除銹爬壁機器人控制系統(tǒng)的設計

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除銹爬壁機器人控制系統(tǒng)的設計 1 前言 控制系統(tǒng)是船舶壁面除銹爬壁機器人的重要組成部分，其負責完成對除銹爬壁機器人的行走和轉向功能的控制，使機器人能夠按照預定的軌跡去工作，因此對除銹爬壁機器人控制系統(tǒng)提出如下基本要求 : (1)控制系統(tǒng)方便、可靠性高、操作靈活，便于操作人員使用 ; (2)通過功能按鍵可以設定機器人的多極移動速度，并可實時調整運動方向和運動速度，實現機器人在船體表面上的全方位移動 ; (3)由于船舶除銹現場環(huán)境惡劣，除銹爬壁機器人的工作環(huán)境制約了其控制方式， 本系統(tǒng)采用簡單實用、可靠性高的有線遙控，其控制距離需大于 30米。 (4)控制系統(tǒng)能實現除銹爬壁機器人的簡單作業(yè)，保證機器人在爬行過程中的除銹質量。 2 除銹爬壁機器人控制系統(tǒng)的總體方案 除銹爬壁機器人在船體表面上的行走和轉向是通過左右兩個交流伺服電機的驅動來實現的。當左右兩個伺服電機的轉速與轉向相同時，爬壁除銹機器人在船體表面上實現直線行走。電機正轉時，機器人前進 ;電機反轉時，機器人后退。當左右兩個伺服電機的轉向相反時，除銹爬壁機器人在船體表面上實現轉向。 綜合考慮各種控制形式的優(yōu)缺點，結合船舶除銹的實際情況， 爬壁機器人的控制系統(tǒng)采用上下位機二級分布式控制方式，以保證即使在無操作人員參與的情況下，下位機 也可以按照上位機通過串口預先給定的指令和參數實現自主作業(yè)，從而使船舶壁面除銹 爬壁機器人具有高效除銹、自動化水平高和減少操作人員操作強度的性能 ;操作人員也 以通過觀測船體表面的實際銹蝕狀況，根據除銹爬壁機器人的實際作業(yè)情況，隨時切換到人工操作狀態(tài)，以提高機器人的實時性、實用性和高效性。 在本控制系統(tǒng)中，上位機和下位機都是基于單片機而設計的。上位機是以 要由 陣鍵盤以及標準的 85接口構成，其作用是通過各功能按鍵向下位機發(fā)送指令，以實現對爬壁機器人伺服電機的遠程控制。下位機控制器安裝于機器人本體的背面，控制器內部裝有兩個伺服電機驅 動器、直流電源模塊、和控制電路板。下位機控制電路板也是以 為核心，主要由 8155擴展 1/0接口電路、 換與運算放大電路、 數字量輸入輸出接口電 路、電源轉換電路以及與上位機進行通訊的 85標準接口構 成，其作用是根據上位機傳送的初始化參數和動作指令進行動作，控制左右兩個伺服驅 動器，驅動左右兩個交流伺服電機運動，從而控制除銹爬壁機器人的行走和轉向。圖 1 為除銹爬壁機器人控制系統(tǒng)總體框圖。 圖 1除銹爬墻機器人控制系統(tǒng)總體結構框圖 3 除銹爬壁機器人控制系統(tǒng)的硬件設計 位機控制系統(tǒng)的硬件設計 下位機控制系統(tǒng)是爬壁機器人控制系統(tǒng)的核心部分，其主要功能是實現對左右伺服電機的運動控制以及與上位單片機控制系統(tǒng)之間進行通訊，以完成對機器人作業(yè)的控制。整個 下位機控制硬件主要由兩個伺服電機驅動器和下位單片機控制電路板構成。下位單片機控制電路板主要輸出模擬量電壓信號來控制左右兩個伺服驅動器，進而控制左右兩個伺服電機的運轉，從而達到控制除銹爬壁機器人行走與轉向的目的，同時它又擔負著和上位機控制器之間的通訊任務，將上位機傳送過來的控制指令處理后，再將相應的電壓信號傳遞給伺服驅動器，從而實現遙控操作的功能。