除銹爬壁機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計

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除銹爬壁機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計 1 前言 控制系統(tǒng)是船舶壁面除銹爬壁機器人的重要組成部分，其負責(zé)完成對除銹爬壁機器人的行走和轉(zhuǎn)向功能的控制，使機器人能夠按照預(yù)定的軌跡去工作，因此對除銹爬壁機器人控制系統(tǒng)提出如下基本要求 : (1)控制系統(tǒng)方便、可靠性高、操作靈活，便于操作人員使用 ; (2)通過功能按鍵可以設(shè)定機器人的多極移動速度，并可實時調(diào)整運動方向和運動速度，實現(xiàn)機器人在船體表面上的全方位移動 ; (3)由于船舶除銹現(xiàn)場環(huán)境惡劣，除銹爬壁機器人的工作環(huán)境制約了其控制方式， 本系統(tǒng)采用簡單實用、可靠性高的有線遙控，其控制距離需大于 30米。 (4)控制系統(tǒng)能實現(xiàn)除銹爬壁機器人的簡單作業(yè)，保證機器人在爬行過程中的除銹質(zhì)量。 2 除銹爬壁機器人控制系統(tǒng)的總體方案 除銹爬壁機器人在船體表面上的行走和轉(zhuǎn)向是通過左右兩個交流伺服電機的驅(qū)動來實現(xiàn)的。當左右兩個伺服電機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向相同時，爬壁除銹機器人在船體表面上實現(xiàn)直線行走。電機正轉(zhuǎn)時，機器人前進 ;電機反轉(zhuǎn)時，機器人后退。當左右兩個伺服電機的轉(zhuǎn)向相反時，除銹爬壁機器人在船體表面上實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。 綜合考慮各種控制形式的優(yōu)缺點，結(jié)合船舶除銹的實際情況， 爬壁機器人的控制系統(tǒng)采用上下位機二級分布式控制方式，以保證即使在無操作人員參與的情況下，下位機 也可以按照上位機通過串口預(yù)先給定的指令和參數(shù)實現(xiàn)自主作業(yè)，從而使船舶壁面除銹 爬壁機器人具有高效除銹、自動化水平高和減少操作人員操作強度的性能 ;操作人員也 以通過觀測船體表面的實際銹蝕狀況，根據(jù)除銹爬壁機器人的實際作業(yè)情況，隨時切換到人工操作狀態(tài)，以提高機器人的實時性、實用性和高效性。 在本控制系統(tǒng)中，上位機和下位機都是基于單片機而設(shè)計的。上位機是以 要由 陣鍵盤以及標準的 85接口構(gòu)成，其作用是通過各功能按鍵向下位機發(fā)送指令，以實現(xiàn)對爬壁機器人伺服電機的遠程控制。下位機控制器安裝于機器人本體的背面，控制器內(nèi)部裝有兩個伺服電機驅(qū) 動器、直流電源模塊、和控制電路板。下位機控制電路板也是以 為核心，主要由 8155擴展 1/0接口電路、 換與運算放大電路、 數(shù)字量輸入輸出接口電 路、電源轉(zhuǎn)換電路以及與上位機進行通訊的 85標準接口構(gòu) 成，其作用是根據(jù)上位機傳送的初始化參數(shù)和動作指令進行動作，控制左右兩個伺服驅(qū) 動器，驅(qū)動左右兩個交流伺服電機運動，從而控制除銹爬壁機器人的行走和轉(zhuǎn)向。圖 1 為除銹爬壁機器人控制系統(tǒng)總體框圖。 圖 1除銹爬墻機器人控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖 3 除銹爬壁機器人控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 位機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 下位機控制系統(tǒng)是爬壁機器人控制系統(tǒng)的核心部分，其主要功能是實現(xiàn)對左右伺服電機的運動控制以及與上位單片機控制系統(tǒng)之間進行通訊，以完成對機器人作業(yè)的控制。整個 下位機控制硬件主要由兩個伺服電機驅(qū)動器和下位單片機控制電路板構(gòu)成。下位單片機控制電路板主要輸出模擬量電壓信號來控制左右兩個伺服驅(qū)動器，進而控制左右兩個伺服電機的運轉(zhuǎn)，從而達到控制除銹爬壁機器人行走與轉(zhuǎn)向的目的，同時它又擔(dān)負著和上位機控制器之間的通訊任務(wù)，將上位機傳送過來的控制指令處理后，再將相應(yīng)的電壓信號傳遞給伺服驅(qū)動器，從而實現(xiàn)遙控操作的功能。整個下位機電路板由 8155D/字量輸入輸出接口電路、電源轉(zhuǎn)換電路以及與上位機進行通訊的 85標準 接口電路構(gòu)成。 流伺服電機驅(qū)動器 根據(jù)前面對伺服電機的選型可知，本課題選用的是調(diào)速范圍寬、響應(yīng)快、抗干擾性強的安川 4之相匹配的伺服驅(qū)動器型號為 4伺服驅(qū)動器有三種控制模式 :速度控制模式、轉(zhuǎn)矩控制模式和位置控制模式。本系統(tǒng)采用速度控制模式，可通過伺服驅(qū)動器的用戶參數(shù) 0V，其電機轉(zhuǎn)速與指令電壓成線性關(guān)系，速度指令電壓與電機轉(zhuǎn)速對應(yīng)關(guān)系如表 1所示 [1]。 