【正文】 爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計 控制系統(tǒng)總體設(shè)計本爬壁機(jī)器人的控制系統(tǒng)由上位機(jī)控制系統(tǒng)和下位機(jī)控制系統(tǒng)兩部分組成。上位機(jī)控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)的總體管理、檢測軌跡的規(guī)劃、運動狀態(tài)與位置的顯示和總體系統(tǒng)的安全保護(hù)等。工作原理是利用控制功能鍵或控制手柄，在爬壁機(jī)器人運行時把上位機(jī)命令通過串口通信的方式傳輸?shù)较挛粰C(jī)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)控制爬壁機(jī)器人的運行狀態(tài)；下位機(jī)采用的是 AT89C51 單片機(jī)。它與其它模塊相互協(xié)作實現(xiàn)控制機(jī)械爬行裝置的功能，并把本體機(jī)械裝置的運動位置及運動狀態(tài)傳送給上位機(jī)控制系統(tǒng)，從而完成對爬壁機(jī)器人的運行管理。為了適應(yīng)現(xiàn)場作業(yè)的要求，上位機(jī)與下位機(jī)的通訊采用 RS485 標(biāo)準(zhǔn)?？刂葡到y(tǒng)總體設(shè)計框圖與實物圖如圖 ， 所示。上位機(jī)控制系統(tǒng)通信模塊看門狗電路AT89C51控制芯片傾角傳感器光電編碼器電機(jī)驅(qū)動模塊電源模塊下位機(jī)控制系統(tǒng)上位機(jī)控制系統(tǒng)39圖 爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖 The control system architecture diagram of wallclimbing robot圖 爬壁機(jī)器人控制電路板 Wallclimbing robot control board40 下位機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計下位機(jī)硬件核心部件的CPU采用的是ATMEL公司生產(chǎn)的 AT89C51單片機(jī)。AT89C51是一個8位的微處理器，帶4K字節(jié)FLASH可 編 程 可 擦 除 只 讀 存 儲 器 ，4個8位的I/O 口，能與其它的 MCS51輸出管腳和指令集相兼容 [64]。 驅(qū)動電路設(shè)計爬壁機(jī)器人的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)采用單片機(jī)控制繼電器通斷的方式實現(xiàn)。單片機(jī)分別通過控制兩個繼電器的通斷來達(dá)到對電機(jī)通斷與正反轉(zhuǎn)的控制。電，對驅(qū)動控制電路進(jìn)行說明。從圖中可以看出AT89C51單片機(jī)從上位機(jī)或P1口外接的控制手柄獲取命令，跳變到低電平， 為高電平時，光電耦合器 U2發(fā)出一個光脈沖，使繼電器K2吸合，電流從電機(jī)的B端口經(jīng)A端口流經(jīng)C點組成閉合回路使電機(jī)正向轉(zhuǎn)動。同理， 同時跳變到低電平時，光電耦合器U1 發(fā)出光脈沖使繼電器K1吸合，光電耦合器U2發(fā)出一個光脈沖，使繼電器K2吸合，這時電流從電機(jī)A端口經(jīng)B端口到C 點組成閉合回路使電機(jī)反向轉(zhuǎn)動。 控制電機(jī)的通斷， 控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。 D1~D4控制燈完成機(jī)器人運行狀態(tài)的顯示。這種電機(jī)控制系統(tǒng)較H橋電機(jī)控制電路具有能有效減少功率損耗和控制簡單的優(yōu)點。 Q1KGND20RU+圖 驅(qū)動控制系統(tǒng)電路 Drive control systerm circuit41其中繼電器選用的是JQX14FC2C型固態(tài)繼電器。因為固態(tài)繼電器不存在機(jī)械觸點，較觸點繼電器具有抗干擾性強(qiáng)，適合頻繁通斷場所的特點。固態(tài)繼電器轉(zhuǎn)換速度較快，可達(dá)到幾個微秒；而觸點繼電器關(guān)斷與打開時間在5~15ms之間，很難在直流電機(jī)運轉(zhuǎn)過程中調(diào)制出平滑的電機(jī)轉(zhuǎn)速。同時要注意，在使用固態(tài)繼電器時一定要在其正負(fù)極間反接二極管以消除浪涌電流對控制板各電路器件的損害。 