【正文】 點構成閉合回路，驅動電機反向轉動。由此可判斷，單片機的 口控制電機的啟停， 口控制電機的正反轉。LED 顯示燈 D1~D4 用來顯示爬壁機器人的運動狀態(tài)。與 H 橋電機控制電路相比，這種電機控制方式的優(yōu)點是：功率損耗低、控制簡單。 +VvpFX器YMotrcIOEWSNu圖 爬壁機器人驅動電路圖 Drive control system circuit 制動電路設計通常情況下，爬壁機器人在豎直壁面上處于運動狀態(tài)時，當電機停止運轉后由于其自身的重力作用產生慣性，使其在運動的方向上產生滑移，因此會造成控制的不準確。而在實際工作中要求爬壁機器人在電機停轉后立刻制動。因此剎車機構的作用就是在電機斷電的情況下緊急制動車輪，通電的情況下立即釋放剎車塊使爬壁機器人正常運行。本文設計的剎車機構是由步進電機驅動凸輪機構來控制剎車塊的形式實現(xiàn)的，如圖 所示為爬壁機器人制動電路圖。37B1234567C0OM9E8ULNAD器pFYKR+uPIWVSTHc.圖 爬壁機器人制動電路圖 Brake control circuit需要注意的是，在直流電機高速運轉的情況下不宜對爬壁機器人執(zhí)行剎車動作，否則電機軸容易受到損害。因此要保證在爬壁機器人需要停止運轉時先關閉電機并延時 10~15ms 后釋放剎車塊，制動機器人；相反，在電機需要運轉前，先控制步進電機將剎車塊提起并延時 10~15ms，再啟動電機。 測速電路設計本系統(tǒng)采用增量式光電編碼器作為速度反饋單元的主要元件，它具有響應速度快、分辨率高、體積小而重量輕等的特點。光電編碼器 [66]的測量精度(分辨率）主要取決于其每旋轉一周輸出的脈沖數(shù)。光電編碼器的脈沖發(fā)生器安裝在被測直流電機的電機軸上，隨著電機的轉動產生一系列光電脈沖，通過檢測脈沖數(shù)獲得被測電機的轉動速度。本設計選用 MAXON 公司生產的與直流電機配套使用的 ML 型 MR 編碼器（如圖 ） ，該編碼器的技術資料如下：電源電壓： ；%5??V輸出信號：與 TTL 信號兼容；零位脈沖寬度： ；?90旋轉一周脈沖數(shù)：500 個；通道數(shù)：3 個；最高工作頻率：200KHZ。光電編碼器輸出的信號經(jīng)過差分整形電路送入 AT89C51 控制器。差分整38形電路選用的芯片是雙差分接收器 AM26LS32，它可以最大限度地抑制共模噪聲，使信號得到更好的整形。經(jīng)過整形后編碼器輸出的差分信號 和 、A和 、 和 變換成了穩(wěn)定的單極性信號 AB1 和 I1，然后將該信號送入BIAT89C51 片內計數(shù)器，實現(xiàn)對電機轉速的閉環(huán)控制，如圖 示為光電編碼器控制電路。 圖 MAXON 公司的 MR 編碼器圖 Encoder MR plans of MAXON pany1234GVCNDYU8M6LS+5R7c器0pFT9Ku圖 光電編碼器檢測電路圖 Optical encoder detection circuit 測傾角電路設計 爬壁機器人按照預先規(guī)劃好的檢測軌跡對立式金屬罐進行無損檢測，是本設計的最終目的。爬壁機器人的檢測軌跡是沿著立式金屬罐的母線豎直向上、向下或沿一定的角度運動，要求爬壁機器人的 4 個車輪具有相同的運動速度。但是由于驅動輪的尺寸、電機的轉速的誤差以及驅動輪“打滑”的現(xiàn)象的存在，致使兩側車輪運動速度不等，從而使其偏離原來規(guī)劃好的運動軌39跡。