【正文】 南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文） 第 1 頁 共 60 頁 引 言 眾所周知， 控制 在人類的日常生活中是無法分割的一部分，研究 控制學(xué) 是人類創(chuàng)造美好生活的必要課題， 測量控制 也是 許多學(xué)科 中發(fā)展得 非常廣泛 的一門學(xué)科。在現(xiàn)代社會生產(chǎn)活動中， 測量控制 廣泛應(yīng)用于通信、醫(yī)療、機(jī)械、電子、環(huán)境等各個行業(yè)之中。但是 當(dāng)你不能夠掌握新的測量數(shù)據(jù)控制方法時 就 會使人們束手無策 ， 無法進(jìn)行下面的工作。 在眾多 工業(yè)化測控現(xiàn)場中對核類的測控 對人 類的 發(fā)展 已經(jīng)成為一個不能忽視的方面， 因?yàn)榄h(huán)境中可能存在輻射，但對于老舊設(shè)備又不得不維修、更換，如果不能掌握現(xiàn)場的第一手資料貿(mào)然進(jìn)入是具有很大的風(fēng)險(xiǎn)的。但核能已經(jīng) 成為現(xiàn)今所發(fā)展的不可或缺的能源，所以對核環(huán)境下的測控已經(jīng)成為現(xiàn)代測控所必須面對與攻克的難題，這已經(jīng) 成為當(dāng)前人們的一個共識 。因此，研究整理出系統(tǒng)化的 輻射環(huán)境下的測量控制體系 ，建立起一套行之有效的對輻射環(huán)境下的測量控制 方法，開發(fā)出能夠測量 現(xiàn)場情況并將之有效保存下來 的系統(tǒng) 具有十分重要的意義，同時也是對我們國家 核電站 、環(huán)境保護(hù)以及建設(shè)社會主義生態(tài)文明的必然要求。 1 緒論 課題 背景 在能源工業(yè)發(fā)展及核技術(shù)利用的過程中人類建設(shè)了許多用于科研、醫(yī)療和發(fā)電等用途的設(shè)施。這些設(shè)施滿足了國防和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。早期 的一些核設(shè)施已陸續(xù)完成了它的使命，已經(jīng)或?qū)⒁M(jìn)入換新的階段，而且隨著時間的推移和新的核設(shè)施的建造，還將有更多的核設(shè)施準(zhǔn)備退役，因而它的退役工作變得越來越重要。 二十世紀(jì)九十年代初我國開始解決對歷史遺留設(shè)施和放射性廢物的治理工作，同年５月國務(wù)院批復(fù)關(guān)于已經(jīng)停用的核工業(yè)的設(shè)施和放射性三廢治理問題的請示，由此啟動了一批核設(shè)施退役及放射性廢物治理的項(xiàng)目。這些項(xiàng)目主要針對我國早期的核設(shè)施的退役以及歷史遺留的放射性廢物的治理。但在核設(shè)施退役和放射性廢物治理過程中也存在諸多需要解決的問題。 由于早期科學(xué)技術(shù)的欠缺致使很多 相關(guān)方面的工程資料不完整，使得現(xiàn)在南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文） 第 2 頁 共 60 頁 無法清晰了解其內(nèi)部情況，即使部分有圖紙資料的工程也不具備實(shí)體的三維模型，導(dǎo)致退役方案制定時無法使用先進(jìn)的科學(xué)工具，增加了退役過程中的難度，難以制定最優(yōu)化技術(shù)路線。 為此研究相關(guān)技術(shù)并制作一套軟硬件系統(tǒng)，獲得核設(shè)施內(nèi)部點(diǎn)云信息，轉(zhuǎn)化并建立完整的三維模型數(shù)據(jù)庫，同時添加信息表達(dá)直觀、擴(kuò)展性強(qiáng)的核設(shè)施可視化信息管理系統(tǒng)。通過多種遙控移動測量平臺搭載機(jī)械臂，可實(shí)現(xiàn)不同情況的核設(shè)施內(nèi)部三維模型的建立并在成熟的軟件平臺上實(shí)現(xiàn)可視化管理，并提供友好的數(shù)據(jù)接口以兼容其他管理系統(tǒng)及升級需求。 用以來解決退役和使用中的核設(shè)施的資料得不完整性，使得可以清晰的了解其內(nèi)部情況，為以后的工作奠定基礎(chǔ)。 研究目標(biāo) 本課題在上述背景的前提下只針對機(jī)械手的部分，以單片機(jī)為核心元件設(shè)計(jì)一套系統(tǒng)對機(jī)械臂進(jìn)行控制。在 對機(jī)械手控制為前提的目的上 ，研究 機(jī)械臂在各種不確定的場合下所需要運(yùn)行的軌跡及狀態(tài)，從而確定需要怎樣設(shè)計(jì)系統(tǒng)才能保證該系統(tǒng)的通用性。比如在 A 場合下只需要水平進(jìn)給運(yùn)動， B 場合需要圓周運(yùn)動那么單一執(zhí)行器肯定是不能實(shí)現(xiàn)這個目的的。 研究基于 單片機(jī)硬件電路的程序，怎么合理的設(shè)計(jì)程序使它可以在最少的命令下實(shí)現(xiàn)較 多的功能；研究控制機(jī)械手的控制系統(tǒng)，采用一種怎樣的控制方式實(shí)行控制從而達(dá)到所要結(jié)果。 