【正文】 理圖24 Schematics of LMD18200 電源模塊設(shè)計(jì) 電源模塊設(shè)計(jì) 根據(jù)手動(dòng)機(jī)器人供電最高電壓為電機(jī)額定電壓 24V 故手動(dòng)機(jī)器人供電采用兩節(jié)12V 鋰電池供電，而 STM32 的供電典型電壓為 ；ATmega32L 、編碼器等供電典型電壓為 5V；氣動(dòng)模塊供電則需要 12V。本設(shè)計(jì)需要提供以上 4 種電壓并且，考慮到信號(hào)要隔離，所以要分別設(shè)計(jì) 2 個(gè) 5V 供電端口。 。由表 9 我們可以選擇利用 MC7812 將電池供電電壓 24V 穩(wěn)壓到 12V 提供 12V 供電；再分別用 2 個(gè) MC7805 將 12V 電壓穩(wěn)壓至 5V 提供兩路 5V 供電。 STM32 是中央處理模塊，電源電壓為 必須使用供電更穩(wěn)定的芯片。本設(shè)計(jì)采用 LD1117 其此穩(wěn)壓源輸入最高電壓 16v 可以由 12V 供電端提供，并且輸出電壓精度可控制在 1%的范圍內(nèi)，完全滿足設(shè)計(jì)要求。圖 22 設(shè)備類型/標(biāo)稱輸出電壓 DEVICE TYPE/NOMINAL OUTPUT VOLTAGE X78XX 系列是三端正電源穩(wěn)壓電路，它的封裝形式為 電壓輸出，應(yīng)用非常廣泛。每種類型由于內(nèi)部電流的限制，以及過熱保護(hù)和安全工作區(qū)的保護(hù)，使它基本上不會(huì)損壞。如果能夠提供足夠的散熱片，它們就能夠提供大于 輸出電流。雖然是招安照固定電壓值來設(shè)計(jì)的，但是當(dāng)接入適當(dāng)?shù)耐獠科骷?，就能獲得各種不同的電壓和電流。 電源模塊電路設(shè)計(jì) 在穩(wěn)壓的輸入端和輸出端口，都接了旁路電容進(jìn)行濾波，保證電源電壓的平穩(wěn)性。在24V輸出端看可以考慮接熱敏電阻防止浪涌電流。然后按照 制如圖29。 （電路中的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)POWER_ADC是給單片機(jī)進(jìn)行電源的欠壓監(jiān)測而設(shè)計(jì)25的。電源欠壓的設(shè)計(jì)部分在下面會(huì)有說明） 圖23 電源原理圖 Schematics of Power supply 電機(jī)模塊底盤電機(jī)選型：設(shè)計(jì)前提：(1)底盤最大負(fù)重 M=20kg(機(jī)器人自重)+60kg(操作者體重)+15kg(收集機(jī)器人自重 )=95kg(2)需要的加速度： ?(3)底盤最大速度： V(4)輪子直徑： D=160mm(6)驅(qū)動(dòng)方式： 兩輪直輪驅(qū)動(dòng)機(jī)器人勻速運(yùn)行時(shí)：機(jī)器人勻速驅(qū)動(dòng)需要的最大驅(qū)動(dòng)力：取輪子與地面的摩擦系數(shù)為： =? （1）39。 ???勻取驅(qū)動(dòng)力安全系數(shù) 1??39。???勻 勻電機(jī)勻速行駛的驅(qū)動(dòng)功率： 289065PVW?勻 out勻電機(jī)減速箱為行星減速箱一般效率為： =.?減 速 箱26電機(jī)與輪子為鏈條傳動(dòng)因無鏈條箱取效率為： =?鏈 條電機(jī)勻速行駛的實(shí)際功率 ： in//632P?勻 勻 out減 速 箱 鏈 條電機(jī)額定電壓： 24V電機(jī)額定電流： （2）?勻 i機(jī)器人加速運(yùn)行時(shí)：驅(qū)動(dòng)力： （3）加速時(shí)間： /2tvs?行駛距離： （4）.5S每個(gè)輪子的驅(qū)動(dòng)力： ??地面動(dòng)摩擦力 ??因動(dòng)量守恒： (5)21outVPfS?底盤輸出功率 =()/out t?底盤實(shí)際功率 int/= W??減 速 箱 鏈 條電機(jī)實(shí)際功率： 啟動(dòng)沖擊電流： 45IAU綜上每個(gè)輪子的最大驅(qū)動(dòng)力： max=?輪子轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)： (6)60n12Vrp???驅(qū)動(dòng)力矩： 根據(jù)以上數(shù)據(jù)，我們選取了 Maxon re40 148867 作為底盤電機(jī)，其具體參數(shù)如圖 23RE40電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩校核：電機(jī)轉(zhuǎn)速：N=6930rpm減速比：I=N/n=RE40輸出力矩： M????