為了保證爬壁機器人嚴格地按照規(guī)劃的路徑與姿態(tài)運行，必須要設計一套完整的閉環(huán)姿態(tài)控制系統(tǒng)，也即能夠實時監(jiān)測爬壁機器人的姿態(tài)參數(shù)，利用測得的姿態(tài)參數(shù)與設定的參數(shù)進行比較，用它們之間的偏差來調節(jié)兩側直流電機的轉速，從而實現(xiàn)姿態(tài)的不斷調整。圖 LAMTD360 型傾角傳感器 The diagram of LAMTD360type angle sensor為了實現(xiàn)該目的，選用雙軸傾角傳感器 LAMTD360 作為姿態(tài)閉環(huán)控制系統(tǒng)的核心部件，如圖 所示，其工作原理是：利用測量值計算重力加速度分量，而后將其轉化為絕對傾角；它的特點是：既可輸出標準的 RS232 信號又可輸出 TTL 電平信號；具有自動設定零點功能；輸出頻率、工作模式和波特率可調的優(yōu)點。工作電壓范圍是：~5VDC。如圖 為 LAMTD360 控制電路圖。 1234567890UmaxuFCRXDTJonectrfVsLAM+圖 LAMTD360 控制電路圖40 LAMTD360 control circuit diagram以下給出傾角傳感器的引腳和其與單片機通信的通信協(xié)議：(1)通信協(xié)議：①波特率設置：9600bps ；②十六進制數(shù)據(jù)格式：bit15bit0 ：角度值 10（十六進制數(shù)據(jù)） 。?(2)引腳定義： 引腳 1 為電源正；引腳 2 為電源負（地） ；引腳 3 為TXD（ TTL 電平） ；引腳 4 為 RXD（TTL 電平） ；引腳 5 為 RXD（RS232 電平 PC2 腳） ；引腳 6 為 TXD（RS232 電平 PC3 腳） 。 電源電路設計 爬壁機器人系統(tǒng)的電源分兩部分：一個是驅動系統(tǒng)電源+24V；另一個為控制系統(tǒng)電源+5V。本設計中爬壁機器人的供電電源選用的是日本 Sincerity 24V 安全、免維護的蓄電池。爬壁機器人驅動部分的 +24V 電源由蓄電池直接提供，控制部分的+5V 電源要通過 DC/DC 轉換模塊 MC34063 搭建的降壓電路降壓后提供。MC34063 芯片是一款 DC/DC 轉換器芯片，它的輸入電壓范圍是+~+40V，輸出電壓可調范圍是 +~40V，用于電壓的升降轉換，該轉換器的內部結構主要包括比較器、基準電壓發(fā)生器、RS 觸發(fā)器、占空比可調的振蕩器和大電流輸出開關電路等 [67]，如圖 所示為 MC34063 內部結構框圖。降壓模塊的輸出電壓值由 MC34063 的第 5 引腳外接的電阻 R2 和 R3 分壓后獲得。輸出電壓的計算公式為： ()???????? ??41 MC34063 系統(tǒng)功能框圖 [67] MC34063 system function block(1)電源轉換電路工作原理圖 為 MC34063 構成的 DC/DC 降壓電路。根據(jù)式（ ）得知，基準電壓 是個常數(shù)，所以輸出電壓 只與 R2 和 R3 的比值有關。當有電壓0U加在該模塊上時，5 腳的電壓和基準電壓 同時被送入比較器進行比較，當 5 腳的電壓值低于基準電壓時，比較器輸出跳變信號，打開 RS 觸發(fā)器 S端，Q 端被置為“1”，使 TT 2 同時導通，則 給濾波電容 充電來提高輸i 3C出電壓 ，達到輸出穩(wěn)定的目的。相反，當 5 腳的電壓值比基準電壓高時，0U觸發(fā)器的 S 端被鎖，Q 端被置為 “0”，T T 2 均截至，此時續(xù)流二極管導通，通過電感 LL2 給輸出端供電，保持 穩(wěn)定。