制動器電路設(shè)計一般來說，運行狀態(tài)下的爬壁機(jī)器人，在電機(jī)停轉(zhuǎn)后受到自身重力的影響仍然會滑動一段距離，產(chǎn)生一定的距離誤差。但在實際的作業(yè)中需要爬壁機(jī)器人在電動機(jī)停轉(zhuǎn)后能夠立即制動。制動器具有斷電后對電機(jī)制動和通電時立即釋放剎車的能力。該性能恰好能滿足矯正爬壁機(jī)器人停轉(zhuǎn)距離誤差，使其準(zhǔn)確停止在容積檢定測量點上的要求。不過在控制的過程中需要注意，電機(jī)的制動器只適用于在靜止?fàn)顟B(tài)下對電機(jī)制動，在通電旋轉(zhuǎn)中的電機(jī)不宜做制動。原因是電機(jī)高速轉(zhuǎn)動時對其制動，容易對電機(jī)的內(nèi)軸造成損害。本設(shè)計采用的是MAXON AB 20制動器，吸合與釋放時間最小分別為13ms和8ms，響應(yīng)時間及快，從而能實現(xiàn)電機(jī)的精確控制。 AB 20制動器的外觀圖。圖 MAXON AB 20制動器圖 MAXON AB 20 brake diagram在制動器的控制上，電機(jī)在運轉(zhuǎn)前首先要打開制動器，并延遲10~15ms，再啟動電機(jī)使其轉(zhuǎn)動，這樣做能保證電機(jī)在啟動時不受到制動器的制動作用，而正常啟動；相反在停止機(jī)器人運轉(zhuǎn)時要先關(guān)閉電機(jī)，延時15~20ms后，再關(guān)42閉制動器，防止電機(jī)軸在高速運轉(zhuǎn)中被制動，損害電機(jī)軸和制動器。在制動器的控制上必須保證它們同時打開與關(guān)閉，否則當(dāng)其它電機(jī)運轉(zhuǎn)時，被制動的電機(jī)不轉(zhuǎn)，而其它轉(zhuǎn)動電機(jī)的驅(qū)動力容易損壞制動電機(jī)的制動器。通過一個繼電器控制4個制動器的電路圖。 GND20+5V6K13789ATCpFY制圖 制動器控制電路圖 Brake control circuit 看門狗電路設(shè)計為了使爬壁機(jī)器人能夠可靠穩(wěn)定的工作，必須附加監(jiān)視電路來監(jiān)視程序的正常運行。本設(shè)計采用的是X5045來實現(xiàn)整個控制電路的監(jiān)視功能。 X5045有一個可設(shè)定200ms、600ms、。在本電路中把。硬件電路如圖4所示，在程序的運行過程中， 引腳發(fā)送一個低電平脈沖，cs使X5045內(nèi)部計數(shù)器清零不產(chǎn)生溢出，以此來保證程序穩(wěn)定運行；當(dāng)程序發(fā)生混亂時， 端口向 導(dǎo)致csX5045產(chǎn)生溢出，此時由RST引腳發(fā)出一個復(fù)位脈沖，使程序從新運行 [65]。431234567890ATCVGNDKSOWPREIUX圖 看門狗電路圖 Watchdog circuit 測速電路設(shè)計速度反饋單元是將電機(jī)轉(zhuǎn)速傳送到控制單元，用于電機(jī)的閉環(huán)控制。速度反饋電路采用 MAXON 公司生產(chǎn)的 ML 型 MR 編碼器（如圖 ） ，該編碼器電源電壓為 5V，輸出信號與 TTL 兼容，零位脈沖寬度為 90176。，旋轉(zhuǎn)一周的脈沖數(shù)為 500，通道數(shù)為 3，最高的工作頻率為 200。管腳為 DIN10 排針式插孔，具體定義為：， ， ， ， A，道 ， B， I（零位） ， （零位） 。I編碼器輸出的編碼信號經(jīng)過差分整形電路送入 AT89C51 控制器。差分整形電路選用的芯片是 MOTOROLA 公司的 AM26LS32 芯片，它把編碼器輸出的差分信號 和 、 和 、 和 變換成單端信號 OUTPUTOUTPUT2AI和 OUTPUT3 后，送入 AT89C51 芯片內(nèi)的計數(shù)器，用于對電機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。光電編碼器控制電路圖如圖 所示。圖 MAXON 公司的 MR 編碼器圖 Encoder MR plans of MAXON pany441234567890ATCVGNDMLS制圖 光電編碼器電路圖 Optical Encoder circuit 傾角檢測電路設(shè)計爬壁機(jī)器人要完成對油罐的檢定任務(wù)，就必須按照預(yù)先規(guī)劃的路徑做精確運動。該機(jī)器人的運動路徑是：沿油罐母線豎直向上或向下做往復(fù)運動。這就要求爬壁機(jī)器人四個輪子的運動速度相等，否則就會出現(xiàn)爬壁機(jī)器人偏離母線的情況。