一种基于甚高频平面天线的远程机器人驱动器控制装置 |
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| 申请号 | CN202410134207.1 | 申请日 | 2024-01-31 | 公开(公告)号 | CN117984350A | 公开(公告)日 | 2024-05-07 |
| 申请人 | 湘潭大学; | 发明人 | 郭李; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种基于甚高频平面天线的远程 机器人 驱动器 控制装置，包括驱动器装置本体，所述驱动器装置本体包括甚高频天线，所述甚高频天线分别连接有第一驱动器甚高频通信控 制模 块 和第二驱动器甚高频通信 控制模块 ，且甚高频天线同时连通有视频捕获模块。此驱动器控制装置主要通过在内部搭载可加载无源或有源 电路 的三端口三频带甚高频平面天线，在甚高频40‑167MHz范围通信传输驱动器控制 信号 以及视频监控信号，实现远程机器人的操控，且考虑机器人实施与控制的简单性，通过选择两个驱动器通信控制模块，从而对应两个 自由度 ，同时考虑机器人运动的 稳定性 ，联合视频监控进行控制，使用便捷且操作信号稳定。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于甚高频平面天线的远程机器人驱动器控制装置，包括驱动器装置本体，其特征在于：所述驱动器装置本体包括甚高频天线，所述甚高频天线分别连接有第一驱动器甚高频通信控制模块和第二驱动器甚高频通信控制模块，且甚高频天线同时连通有视频捕获模块，所述甚高频天线包括地板(1)，所述地板(1)的顶部等距排列有第一顶面金属板(2)和第二顶面金属板(3)及第三顶面金属板(4)，且第一顶面金属板(2)的中部一侧连接有第一馈电单极子(5)，所述二顶面金属板(3)的中部一侧连接有第二馈电单极子(6)，所述第三顶面金属板(4)的中部一侧连接有第三馈电单极子(7)，所述第一顶面金属板(2)的中端另一侧连接有第一短路柱(8)，且二顶面金属板(3)中部另一侧连接有第二短路柱(9)，所述第三顶面金属板(4)的中部另一侧连接有第三短路柱(10)，所述第一馈电单极子(5)的顶端连接有第一槽枝节(11)，且第二馈电单极子(6)的顶端连接有第二槽枝节(12)，所述第三馈电单极子(7)的顶端连接有第三槽枝节(13)，所述地板(1)的顶面等距排列有第一端口(14)和第二端口(15)及第三端口(16)。 |
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| 说明书全文 | 一种基于甚高频平面天线的远程机器人驱动器控制装置技术领域[0001] 本发明属于机器人控制技术领域，具体涉及一种基于甚高频平面天线的远程机器人驱动器控制装置。 背景技术[0002] 远程无人系统中，机器人的远程通信及控制是一项重要技术，存在学科交叉的态势，由于很多机器人按固化的程序、学习算法来控制运动、平衡及机械操作，其运动很难到达人类同等智力水平，当遇到一些未知的情况，以及传感器等的限制，会出现问题难处理情况，随着迭代和机器人使用要求，一部分则采用远程实时控制机器人，通过在人类智力的辅助控制下，将有助于机器人更稳定的运动，而在人工辅助控制的情况下，其机器人电驱动则是一种常用方式，主要通过电机和其连接的电驱动器进行控制，其中电驱动器至关重要，目前，有如采用准直驱动器，远程控制驱动器中，甚高频通信控制存在诸多技术难题，如按照通过工作波长与天线尺寸的1/4关系，甚高频(VHF)通信中天线体积将较大，不利于安装于机器人上，且天线体积减小与性能存在折中，那么将所使用的甚高频天线小型化同时具有高性能急需苛待解决，这其中甚高频的低频段40MHz‑167 MHz，其最远通信距离可达上百公里。当前有许多高性能小型化低甚高频段天线设计方法，如加载无源、有源电路，且随着技术的进步，其稳定性等问题也逐步在解决。 [0003] 然而传统的驱动器控制天线在使用时还存在以下问题： [0004] 1、由于为了更好的对机器人驱动器进行控制，其实时传输视频信号也成为一种选择，一般要求天线的最小带宽应为224khz，而稍高质量的视频传输，需要天线具有高达3mhz的带宽，导致了现有驱动器控制装置的天线在应用于更高质量的视频捕获时无法满足驱动器控制要求，则需要更宽的带宽，这就使得现有技术的甚高频天线带宽需要扩展。 [0005] 2、由于多数控制器内所搭载的天线在信号控制和传输时其端口及频带较为单一，导致了适用场景较为局限，无法满足远程通信控制驱动器的需求和实时传输现场视频信息等问题。 