整個下位機電路板由 8155D/字量輸入輸出接口電路、電源轉換電路以及與上位機進行通訊的 85標準 接口電路構成。 流伺服電機驅動器 根據前面對伺服電機的選型可知，本課題選用的是調速范圍寬、響應快、抗干擾性強的安川 4之相匹配的伺服驅動器型號為 4伺服驅動器有三種控制模式 :速度控制模式、轉矩控制模式和位置控制模式。本系統(tǒng)采用速度控制模式，可通過伺服驅動器的用戶參數 0V，其電機轉速與指令電壓成線性關系，速度指令電壓與電機轉速對應關系如表 1所示 [1]。 表 1速度指令壓電與電極轉速對應關系 正常工作時，伺服驅動器接受來自單片機控制系統(tǒng)的伺服準備信號，使伺服電機通 電，處于運行狀態(tài)，然后根據加在 V~端口上的由單片機控制系統(tǒng) D/且通過模擬指令電壓的正負來確定電機的 正反轉，從而確定爬壁機器人在船體表面上的行走速度和運動方向，同時單片機控制系 統(tǒng)通過電平轉換電路檢測伺服驅動器的伺服狀態(tài)輸出信號，并根據接收到的信號對伺服 驅動器進行相應的控制。此外通過伺服電機的編碼器反饋，可以獲得伺服電機實際工作 時轉子的位置和電機的轉速。如圖 2所示為爬壁機器人單側交流伺服驅動系統(tǒng)控制接線示意圖。 圖 2交流伺服驅動系統(tǒng)控制接線示意圖 性能 內含 428個字節(jié)的隨機存取數據存儲器 (器件采用易失性存儲技術制造。兼容標準 1指令系統(tǒng)，片內配置通用 8位中央處理器 ( 片上的 非易失存儲編程器對程序存儲器重復編程。 位 很多嵌入式控制應用提供了非常靈活而又價格適宜方案，具有較高的性能價格比 [2]。 1. 與 1產品指令系統(tǒng)完全兼容。 2. 片內有 43. 存儲器可循環(huán)寫入 /擦除 1000。 4. 存儲數據保存時間為 10年。 5. 寬工作電壓范圍 :V。 6. 時鐘頻率范圍 :4 7. 程序存儲器具有 3級加密保護。 8. 128 9. 32個可編程 1/0接口線。 10. 2個 16位定時 /計數器。 11. 中斷結構具有 5個中斷源和 2個優(yōu)先級。 12. 可編程全雙工串行 13. 空閑狀態(tài)維持低功耗和掉電狀態(tài)保存存儲內容。 圖 3時鐘電路 圖 4復位電路 過該引腳可以使程序從指定處開始執(zhí)行，即從程序存儲器中的 要在 片機內部則 開始復位。只要 有當 000此， 作必須要有合適的時鐘電路和復位電路。圖 3和圖 4分別為 時鐘電路由一個 120們決定了單片機的工作時間精度為 1微秒。復位電路由 22協 鍵以及 成，可實現上電復位和按鍵復位。通常的復位采用 10協 電路，在本系統(tǒng)中我們根據實際經驗選用 22協 好處是在滿足單片機 可靠復位的前提下降低了復位引腳的對地阻抗，可以顯著增強單片機復位電路的抗干擾 能力。其中 現短時間內多次 復位。 8155擴展 1/0接口電路 在爬壁機器人下位機控制系統(tǒng)中，兩個伺服驅動器正常工作所需單片機的輸入輸出 信號較多，需占用 89的輸入輸出口線并不多，只有 位 3口的某些位線可作為輸 入輸出線使用，輸入輸出線不足 16條，因此，為滿足系統(tǒng)需求， 外擴輸入輸出 (口芯片。 ，用戶可以把外部 64O 接口的地址空間，每一個接口芯片中的一個功能寄存器口地址就相當于一個 單元， 其功能寄存器 進行讀、寫操作。 