術問題是提供一個高壓產生電路，可以在瞬間接通螺線管使電磁鐵彈射機構完成擊球動作，並在之後電壓迅速降低，準備下一次擊球所用的電壓。

技術實現要素：

本發明針對現有技術存在的缺陷作出了改進，提供一種擊球控制裝置以及擊球控制方法，包括依次連接的電源模塊，升壓模塊、第一開關模塊和第一擊球執行元件，還包括與第一開關模塊連接的第一控制模塊，電源模塊用於為升壓模塊提供初始電壓，升壓模塊為第一擊球執行元件執行擊球動作提供所需的目標電壓，第一開關模塊通過截止與導通的切換來控制升壓模塊與第一擊球執行元件的是否連接，第一控制模塊用於控制第一開關模塊的截止與導通。

作為進一步地改進，本發明所述升壓模塊包括升壓電路和儲能電路，升壓電路將初始電壓提高到目標電壓,並將能量存儲於儲能電路之中，目標電壓為第一擊球執行元件執行擊球動作所需的電壓。

作為進一步地改進，本發明所述升壓電路包括電感電路、第二開關電路、第二控制電路和反饋電路，電感電路的一端為升壓電路的輸入端，連接電源模塊，另一端通過第二開關電路連接儲能電路，儲能電路通過反饋電路與第二控制電路相連，第二控制電路連接第二開關電路用於控制第二開關電路的導通與截止，第二開關電路用於控制儲能電路是否儲能。

作為進一步地改進，本發明所述反饋電路包括連接儲能電路和第二控制電路的電壓反饋電路，及連接儲能電路和第二控制電路的電流反饋電路，電壓反饋電路將當前儲能電路的電壓反饋給第二控制電路，電流反饋電路將當前第二開關電路的電流反饋給第二控制電路。

作為進一步地改進，本發明所述電源模塊包括電壓源和緩衝電路，根據緩衝電路開關管的導通與截止狀態之間的切換決定由電壓源或電壓源串聯限流電阻提供給儲能電路的初始電壓，緩衝電路開關管的導通與截止的狀態由開關管的輸入端和輸出端壓差決定。

作為進一步地改進，本發明還包括第三開關模塊，和與第三開關模塊連接的第二擊球執行元件，第三開關模通過截止與導通的切換來控制升壓模塊與第二擊球執行元件的是否連接，第一控制模塊用於控制第三開關模塊的截止與導通，第三開關模塊和第二擊球執行元件，與第一開關模塊和第一擊球執行元件並聯。

作為進一步地改進，本發明還包括第四開關模塊，所述第四開關模塊截止到導通狀態之間的切換釋放儲能電路中的能量，第四開關模塊的導通與截止由第三控制模塊控制，第四開關模塊包括3個埠，一端連接第三控制模塊，一端連接儲能電路，另一端接地，導通使儲能電路對地導通放電。

本發明還公開了一種應用擊球控制裝置的擊球控制方法，根據第一控制模塊收到的平射擊球信號，升壓電路停止升壓儲能，第一控制模塊控制第一開關模塊截止到導通，第一擊球執行元件獲得升壓模塊的目標電壓，實現平射擊球，並將儲能電路的能量釋放。

本發明還公開了一種應用擊球控制裝置的擊球控制方法，根據第一控制模塊收到的挑射擊球信號，升壓電路停止升壓儲能，第一控制模塊控制第三開關模塊截止到導通，第二擊球執行元件獲得升壓電路的目標電壓，實現挑射擊球，並將儲能電路的能量釋放，或/和根據收到的平射擊球信號，升壓電路停止升壓儲能，第一控制模塊控制第一開關模塊截止到導通，第一擊球執行元件獲得升壓模塊的目標電壓，實現平射擊球，並將儲能電路的能量釋放。

本發明還公開了一種應用擊球控制裝置的擊球控制方法，根據收到的挑射擊球信號，升壓電路停止升壓儲能，第一控制模塊控制第三開關模塊截止到導通，第二擊球執行元件獲得升壓電路的目標電壓，實現挑射擊球，並將儲能電路的能量釋放，或/和根據收到的平射擊球信號，升壓電路停止升壓儲能，第一控制模塊控制第一開關模塊截止到導通，第一擊球執行元件獲得升壓模塊的目標電壓，實現平射擊球，並將儲能電路的能量釋放，或/和根據收到的升壓使能信號，電源模塊給升壓模塊提供初始電壓，升壓模塊升壓儲能，或者根據收到的升壓使能關斷信號，儲能電路通過第四開關模塊截止到導通的狀態變化釋放能量，所述升壓使能信號或者升壓使能關斷信號由第三控制模塊發出。