0UKRDN89mHLpf647Mu/vV.+圖 電源轉換電路 Power conversion circuit42 電壓監(jiān)測電路設計在爬壁機器人對立式金屬罐檢測的過程中，為了保障機器人在壁面上安全作業(yè)，不至于發(fā)生在其工作過程中由于電池電量不足停止在半空中的情況，系統(tǒng)特為其設置了電池電量監(jiān)測電路。該電路由電壓探測器 HT7039 構成。HT7039 采用的是三端口低電壓 COMS 技術，它由標準輸出驅動器、比較器、電壓源、滯后電路四部分組成。它的檢測電壓是 。由于該探測器的電壓檢測值較低，不能檢測超出其自身輸入值范圍以外電壓，所以需在其輸入端串接電阻，以提高輸入電壓檢測范圍。本設計的閾值電壓設定為 24V，當電池電壓低于 21V 時，檢測器的輸出端(out)將產生一個低電平信號，這時與之相連的蜂鳴器將發(fā)出報警聲，提醒地面上的檢測人員電池電量已不足、請盡早做出反應，保證爬壁機器人安全返回地面。原理圖如圖 所示。圖 電池電量檢測電路 Battery detection circuit 通信接口設計 本課題設計的爬壁機器人采用的是兩級聯(lián)合的控制方式，若想該控制系統(tǒng)正常工作，則首先應該解決通訊問題。爬壁機器人控制主板的主要任務是控制到的爬壁機器人的運動狀態(tài)、四個車輪的速度，采集機器人姿態(tài)角，以備上傳給后續(xù)要設計的上位機進行顯示；操作人員通過操作控制面板上的控制鍵或控制手柄來控制爬壁機器人，驅動相應的功能模塊，令爬壁機器人完成相應的動作。本設計中選用傳輸?shù)挠行Ь嚯x遠、抗干擾能力強的 RS485 標準串行方式進行數(shù)據(jù)傳輸。43由于單片機采用的是 TTL 電平，而 RS485 采用的是差分信號，兩種信號互不兼容，所以在通信時必須進行電平轉換。本設計選用 MAX485 作為電平轉換芯片，該芯片采用單一 5V 直流電源供電，額定電流為 300μA，采用半雙工通訊方式，它既可作為 RS485 的驅動器又可作為接收器 [69]，它能完成TTL 電平到 RS485 電平的轉換，如圖 所示為 MAX485 的引腳結構圖。圖 MAX485 芯片引腳圖 Chip pin structure of MAX485單片機可直接驅動 MAX485 芯片，因此它們之間的接線很簡單。當處于半雙工通信方式時， 引腳和 DE 引腳可連接在單片機的一個 I/O 引腳上，RE當該引腳為高電平時使 MAX485 處于發(fā)送狀態(tài)，為低電平時使 MAX485 處于接收狀態(tài)；單片機與 MAX485 芯片通信時，將 RXD 和 TXD 分別于 MAX485 的 RO 端和 DI 端相連，能實現(xiàn)的發(fā)送和接收。如圖 所示為本控制系統(tǒng)中單片機與 MAX485 的通訊接口電路圖。為了消除反射與吸收時的噪音，在 MAX485 的 A、B 端口間接一個阻值為 120 的電阻， 。?圖 MAX485 通訊接口電路Fig. Communication interface circuit between of MAX485通信協(xié)議的制定： (1)通信雙方的串行波特率為 9600bit/s。(2)幀格式：1 個起始位，8 個數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗位，1 個停止位， 。44(3)工作方式選擇：計算機采用查詢方式；單片機采用中斷方式來提高工作效率。串口：COM1 口，工作于方式 2。