一種手持控制器及其控制方法與流程

本發明涉及自動控制領域，特別涉及一種手持控制器及其控制方法。

背景技術：

自動控制能自動調節、檢測、加工的機器設備、儀表，按規定的程序或指令自動進行作業的技術措施。其目的在于增加產量、提高質量、降低成本和勞動強度、保障生產安全等，這是機械化、電氣化與自動控制相結合的結果，處理的對象是離散工件。早期的機械制造自動化是采用機械或電氣部件的單機自動化或是簡單的自動生產線；20世紀60年代以后，由于電子計算機的應用，出現了數控機床、加工中心、機器人、計算機輔助設計、計算機輔助制造、自動化倉庫等，然而在對自動定位精度要求較高的所有滾輪架式變位機系統的中，任然要求設置有人工手動操作設備進行控制和操作加工過程，工人通過變位機手操器點動完成；在少數自動化焊接系統中由系統控制器按照一定角度開環控制變位機進行旋轉，但通常變位過程中會發生滑動、起始點不正確等問題，使變位的最終位置具有較大誤差，不能滿足全操作需求，如公開號CN205272048U，公開日為2016年6月1日，名稱為“一種智能焊接機器人用手持式移動控制器”的中國實用新型專利文獻，公開了一種智能焊接機器人用手持式移動控制器，包括承載殼、防護蓋板、端口連接電路、操控鍵、顯示屏、控制滾輪及定位電磁鐵，其中承載殼為氣密性腔體結構，其上表面設定位槽，側表面設握持手環，端口連接電路安裝在承載殼內，操控鍵、顯示屏、控制滾輪均嵌于承載殼上表面的定位槽內，并與端口連接電路電氣連接，定位電磁鐵至少一個并嵌于承載殼下表面，定位電磁鐵與端口連接電路電氣連接，防護蓋板通過棘輪機構與防護殼上表面鉸接并包覆在定位槽外側。本新型可滿足多種操控模式的需要，同時另具有良好的系統兼容性，從而在極大的方便智能焊接機器人操控的同時，另有效的提高了設備通用性，提高了設備應用范圍。

綜上所述，現有技術中存在的問題如下：

一、傳統手持式控制器只能手動控制變位機運動，該控制過程很難保證自動化作業所需要的變為精度。

二、傳統手持式控制器采用IO點方式與主控系統進行交互，不能傳送跟復雜的信息(如工件姿態、工件溫度等。)。

技術實現要素：

本發明提供一種即可以作為常規的手動控制器使用，又可以作為變位姿態檢測器和變位機速度控制器使用實現自動閉環控制變位，同時還具備非接觸式溫度檢測的功能，滿足預熱溫度檢測和工作過程中工件溫度檢測需要的手持控制器及其控制方法。

本發明的目的具體通過以下技術方案實現：

一種手持控制器，其特征在于：包括手持操作器和接收器；所述手持操作器包括殼體，所述殼體內包括溫度模塊、無線通訊模塊、電池管理模塊、電池和隔熱墊塊，以及集成在手持操作器的主板上的微控制器、陀螺儀和數碼管；所述殼體上設置有轉接底座和自恢復型微動式的開關用以切換模式，按鍵通過上拉電阻鏈接方式與微處理器的GPIO腳相連；所述數碼管鏈接于微處理器GPIO腳上；所述接收器包括微控制器、無線通訊模塊、有線隔離通訊模塊和電源模塊。

所述自恢復型微動式的開關包括正/反轉按鈕、自動調整按鈕和測溫按鈕分別對應手動控制模式、自動控制模式和測溫模式。

所述溫度模塊是一種非接觸式紅外測溫探頭，與所述微控制器之間采用TTL電平的UART方式連接；所述無線通訊模塊是一種射頻串口透傳模塊如433Mh透傳模塊，與所述微控制器之間采用TTL電平的UART方式連接；所述電池管理模塊是一種采用LDO方式進行恒流和/或涓流充電，采用boost電路進行恒壓放電的電池管理單元。

