【正文】 前國(guó)內(nèi)使用較為普遍的 ARM 處理器，有較為豐富的資源可以參考，同時(shí)，采購(gòu)比較方便，成本低。因此 深海機(jī)器人左右履帶和整體的速度可以通過光電編碼器來測(cè)得。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔。其原理示意圖如圖 所示，通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 圖 光電編碼器原理圖 根據(jù)光電編碼器的刻度和輸信號(hào)的不同，可以分為絕對(duì)式光電編碼器和增量式光電編碼器。在它的圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼道，每條道上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系，碼盤上的碼道數(shù)就是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，在碼盤的一側(cè)是光源，另一側(cè)對(duì)應(yīng)每一碼道有一光敏元件 。這種編碼器的特點(diǎn)是不要計(jì)數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個(gè)固定的與位置相對(duì)應(yīng)的數(shù)字碼。絕對(duì) 式 編 碼器是利用自然二進(jìn)制或循環(huán)二進(jìn)制 (葛萊碼 )方式進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的。 特點(diǎn) ： 具有輸出數(shù)字量可與微機(jī)或 DSP直接接口，可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對(duì)值 ； 沒有累積誤差 ； 電源切除后位置信息不會(huì)丟失。 缺點(diǎn)：引出線較多，信號(hào)線數(shù)量與二進(jìn)制的位數(shù)相同；但是價(jià)格高、制造工藝復(fù)雜，不宜實(shí)現(xiàn)小型化。A、 B兩組脈沖相位差 ?90 ，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向，而 Z相為每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。若光柵節(jié)距角為 :δ,那么相對(duì)該指定位置的角度粗碼值 θ就為 :θ=Nδ。 缺點(diǎn) ： 不具有計(jì)數(shù)和接口電路；無記憶能力，斷電后要重新計(jì)數(shù)。在本文中選用 歐姆龍?jiān)隽渴焦怆娋幋a器 E6B2CWZ6B，其分辨率為 1024脈沖 /轉(zhuǎn)。 A、 B信號(hào)的相位關(guān)系體現(xiàn)了光電編碼器旋轉(zhuǎn)方向。辨向電路通過 A、 B的相位關(guān)系來判斷旋轉(zhuǎn)方向，并且據(jù)此決定當(dāng)一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖出現(xiàn)時(shí)應(yīng)該對(duì)當(dāng)前計(jì)數(shù)值加 1還是減1。 （ a）碼盤正轉(zhuǎn)時(shí) (b)碼盤反轉(zhuǎn)時(shí) 圖 增量式光電編碼器的輸出波形 由以上的波形圖可以看出整個(gè)測(cè)速步驟有兩個(gè)： 1） 脈沖鑒相； 2） 脈沖計(jì)數(shù)。本文采用的是采用 D 觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)脈沖的鑒相，其工作的原理如圖 所示： B Z Z B A A 基于 ARM 嵌入式系統(tǒng)的深海機(jī)器人軌跡跟蹤系統(tǒng)的研究 第二章 深海機(jī)器人軌跡跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 4C L K3D21Q5Q6C L RPR123123123ABBAW4W3W1W2 （ a）原理電路 （ b）波形（順時(shí)針） 圖 鑒相電路及其相應(yīng)波形 其中 D 觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)鑒相，異或門從 A、 B 信號(hào)產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖，起到倍頻的作用所以精度為 2Nppr，最大的的脈沖頻率是 Nn/30Hz,其中 n是轉(zhuǎn)速（ r/min）。