在 本系統(tǒng)中，我們采用 15芯片內包含有 256個字 節(jié)的靜態(tài) 個可編程的 8位并行口 個可編程的 6位并行口 4位減法定時器 /計數器?？梢詾閱纹瑱C提供 22個輸入輸出口線和一個 256 字節(jié)的 于 8155可以直接和 片機接口，不需要增加任何硬件邏輯。因而其靈活方便，可作為單片機與多種外圍設 備相連時的接口芯片。 81550個引腳，采用雙列直插式封裝。 在本控制系統(tǒng)中，通過 ，其接口電路原理圖如圖 中 8155只有當 1558155，當 10/麗 =0時， 155擇 8155H 的 當 10/麗 =1時， 155口的地址，選擇 8155本系統(tǒng)中使用 8155展 1/0口，因此系統(tǒng)工作時應使 擇 81558155信號而和寫選通信號麗都為低電平有效，其分別由 供。當瓦 =0， 10/麗 =1，而端為低電平時， 8155單片機讀入 ;當瓦 =0， =1，麗端為低電平時， 8155數據寫入到 81558155為高電平有效，當 時， 8155址 鎖存器” ;否則，地址鎖存器處于封鎖狀態(tài)。 8155位端相連，都接到 者共用一個復位電路。 圖 5 155在爬壁機器人的下位單片機控制系統(tǒng)中，伺服驅動器的伺服準備輸入信號和伺服狀 態(tài)輸出信號主要是 155A、 而 155A、 8155H 的 1/0口編址見表 3]。 表 2 8155\根據圖 5中 155及表 2中所列 8155知在該系統(tǒng)中， 8155口、 C 口地址分別為 77令寄存器和狀態(tài)寄存器共用一個端口地址，在本系統(tǒng)中地址可為 7命令寄存器只能寫入不能讀出，狀態(tài)寄存器 只能讀出不能寫入。 口的工作方式是通過 8155位命令寄存器的低 4位來定義的，具體命令控制字的格式如圖6所示 1621。當系統(tǒng)確定了 8155、 B、 通過單片機編程將相應的命令控制字寫入到 8155而使各 1/0在預定的方式下工作。在本控制系統(tǒng)中， 許 時計數器無操作，則相應的命令控制字為 16H。 圖 6 8155命令控制字格式 D/由于在本控制系統(tǒng)中，爬壁除銹機器人的伺服電機驅動系統(tǒng)采用的是模擬電壓控制，伺服電機的轉速與電壓成正比關系。而單片機只能輸出數字量，因此要獲得模擬量電壓必須對單片機輸出的數字量進行 D/而通過模擬量電壓來控制伺服電機的轉速和轉向。本控制系統(tǒng)中要對兩個伺服電機實現轉速和轉向的同步控制，因此需要兩路同步工作的 D/于兩個伺服電機完全相同，所以進行 D/面就單路 D/ 在本控制電路中，單路 D/個 0電路原理圖如圖 7所示。該電路可輸出雙極性模擬量電壓，既可以實現對伺服電機的轉速控制，也可以實現對伺服電機的轉向控制。 圖 7 D\位 采用 20引腳雙列直插式封裝，由 8位輸入寄存器、 8位 位 D/主要特性有 [4]: 8位分辨率 ; 電流輸出，穩(wěn)定時間為 1娜 ; 可單緩沖、雙緩沖或直接數字輸入 ; 只需在滿量程下調整其線性度 ; 單一電源 供電 (+15V); 用時可直接將芯片的數據輸入線和 機的數據總線相連，作為一個擴展的 于 控制伺服電機所需要的是電壓信號，因此我們通過運算放大器 7將 用兩級運放電路的目的是為了獲得雙極性輸出電 壓。圖 7中， 3為反饋電阻，變阻器 面對 進一步介紹。 圖 8 如圖 中， 式中： 根據基爾霍夫電流定律，任一瞬時， 有 : 由上式可得： 由式 (知，當 0080當80H<同，為正電壓 ;當 0。 成正比。綜上， 將 一 過單片機向 過 D/ 從而使伺服電機在相應的轉速和轉向下運行。 