所述電池是鋰電池；所述隔熱墊塊是由電木材料制成的，且隔熱墊塊設置在所述手持操作器的尾部用以與所述轉接底座間隔熱。

所述微控制器是一種嵌入式單片機，采用MODBUS-RTU工業現場總線協議連接上層被控制系統的變位機速度寄存器與溫度數據寄存器，變位機寄存器與溫度數據寄存器均為被控制系統CPU中一特定的寄存器位置，CPU將根據該寄存器中的數據控制變位機電機進行運動，所述CPU如常用的PLC。

所述陀螺儀是一種采用MEMS技術的微機械陀螺儀。

所述有線隔離通訊模塊，采用高速光耦將通訊部分與微處理器部分進行電氣隔離，并采用專用芯片進行TTL電平到RS485電平裝換。

所述電源模塊是將控制系電源轉換為隔離通訊模塊和微處理器無線通訊模塊使用的隔離電源的隔離型電源模塊。

一種手持控制器的控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

模式選擇步驟：系統上電時一個枚舉類型變量初始化為空閑模式；接收器上的微控制器分析由手持操作器自恢復型微動式的開關、溫度模塊和陀螺儀傳回的數據，得到模式選擇、溫度數據、姿態數據三個變量；通過操作所述開關選擇手動控制模式、自動控制模式和測溫模式三種模式中的一種，并由數碼管顯示；

數據處理步驟：當選擇手動模式時，根據開關狀態向被控制系統CPU中的變位機速度寄存器中寫入正轉或反轉的數值；當選擇自動模式時，根據陀螺儀傳遞的姿態數據與目標姿態數據調用接收器上微處理器中的自動控制模塊計算是否達到控制目標并輸出變位機速度，并將該轉速寫入變位機速度寄存器；當選擇測溫模式時，將手持操作器溫度模塊傳回的溫度數據寫入被控制系統的溫度數據寄存器中。

指令生成步驟：根據數據處理步驟的結果，將控制信號由所述無線通訊模塊和有線隔離通訊模塊經由所述轉接底座通過通訊線路傳送至被控制系統。

本發明的有益效果如下：

一、本發明提供的一種手持式控制器，包括手持操作器和接收器；所述手持操作器包括設置在殼體內的溫度模塊、無線通訊模塊、電池管理模塊、電池和隔熱墊塊，以及集成在手持操作器的主板上的微控制器、陀螺儀和數碼管；所述殼體上設置有轉接底座和自恢復型微動式的開關，用以切換模式，按鍵通過上拉電阻鏈接方式與微處理器的GPIO腳相連；所述數碼管鏈接于微處理器GPIO腳上；所述接收器包括微控制器、無線通訊模塊、有線隔離通訊模塊和電源模塊；溫度模塊可實時的對工件進行溫度測量、陀螺儀可檢測工件當前姿態得作為反饋信息進行閉環運動控制實現優于現有水平的工件姿態控制，這樣即可以作為常規的手動控制器使用，又可以作為變位姿態檢測器和變位機速度控制器使用實現自動閉環控制變位，滿足預熱溫度檢測和工作過程中工件溫度檢測需要，并且具有相當高的精度。

二、本發明提供的一種手持式控制器，溫度模塊是一種非接觸式紅外測溫探頭，與所述微控制器之間采用TTL電平的UART方式連接，非接觸式紅外測溫探頭更適用于復雜環境，且精度較高；無線通訊模塊是一種射頻串口透傳模塊如433Mh透傳模塊，與所述微控制器之間采用TTL電平的UART方式連接，透傳模塊的通信效果明顯，抗干擾能力強；電池管理模塊是一種采用LDO方式進行恒流和/或涓流充電，采用boost電路進行恒壓放電的電池管理單元，管理精確，電能質量穩定；微控制器是一種嵌入式單片機，采用MODBUS-RTU工業現場總線協議連接上層被控制系統的變位機速度寄存器與溫度數據寄存器，這種控制方式技術成熟，效果優異；MEMS技術的微機械陀螺儀測量精度高；有線隔離通訊模塊，采用高速光耦將通訊部分與微處理器部分進行電氣隔離，并采用專用芯片進行TTL電平到RS485電平裝換，隔離效果好，抗干擾能力強；電源模塊是將控制系電源轉換為隔離通訊模塊和微處理器無線通訊模塊使用的隔離電源的隔離型電源模塊分別轉換供電，工作效率高。