此時(shí)上面的與非門關(guān)閉， 其輸出為高電平 (波形 W4)。 2） 脈沖計(jì)數(shù) 增量式光電編碼器除直接用于測(cè)量角位移外，常用來測(cè)量轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速。 ② T 法，通過測(cè)量相鄰脈沖間的時(shí)間間隔來計(jì)算轉(zhuǎn)速，適用于低速場(chǎng)合。但是對(duì)于低速，該方法需要較長(zhǎng)的檢測(cè)時(shí)間才能保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，無法滿足 轉(zhuǎn)速檢測(cè)系統(tǒng)的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)。 圖 T 法測(cè)速原理圖 假設(shè)時(shí)鐘頻率為 f ，光電編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為 P ， M 為對(duì)時(shí)鐘脈沖的計(jì)數(shù)值。 詳細(xì)觀察圖 可發(fā)現(xiàn)，在脈沖周期 T 內(nèi)， A、 B 兩相信號(hào)共產(chǎn)生了四次變化，盡管 T 不確定，但由于 A、 B 兩相信號(hào)之間相位關(guān)系確定， 使這四次變化在相位上的平均分布。四倍頻電路的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于鑒別出 A、 B 信號(hào)的上升沿和下降沿。而對(duì)于延時(shí)的處理方法也很多，如圖 所示。因此本文采用數(shù)字型延時(shí)電路可以很好的克服以上延時(shí)電路的缺點(diǎn)，延時(shí)的時(shí)間和各電路倍頻的脈沖寬度由時(shí)鐘控制，倍頻后脈沖寬度均勻一致。 圖 增量式光電編碼器四倍頻電路原理圖 其中 CLK 的頻率應(yīng)大于 A 或 B 相的脈沖頻率， 圖 增量式光電編碼器四倍頻波形 2. 數(shù)字羅盤 (1)數(shù)字羅盤的分類及其工作原理 目前世界上常用的指向設(shè)備有用電羅經(jīng)、磁羅經(jīng)、磁通門和磁阻 傳感器。磁傳感器本身是固定態(tài)的，電阻的體積可以做的很小且沒有活動(dòng)部件，功耗也很低，配BA ??? B? A? B A A? B? 4C L K3D21Q5Q6C L RPR4C L K3D21Q5Q6C L RPR4C L K3D21Q5Q6C L RPR4C L K3D21Q5Q6C L RPR123ABC L KOUT 基于 ARM 嵌入式系統(tǒng)的深海機(jī)器人軌跡跟蹤系統(tǒng)的研究 第二章 深海機(jī)器人軌跡跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 合選用體積小功耗低的外圍器件可以將磁阻羅盤微型化，已有逐步取代磁通門的趨勢(shì)。 （ a）磁阻傳感器工作原理 （ b）磁阻傳感器 圖 磁阻傳感器及其工作原理 磁阻 傳感器利用的是鎳鐵合金的電阻對(duì)某一個(gè)方向的磁場(chǎng)敏感的原理。磁阻傳感器由四個(gè)磁阻組成了惠斯通電橋。且在電橋上施加一個(gè)偏置磁場(chǎng) H，使得兩個(gè)相對(duì)放置的電阻的磁化方向朝著電流方向轉(zhuǎn)動(dòng)，引起電阻阻值增加；另外兩個(gè)相對(duì)放置的電阻的磁化方向背向電流方向轉(zhuǎn)動(dòng)，引起電阻阻值減少。靈敏 度 S 和傳遞函數(shù)的線性區(qū)成反比。如果地磁矢量 H在水平面的投影分別為 Hx， Hy，則有 [14]： ? ?my HSinH ?? 公式 () ? ?mx HCosH ?? 公式 () 基于 ARM 嵌入式系統(tǒng)的深海機(jī)器人軌跡跟蹤系統(tǒng)的研究 第二章 深海機(jī)器人軌跡跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 這時(shí)可以由下式計(jì)算運(yùn)載體的磁角方位角： Xym HHtg 1???? 