【正文】 LPC2114具有兩個(gè)串口即UART0和UARTl，其中UARTl帶有完整的調(diào)制解調(diào)器接口。本文使用了外部11．0592MHz晶振，因?yàn)檫@個(gè)晶振可以使串口波特率更準(zhǔn)確，同時(shí)能夠支持LPC2114芯片內(nèi)部PLL功能和ISP功能。圖 46 復(fù)位電路 LPC2114可使用外部晶振或者外部時(shí)鐘，內(nèi)部PLL電路可以調(diào)整系統(tǒng)時(shí)鐘，使系統(tǒng)運(yùn)行速度更快(LPC2114的最大操作時(shí)鐘是60MHz)。信號(hào)nRST、nTRST將輸出低電平使系統(tǒng)復(fù)位。信號(hào)nRST連接到LPC2114的復(fù)位腳REST，信號(hào)nTRST連接到LPC2114芯片內(nèi)部JTAG接口電路復(fù)位腳TRST。復(fù)位電路如圖4．6所示。1％以內(nèi)，具有電流限制和熱保護(hù)功能，穩(wěn)定性高。LDO芯片采用了LMlll7．。首先由外部輸入12V的直流電源，二極管D1防止電源反接，經(jīng)過電容C1和C2濾波，通過7805穩(wěn)壓至5V，這個(gè)5v電一方面作為其他電路的邏輯電源，一方面繼續(xù)穩(wěn)壓給CPU供電。 LPC2114的供電電源電路。 IOPA7 IOPA6 IOPA5 IOPA4 IOPA3IOPBOIOPA7VDDVSSV0ECS1CS2R/WRSDB0DB7R=10KΩΩΩΩΩΩΩΩΩΩΩΩΩΩ+5VGND 圖 45 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路（四）外圍電路設(shè)計(jì) 由于LPC2114本身集成了許多常用的外圍部件，如12C、PWM、ADC等，而且具有128K Flash無需擴(kuò)展存儲(chǔ)器，所以給外圍電路的設(shè)計(jì)提供了方便。運(yùn)動(dòng)控制器 脈沖分配器功率驅(qū)動(dòng)器步進(jìn)電機(jī)負(fù)載電流控制保護(hù)電路 圖 44 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)框圖（2）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路本文步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖圖4．5所示，基于LPC2114，MICROELECTRONICS公司出產(chǎn)的集成芯片L29L298實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，對(duì)于云臺(tái)的兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，其控制電路大致相同。從功率驅(qū)動(dòng)級(jí)電路結(jié)構(gòu)來看，可區(qū)分為電壓驅(qū)動(dòng)和電流驅(qū)動(dòng)兩種驅(qū)動(dòng)方式。按步進(jìn)電機(jī)相繞組流過的電流是單向的還是雙向的，其驅(qū)動(dòng)方式可分為單極性驅(qū)動(dòng)和雙極性驅(qū)動(dòng)。由運(yùn)動(dòng)控制器給出的輸入指令是輸入時(shí)鐘和方向信號(hào)，他們?cè)诿}沖分配器中經(jīng)過邏輯組合轉(zhuǎn)換成各相通斷的時(shí)序邏輯信號(hào)，導(dǎo)通程序邏輯信號(hào)送至功率驅(qū)動(dòng)級(jí)，轉(zhuǎn)換成其內(nèi)部功率開關(guān)的基極(或柵極)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。因此，就步進(jìn)電機(jī)控制而言，各相通電順序的產(chǎn)生和電流波形的控制是主要的問題，其次要解決的是一些保護(hù)問題。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）步進(jìn)電機(jī)控制原理步迸電機(jī)有磁阻式、混合式和永磁式三種，它們必須與相應(yīng)的電子驅(qū)動(dòng)電路配套使用，而其工作性能很大程度上取決于所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路。步進(jìn)電機(jī)接收數(shù)字控制信號(hào)[]，并轉(zhuǎn)換成與之相對(duì)應(yīng)的角位移或直線位移，它本身就是一個(gè)完成數(shù)字／模擬轉(zhuǎn)換的執(zhí)行元件。（4）控制電路控制電路主要是以LPC21 14為核心處理器，利用它的一些模塊，如定時(shí)器、ADC模塊、PWM、12C、ADC以及一些外圍電路配合相應(yīng)的軟件程序來實(shí)現(xiàn)控制邏輯。（3） 顯示電路LPC2114把計(jì)算出來的電機(jī)轉(zhuǎn)速通過12C傳給SAAl064，SAAl064是帶有12C接13的四位LED驅(qū)動(dòng)器[]。采樣電阻上的電壓經(jīng)過放大送至rJLPC2114的ADC模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，作為電流環(huán)控制的反饋。 