三、本發明提供的一種手持式控制器的控制方法，通過“模式選擇步驟-數據處理步驟-指令生成步驟”完成手持器的控制，接收器上的微控制器分析由手持操作器開關、溫度模塊和陀螺儀傳回的數據，得到模式選擇、溫度數據、姿態數據三個變量能夠及時為操作提供參考和修正；具有手動控制模式、自動控制模式和測溫模式三種模式可選，適用性強。

附圖說明

圖1是本發明一種優選方案的結構示意圖；

圖2是本發明一種優選方案的正面示意圖；

圖3是本發明一種優選方案的背面示意圖；

圖4是本發明一種優選方案的右側示意圖；

圖5是本發明一種優選方案的左側示意圖；

圖6是本發明一種優選方案的使用狀態示意圖；

圖中：

1、殼體；2、溫度模塊；3、無線通訊模塊；4、電池管理模塊；5、電池；6、隔熱墊塊；7、主板；8、數碼管；9、轉接底座；10、自恢復型微動式的開關。

具體實施方式

以下通過幾個實施例來進一步說明本發明的技術方案。

實施例1

如圖1至圖6，一種手持控制器，包括手持操作器和接收器；所述手持操作器包括殼體1，所述殼體內包括溫度模塊2、無線通訊模塊3、電池管理模塊4、電池5和隔熱墊塊6，以及集成在手持操作器的主板7上的微控制器、陀螺儀和數碼管8；所述殼體上設置有轉接底座9和自恢復型微動式的開關10用以切換模式，自恢復型微動式的開關10通過上拉電阻鏈接方式與微處理器的GPIO腳相連；所述數碼管鏈接于微處理器GPIO腳上；所述接收器包括微控制器、無線通訊模塊、有線隔離通訊模塊和電源模塊。

這是本發明的一種最基本實施方案。溫度模塊2可實時的對工件進行溫度測量、陀螺儀可檢測工件當前姿態得作為反饋信息進行閉環運動控制實現優于現有水平的工件姿態控制，這樣即可以作為常規的手動控制器使用，又可以作為變位姿態檢測器和變位機速度控制器使用實現自動閉環控制變位，滿足預熱溫度檢測和工作過程中工件溫度檢測需要，并且具有相當高的精度。

實施例2

如圖1至圖6，一種手持控制器，包括手持操作器和接收器；所述手持操作器包括殼體1，所述殼體內包括溫度模塊2、無線通訊模塊3、電池管理模塊4、電池5和隔熱墊塊6，以及集成在手持操作器的主板7上的微控制器、陀螺儀和數碼管8；所述殼體上設置有轉接底座9和自恢復型微動式的開關10用以切換模式，自恢復型微動式的開關10通過上拉電阻鏈接方式與微處理器的GPIO腳相連；所述數碼管鏈接于微處理器GPIO腳上；所述接收器包括微控制器、無線通訊模塊、有線隔離通訊模塊和電源模塊。

所述自恢復型微動式的開關10包括正/反轉按鈕、自動調整按鈕和測溫按鈕分別對應手動控制模式、自動控制模式和測溫模式。

這是本發明的一種優選的實施方案。溫度模塊2可實時的對工件進行溫度測量、陀螺儀可檢測工件當前姿態得作為反饋信息進行閉環運動控制實現優于現有水平的工件姿態控制，這樣即可以作為常規的手動控制器使用，又可以作為變位姿態檢測器和變位機速度控制器使用實現自動閉環控制變位，滿足預熱溫度檢測和工作過程中工件溫度檢測需要，并且具有相當高的精度；自恢復型微動式的開關10包括正/反轉按鈕、自動調整按鈕和測溫按鈕分別對應手動控制模式、自動控制模式和測溫模式，操作時易于選擇模式，操控簡單不會出錯。

實施例3

如圖1至圖6，一種手持控制器，包括手持操作器和接收器；所述手持操作器包括殼體1，所述殼體內包括溫度模塊2、無線通訊模塊3、電池管理模塊4、電池5和隔熱墊塊6，以及集成在手持操作器的主板7上的微控制器、陀螺儀和數碼管8；所述殼體上設置有轉接底座9和自恢復型微動式的開關10用以切換模式，自恢復型微動式的開關10通過上拉電阻鏈接方式與微處理器的GPIO腳相連；所述數碼管鏈接于微處理器GPIO腳上；所述接收器包括微控制器、無線通訊模塊、有線隔離通訊模塊和電源模塊。