本發明還公開了一種應用擊球控制裝置的擊球控制方法，根據收到的挑射擊球信號，升壓電路停止升壓儲能，第一控制模塊控制第三開關模塊截止到導通，第二擊球執行元件獲得升壓電路的目標電壓，實現挑射擊球，並將儲能電路的能量釋放，或/和根據收到的升壓使能信號，電源模塊給升壓模塊提供初始電壓，升壓模塊升壓儲能，或者根據收到的升壓使能關斷信號，儲能電路通過第四開關模塊截止到導通的狀態變化釋放能量，所述升壓使能信號或者升壓使能關斷信號由第三控制模塊發出。

作為進一步地改進，本發明根據電壓反饋電路的反饋電壓大小，第二控制電路控制輸出信號的佔空比，維持儲能電路當前能量，和/或根據電流反饋電路的反饋電流大小，第二控制電路調節第一開關模塊的輸出電流，控制輸出電流大小。

本發明的有益效果如下：

本發明針對高壓電容瞬間接通螺線管這一技術問題，設計了本控制電路實現高壓電容充電與放電，使控制高壓電容瞬間接通螺線管實現擊球的過程更加有效、安全。具體地：

1、通過第一開關模塊的截止到導通狀態的切換使第一擊球執行元件的螺線管瞬間接通完成擊球動作。

2、採用boost升壓電路，並採用反饋機制，使升壓模塊的電壓控制在預設的範圍內。

3、通過第三開關模塊的截止到導通狀態的切換使第二擊球執行元件的螺線管瞬間接通完成擊球動作，第三開關模塊與第一開關模塊的導通與截止均有第一控制模塊控制，使電路設計更加簡潔。

4、第三控制模塊控制升壓使能，使擊球控制裝置進行升壓，第三控制模塊控制關斷升壓使能，使擊球控制裝置釋放升壓模塊的電壓，這裡第三控制模塊為機器人的外殼，即機器人外殼裝上是升壓，打開時釋放電壓，使操作機器人的人不會觸碰高壓。

5、增加緩衝電路，使儲能電路緩慢充電，充電過程更加安全。

附圖說明

圖1是實施例1擊球控制裝置的模塊組成及連接示意圖；

圖2是升壓模塊的組成及連接示意圖；

圖3是實施例2擊球控制裝置的模塊組成及連接示意圖；

圖4是實施例3擊球控制裝置的模塊組成及連接示意圖；

圖5是緩衝電路的電路連接示意圖；

圖6是第四開關模塊的電路連接示意圖；

圖7是第一開關模塊的電路連接示意圖；

圖8是升壓模塊的電路連接示意圖；

圖9是第三開關模塊的電路連接示意圖。

具體實施方式

下面通過附圖結合具體實施例子對本發明的技術方案作進一步地說明：

本發明提供了一種擊球控制裝置，用來控制諸如足球機器人的擊球執行元件擊球，圖1是實施例1擊球控制裝置的模塊組成及連接示意圖，包括電源模塊，升壓模塊、第一開關模塊、第一控制模塊，第一擊球執行元件，電源模塊，升壓模塊、第一開關模塊和第一擊球執行元件依次連接，電源模塊用於為升壓模塊提供初始電壓，升壓模塊為第一擊球執行元件執行擊球動作提供所需的目標電壓，第一開關模塊通過截止與導通的切換來控制升壓模塊與第一擊球執行元件的是否形成迴路，第一控制模塊用於控制第一開關模塊的截止與導通。第一開關模塊的一端連接第一控制模塊，一端接地，另一端連接第一擊球執行元件，第一擊球執行元件的另一端連接升壓模塊。

升壓模塊包括升壓電路和儲能電路，升壓電路將初始電壓提高到目標電壓,並將能量存儲於儲能電路之中，目標電壓為第一擊球執行元件執行擊球動作所需的電壓，第一開關模塊截止到導通狀態的切換使第一擊球執行元件從升壓模塊獲取目標電壓，第一擊球執行元件為一電磁鐵彈射機構，獲取目標電壓後實現擊球動作。