故RE40性能滿足要求。其他電機(jī)按此列計(jì)算得到升降電機(jī)和棘輪電機(jī)分別采用 RE3RE25。27 圖24 Maxon re40電機(jī)參數(shù) Maxon re40 Motor Data 底盤控制系統(tǒng) 電子方向盤及電子油門模塊 電子方向盤是手動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)關(guān)鍵部分，通過電子方向盤模塊將方向盤數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒胩幚砟K [4]，再通過電子差速器模塊將 PWM 信號(hào)輸出到直流電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)對手動(dòng)機(jī)器人底盤的控制。 電子方向盤及電子油門模塊的論證和選擇：電子方向盤及電子油門模塊是底盤控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，按照設(shè)計(jì)要求，需要實(shí)現(xiàn)對手動(dòng)機(jī)器人的高精度控制以及高靈敏度控制。為此我們提出如下兩種方案： 方案一：采用旋轉(zhuǎn)電位器。方向盤和油門帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)。電位器輸出電壓信號(hào)通過 STM32 自帶 AD 轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)就可以算出方向盤和油門旋轉(zhuǎn)的角度。具有響應(yīng)時(shí)間短，靈敏度高、程序簡單等優(yōu)點(diǎn)，但電位器精度普遍不高并且加上 AD 也有一定誤差。的精度不高、模塊輸出不穩(wěn)定。 方案二：采用高精度編碼器，方向盤和油門帶動(dòng)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)，編碼器輸出 PWM信號(hào)由 STM32 硬件增量正交編碼器功能進(jìn)行處理得到編碼器轉(zhuǎn)到的數(shù)值故而可以計(jì)算出角度。該方案同樣具有響應(yīng)時(shí)間短，控制靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)高精度編碼器本身精度高而且可以準(zhǔn)確計(jì)算出方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，從而可以更精確的控制方向。28基于對電子方向盤及電子油門模塊設(shè)計(jì)的高靈敏度、高精度的需求，綜合考慮各方面因素我們選擇方案二。 電子差速器模塊電子差速器模塊的論證:電子差速器根據(jù)電子方向盤的輸出數(shù)據(jù)對底盤電機(jī)進(jìn)行差速控制。同樣有高靈敏度、高精度的要求。首先，我們的直流伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊采用 Maxon 直流電機(jī)配合 PID 算法控制的伺服器已經(jīng)滿足電子差速器的需求。其次，電子方向盤也具有高精度、高靈敏度的性能。綜上考慮，可以直接將電子方向盤輸出的高精度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出底盤電機(jī)的 PWM 脈寬 [5]，然后輸入到直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。不僅具有算法簡單的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)也能達(dá)到模塊要求，故選擇此方案。 剎車模塊電子剎車模塊是手動(dòng)機(jī)器人底盤控制系統(tǒng)的一個(gè)必要模塊?？梢栽谕话l(fā)情況下對機(jī)器人和駕駛者進(jìn)行保護(hù)或者對機(jī)器人位置進(jìn)行精確控制。對此我們提出以下三種方案。方案一：剎車模塊采用按鍵觸發(fā)。剎車模塊連接到機(jī)器人總供電電路。只需踩下剎車踏板即可斷開整個(gè)供電電路。具有響應(yīng)及時(shí)，對電機(jī)損耗低的優(yōu)點(diǎn)，但斷電后機(jī)器人有慣性，而直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已斷電無法通過 PID 調(diào)節(jié)并鎖死電機(jī)位置，故無法滿足機(jī)器人精確定位的要求。