但由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速和驅(qū)動輪的尺寸以及爬壁機(jī)器人在油罐壁運動過程中出現(xiàn)的“打滑”現(xiàn)象等，均會造成兩側(cè)車輪運動速度不相等，使得機(jī)器人運動方向偏離母線，進(jìn)而使機(jī)器人的爬行路徑發(fā)生偏斜。為了使機(jī)器人在檢定過程中能夠沿母線做精確運動，需要設(shè)計機(jī)器人的姿態(tài)閉環(huán)控制系統(tǒng)，即實時檢測機(jī)器人姿態(tài)參數(shù)。并利用該參數(shù)與規(guī)劃姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行比較，用得出的偏差值來自動調(diào)節(jié)兩側(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速從而實現(xiàn)不斷減小姿態(tài)偏差的目的。45圖 LAMTD360 型傾角傳感器實物圖 The diagram of LAMTD360type angle sensor physical本設(shè)計姿態(tài)的閉環(huán)控制系統(tǒng)選用 LAMTD360 型傾角傳感器。LAMTD360 是一款雙軸傾角傳感器（如圖 ） ，工作原理是利用測量并計算重力加速度的分量后將其轉(zhuǎn)為絕對傾角。它可輸出標(biāo)準(zhǔn)的 RS232 串行數(shù)字信號和 TTL電平信號（可轉(zhuǎn) 485 信號） ，具有零點自動設(shè)定功能且輸出頻率（濾波階數(shù)）可調(diào)，工作模式可調(diào)，波特率可調(diào)的特點。其電壓范圍為：~5VDC。LAMTD360 采用標(biāo)準(zhǔn) MAX232 接口與 AT89C51 通信 [66,67]。LAMTD360 的控制電路如圖 所示。 1234567890UMAXCGND+VTSRLμF圖 LAMTD360 型傾角傳感器電路圖 LAMTD360type angle sensor circuit 下面介紹引腳和通信協(xié)議：46(1)通信協(xié)議：① 數(shù)據(jù)傳輸為十六進(jìn)制：波特率設(shè)置 9600bps；②十六進(jìn)制數(shù)據(jù)格式：bit5bit0 ：角度值*10（十六進(jìn)制數(shù)據(jù)） 。(2)引腳定義：管腳 1 為電源正，管腳 2 為電源負(fù)（地） ，管腳 3 為TXD（ TTL 電平） ，管腳 4 為 RXD（TTL 電平） ，管腳 5 為 RXD（RS232 電平 PC2 腳） ，管腳 6 為 TXD（RS232 電平 PC3 腳） 。 電源電路設(shè)計機(jī)器人的系統(tǒng)電源包括驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分。其中驅(qū)動系統(tǒng)電源為24V，控制系統(tǒng)電源為5V。整個下位機(jī)控制系統(tǒng)采用日本的Sincerity 24V免維護(hù)安全型蓄電池來為這兩部分提供電源。因此，驅(qū)動部分直流電機(jī)的24V 電源由蓄電池直接輸出，而控制部分的5V電源則由MC34063芯片所搭建的降壓模塊實現(xiàn)24V到5V的電壓轉(zhuǎn)換后所提供。MC34063芯片是單片式 DC/DC變換器，它的電壓輸入范圍和輸出電壓范～ V～40V，可用于電壓的升降變換。主要的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括比較器、RS 觸發(fā)器、基準(zhǔn)電壓發(fā)生器、占空比可控的振蕩器和大電流輸出開關(guān)電路等 [68]。圖 MC34063 系統(tǒng)功能框圖 MC34063 system function block(1)電路工作原理47輸出電壓值U 0的監(jiān)視由腳5（比較器的反相輸入端）外接分壓電阻 R2 和R3來實現(xiàn) 。輸出電壓公式為：= ()0U)1(?= 6.?K= 5V由式()可知， [68]，則輸出電壓U 0的大小由R 2與R 3的比值決定。接通電源后， 基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。