A B C 0 120 240 360 480 600 720 圖 43 霍爾傳感器的輸出信號(hào)為了提高測(cè)速精度，速度檢測(cè)采用500線的數(shù)字編碼器，編碼器輸出三路差分信號(hào)，經(jīng)過RS422線驅(qū)動(dòng)器和線接收器送給控制器LPC2114，控制器對(duì)輸入脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，應(yīng)用軟件計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速并判斷電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。根據(jù)霍爾傳感器三路輸出信號(hào)的每次跳變，對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)橋路進(jìn)行控制，當(dāng)檢測(cè)到霍爾傳感器輸出信號(hào)發(fā)生跳變時(shí)，控制器進(jìn)入中斷處理，以改變六路PWM輸出的狀態(tài)。（2） 檢測(cè)電路檢測(cè)電路分為三個(gè)部分，即轉(zhuǎn)予位置檢測(cè)，速度檢測(cè)和電流檢測(cè)。根據(jù)相應(yīng)的控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)無刷直流電機(jī)的控制。 基于LPC2114的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)主要由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路和顯示電路組成，其系統(tǒng)組成如圖4．2所示。稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)作為一種新型電動(dòng)機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行效率高、調(diào)速性能好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于不受機(jī)械換向的限制，易于做到大容量、高轉(zhuǎn)速。由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口，它們也非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、嵌入式軟件調(diào)制解調(diào)器以及其它各種類型的應(yīng)用。對(duì)代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過30％，而性能的損失卻很小?！?6】 LPC21 14是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16／32位ARM7．TDMI．S CPU，并帶有128kB嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器。為了方便試驗(yàn)，在初期設(shè)計(jì)中我們使用一組八位的LED數(shù)碼管來顯示反饋回來的電機(jī)轉(zhuǎn)速。下位機(jī)采用的是Philips公司的ARM7單片機(jī)LPC2114。反饋機(jī)器人的速度信息，由于對(duì)圖像的處理部分在上位機(jī)進(jìn)行，運(yùn)算量主要集中在上位機(jī)，所以使用的是PC單片機(jī)控制系統(tǒng)。這種控制系統(tǒng)可以完成更為復(fù)雜的工作，不過在設(shè)計(jì)周期上有了一定的限制。PC一單片機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)算速度快，控制精度高，利于小型化和智能話，但是單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)周期長(zhǎng)，可靠性要不斷改進(jìn)。目前研究的管道機(jī)器人大多數(shù)采用這種控制形式，例如由文獻(xiàn)[15]中，王卓軍、張曉華等人研制的基于視覺的管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)就是用的這種形式。PLC系統(tǒng)本身可靠性很高，可維護(hù)性好，開發(fā)周期短，操作簡(jiǎn)單，對(duì)于一些邏輯運(yùn)算功能顯著，不過它也有一些缺點(diǎn)，比如運(yùn)算速度慢、價(jià)格貴等。目前，管道機(jī)器人的常規(guī)控制形式有以下幾種：—PLC控制系統(tǒng)該系統(tǒng)中，上位機(jī)和下位機(jī)都采用PLC，構(gòu)成由PLC為控制核心,的主從二級(jí)制系統(tǒng)。（一）管道機(jī)器人的常規(guī)控制形式 通常情況下，管道機(jī)器人控制系統(tǒng)都采用上下位機(jī)控制形式，要解決的關(guān)鍵問題有兩個(gè)：一個(gè)是管內(nèi)外遠(yuǎn)程通信的可靠性，另一個(gè)是下位機(jī)控制器的穩(wěn)定性。 