為實現擊球，所述第一擊球執行元件平射擊球前，升壓模塊停止升壓，第一控制模塊根據接收的平射擊球信號，控制第一開關模塊的導通，第一擊球執行元件擊球從升壓模塊獲取目標電壓，即可實現平射擊球，第一開關模塊導通後升壓模塊輸出端電壓降低，升壓模塊中儲能電路中的能量被消耗，第一擊球執行元件回復未擊球狀態，第一控制模塊控制第一開關模塊截止，第一控制模塊等待接收下一次擊球指令。

圖2是升壓模塊的組成及連接示意圖；升壓模塊包括升壓電路和儲能電路，升壓電路將初始電壓提高到目標電壓,並將能量存儲於儲能電路之中，目標電壓為第一擊球執行元件執行擊球動作所需的電壓。升壓電路具體採用boost升壓電路，包括電感電路、第二開關電路、第二控制電路和反饋電路，電感電路的一端為升壓電路的輸入端，連接電源模塊，另一端通過第二開關電路連接儲能電路；第二開關電路的導通與截止狀態之間的切換控制所述儲能電路儲能；第二開關電路的導通與截止通過與之連接的第二控制電路控制，第二控制電路輸出按設定的比例或頻率周期性地變化的控制信號使第二開關電路導通與截止狀態之間的切換，例如所述控制信號為PWM信號；反饋電路由電壓反饋電路和電流反饋電路組成，所述電壓反饋電路連接儲能電路和第二控制電路，將當前儲能電路的電壓反饋給第二控制電路，儲能電路的電壓達到目標電壓時，第二控制電路控制輸出信號的佔空比，使儲能電路維持當前電壓，電流反饋電路連接第二開關電路和第二控制電路，將當前第二開關電路的電流反饋給第二控制電路，第二控制電路根據反饋的電流大小，控制升壓過程中流過電感電路的電流大小，從而使升壓電路的輸出功率符合儲能電路的輸入功率要求。

圖3是實施例2擊球控制裝置的模塊組成及連接示意圖；還包括第三開關模塊，第三開關模塊截止到導通狀態的切換使第二擊球執行元件從升壓模塊獲取目標電壓，第三開關模塊的導通與截止由與之相連的第一控制模塊控制，第二擊球執行元件執行挑射擊球。為實現擊球，所述第二擊球執行元件挑射擊球前，升壓模塊停止升壓，第一控制模塊根據接收的挑射擊球指令，控制第三開關模塊的導通，第二擊球執行元件擊球從升壓模塊獲取目標電壓，即可實現挑射擊球，第一開關模塊的導通後升壓模塊輸出端電壓降低，升壓模塊中儲能電路中的能量被消耗，第二擊球執行原件回復未擊球狀態，第一控制模塊控制第三開關模塊截止，第一控制模塊等待接收下一次擊球指令。第一擊球執行元件、第二擊球執行元件為電磁彈射機構。實施例2這樣的擊球控制裝置，即可以完成挑射擊球動作，也可以完成如實施例1中平射擊球動作。

圖4是實施例3擊球控制裝置的模塊組成及連接示意圖，還包括第四開關模塊，第四開關模塊的截止到導通狀態的切換使升壓模塊中的儲能電路釋放能量，降低升壓電路輸出端的電壓，其導通與截止由第三控制模塊控制。升壓使能時，電源模塊通過電壓源或電壓源串聯限流電阻給提供儲能電路的初始電壓，升壓使能關斷時，儲能電路釋放能量。

根據收到的升壓使能信號，電源模塊給升壓模塊提供初始電壓，升壓模塊升壓儲能，所述升壓使能信號由第三控制模塊發出，例如足球機器人有一外殼，當外殼安裝時，第三控制模塊發出升壓使能信號，第二控制電路打開升壓使能，升壓電路將電源模塊的初始電壓升至目標電壓，並利用儲能電路儲能。所述升壓電路通過第二控制電路控制第二開關電路導通與截止狀態之間切換，將電源模塊的初始電壓升至目標電壓。