方案二：剎車模塊采用按鍵觸發(fā)。連接到 STM32 中央處理單元。當(dāng)中央處理單元收到按鍵按下信號(hào)時(shí)對直流伺服系統(tǒng)進(jìn)行制動(dòng)命令，電機(jī)馬上鎖死。有響應(yīng)及時(shí)，能及時(shí)鎖死電機(jī)精確控制機(jī)器人的位置，但對電機(jī)損耗大。方案三：剎車模塊采用按鍵觸發(fā)。連接到 STM32 中央處理單元。當(dāng)中央處理單元收到按鍵按下信號(hào)時(shí)對直流伺服系統(tǒng)進(jìn)行失能狀態(tài)控制。電機(jī)立刻處于無力矩的狀態(tài)。此方案具有響應(yīng)及時(shí)，電機(jī)損耗低，能精確控制機(jī)器人位置的優(yōu)點(diǎn) [6]。由于方案三在滿足剎車模塊性能要求的同時(shí)又對電機(jī)的損耗最小，故選擇方案三 升降系統(tǒng)及棘輪模塊由于手動(dòng)機(jī)器人需承擔(dān)搬運(yùn)具有一定重量的收集機(jī)器人的任務(wù)，故采用棘輪模塊能大大降低升降電機(jī)的負(fù)載，所以需要棘輪電機(jī)與升降電機(jī)有優(yōu)秀的配合性能。為此我們提出如下三種方案。方案一：采用氣動(dòng)裝置控制棘輪機(jī)構(gòu)的打開和關(guān)閉。氣動(dòng)裝置能夠迅速打開和關(guān)閉棘輪，且能較好地與升降電機(jī)配合。由于氣缸行程固定，只要選取合適行程的氣缸29加以控制就能保證棘輪完全打開。但因?yàn)闅鈩?dòng)裝置本身有漏氣的缺點(diǎn)不能保證其使用次數(shù)。方案二：采用電機(jī)控制棘輪的打開和關(guān)閉。因?yàn)殡姍C(jī)行程需要控制。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間需要控制并且電機(jī)控制棘輪關(guān)閉的行程與時(shí)間需非常精確否則電機(jī)極易損壞。故算法復(fù)雜，配合性能差但無使用次數(shù)限制，模塊調(diào)試成功后性能穩(wěn)定。方案三：采用電機(jī)控制棘輪的打開，彈簧控制棘輪的關(guān)閉。只需保證棘輪打開的行程以及打開和關(guān)閉的時(shí)間，配合性能較好，算法相對簡單，無使用次數(shù)限制，模塊調(diào)試成功后性能穩(wěn)定。綜合以上三種方案，方案一配合性能雖然比較好，但考慮到手動(dòng)機(jī)器人的穩(wěn)定性也極為重要，故選擇方案三。 輸入模塊輸入模塊普遍采用按鍵類模塊，本設(shè)計(jì)亦采用按鍵模塊作為輸入模塊。但因手動(dòng)機(jī)器人性能要求，該模塊必須具有多按鍵同時(shí)觸發(fā)以及抗干擾的性能。 按鍵模塊多按鍵觸發(fā)和濾波算法的干擾硬件抗干擾設(shè)計(jì)能提高系統(tǒng)的抗干擾能力但并不能完全解決干擾問題。而干擾引起按鍵的誤觸發(fā)對系統(tǒng)的穩(wěn)定有很大的影響，因此需要濾波算法進(jìn)行補(bǔ)充 [7]。但一般的濾波算法（如圖 24）無法在濾波的同時(shí)執(zhí)行其他程序。故無法實(shí)現(xiàn)多按鍵同時(shí)觸發(fā)。 圖 25：一般濾波算法程序流程圖 General filtering algorithm flowchart 多按鍵同時(shí)觸發(fā)的濾波算法在該算法中每一個(gè)按鍵都有兩個(gè)變量定義其屬性（按鍵代表變量、按鍵標(biāo)志變量）程序循環(huán)掃描所有按鍵當(dāng)前狀態(tài)并以此狀態(tài)來改變按鍵代表變量的值。當(dāng)某個(gè)按鍵的代30表變量的值達(dá)到程序設(shè)定的額定值時(shí)則觸發(fā)按鍵標(biāo)志變量置 1。 （如圖 25） 圖 26：多按鍵濾波算法流程圖 Multibutton filtering algorithm flowchart. 輔助電路設(shè)計(jì) 復(fù)位電路設(shè)計(jì)ATmega32L 和 STM32 的中斷源中有一個(gè)是外部復(fù)位。引腳 RESET 上的低電平持續(xù)時(shí)間大于最小脈沖寬度時(shí) MCU 復(fù)位。R4 為一個(gè) 10K 的上拉電阻，當(dāng) S1 按下去的時(shí)候，將 RESET 引腳拉低為低電平，可以使單片機(jī)復(fù)位，而當(dāng)給系統(tǒng)接上電源時(shí)，+5V 電源對容進(jìn)行充電，也使單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了上電復(fù)位的過程 [8]。 