所述自恢復型微動式的開關10包括正/反轉按鈕、自動調整按鈕和測溫按鈕分別對應手動控制模式、自動控制模式和測溫模式。

所述溫度模塊2是一種非接觸式紅外測溫探頭，與所述微控制器之間采用TTL電平的UART方式連接；所述無線通訊模塊3是一種射頻串口透傳模塊如433Mh透傳模塊，與所述微控制器之間采用TTL電平的UART方式連接；所述電池管理模塊4是一種采用LDO方式進行恒流和/或涓流充電，采用boost電路進行恒壓放電的電池管理單元。

這是本發明的一種優選的實施方案。溫度模塊2可實時的對工件進行溫度測量、陀螺儀可檢測工件當前姿態得作為反饋信息進行閉環運動控制實現優于現有水平的工件姿態控制，這樣即可以作為常規的手動控制器使用，又可以作為變位姿態檢測器和變位機速度控制器使用實現自動閉環控制變位，滿足預熱溫度檢測和工作過程中工件溫度檢測需要，并且具有相當高的精度；自恢復型微動式的開關10包括正/反轉按鈕、自動調整按鈕和測溫按鈕分別對應手動控制模式、自動控制模式和測溫模式，操作時易于選擇模式，操控簡單不會出錯；非接觸式紅外測溫探頭更適用于復雜環境，且精度較高；無線通訊模塊是一種射頻串口透傳模塊如433Mh透傳模塊，透傳模塊的通信效果明顯，抗干擾能力強；電池管理模4塊采用boost電路進行恒壓放電的電池管理單元，管理精確，電能質量穩定。

實施例4

如圖1至圖6，一種手持控制器，包括手持操作器和接收器；所述手持操作器包括殼體1，所述殼體內包括溫度模塊2、無線通訊模塊3、電池管理模塊4、電池5和隔熱墊塊6，以及集成在手持操作器的主板7上的微控制器、陀螺儀和數碼管8；所述殼體上設置有轉接底座9和自恢復型微動式的開關10用以切換模式，自恢復型微動式的開關10通過上拉電阻鏈接方式與微處理器的GPIO腳相連；所述數碼管鏈接于微處理器GPIO腳上；所述接收器包括微控制器、無線通訊模塊、有線隔離通訊模塊和電源模塊。

所述自恢復型微動式的開關10包括正/反轉按鈕、自動調整按鈕和測溫按鈕分別對應手動控制模式、自動控制模式和測溫模式。

所述溫度模塊2是一種非接觸式紅外測溫探頭，與所述微控制器之間采用TTL電平的UART方式連接；所述無線通訊模塊3是一種射頻串口透傳模塊如433Mh透傳模塊，與所述微控制器之間采用TTL電平的UART方式連接；所述電池管理模塊4是一種采用LDO方式進行恒流和/或涓流充電，采用boost電路進行恒壓放電的電池管理單元。