預(yù)期 實(shí)現(xiàn)功能 （ 1）能夠?qū)崿F(xiàn)控制，控制為本課題的最基本要求，只有在實(shí)現(xiàn)控制的基礎(chǔ)上才可能添加其余的功能； （ 2）可以使機(jī)械臂能夠在不同的場合下都可以方便的運(yùn)動，不必因?yàn)閳鏊淖儞Q而經(jīng)常更換機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)； （ 3）機(jī)械臂所實(shí)現(xiàn)的動作盡量簡單，程序?qū)崿F(xiàn)起來較為方便、穩(wěn)定，避免因?yàn)檫^度復(fù)雜而出現(xiàn)的錯誤； （ 4）是一種點(diǎn)動式或者自鎖式的控制，實(shí)現(xiàn)起來較為簡單但控制上面具有高效性。 南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文） 第 3 頁 共 60 頁 2 總體方案設(shè)計(jì) 主要研究內(nèi)容 單片機(jī)及編程語言 （ 1）單片機(jī)的選取，單片機(jī)擬選用 89C52，該種單片機(jī)具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié) Flash， 512 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線， 看門狗定時器 ，內(nèi)置 4KB EEPROM，MAX810 復(fù)位電路， 3個 16 位 定時器 /計(jì)數(shù)器， 4個外部中斷，一個 7向量 4 級中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng) 51的 5向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)），全雙工 串行口 。另外 STC89C52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時器 /計(jì)數(shù)器、 串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。最高運(yùn)作頻率 35MHz， 6T/12T 可選。 89C52 成本較低但可以實(shí)現(xiàn)本課題的所有任務(wù)要求，具有很高的性價比。 （ 2）編程語言的選取，現(xiàn)在常用的單片機(jī)編程語言有匯編語言和 C 語言。匯編語言作為最接近機(jī)器碼的語言是一種用文字助記符來表示機(jī)器指令的符號語言。其主要特點(diǎn)是不怎么需要占用資源，程序具有較高的執(zhí)行率，由于他的每條指令都有相對應(yīng)的機(jī)器碼，所以每一步的執(zhí)行動作非常具有條理，并且程序大小和堆棧 調(diào)用情況都十分容易控制，調(diào)試起來也比較方便。對于不同的單片機(jī)匯編語言是不太一樣的，他不能隨意復(fù)制。但懂得匯編語言可幫助了解影響任何語言效率的特殊規(guī)定。例如，懂得匯編語言指令就可以使用在片內(nèi) ram作變量的優(yōu)勢，因?yàn)槠庾兞啃枰獛讞l指令才能設(shè)置累加器和數(shù)據(jù)指針進(jìn)行存取。對于啟用函數(shù)和使用浮點(diǎn)數(shù)時也只有具備匯編編程經(jīng)驗(yàn)才能避免生成龐大的、效率低的程序，對于這方面的編程，沒有匯編語言是做不到的。但是單片機(jī)的 C語言是一種編譯型程序設(shè)計(jì)語言，它兼顧了多種高級語言的特點(diǎn)，并具備匯編語言的功能。C語言具有功能豐富的庫函數(shù)， 運(yùn)算速度快，編譯效率高，有良好的可移植性，而且可以實(shí)現(xiàn)直接對系統(tǒng)硬件的控制。此外， C語言程序具有完整的程序模塊結(jié)南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文） 第 4 頁 共 60 頁 構(gòu)，從而為軟件開發(fā)中采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法提供了有力的保障。在經(jīng)過綜合考慮現(xiàn)選取 C 語言為本次程序的編程語言。在 keil3 的配合下轉(zhuǎn)變成機(jī)器碼實(shí)現(xiàn)protues 仿真和對硬件電路的驅(qū)動，使機(jī)械臂能夠完成所設(shè)計(jì)的一系列動作。 執(zhí)行器 執(zhí)行器的介紹，執(zhí)行器（ final controlling element）是 自動化技術(shù)工具中接收控制信息并對受控對象施加控制作用的裝置。執(zhí)行器也是控制系統(tǒng)正向通路中直接改變操縱變量的 儀表 ，也是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。 （ 1）執(zhí)行器有多種多樣其中，氣動執(zhí)行器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是統(tǒng)一的整體，其執(zhí)行機(jī)構(gòu) 有薄膜式和活塞式兩類。活塞式行程長，適用于要求有較大推力的場合；而薄膜式行程較小，只能直接 帶動閥桿。由于氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)有結(jié)構(gòu)簡單，輸出推力大，動作平穩(wěn)可靠，并且安全防爆等優(yōu)點(diǎn)，在發(fā)電廠、化工，煉油等對安全要求較高的生產(chǎn)過程中有廣泛的應(yīng)用。電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要應(yīng)用于動力廠或核動力廠。電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)就是高度的穩(wěn)定和用戶可應(yīng)用的恒定的 推力，其可達(dá)到的最大推力不如液動執(zhí)行器，但液動執(zhí)行器造價要比電動高很多。電動執(zhí)行器的抗偏離能力是很好的，輸出的推力或力矩基本上是恒定的，可以很好的克服介質(zhì)的不平衡力，達(dá)到對工藝 參數(shù)的準(zhǔn)確控制，所以控制精度比氣動執(zhí)行器要高。如果配用伺服放大器， 可以很容易地實(shí)現(xiàn)正反作用的互換，也可以輕松設(shè)定斷信號閥位狀態(tài)（保持 /全開 /全關(guān)），而故障時，一定停留在原位，這是氣動執(zhí)行器所作不到，氣動執(zhí)行器必須借助于一套組合保護(hù)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)保位。綜上所述本課題選用電動執(zhí)行器，初步定在選取直流電機(jī)或者進(jìn)步電機(jī)最終實(shí)現(xiàn)對機(jī)械臂的控制。 控制方案 （ 1） 控制方案初步設(shè)想，經(jīng)過初步考慮可采用有線式或無線式的方案。若采用有線式則需要線纜連接，從而傳輸大數(shù)據(jù)、實(shí)時控制及供電問題。但線纜的連接在輻照環(huán)境下會產(chǎn)生二 次污染繼而增加成本。非接觸式控制本質(zhì)則是電磁波的傳送，但是輻照環(huán)境多半是密閉的，周圍部有厚實(shí)的隔離層。這樣會影響電磁波的接收與發(fā)送可能得不到想要的結(jié)果。經(jīng)過綜合考慮選取非接觸式控制系統(tǒng)。加入無線中繼工作中繼站并在移動平臺上搭載計(jì)算機(jī)。在進(jìn)入某些封閉環(huán)境下時數(shù)據(jù)先傳送至移動平臺上的計(jì)算機(jī)中（三維掃描儀與計(jì)算機(jī)之間采用有線連接）南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文） 第 5 頁 共 60 頁 待得掃描結(jié)束出來時可以通過中繼站傳送到遠(yuǎn)程終端。 （ 2） 可以采用紅外遙控、藍(lán)牙技術(shù)等。紅外遙控的發(fā)射電路是采用 紅外發(fā)光二極管 來發(fā)出經(jīng)過調(diào)制的紅外光波；紅外接收電路由 紅外接收二極管 、 三極管或硅光電池組成，它們將紅外發(fā)射器發(fā)射的紅外光轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號，再送后置放大器。發(fā)射機(jī)一般由指令鍵 (或操作桿 )、指令編碼系統(tǒng)、調(diào)制電路、 驅(qū)動電路 、發(fā)射電路等幾部分組成。當(dāng)按下指令鍵或推動操作桿時，指令編碼電路產(chǎn)生所需的指令編碼信號，指令編碼信號對載波進(jìn)行調(diào)制，再由驅(qū)動電路進(jìn)行功率放大后由發(fā)射電路向外發(fā)射經(jīng)調(diào) 制定的指令編碼信號。接收電路一般由接收電路、放大電路、調(diào)制電路、指令譯碼電路、驅(qū)動電路、執(zhí)行電路 (機(jī)構(gòu) )等幾部分組成。接收電路將發(fā)射器發(fā)出的已調(diào)制的編碼指令信號接收下來，并進(jìn)行放大后送解調(diào)電路，解調(diào)電路將已調(diào)制的指令編碼信號解調(diào)出來，即還原為編碼信號。指令譯碼器將編碼指令信號進(jìn)行譯碼，最后由驅(qū)動電路來驅(qū)動執(zhí)行電路實(shí)現(xiàn)各種指令的操作控制（機(jī)構(gòu)）。具有抗干擾能力強(qiáng)，信息傳輸可靠，功耗低，成本低，易實(shí)現(xiàn)等顯著優(yōu)點(diǎn)。 （ 3） 在電腦上可以設(shè)計(jì)一款上位機(jī)用來輔助控制，通過串口方式可以有效地提高控制距離，增加穩(wěn)定性降低影響還可 以將收集到的資料更好的返還回來保存在計(jì)算機(jī)中。并由計(jì)算機(jī) B 通過網(wǎng)絡(luò)等 IP 協(xié)議對它進(jìn)行進(jìn)一步的控制。