根據收到的升壓使能關斷信號，儲能電路通過第四開關模塊截止到導通的狀態變化釋放能量，所述升壓使能關斷信號由第三控制模塊發出，例如足球機器人的外殼拆除時，電路板暴露，第三控制模塊發出使能關斷信號，第二控制電路關斷升壓使能，並且第四開關模塊截止到導通將儲能電路的能量釋放至安全水平。具體地，當第三控制模塊發出升壓使能信號，即機器人外殼安裝上時，電源模塊連通升壓模塊開始升壓至目標電壓，並通過反饋電路將電壓維持在目標電壓，此時第一控制模塊控制第一開關模塊處於截止狀態，當第一開關模塊收到擊球信號時，升壓模塊受第二控制電路的控制停止升壓，第一控制模塊導通第一開關模塊，使升壓模塊的儲能電路與第一擊球執行元件之間形成迴路，因此第一擊球執行元件獲得儲能電路上電壓實現擊球，擊球完成後，第一控制模塊使第一開關模塊截止，升壓模塊受第二控制電路的控制重新升壓至目標電壓，等待下一次擊球信號。如果第三控制模塊發出升壓使能關斷信號，即機器人的外殼被移除，第四開關模塊受這一信號的控制導通，將升壓模塊上的能量釋放，使接觸的人始終處於安全狀態。

實施例3這樣的擊球控制裝置一樣可以完成實施例1與實施例2中的平射與挑射動作。

如圖3、圖4所示，當電源模塊與升壓模塊斷開時間較長時，為了升壓模塊的穩定可靠與安全，可增加緩衝電路，緩衝電路通過開關管的導通與截止狀態之間的切換決定由電壓源或電壓源串聯限流電阻給提供儲能電路的初始電壓。緩衝電路導通與截止的狀態由開關管的輸入端和輸出端壓差決定。當圖4這種情況，電源模塊與升壓模塊的導通與斷開通過第三控制模塊控制，第三控制模塊發出升壓使能信號，控制所述擊球控制裝置是否進入升壓狀態。

圖7是第一開關模塊的電路連接示意圖；第一控制模塊包括第一輸出端和第二輸出端，第一輸出端用於控制第一開關模塊的導通與截止，第一開關模塊的導通實現平射擊球，第二輸出端用於控制第三開關模塊的導通與截止，第三開關模塊的導通塊實現挑射擊球，第一控制模塊的輸入端接收上位機平射擊球或挑射擊球等擊球信號的信號。第一開關模塊的輸入端連接第一控制模塊輸出端，獲取第一控制模塊的控制信號，具體為第一開關模塊的MOS管Q6的柵極通過電阻R17連接第一控制模塊，並通過並聯的穩壓二極體D11和電阻R20接地，MOS管Q6的漏極通過肖特基二極體D3連接儲能電路，並連接第一擊球執行元件，肖特基二極體D3吸收第一擊球執行元件上驅動線圈的脈衝，第一開關電路的MOS管Q6的源極接地，當第一控制模塊接收到上位機擊球指令時，第一控制模塊使MOS管Q6的柵極獲得的導通所需的電流，MOS管Q6導通，第一擊球執行元件通過MOS管Q6的漏極獲得目標電壓，執行擊球動作。

圖9是第三開關模塊的電路連接示意圖，第三開關模塊的電路連接方式與第一開關模塊一致，具體為第三開關模塊的輸入端連接第一控制模塊輸出端，獲取第一控制模塊的控制信號，即第一開關模塊的MOS管Q7的柵極通過電阻R25連接第一控制模塊，並通過並聯的穩壓二極體D14和電阻R27接地，MOS管Q7的漏極通過肖特基二極體D12連接儲能電路，並連接第二擊球執行元件，肖特基二極體D12吸收第二擊球執行元件上驅動線圈的脈衝，第三開關電路的MOS管Q7的源極接地，當第一控制模塊接收到上位機擊球指令時，第一控制模塊使MOS管Q7的柵極獲得的導通所需的電流，MOS管Q7導通，第一擊球執行元件通過MOS管Q7的漏極獲得目標電壓，執行擊球動作。