所述電池5是鋰電池；所述隔熱墊塊6是由電木材料制成的，且隔熱墊塊6設置在所述手持操作器的尾部用以與所述轉接底座9間隔熱。

所述微控制器是一種嵌入式單片機，采用MODBUS-RTU工業現場總線協議連接上層被控制系統的變位機速度寄存器與溫度數據寄存器。

所述陀螺儀是一種采用MEMS技術的微機械陀螺儀。

所述有線隔離通訊模塊，采用高速光耦將通訊部分與微處理器部分進行電氣隔離，并采用專用芯片進行TTL電平到RS485電平裝換。

所述電源模塊是將控制系電源轉換為隔離通訊模塊和微處理器無線通訊模塊使用的隔離電源的隔離型電源模塊。

這是本發明的一種優選的實施方案。溫度模塊2可實時的對工件進行溫度測量、陀螺儀可檢測工件當前姿態得作為反饋信息進行閉環運動控制實現優于現有水平的工件姿態控制，這樣即可以作為常規的手動控制器使用，又可以作為變位姿態檢測器和變位機速度控制器使用實現自動閉環控制變位，滿足預熱溫度檢測和工作過程中工件溫度檢測需要，并且具有相當高的精度；自恢復型微動式的開關10包括正/反轉按鈕、自動調整按鈕和測溫按鈕分別對應手動控制模式、自動控制模式和測溫模式，操作時易于選擇模式，操控簡單不會出錯；非接觸式紅外測溫探頭更適用于復雜環境，且精度較高；無線通訊模塊是一種射頻串口透傳模塊如433Mh透傳模塊，透傳模塊的通信效果明顯，抗干擾能力強；電池管理模4塊采用boost電路進行恒壓放電的電池管理單元，管理精確，電能質量穩定；微控制器是一種嵌入式單片機，采用MODBUS-RTU工業現場總線協議連接上層被控制系統的變位機速度寄存器與溫度數據寄存器，這種控制方式技術成熟，效果優異；MEMS技術的微機械陀螺儀測量精度高；有線隔離通訊模塊采用高速光耦將通訊部分與微處理器部分進行電氣隔離，并采用專用芯片進行TTL電平到RS485電平裝換，隔離效果好，抗干擾能力強；電源模塊是將控制系電源轉換為隔離通訊模塊和微處理器無線通訊模塊使用的隔離電源的隔離型電源模塊分別轉換供電，工作效率高。

實施例5

一種手持控制器的控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

模式選擇步驟：系統上電時一個枚舉類型變量初始化為空閑模式；接收器上的微控制器分析由手持操作器自恢復型微動式的開關10、溫度模塊2和陀螺儀傳回的數據，得到模式選擇、溫度數據、姿態數據三個變量；通過操作所述開關選擇手動控制模式、自動控制模式和測溫模式三種模式中的一種，并由數碼管顯示；

數據處理步驟：當選擇手動模式時，根據開關狀態向被控制系統CPU中的變位機速度寄存器中寫入正轉或反轉的數值；當選擇自動模式時，根據陀螺儀傳遞的姿態數據與目標姿態數據調用接收器上微處理器中的自動控制模塊計算是否達到控制目標并輸出變位機速度，并將該轉速寫入變位機速度寄存器；當選擇測溫模式時，將手持操作器溫度模塊傳回的溫度數據寫入被控制系統的溫度數據寄存器中。

指令生成步驟：根據數據處理步驟的結果，將控制信號由所述無線通訊模塊和有線隔離通訊模塊經由所述轉接底座通過通訊線路傳送至被控制系統。

這是本發明的一種優選的實施方案。通過“模式選擇步驟-數據處理步驟-指令生成步驟”完成手持器的控制，接收器上的微控制器分析由手持操作器開關、溫度模塊和陀螺儀傳回的數據，得到模式選擇、溫度數據、姿態數據三個變量能夠及時為操作提供參考和修正；具有手動控制模式、自動控制模式和測溫模式三種模式可選，適用性強。

實施例6

如圖1至圖6，手持操作器由微控制器、MEMS陀螺儀、無線通訊模塊、電池管理模塊、數碼管、按鍵、電池、本體殼體、隔熱墊塊和轉接底座組成；其中微控制器、MEMS陀螺儀、數碼管集成在手持操作器的主板上。

微控制器采用STM32微處理器開發完成，在不同的工作狀態下實現不同的功能和工作流程。狀態切換由手持控制器上的按鈕實現。該按鈕采用自恢復型微動開關實現，該類按鈕通過上拉電阻鏈接方式與微處理器的GPIO腳相連，實現按鈕狀態讀取。

手持操作器共有手動控制模式、自動控制模式和測溫模式3種工作模式，分別對應按下正/反轉按鈕、自動調整按鈕和測溫按鈕；

在手動模式下，微處理器根據GPIO傳回的開關量信號確定是正轉或者反轉，并通過無線通訊模塊向接收器發送正轉或反轉指令。

在自動模式下，微處理器通過I2C接口從MEMS陀螺儀讀回當前的姿態數據，并將當前的工件姿態數據通過無線通訊模塊發送到接收器。

在測溫模式下，微處理器通過UART端口從測溫模塊讀回當前的溫度數據，并將溫度數據通過無線通訊模塊發送回接收器。

溫度模塊采用紅外非接觸式測溫探頭，由然太測溫模組實現，可隨時監控工件預熱和焊接過程中的溫度情況；

陀螺儀模塊采用MEMS技術的陀螺儀，配以卡爾曼濾波器對地磁場、重力和角速度進行融合，得到手持操作器的姿態數據，本發明中的陀螺儀采用MPU9250實現；

數碼管采用三位八段數碼管以共陰極拓撲鏈接于微處理器GPIO腳上。采用每位輪流顯示的方式，在不同工作狀態下，顯示不同的狀態信息。在手動模式下顯示旋轉速度，自動模式下顯示工件姿態，測溫模式下顯示溫度數據，空閑模式下顯示剩余電量；