圖 9 兩片 除銹爬壁機器人左右兩個伺服電機的運動控制都是通過上述 D/運算放大 電路來實現的，且它們的同步運動是由兩路經 D/同步輸出來實現的。當 輸出，此時 圖 9所示為兩片 電路可得 到兩路同步輸出的模擬量電壓。 由圖 9可知， l#2#硯和 l#和 2# 1#2#的地址為 1#和 2#7常工作時， l#和 2# 位輸入寄存器中，然后再通過選口地址 據同時送入相應的 8位 實現同步 D/過各自的運算放大電 路，便可以得到兩路同步輸出的模擬量電壓。 數字量輸入輸出接口電路 伺服驅動器除了需要模擬量電壓輸入來控制伺服電機運行外，其正常工作還需要有 相應的數字量輸入作為伺服控制信號，而且伺服驅動器的運行狀態(tài)信號也是通過數字量 輸出的，因此，采用 需要設計相應的數 字量輸入輸出接口電路。 由于 ，在本系統(tǒng)中采用了 8155了三個 中 口用來作為數字量輸出口，為伺服驅動器提供數字量輸入 信號， 來采集伺服驅動 器的運行狀態(tài)信號。 伺服驅動器的輸出 (附錄 5一 32線 )是十、一差分信號輸出，而 8155數字量輸入，因此要通過 8155需要在它們之間外加轉換電路。圖 10所示為單路伺服驅動器數字量輸出接口轉換電路，轉換后得到的電平信號 接輸入到 8155A 口。 圖 10 伺服驅動器輸出轉換電路 伺服驅動器的數字量輸入由 24 8155V，它 們之間不能直接相連，需在它們之間 加入光電藕合器 這樣既可以實現 8155防止了伺服驅動器對控制電 路板的干擾。如圖 11 所示為單路伺服驅動器的數字量輸入轉換電路圖，輸入到伺服驅 動器的數字量信號由 155 圖 11 伺服驅動器的數字量輸入轉換電路 整個控制電路板的數字量輸入輸出接口電路如圖 12所示。 圖 12 數字量輸入輸出接口電路 一 485通訊接口電路 由于除銹爬壁機器人在工作過程中要求其下位機控制系統(tǒng)與上位機控制系統(tǒng)之間 的通訊距離需大于 30米，而采用單片機本身的 傳輸距離 一般不超過 抗干擾性差。為增大數據傳輸的通訊距離和提高數據傳輸的抗干擾 能力，在本系統(tǒng)中我們采用 85標準串行通信方式進行數據傳輸。 85是美國電氣工業(yè)聯合會 (定的利用平衡雙絞線作為傳輸線的多點通訊 標準。它采用一對平衡差分信號線進行傳輸，最大傳輸距離可達 85標準允許最多并聯 32個驅動器和犯個收發(fā)器。接收 器最小靈敏度可達士 20大傳輸速 率可達 s。 85協議是針對遠距離、高靈敏度、多點通訊制定的標準。 由于 85采用的是差分信號，與單片機的 此兩者接口時需 進行電平轉換，在本系統(tǒng)中，我們采用 芯片既可作為 85的驅動器又可作為接收器。 85芯片，采用單一電源 +定電流為 300林 A，采用半雙工通訊方式，它完成將85電平的功能，其引腳結構圖如 圖 13所示。 圖 13 從圖 13中可以看出， 部含有一個驅動 器和接收器。 和 為接收和發(fā)送的使能端，當麗為邏輯 0時，芯片處于接收狀態(tài) ;當 時，芯 片處于發(fā)送狀態(tài)。由于 以只需用單片機的一個管腳控 制麗和 端為接收和發(fā)送共用的差分信號端。若 ， 當發(fā)送的數據為邏輯 1時， 當發(fā)送的數據為邏 輯 0時， 若麗二 O，當 全 收端 當 三一 收端 端和 圖 14所示為本控制系統(tǒng)中 了消除反射和吸收噪音，在 端和 阻值為 1200的電阻。 圖 14 系統(tǒng)電源解決方案 在本控制系統(tǒng)的設計中用到了多種電壓信號。