當(dāng)輸入電壓值小于基準(zhǔn)電壓時，比較器就會輸出控制信號，打開RS觸發(fā)器的S腳控制端， Q端為“1”狀態(tài)（高電平），T T 2同時導(dǎo)通，使輸入電壓U i向輸出濾波器電容C 3充電，提高輸出電壓U 0，從而實現(xiàn)穩(wěn)定 U0的作用；相反，當(dāng)輸入電壓值大于基準(zhǔn)電壓時，RS觸發(fā)器的 S腳控制端被關(guān)閉，Q 端為“0”狀態(tài)（低電平），T T 1同時截止，續(xù)流二極管D1導(dǎo)通，電感LL2給U 0供電以保持其電壓穩(wěn)定。 DmHZLpFΩGN478Mμ/V+圖 電源轉(zhuǎn)換電路 Power conversion circuit 電池電量監(jiān)測電路設(shè)計在檢定的過程中，系統(tǒng)中設(shè)置了一個監(jiān)測電池電量的電路，目的是為了使機(jī)器人能在電池電量維持其正常運轉(zhuǎn)時安全返回。該電路是由單電源比較器 HT7039 實現(xiàn)的。HT7039 是采用三端口低電壓 COMS 技術(shù)的檢測器。它由標(biāo)準(zhǔn)輸出驅(qū)動器、電壓源、比較器、滯后電路 4 部分構(gòu)成。該電壓檢測器檢測48電壓的范圍為 ～7V。由于其本身的電壓檢測值比較低，不能檢測超過輸入值范圍的電壓，所以要在其輸入端串接電阻，以使輸入電壓在其檢測范圍內(nèi)。本設(shè)計的閥值電壓設(shè)定為 24V，當(dāng)電池電壓低于 24V 時，比較器的輸出端將產(chǎn)生一個低電平，這時與之連接的發(fā)光二極管會被點亮，以提示檢定人員電池電量不足。這樣就保證了爬壁機(jī)器人在電量用完之前安全返回。原理圖如圖 所示。 圖 電池電量檢測電路 Battery detection circuit 下位機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計控制系統(tǒng)對實現(xiàn)爬壁機(jī)器人的運動方式和檢測功能至關(guān)重要，因此下位機(jī)控制系統(tǒng)是立式金屬罐容積檢定爬壁機(jī)器人的一個重要組成部分。下位機(jī)控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)爬壁機(jī)器人的直流電機(jī)運行速度的控制調(diào)節(jié)、傾角傳感器和光電編碼器的數(shù)據(jù)采集，以及數(shù)據(jù)的傳輸通信等功能；爬壁機(jī)器人下位機(jī)控制系統(tǒng)軟件程序采用模塊化的編程方式。首先將程序按功能劃分為如圖 所示的各個功能模塊，然后再按各功能模塊進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計和總體調(diào)試來實現(xiàn)控制系統(tǒng)的控制功能。49下位機(jī)控制系統(tǒng)主控制程序速度檢測程序角度檢測程序鍵盤輸入程序上下位機(jī)通信程序訊程序直流電機(jī)控制程序圖 下位機(jī)程序設(shè)計結(jié)構(gòu)圖 Lower puter programming diagram 下位機(jī)軟件主程序設(shè)計。上位機(jī)給出控制命令，通過串行總線傳送給下位機(jī)，下位機(jī)讀取通信緩沖區(qū)的命令字，判斷是否有按鍵命令，然后進(jìn)行功能鍵判斷，再執(zhí)行相應(yīng)的按鍵命令；而下位機(jī)控制系統(tǒng)讀取傾角傳感器信號，通過運動姿態(tài)控制算法輸出姿態(tài)調(diào)整信號來調(diào)整機(jī)器人的運行姿態(tài)，并將采集到的光電編碼信號返饋給PID控制模塊，從而實現(xiàn)機(jī)器人的閉環(huán)控制。同時下位機(jī)把實時數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)下位機(jī)信號做出實時控制決策。50圖 下位機(jī)軟件主程序流程圖 Lower puter software program flow diagram 姿態(tài)控制程序設(shè)計爬壁機(jī)器人是通過內(nèi)外側(cè)車輪的不同速度來調(diào)節(jié)其姿態(tài)的，因此需要對每個輪子的運行速度進(jìn)行準(zhǔn)確的控制和調(diào)節(jié)。本設(shè)計采用的姿態(tài)控制方法如圖 所示。單片機(jī)控制系統(tǒng)的速度設(shè)定值與實際轉(zhuǎn)速的差值被送到 PID 控制器，經(jīng) PID 控制器計算后輸出控制量，再經(jīng) PWM 模塊調(diào)速后輸出給電機(jī)。輸出轉(zhuǎn)速給定轉(zhuǎn)速實際轉(zhuǎn)速 PWM 調(diào)制模塊PID 控制器光電編碼器電機(jī)51圖 姿態(tài)控制原理圖 Attitud