無線通訊模塊采用具有透傳技術的工業射頻通訊模塊，由SX1278型透傳模塊實現；

電池管理模塊在充電階段具備過電壓保護、恒流充電、涓流充電等功能，在放電階段具備電源升壓、恒壓輸出、過流保護、過放保護等功能，該模塊采用TP5410芯片配合相應的電感、電容器件構成一個同時具有LDO降壓充電和BOOST升壓放電拓撲的電池管理模塊；

電池采用鋰電池儲電方案，采用三洋18650型電池實現。

隔熱墊塊是為了在工件預熱后進行自動姿態調整，防止高溫工件損害操作器本體設計的，采用電木材質加工實現。

轉接底座為金屬質件，在姿態測量過程中需要手持控制器與工件孔精密配合才能準確測量工件姿態，因此設計該部件。一套手持控制器配有多個該部件以適應工件不同孔徑大小，該部件頂端以統一接口與手持控制器本體鏈接，底部為不同直徑的圓柱體。

接收器由微控制器、無線通訊模塊、有線隔離通訊模塊、電源模塊四部分組成。

微控制器同樣采用STM32編程實現，微控制器從無線通訊模塊讀回手持操作器的狀態與數據，根據不同的狀態進行不同的操作。

當手持操作器處于手動狀態時，根據操作器數據的正轉、反轉向變位機速度寄存器寫入固定正轉速度或反轉速度。

當手持操作器處于自動狀態時，以手持操作器的姿態數據作為輸入，以手持式操作器姿態正向上為目標，通過自動控制算法進行計算得出變位機旋轉速度，并將該速度寫入變位機速度寄存器。

當手持操作器處于測溫狀態時，將操作器數據的溫度數據寫入溫度數據寄存器中。

微控制器實現了MODBUS-RTU工業現場總線協議，上層控制系統可以使用工業現場總線讀取變位機速度寄存器與溫度數據寄存器。

無線通訊模塊采用與手持操作器相同的具有透傳技術的工業射頻通訊模塊實現；

有線隔離通訊模塊實現了微控制器電平到工業現場總線電平的裝換并同時實現電氣隔離,采用PC410與HCPL0630光耦實現。

接收器軟件系統工作模式為狀態機結構。一個枚舉類型變量表達手持式控制器處于手動模式、自動模式、測溫模式和空閑模式之一的狀態。

當系統上電時該變量初始化為空閑模式；無線通訊軟件模塊不斷分析由手持操作器傳回的數據，得到按鍵狀態、溫度數據、姿態數據三個變量；當按鍵狀態處于按下正轉或反轉按鈕時，狀態變量無條件跳轉到手動模式；當按鍵狀態處于自動按鈕按下時且狀態變量處于空閑模式，狀態變量跳轉到自動模式，當自動控制目標達到時自動調回空閑模式；當按鍵狀態處于測溫按鈕按下時且狀態變量處于空閑模式，狀態變量跳轉到測溫模式；當按鍵狀態處于無任何按鍵按下時且狀態變量不處于自動模式，狀態變量跳轉到空閑模式。

一個定時以固定時間查詢狀態變量，當變量處于空閑模式時，系統不做任何動作。當變量處于手動模式時，根據按鍵狀態正轉與反轉的不同向變位機速度寄存器中寫入正轉或反轉的數值；當變量處于自動模式時，根據姿態數據與目標姿態數據調用自動控制模塊計算是否達到控制目標并出變位機速度，并將該轉速寫入變位機速度寄存器；當變量處于測溫模式時，將手持操作器傳回的溫度數據寫入溫度數據寄存器中。

工業總線通訊模塊實現了MODBUS-RTU協議，作為從站實時接收其他工業控制設備通過MODBUS-RTU協議訪問手持式控制器的變位機速度寄存器與溫度數據寄存器。