圖8是升壓模塊的電路連接示意圖；Boost升壓電路，其中，電感電路為電感L1，電感L1的一端為升壓電路的輸入端，連接電源模塊，電感L1的另一端為電感電路的輸出端，電感電路的輸出端連接第二開關電路的MOS管Q4的漏極，第二開關電路的MOS管Q4的漏極同時還連接儲能電路，第二開關電路的MOS管Q4的柵極通過電阻R11連接第二控制電路的輸出信號，並通過並聯的穩壓二極體D7和電阻R12接地，第二開關電路的MOS管Q4的源極通過電阻接地，本實施例中，通過並聯的電阻R15和電阻R16接地，增加功率。

如圖8，第二控制電路為脈寬調製電路，輸出脈寬調製信號控制第二開關電路的導通與截止。本發明採用脈寬調製晶片UC3843，晶片的4腳通過電阻R19連接8腳並通過電容C10接地，使振蕩器頻率和最大輸出的佔空比可調。2腳連接電壓反饋電路的輸出端，接收反饋電壓，通過串接的電容C12和電阻R23連接1腳，同時，1腳通過MOS管Q8為升壓使能信號接收端，具體地，MOS管Q8的漏極連接1腳，柵極通過電阻R24接收上位機的升壓使能信號，並通過電阻R26連接5V電壓，源極接地。3腳連接電流反饋電路的輸出端，接收反饋電流，根據反饋的電流大小，控制電感L1的電流。6腳輸出脈寬調製信號控制第二開關電路，使第二開關電路處於導通或截止狀態。當電壓反饋電路反饋的儲能電路的電壓達到目標電壓時，第二控制電路通過調節輸出信號的佔空比，使儲能電路維持當前目標電壓；當電流反饋電路將當前第二開關開關電路的電流反饋給第二控制電路，控制電感L1的電流；當第二控制電路接收到升壓使能信號，第二控制電路輸出脈寬調製信號，控制第二開關電路導通與截止，使升壓電路進行升壓儲能；當上位機發出擊球信號時，控制關斷升壓使能信號，即第二控制電路沒有接收到升壓使能信號，升壓電路停止升壓儲能。

儲能電路由單向導通電路肖特基二極體D2連接電容電路組成，所述電容電路由並聯的電容C4、C5、C6、C7組成，並連接並聯的電容C28、C29。電流反饋電路的輸入端為第二開關電路的MOS管Q4的源極，通過電阻R21連接第二控制電路，即晶片3腳，輸出端通過電容C13接地。電壓反饋電路的輸入端連接儲能電路的輸出端，通過串聯電阻R10和R13接地，輸出端為電阻R10和R13的連結點，取分壓電壓作為輸出，連接脈寬調製晶片的電壓反饋端2腳。

圖6是第四開關模塊的電路連接示意圖；第四開關模塊MOS管Q5的柵極，源極分別通過並聯的電阻R8和電阻R9連接升壓電路的輸出端，漏極接地，柵極和源極通過穩壓二極體D10和光耦U3連接，第三控制模塊的輸出端通過光耦U3接收放電信號。

圖5是緩衝電路的電路連接示意圖；緩衝電路的MOS管Q3的源極連接電壓源，MOS管Q3柵極與源極連接並聯的電容C2與穩壓二極體D4防止誤動作以及柵極被擊穿，MOS管Q3柵極通過並聯的R14、D9接地，源極與漏極連接串聯的電阻R5和電阻R6，電阻R5和電阻R6的連結點通過電阻R4連接PNP三極體Q2的基極，三極體Q2的發射極連接電壓源，三極體Q2的集電極連接MOS管Q3的柵極，MOS管Q3的漏極為緩衝電路的輸出端，連接升壓電路並通過電容C3接地。MOS管Q3的導通與截止狀態由其源極與漏極的壓差決定，當源極電壓高於漏極時，並且電阻R5、R6的分壓高於三極體Q2的驅動電壓時，三極體Q2導通，MOS管Q3的源極電壓上拉至漏極，MOS管Q3處於截止狀態，電源通過電阻R5和電阻R6的串聯限流給升壓電路提供初始電壓，使升壓電路上的目標電壓的緩慢提升。當MOS管Q3的源極與漏極之間的電壓接近相等時，MOS管Q3處於導通狀態，由電壓源提供升壓電路的初始電壓。

最後，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發明的具體實施例。顯然，本發明不限於以上實施例，還可以有許多變形。本領域的普通技術人員能從本發明公開的內容直接導出或聯想到的所有變形，均應認為是本發明的保護範圍。