公式 () 對(duì)于載體方位角可以通過歐拉角描述固定坐標(biāo)系 OXYZ 和運(yùn)動(dòng)坐標(biāo) ZYXO ????????????之間的關(guān)系（見圖 ）。這里涉及的三次旋轉(zhuǎn)都按右手法則，例如，繞 OZ軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，由 OX 軸向 OY 軸方向旋轉(zhuǎn)為正，反之為負(fù)。 圖 坐標(biāo)變換圖 因?yàn)榉较蛴嘞揖仃囀钦痪仃嚕哪婢仃嚧嬖谇揖偷扔谒陨淼霓D(zhuǎn)置矩陣。 (2)數(shù)字羅盤 HMR3000 的應(yīng)用 基于磁阻傳感器 HMR3000 羅盤模塊的數(shù)字羅盤經(jīng)系統(tǒng)以其價(jià)格便宜、操作簡(jiǎn)單、具有數(shù)字化接口、便于數(shù)據(jù)處理等優(yōu)勢(shì)，在船舶導(dǎo)航中得到越來越普的應(yīng)用 [15]。其內(nèi)部全部采用貼片元件，不含任何移動(dòng)元件，非常堅(jiān)固可靠，并且其輸入電壓范圍廣、功耗低、體積小，適合安裝在各種平臺(tái)上使用。 圖 HMR3000 原理圖 磁場(chǎng) ASCII 輸出 微處理器 傳感器 傾斜 磁阻 IIR濾波器 航向計(jì)算 非線性濾波器 RS232 RS485 基于 ARM 嵌入式系統(tǒng)的深海機(jī)器人軌跡跟蹤系統(tǒng)的研究 第二章 深海機(jī)器人軌跡跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) HMR3000 數(shù)字羅盤由內(nèi)置單片機(jī)控制傳感器的測(cè)量時(shí)序，所有控制 HMR3000操作的參數(shù)都存儲(chǔ)在內(nèi)置 EEPROM 中 [16][17]。它與外界通信的接口簡(jiǎn)單，用標(biāo)準(zhǔn)的RS232 T 型頭接口，采用串行通信的方法，為傳輸波特率可選擇從 1200bit/s 到 38 400bit/s，可以方便的采集數(shù)據(jù)，供 CPU處理。 HMR3000 數(shù)字羅盤上自帶有標(biāo)準(zhǔn)的 D 型 9 針插頭，可以利用該插頭通過 MAX3232 芯片 ，連接到 ARM 的串口。這主要是因?yàn)?HMR3000 的輸出數(shù)據(jù)在連接到 D 型插頭時(shí)，為了方便和 PC 機(jī)的連接已經(jīng)調(diào)換了 3 腳的順序，因此只要將 HMR3000 的 3 腳按順序連接到對(duì)應(yīng)的管腳就可以了。 （ a） 接入未經(jīng)穩(wěn)壓的電源 （ b）接入穩(wěn)壓的電源 圖 兩種不同電源的接口電路 在本文中采用的是接入穩(wěn)壓電源的接口電路。8 V+ 5 GND 3 Rx 2 Tx GND 5 Tx 3 Rx 2 HMR3000接口 5V DC 穩(wěn)壓電源 ARM接口 GND 5 Tx 3 Rx 2 9 V+ 5 GND 3 Rx 2 Tx HMR3000接口 未經(jīng)穩(wěn)壓電源 615V DC ARM接口 基于 ARM 嵌入式系統(tǒng)的深海機(jī)器人軌跡跟蹤系統(tǒng)的研究 第二章 深海機(jī)器人軌跡跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 該液壓系統(tǒng)主要由電液比例閥、變量泵、履帶行走馬達(dá)組成。 圖 深海機(jī)器人行走的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖 從液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖可以看出，深海機(jī)器人行走控制關(guān)鍵在于電液比例閥的控制。電氣控制部分包括電放大器和比例電磁鐵。其工作原理為 :利用電 — 機(jī)械轉(zhuǎn)換器來操縱變量泵的變量機(jī)構(gòu)，利用電信號(hào)來實(shí)現(xiàn)變量泵的變量功能。因此變量泵的排量能連續(xù)按比 例地隨輸入信號(hào)的大小而改變。因此，通過調(diào)節(jié)輸入電信號(hào)的大小，可以改變電液比例閥的電流，便可調(diào)節(jié)進(jìn)入定量馬達(dá)的流量，從而改變定量馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)集礦機(jī)左右履帶速度的可調(diào)特性。