发明内容[0006] 针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种基于甚高频平面天线的远程机器人驱动器控制装置，具备多端口和多频带及带宽范围大等特点，配合两组驱动器组合，提升机器人控制自由度及实施与控制的简单性。 [0007] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于甚高频平面天线的远程机器人驱动器控制装置，包括驱动器装置本体，所述驱动器装置本体包括甚高频天线，所述甚高频天线分别连接有第一驱动器甚高频通信控制模块和第二驱动器甚高频通信控制模块，且甚高频天线同时连通有视频捕获模块，所述甚高频天线包括地板，所述地板的顶部等距排列有第一顶面金属板和第二顶面金属板及第三顶面金属板，且第一顶面金属板的中部一侧连接有第一馈电单极子，所述二顶面金属板的中部一侧连接有第二馈电单极子，所述第三顶面金属板的中部一侧连接有第三馈电单极子，所述第一顶面金属板的中端另一侧连接有第一短路柱，且二顶面金属板中部另一侧连接有第二短路柱，所述第三顶面金属板的中部另一侧连接有第三短路柱，所述第一馈电单极子的顶端连接有第一槽枝节，且第二馈电单极子的顶端连接有第二槽枝节，所述第三馈电单极子的顶端连接有第三槽枝节，所述地板的顶面等距排列有第一端口和第二端口及第三端口。 [0008] 优选的，所述甚高频天线为加载有源和无源电路的三端口三频带短路单极子天线，为平面型结构，所述第一端口和第二端口及第三端口分别工作于不同频带，且第一端口工作于42MHz附近，用于第一驱动器甚高频通信控制模块的通信控制，所述第一端口和第二端口及第三端口分别对应的天线位置第一槽枝节、第二槽枝节和第三槽枝节可加载无源元件电感器、电容器、电阻器或有源电路； [0009] 其中第三端口工作于49MHz附近，用于第二驱动器甚高频通信控制模块的通信控制，对应的辐射单元加载有串联的电感器、电阻器，所述第二端口工作于66‑167MHz，用于视频传输，对应的辐射单元加载串联的电容器、电阻器。 [0010] 优选的，所述天线位置第一槽枝节和第二槽枝节及第三槽枝节加载无源或有源元件，且位于第一顶面金属板、第二顶面金属板、第三顶面金属板与第一短路柱、第二短路柱、第三短路柱以及第一馈电单极子、第二馈电单极子、第三馈电单极子连接处，且所加载的无源或有源元件主要用于天线阻抗匹配、小型化等； [0011] 其中天线采用SMA探针底馈，第一端口和第二端口及第三端口对应的辐射单元独立不接触，且固定连接并排列于地板顶面。 [0012] 优选的，所述第一驱动器甚高频通信控制模块和第二驱动器甚高频通信控制模块从不同无线甚高频频段接收从远程发送过来的驱动器控制信号，其硬/软件组成包含射频电路、解调、信号处理等模块，且第一驱动器甚高频通信控制模块和第二驱动器甚高频通信控制模块对应不同射频端口，工作于不同频带。 [0013] 优选的，所述视频捕获模块，包含一个摄像头，以及视频压缩、编码等处理模块，且视频捕获模块主要辅助驱动器的控制执行。 [0014] 优选的，所述第一驱动器甚高频通信控制模块和第二驱动器甚高频通信控制模块及视频捕获模块共用一个甚高频天线，且三者分别对应不同端口、占据不同频。 [0015] 优选的，所述驱动器装置本体所控制的驱动器为准直驱动器，驱动器包含电机、减速器等，且连接的机械部件可为轮式或足式机械腿或其他抓取机械部件。 [0016] 与现有技术相比，本发明的有益效果是： [0017] 1、此驱动器控制装置主要通过甚高频天线在甚高频40‑167MHz范围通信传输驱动器控制信号以及视频监控信号，实现远程机器人的操控，且考虑机器人实施与控制的简单性，通过选择两个驱动器通信控制模块，从而对应两个自由度，同时考虑机器人运动的稳定性，联合视频监控进行控制，使用便捷且操作信号稳定。 [0019] 图1为本发明的远程机器人驱动器控制模块连接图； [0020] 图2为本发明中所采用的甚高频平面天线三维结构图； [0021] 图3为本发明中所采用的甚高频平面天线二维XY平面结构图； [0022] 图4为本发明中所采用的甚高频平面天线的|S11|参数。 [0023] 图中：1、地板；2、第一顶面金属板；3、第二顶面金属板；4、第三顶面金属板；5、第一馈电单极子；6、第二馈电单极子；7、第三馈电单极子；8、第一短路柱；9、第二短路柱；10、第三短路柱；11、第一槽枝节；12、第二槽枝节；13、第三槽枝节；14、第一端口；15、第二端口；16、第三端口。 