為后續(xù)的工作打下良好的基礎(chǔ)。 初步 設(shè)計(jì) 方案 及對比 初步設(shè)計(jì)方案 本課題是基于單片機(jī)的多功能控制系統(tǒng)，在對單片機(jī)、執(zhí)行器、編程語言、控制方案的選取 4 個方面問題的考慮和解決后，逐一通過程序及計(jì)算機(jī)仿真建立模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測試。并將出現(xiàn)的問題記錄下來調(diào)試。待的每一個小功能都能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)后，將整個系統(tǒng)組合起來進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)，繼續(xù)記錄問題并調(diào)試。直到本課題的研究成功。 如圖 所示： 南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文） 第 6 頁 共 60 頁 圖 初步設(shè)計(jì)方案 操作人員經(jīng)過遠(yuǎn)程遙控，控制掃描裝置移動平臺進(jìn)入掃描現(xiàn)場，先行搭建通信及充電中繼站，然后搭載三維掃描裝置進(jìn)入現(xiàn)場，在特種機(jī)械手操作下對指定目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行多角度掃描，獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)及當(dāng)前位置信號通過通信網(wǎng)絡(luò)即時傳輸?shù)竭h(yuǎn)程主機(jī)存儲，飛行器可搭載三維掃描裝置對其他行走裝置運(yùn)行 困難區(qū)域掃描。獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后進(jìn)行 3D建模，導(dǎo)入可視化管理系統(tǒng)。 經(jīng)過多方面考慮在少機(jī)構(gòu)多通用的原則下，機(jī)械部分?jǐn)M實(shí)現(xiàn)以下功能，一個安裝到基座可以帶動整個機(jī)械部分運(yùn)動的電機(jī)，兩段分別可以實(shí)現(xiàn)垂直、水平運(yùn)動的機(jī)械臂。通過遙控機(jī)器人把設(shè)備室操作平臺架設(shè)在設(shè)備室上方，控制垂直升降臂下降到適合位置，可回轉(zhuǎn)水平伸縮臂及末端工作臺帶動掃描裝置在不同位置進(jìn)行掃描，用以獲取不同視角的設(shè)備室內(nèi)部點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖 所示： 基于52 單片機(jī)的多功能控制系 統(tǒng) 方 案 單片機(jī) 單片機(jī)型號： 89C52 編程語言： C 語言 執(zhí)行器 直流電機(jī) 控制方案 紅外線遠(yuǎn)程遙控 上位機(jī)控制界面 模擬實(shí)驗(yàn) 電路 程序 南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文） 第 7 頁 共 60 頁 1行走移動平臺 2設(shè)備室機(jī)械臂平臺 3設(shè)備室 4垂直升 降臂 5水平伸縮臂 6末端工作臺 7掃描裝置 圖 設(shè)備室掃描方案示意圖 通過遠(yuǎn)程控制程序達(dá)到控制 4的垂直運(yùn)動和 5的水平運(yùn)動并且整個機(jī)械機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn) 360 度的旋轉(zhuǎn)來滿足三維掃描裝置可以完成對設(shè)備室的掃描，繼而完成任務(wù)。 可以將非接觸充電技術(shù)引入移動平臺供電中，研制一個具有非接觸式充電及無線中繼的工作中繼站，能用機(jī)器人搬運(yùn)、安置在指定位置，通過短距離無線通信及非接觸充電解決大數(shù)據(jù)傳輸、實(shí)時控制及供電問題。 具體方法是首先通過機(jī)器人將工作中繼站帶入工程內(nèi)部指定位置，然后通過非接觸方式充電技術(shù)對機(jī)器人攜帶的 電池進(jìn)行充電。一旦充電結(jié)束，可以立即繼續(xù)剩下的工作，這樣可以提高效率、減小移動電纜過長而帶來的二次污染等一系列問題。電能傳送部分放在電纜終端處。用于等候機(jī)器人平臺的到來，一旦檢測到機(jī)器人平臺在諧振發(fā)射器的上方，將自動開啟工作。第一個微處理器通過檢測諧振電流大小來判斷是否有移動機(jī)器人過來充電。第二個微處理器主要檢測電池組件是否缺電，控制直流變換器是否給電池組件充電，同時也檢測諧振線圈輸入電流大小，判斷充電位置是否到位，然后給機(jī)器人控制器發(fā)出是否移動的驅(qū)動信號。 南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文） 第 8 頁 共 60 頁 3 硬件設(shè)計(jì) 基本系統(tǒng) 下面先介紹下 本課題所用單片