除銹爬壁機器人的交流伺服電機、伺 服驅動器以及開關電源的供電都為交流 220V，開關電源可為下位機控制系統(tǒng)提供 +24V、 月 外 +準電壓，其對電源的精度要求較高，需要選取適宜的電源模塊，設計相應的 換電路。 在 +1C/取 該芯片可 為 8到 14位 別為電源輸入端 +壓輸出端 常情況下，在其電源輸入端 +3其電壓輸出端 能得到一個精度較高的 +這需要元器件具有較高的質量等級。而實際上， 元器件本身不可避免地會存在著一些偏差。為了確保其輸出的 +1度，需要在 具體轉換電路如圖 15所示。圖中的 +一 1515阻 R=220時， 0卜 120時， 0R= 圖 15 +10C/位機控制系統(tǒng)的硬件設計 圖 16 上下位機控制系統(tǒng)通訊接口電路連接原理圖 爬壁機器人上位機控制系統(tǒng)的主要功能是實現對下位機控制系統(tǒng)的遠程控制，從而達到控制爬壁機器人在船體表面上行走的速度和方向。上位機控制系統(tǒng)采用 時鐘電路、復位電路、行列式非編碼鍵盤電路以及 85通訊電路構成，其主要完成對鍵盤的掃描，并將所按下鍵對應的控制命令通過 85通訊電路發(fā)送給下位機控制系統(tǒng)，使下位機產生相應的動作控制左右伺服電機運動。 在本控制系統(tǒng)中，上位機控制系統(tǒng)與下位機控制系統(tǒng)采用的單片機相同，都為采用的時鐘電路和復位電路與下位機控制系統(tǒng)中 的相同。上位機控制系統(tǒng)中的 85通訊電路與下位機控制系統(tǒng)中的也相同，都是采用 控制系統(tǒng)之間進行通信時，只需將各自 引腳和 體連接電路如圖 16所示。圖中將兩控制系統(tǒng)通訊電路的地相連，主要是確保電平一致，避免傳輸的信號失真。 鍵盤是由若干個按鍵組成的開關矩陣，它是最簡單的單片機輸入設備，通過鍵盤輸入數據和命令，可實現簡單的人機對話。本上位機控制系統(tǒng)中采用的鍵盤為 4只 4的行列式非編碼鍵盤，其具體結構如圖 17所示。在這種鍵盤中，每根行線和列線的交叉處都接有一個按鍵，當某個按鍵被按下時，與這個按鍵相連的行線和列線就會接通，否則是斷開狀態(tài)。一個 條行線和 占用 M+系統(tǒng)中的鍵盤共占用單片機 8條 獨立式非編碼鍵盤相比，節(jié)省了單片機 8條 圖 17 4 圖 18 上位機控制系統(tǒng)硬件電路原理圖 如圖 18所示為上位機控制系統(tǒng)硬件電路原理圖。圖中， 4V，當鍵盤上沒有鍵閉合時，所有的行線和列線都斷開 ，行線3呈高電平。當鍵盤上的某一個鍵閉合時，該鍵所對應的行線和列線短路。例如，線 時 控制 中將行線 3對應地接到 列線 3對應地接到 通過單片機的控制，使 ，即列線 余三根 列線 后單片機通過 果 3都為高電平，則 果讀出行線的狀態(tài)不全為高 電平， 則低電平的行線和 如果 著使列線 余列線為高電平，用同樣的方法檢查 此類推，這種逐行逐列地檢查鍵盤狀態(tài)的過程稱為對鍵盤的一次掃描。 可以采取定時控制 方式，每隔一定的時間 可以采用中斷方式，當鍵盤上有鍵閉合時，向 鍵盤掃描，以識別哪一個按鍵處于閉合狀態(tài)，并對按鍵輸入信息作出相應處理。 根據行線和列線的狀態(tài)求得，也可以根據據行線和列線的狀態(tài)查表求得。 參考文獻 [1] 安川電機中文用戶手冊 2003. 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