具体实施方式[0024] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0025] 请参阅图1‑4，本发明提供一种技术方案：一种基于甚高频平面天线的远程机器人驱动器控制装置，包括驱动器装置本体，驱动器装置本体包括甚高频天线，甚高频天线分别连接有第一驱动器甚高频通信控制模块和第二驱动器甚高频通信控制模块，且甚高频天线同时连通有视频捕获模块，甚高频天线包括地板1，地板1的顶部等距排列有第一顶面金属板2和第二顶面金属板3及第三顶面金属板4，且第一顶面金属板2的中部一侧连接有第一馈电单极子5，二顶面金属板3的中部一侧连接有第二馈电单极子6，第三顶面金属板4的中部一侧连接有第三馈电单极子7，第一顶面金属板2的中端另一侧连接有第一短路柱8，且二顶面金属板3中部另一侧连接有第二短路柱9，第三顶面金属板4的中部另一侧连接有第三短路柱10，第一馈电单极子5的顶端连接有第一槽枝节11，且第二馈电单极子6的顶端连接有第二槽枝节12，第三馈电单极子7的顶端连接有第三槽枝节13，地板1的顶面等距排列有第一端口14和第二端口15及第三端口16。 [0026] 本实施方案中，第一驱动器甚高频通信控制模块和第二驱动器甚高频通信控制模块从不同无线甚高频频段接收从远程发送过来的驱动器控制信号，其硬/软件组成包含射频电路、解调、信号处理等模块，且第一驱动器甚高频通信控制模块和第二驱动器甚高频通信控制模块对应不同射频端口，工作于不同频带。 [0027] 具体的，远程机器人驱动器通信控制装置整体主要组成如图1所示，另外还包含电源模块，两驱动器各对应一个通信控制模块，其主要基于FPGA和ARM的嵌入式硬件板，软件包含软件无线电GNU radio等库及程序。控制信号通过通信控制模块上的有线连接至驱动器的控制端，远程控制器通过不同频点的无线发送与接收，分别对第一驱动器甚高频通信控制模块和第二驱动器甚高频通信控制模块进行远程控制操作，由于采用甚高频无线通信频段，采用相应的传输协议，其驱动器可选择准直驱动器或相关模组，其包含电机、减速器等部件。 [0028] 本实施例中，视频捕获模块，包含一个摄像头，以及视频压缩、编码等处理模块，且视频捕获模块主要辅助驱动器的控制执行。 [0029] 具体的，视频捕获模块包含摄像头、视频编码、视频压缩等模块，通过天线66‑167MHz甚高频段传输至远程接收端。远程端可视监控双足机器人的运动环境。视频压缩格式为H.264。 [0030] 本实施例中，甚高频天线为加载有源和无源电路的三端口三频带短路单极子天线，为平面型结构，第一端口14和第二端口15及第三端口16分别工作于不同频带，且第一端口14工作于42MHz附近，用于第一驱动器甚高频通信控制模块的通信控制，第一端口14和第二端口15及第三端口16分别对应的天线位置第一槽枝节11、第二槽枝节12和第三槽枝节13可加载无源元件电感器、电容器、电阻器或有源电路； [0031] 其中第三端口16工作于49MHz附近，用于第二驱动器甚高频通信控制模块的通信控制，对应的辐射单元加载有串联的电感器、电阻器，第二端口15工作于66‑167MHz，用于视频传输，对应的辐射单元加载串联的电容器、电阻器。 [0032] 具体的，甚高频天线的整体结构图如图2、3所示，为平面结构，天线长L1＝300mm，宽W1＝100mm，高40mm，由顶面为第一顶面金属板2边长为W1＝100mm、第二顶面金属板3边长为L2＝80mm、第三顶面金属板4边长为L2＝80mm、第一馈电单极子5、第二馈电单极子6、第三馈电单极子7、第一短路柱8、第二短路柱9、第三短路柱10组成，其底端为地板1，顶面第一顶面金属板2和第二顶面金属板3及第三顶面金属板4挖有中心带有枝节的方形槽，边长为L3＝30mm，第一馈电单极子5、第二馈电单极子6、第三馈电单极子7以及第一短路柱8、第二短路柱9、第三短路柱10与第一槽枝节11、第二槽枝节12、第三槽枝节13加载无源元件，其中馈电单极子通过无源元件与槽枝节相连接，且第一槽枝节11、第三槽枝节13位置枝节两边加载串联的电感器和电阻器，第二槽枝节12位置枝节两边加载串联的电容器和电阻器，同时第二槽枝节12位置枝节方向与第一槽枝节11、第三槽枝节13枝节方向相反，此天线三个端口中，第一端口14对应|S11|，第二端口15对应|S22|，第三端口16对应|S33|，采用SMA探针底部馈电，同时采用HFSS构建天线结构及性能仿真，二仿真天线|S11|<‑10dB三频带为：42.6‑43MHz、48‑50MHz、66‑167MHz，天线的带宽和增益可在第一槽枝节11和第二槽枝节12及第三槽枝节13位置通过加载有源电路如non‑Foster电路等方式进一步的提高。 [0033] 本发明的工作原理及使用流程：主要通过控制器内部搭载的多端口频带的甚高频天线，在甚高频40‑167MHz范围通信传输驱动器控制信号以及视频监控信号，实现远程机器人的操控。考虑机器人实施与控制的简单性，选择两个驱动器，对应两个自由度，考虑机器人运动的稳定性，联合视频监控进行控制。 |
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