從實(shí)用、穩(wěn)定、可靠性的角度來看，控制系統(tǒng)相當(dāng)于管道機(jī)器人的心臟，管道機(jī)器人的一切行為都在它的統(tǒng)一指揮下完成。四、移動(dòng)式管道機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 由于管道機(jī)器人的工作環(huán)境具有特殊性，它要在操作人員看不到的管道內(nèi)行走作業(yè)。 我們采用了兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)做為云臺(tái)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)源，一個(gè)電機(jī)控制云臺(tái)的俯仰，另一個(gè)電機(jī)控制云臺(tái)的擺動(dòng)，再配合以CCD攝像機(jī)的自動(dòng)調(diào)焦，能夠?qū)z像機(jī)所在范圍內(nèi)的管內(nèi)形貌及時(shí)準(zhǔn)確的反映出來。為了詳細(xì)清晰的反映管內(nèi)的形貌，發(fā)揮出攝像機(jī)作檢測(cè)工具應(yīng)有的功能，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套具有2個(gè)自由度的云臺(tái)系統(tǒng)。 旋轉(zhuǎn)軸 齒形組合密封 圖33 軸端密封 由于移動(dòng)式管道機(jī)器人所在的管道內(nèi)的工作環(huán)境比較特殊，可能含有水、泥沙、油污以及腐蝕性氣體、液體等對(duì)機(jī)器人有腐蝕破壞性影響的物質(zhì)存在，因此要求機(jī)器人具有耐腐蝕、耐碰撞等特性，除了在形狀結(jié)構(gòu)上予以考慮解決以外，還要從本體材料的選擇上著手，在綜合考慮上述問題的情況下，選擇超硬鋁合金(7A04)作為本體的材料，它可以滿足這種工作要求。齒形組合密封是一種組合旋轉(zhuǎn)密封，采用O形圈和聚四氟乙烯環(huán)組合，依靠O形圈的彈性變形力，將聚四氟乙烯環(huán)壓緊在旋轉(zhuǎn)軸的圓周，起到很好的密封作用。機(jī)器人箱體采用的是組合結(jié)構(gòu)，即通過分散加工各箱體蓋圖，各箱蓋之間采用連接O形圈進(jìn)行密封，可以滿足密封要求。（1）標(biāo)稱功率： 120 W（2）額定電壓：48 V（3）堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩：726 mNm（4）空載電流：98 mA（5）空載轉(zhuǎn)速： 5900 rpm（6）最大連續(xù)電流(5000rpm)．．1．6A（7）最大連續(xù)轉(zhuǎn)矩(5000rpm)．． 108．4 mNm（8）最大效率：81％（9）重量：390g從移動(dòng)式管道機(jī)器人的工作環(huán)境及工作要求來看，該機(jī)器人應(yīng)滿足可以在水下工作的要求，也屬于水下機(jī)器人的范疇?；谶@些原則，我們采用一個(gè)大功率無刷直流電機(jī)圖32作為機(jī)器人行走電機(jī)。常用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要有步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)。對(duì)于移動(dòng)式機(jī)器人行走，常用的驅(qū)動(dòng)方式有液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)和機(jī)械式驅(qū)動(dòng)四種。并且由于采用了全時(shí)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，任何一個(gè)輪子在任意時(shí)刻都為驅(qū)動(dòng)輪，避免了從動(dòng)輪阻力大的缺點(diǎn)[14]，提高了機(jī)器人的越障能力，可以將電機(jī)的功率最大效率地發(fā)揮出來。要求管道機(jī)器人有較強(qiáng)的越障能力，能在泥濘、雜物堆積、一定曲率與坡度的管道內(nèi)部順利通過，此外，還要求機(jī)器人本體應(yīng)具有很強(qiáng)的負(fù)載、牽引能力，保證機(jī)器人在管內(nèi)行走距離大于200m；二自由度云臺(tái)主要是為視像檢測(cè)提供一個(gè)平臺(tái)，云臺(tái)上可以安裝有一臺(tái)微型攝像機(jī)，通過云臺(tái)的俯仰和擺動(dòng)掃描，全方位地檢查管內(nèi)情況，實(shí)時(shí)記錄行走路線及其方位，以便為管內(nèi)故障的準(zhǔn)確定位提供可靠依據(jù)。（一）移動(dòng)式管道機(jī)器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)和特點(diǎn) 外形尺寸：220（寬）mm x 190(高)mm x 700(長(zhǎng))mm(不含云臺(tái))行走速度 ：O～12 m／min無級(jí)可調(diào)適應(yīng)管道 ：250～500mm行走距離 ：≥200m（二）移動(dòng)式管道機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)組成 移動(dòng)式管道機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)主要由機(jī)器人移動(dòng)本體、自由度云臺(tái)及云臺(tái)起升架等組成。