圖27 復(fù)位原理圖 Schematics of reset 過流保護(hù)與欠壓保護(hù)電路設(shè)計(jì) 圖22中的MOTOR_ADC和POWER_ADC網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)分別為驅(qū)動(dòng)模塊的過流保護(hù)的AD采樣端口和電源電壓監(jiān)測采樣端口，由于AD采樣的電壓范圍在05V，而31MOTOR_ADC的電壓可能會(huì)超過5V，而電源的電壓為24V ，已經(jīng)超過了范圍，所以用設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)壓電路， 330歐姆電阻組成的電路就是起到了穩(wěn)壓來保護(hù)單片機(jī)IO口的作用。電壓的監(jiān)測是采用定時(shí)器定時(shí)啟動(dòng)AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器的方式 [9]。 欠壓保護(hù)流程，如圖16所示，不會(huì)提示欠壓，單片機(jī)通過AD采樣到電壓欠壓了，這時(shí)也會(huì)能過LED 的閃爍來提示電源已經(jīng)欠壓。 過流保護(hù)流程，如圖27所示，穩(wěn)壓將電壓保持，不會(huì)被過高的電壓來燒壞單片機(jī)，此時(shí)單片機(jī)采樣到電壓已大于，便立刻使BREAK端口，關(guān)閉驅(qū)動(dòng)模塊，保護(hù)驅(qū)動(dòng)模塊，并能過LED閃爍來提示系統(tǒng)已經(jīng)是過流保護(hù) [10]。 圖28 保護(hù)電路原理圖 Schematics of protection 圖29 欠壓保護(hù)流程 圖30過流保護(hù)流程 Flow Chart of undervoltage protection Flow Chart of overcurrent protection32 信號(hào)隔離部分部分電路設(shè)計(jì)為了防止電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元對數(shù)字控制單元的干擾，必須在兩者之間加隔離電路來防止干擾的產(chǎn)生。避免 LMD18200 的驅(qū)動(dòng)電路對控制信號(hào)的干擾，對于 LMD18200 的引腳 3(轉(zhuǎn)向輸入 )、引腳 5(PWM 輸入)與 LM629 的 PWMSIGN、PWMMAG 引腳之間通過光電耦合器連接，兩個(gè)地線連接也要進(jìn)行隔離 [11]。原理圖見圖 30。圖31 信號(hào)隔離部分原理圖 Schematics of signal isolation 編碼盤采樣模塊電路設(shè)計(jì)圖 32 編碼盤采樣原理圖33 Schematics of sampling Quadrature Encoder為了避免長距離的信號(hào)傳輸引起的信號(hào)衰減、跳變及干擾，光電編碼器的二路脈沖信號(hào)均采用差分信號(hào)方式輸出，因此在接收端首先要采用差分接收電路進(jìn)行處理，差分接收電路主要由DS26LS32M芯片構(gòu)成 [12]。線驅(qū)動(dòng)專用IC（DS26LS32）用于編碼器輸出電路。由于具有高速響應(yīng)和良好的抗噪性能，使得線驅(qū)動(dòng)專用IC能適用于長距離傳輸。經(jīng)過差分之后的信號(hào)傳到光耦6N137，經(jīng)過信號(hào)的隔離，傳到 LM629的A 與B端口。 按鍵模塊電路圖 圖 33 按鍵模塊 Key module 硬件抗干擾措施在嵌入式系統(tǒng)中，系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)是系統(tǒng)可靠性的重要方面。一個(gè)系統(tǒng)的正確與否,不僅取決于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和方法，同時(shí)還取決于系統(tǒng)的抗干擾措施。嵌入式系統(tǒng)的干擾源一般有三個(gè)渠道：一是空間干擾,電磁信號(hào)通過空間輻射進(jìn)入系統(tǒng)；二是過程通道干擾，干擾信號(hào)通過與系統(tǒng)相連的前、后通道及與其它系統(tǒng)的連接通道進(jìn)入，它疊加在有用信號(hào)之上，擾亂信號(hào)傳輸，使有效信號(hào)產(chǎn)