(4)功能標志：發(fā)送請求標志0x01H，接收請求標志 0x0FH。 爬壁機器人控制系統(tǒng)軟件設計爬壁機器人控制系統(tǒng)主要任務是對爬壁機器人運行速度的控制與調節(jié)、采集傾角傳感器數(shù)據(jù)、光電編碼器的信號，與將來設計的上位機的數(shù)據(jù)傳輸和通信等功能；爬壁機器人控制系統(tǒng)軟件程序采用模塊化的編程方式。首先將程序按著功能劃分為各個模塊，如圖 所示，然后根據(jù)各個功能模塊進行詳細的 C 語言程序設計，最后將軟硬件結合起來總體調試，以達到良好的控制效果。爬 壁 機 器 人控 制 系 統(tǒng)主 程 序速 度 檢 測 程 序角 度 檢 測 程 序鍵 盤 輸 入 程 序通 信 程 序直 流 電 機 驅 動程 序圖 控制系統(tǒng)程序設計結構圖 Control system programming diagram 控制系統(tǒng)軟件主程序設計。程序初始化后，下位機通過查詢方式獲取到命令字，判斷哪個功能鍵被按下，然后執(zhí)行相應的程序代碼；下位機控制系統(tǒng)讀取傾角傳感器信號，通過PI運動姿 態(tài)控制算法輸出姿態(tài)調整信號來調整機器人的運行姿態(tài)，并將采集到的光電編碼信號反饋給PI控制模塊，從而實現(xiàn)機器人的閉環(huán)控制；同時下位機把采集到的數(shù)據(jù)實時地傳送給后續(xù)要設計的上位機，上位機根據(jù)相應的信號做出相應的控制與決策。45開 始系 統(tǒng) 初 始 化運 動 狀 態(tài) 顯 示運 行 P I 控 制 算 法讀 傾 角 傳 感 器 信 號左轉右轉前進后退左行右行是 否 有 鍵 按 下 ？YN啟 動 P W M 調 速 模 塊采 集 光 電 編 碼 器 信 號啟動停止測 得 的 速 度 ? 給 定 速 度 ？YN 控制系統(tǒng)軟件主程序流程圖 Control system software main program flow diagram 位姿控制程序設計爬壁機器人是靠調節(jié)左右兩側車輪的速度來調整其運動姿態(tài)的，因此需要對每個車輪的運動速度進行準確控制與調節(jié)，其最終執(zhí)行機構是控制車輪的四個電機。傳統(tǒng)的電機控制系統(tǒng)中，最常用的控制方法是數(shù)字式 PID 控制算法。本設計中采用的姿態(tài)控制方法如圖 所示。在 PID[70]的參數(shù)中，增大比例系數(shù) 將會導致直流電機動作靈敏。在穩(wěn)pK定系統(tǒng)中，增大 可減小穩(wěn)態(tài)誤差，同時還可以提高對系統(tǒng)控制精度，但如pK果 過大，就會使系統(tǒng)不穩(wěn)定；如果積分時間 過大，系統(tǒng)反應速度變慢，p IT并且靜態(tài)誤差的消除也受到影響，反之，容易引起系統(tǒng)振蕩；如果 微分時DT間常數(shù)增大，電機的動態(tài)特性可得到改善，并且動態(tài)響應速度也會被提高，但如果 過大，對干擾信號極為不利。因此，在 PID 控制系統(tǒng)中，選擇合適DT的控制參數(shù)很重要。在本文中采用增量式 PI 控制。46在爬壁機器人位姿控制系統(tǒng)中，核心是 PI 控制器，配合傾角傳感器、光電編碼器和 PWM 調速算法構成爬壁機器人的閉環(huán)控制系統(tǒng)，保證了爬壁機器人沿設定軌跡運動。由于初始化時的給定速度為爬壁機器人的速度，而 PI控制器的輸入量應該是單個驅動輪的速度，因此，在開始 PI 調速之前將整體的速度分解到各個驅動輪上，其轉換