為滿足對(duì)管道的檢測(cè)、維修等作業(yè)任務(wù)的要求，所研究的移動(dòng)式管道機(jī)器人要具有良好的自定心性、較高的越障能力、良好的通過性、大的驅(qū)動(dòng)力輸出特性和較高的驅(qū)動(dòng)效率等特性，這樣才能保證移動(dòng)式管道機(jī)器人在管道這樣的極限環(huán)境下圓滿的完成預(yù)期的作業(yè)任務(wù)。 在綜合分析了各種類型的管道機(jī)器人技術(shù)之后，我們可以看到：一方面，隨著核工業(yè)、化工工業(yè)的發(fā)展．迫使人們研究管道機(jī)器人來對(duì)這些惡劣環(huán)境下的管道、罐狀容器進(jìn)行檢測(cè)維修，在一定程度上刺激了管道機(jī)器人的發(fā)展；另一方面，計(jì)算機(jī)、傳感技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、現(xiàn)代控制理論技術(shù)的發(fā)展，為管道機(jī)器人的研究應(yīng)用提供了技術(shù)保證，使應(yīng)用管道機(jī)器人進(jìn)行檢測(cè)、維修的手段成為現(xiàn)實(shí)，因此對(duì)管道機(jī)器人的研究和研制是必要和可行的。 還有一種步行式管道機(jī)器人，它通過左右兩側(cè)腳鎖死和前后腿的機(jī)構(gòu)變化實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在管道內(nèi)壁的行進(jìn)。但彈性毛蠕動(dòng)式管道機(jī)器人有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：(1)密封性好；(2)機(jī)器人的橫截面積小。蠕動(dòng)式的行走要有前后支撐部分的輔助運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)對(duì)于行走來說都是“無效”的運(yùn)動(dòng)，因此蠕動(dòng)式管道機(jī)器人行走效率低，而且更換支撐部位時(shí)會(huì)產(chǎn)生機(jī)身不穩(wěn)定現(xiàn)象，機(jī)器人行走也不連續(xù)，因而難以滿足工程中“迅速完成作業(yè)”的需要。專家們利用與之相似的原理制造出了蠕動(dòng)式管道機(jī)器人。 履帶式管道機(jī)器人附著性能好，在管內(nèi)存在油污、泥濘以及一定的障礙物的情況下，也能較為良好地行走，但是這種移動(dòng)形式的機(jī)器人結(jié)構(gòu)上要比車輪式機(jī)器人復(fù)雜，不易于控制和實(shí)現(xiàn)智能化。但仍存在不少的缺點(diǎn)，如管內(nèi)行程不夠大，力的提高受封閉力的限制，研究還有待近一半的完善和成熟，研制可適用于小管徑、大管徑和不同管徑的深行程管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人有著廣闊的發(fā)展前景[]（二）履帶式管道機(jī)器人 車輪式機(jī)器人的封閉力，即整壓力一摩擦力～驅(qū)動(dòng)力之間的矛盾使其越障性能在一定程度上受到了影響，而且在管壁摩擦力小時(shí)會(huì)使其驅(qū)動(dòng)力降低，因此，為了提高機(jī)器人的牽引力，提高其在管內(nèi)的越障能力，為了實(shí)現(xiàn)在油污、泥濘等惡劣條件下的管道內(nèi)移動(dòng)，國(guó)外學(xué)者又在行走方式上研制了履帶式管道機(jī)器人。該機(jī)器人可沿直管和彎管行走，采用光纜通訊，但由于攜帶的蓄電池電能的限制，還不能實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)的行走，其具體技術(shù)指標(biāo)為：適應(yīng)管徑：135～660ram：行走速度：5m/min。該機(jī)器人可作管內(nèi)裂紋探測(cè)，其具體技術(shù)指標(biāo)為：適應(yīng)管徑：m 50mm；行走速度：O～0．48m／mira轉(zhuǎn)彎性能：可通過90度直彎管；機(jī)器入重量：2409；機(jī)器人長(zhǎng)度：76mm?，F(xiàn)僅舉幾個(gè)例子進(jìn)行說明。就管內(nèi)行走機(jī)構(gòu)而言，我們希望牽引力大、定心性好，行走速度快、可靠性高，還希望它具有彎管通過功能，輪式管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人大部分應(yīng)用于大口徑管道，這是因?yàn)椋阂环矫?，大口徑管道通常是輸送水、天然氣、煤氣或柔性物質(zhì)的主干線，它們的破壞會(huì)給國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成巨大的損失，而且這些管道成本高，鋪設(shè)困難，所以，應(yīng)盡量維護(hù)好它們；另一方面，從管道機(jī)器人研制的角度