而本文采的 D/A轉(zhuǎn)換器 DAC1210采用的是電流開關(guān)型電路，輸出的是電流信號(hào)，因此必通過外接電路進(jìn)行電流 — 電壓的轉(zhuǎn)換，常用的方法是外接由運(yùn)算放大器組成的電流 —電壓轉(zhuǎn)換電路，其原理如圖 [18]： +R 2= RR 1= 2RR 3= 2RV R E FR f bI out 1I out 2AGND+V O U T 2V O U T 1D /A 圖 電流 —電壓轉(zhuǎn)換電路 其中 VOUT1為單極性輸出，若 D為輸入數(shù)字量， VREF為基準(zhǔn)參考電壓，且為 n位的 D/A轉(zhuǎn)換器，則有： vo Vi + 控制器 電液比 例閥 變量泵 液壓馬達(dá) 履帶 基于 ARM 嵌入式系統(tǒng)的深海機(jī)器人軌跡跟蹤系統(tǒng)的研究 第二章 深海機(jī)器人軌跡跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) nDVREFV OU T 21 ??? 公式 () VOUT2為雙極性輸出，且可推導(dǎo)得到 ?????? ?????????? ???? 121212313nDVREFV O U TRRVREFRRV O U T 公式 () RS232/RS485 轉(zhuǎn)換器 目前比較常用的通 信總線有 CI2 總線、 SPI總線、 CAN總線、 RS23 RS485等，在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，在要求通信距離為幾十米到上千米時(shí)，廣泛采用 RS485串行總線標(biāo)準(zhǔn)。 RS485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。RS485采用半雙工工作方式，任何時(shí)候只能有一點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送狀態(tài)須由使 能信號(hào)加以控制。正是因?yàn)?RS485具有良好的抗噪聲干擾性，長(zhǎng)的傳輸距離和多站能力等優(yōu)點(diǎn)使其成為首選的串行接口。其進(jìn)行兩點(diǎn)之間遠(yuǎn)程通信時(shí)的連接電路如圖 ?，F(xiàn)在電子市場(chǎng)上已有現(xiàn)成的 RS232/RS485轉(zhuǎn)換器銷售，但性價(jià)比很低，因此自行設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單可靠TxD 使能 RxD RxD TxD 使能 基于 ARM 嵌入式系統(tǒng)的深海機(jī)器人軌跡跟蹤系統(tǒng)的研究 第二章 深海機(jī)器人軌跡跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 實(shí)用的 RS232/RS485轉(zhuǎn)換器，其原理圖如圖 [19][20][21]。三片光電隔離器使上位機(jī)與 RS485之間完全沒有了電的聯(lián)系，從而提高了工作的可靠性，當(dāng) RS232的 RTS端為邏輯電平 1（ 12V）時(shí)，光電隔離器的發(fā)光二極管不發(fā)光，光敏三極管不導(dǎo)通，輸出端為 TTL邏輯電平 1（ +5V），此時(shí)選中 RS485的 DE端允許 RS485接收，這樣， RS232的 TXD端就可以發(fā)送數(shù)據(jù)（工作邏輯與 RTS端相似）。當(dāng) RS485的 R端的輸出為邏輯電平 1時(shí)，光電隔離器發(fā)光二極管不發(fā)光，光敏三極管不導(dǎo)通， RXD電平為 12V，電容被充電到 12V以使其輸出也變成 12V，即邏輯電平 1；當(dāng)其輸出為邏輯電平 0時(shí)，光電隔離器發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管導(dǎo)通，這時(shí)，其輸出為 +5V，也在 RS232邏輯電平 0的范圍之內(nèi)，即為邏輯電平 0。另外擴(kuò)展一片 Intel公司的 NorFlash用于存放系統(tǒng)程序，型號(hào)為 E28F128J3，容量為 12