表 1速度指令壓電與電極轉(zhuǎn)速對應(yīng)關(guān)系 正常工作時，伺服驅(qū)動器接受來自單片機控制系統(tǒng)的伺服準備信號，使伺服電機通 電，處于運行狀態(tài)，然后根據(jù)加在 V~端口上的由單片機控制系統(tǒng) D/且通過模擬指令電壓的正負來確定電機的 正反轉(zhuǎn)，從而確定爬壁機器人在船體表面上的行走速度和運動方向，同時單片機控制系 統(tǒng)通過電平轉(zhuǎn)換電路檢測伺服驅(qū)動器的伺服狀態(tài)輸出信號，并根據(jù)接收到的信號對伺服 驅(qū)動器進行相應(yīng)的控制。此外通過伺服電機的編碼器反饋，可以獲得伺服電機實際工作 時轉(zhuǎn)子的位置和電機的轉(zhuǎn)速。如圖 2所示為爬壁機器人單側(cè)交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)控制接線示意圖。 圖 2交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)控制接線示意圖 性能 內(nèi)含 428個字節(jié)的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器 (器件采用易失性存儲技術(shù)制造。兼容標準 1指令系統(tǒng)，片內(nèi)配置通用 8位中央處理器 ( 片上的 非易失存儲編程器對程序存儲器重復(fù)編程。 位 很多嵌入式控制應(yīng)用提供了非常靈活而又價格適宜方案，具有較高的性能價格比 [2]。 1. 與 1產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容。 2. 片內(nèi)有 43. 存儲器可循環(huán)寫入 /擦除 1000。 4. 存儲數(shù)據(jù)保存時間為 10年。 5. 寬工作電壓范圍 :V。 6. 時鐘頻率范圍 :4 7. 程序存儲器具有 3級加密保護。 8. 128 9. 32個可編程 1/0接口線。 10. 2個 16位定時 /計數(shù)器。 11. 中斷結(jié)構(gòu)具有 5個中斷源和 2個優(yōu)先級。 12. 可編程全雙工串行 13. 空閑狀態(tài)維持低功耗和掉電狀態(tài)保存存儲內(nèi)容。 圖 3時鐘電路 圖 4復(fù)位電路 過該引腳可以使程序從指定處開始執(zhí)行，即從程序存儲器中的 要在 片機內(nèi)部則 開始復(fù)位。只要 有當 000此， 作必須要有合適的時鐘電路和復(fù)位電路。圖 3和圖 4分別為 時鐘電路由一個 120們決定了單片機的工作時間精度為 1微秒。復(fù)位電路由 22協(xié) 鍵以及 成，可實現(xiàn)上電復(fù)位和按鍵復(fù)位。通常的復(fù)位采用 10協(xié) 電路，在本系統(tǒng)中我們根據(jù)實際經(jīng)驗選用 22協(xié) 好處是在滿足單片機 可靠復(fù)位的前提下降低了復(fù)位引腳的對地阻抗，可以顯著增強單片機復(fù)位電路的抗干擾 能力。其中 現(xiàn)短時間內(nèi)多次 復(fù)位。 8155擴展 1/0接口電路 在爬壁機器人下位機控制系統(tǒng)中，兩個伺服驅(qū)動器正常工作所需單片機的輸入輸出 信號較多，需占用 89的輸入輸出口線并不多，只有 位 3口的某些位線可作為輸 入輸出線使用，輸入輸出線不足 16條，因此，為滿足系統(tǒng)需求， 外擴輸入輸出 (口芯片。 ，用戶可以把外部 64O 接口的地址空間，每一個接口芯片中的一個功能寄存器口地址就相當于一個 單元， 其功能寄存器 進行讀、寫操作。 在 本系統(tǒng)中，我們采用 15芯片內(nèi)包含有 256個字 節(jié)的靜態(tài) 個可編程的 8位并行口 個可編程的 6位并行口 4位減法定時器 /計數(shù)器?？梢詾閱纹瑱C提供 22個輸入輸出口線和一個 256 字節(jié)的 于 8155可以直接和 片機接口，不需要增加任何硬件邏輯。因而其靈活方便，可作為單片機與多種外圍設(shè) 備相連時的接口芯片。 81550個引腳，采用雙列直插式封裝。 在本控制系統(tǒng)中，通過 ，其接口電路原理圖如圖 中 8155只有當 1558155，當 10/麗 =0時， 155擇 8155H 的 當 10/麗 =1時， 155口的地址，選擇 8155本系統(tǒng)中使用 8155展 1/0口，因此系統(tǒng)工作時應(yīng)使 擇 81558155信號而和寫選通信號麗都為低電平有效，其分別由 供。當瓦 =0， 10/麗 =1，而端為低電平時， 8155單片機讀入 ;當瓦 =0， =1，麗端為低電平時， 8155數(shù)據(jù)寫入到 81558155為高電平有效，當 時， 8155址 鎖存器” ;否則，地址鎖存器處于封鎖狀態(tài)。 8155位端相連，都接到 者共用一個復(fù)位電路。 圖 5 155在爬壁機器人的下位單片機控制系統(tǒng)中，伺服驅(qū)動器的伺服準備輸入信號和伺服狀 態(tài)輸出信號主要是 155A、 而 155A、 8155H 的 1/0口編址見表 3]。 表 2 8155\根據(jù)圖 5中 155及表 2中所列 8155知在該系統(tǒng)中， 8155口、 C 口地址分別為 77令寄存器和狀態(tài)寄存器共用一個端口地址，在本系統(tǒng)中地址可為 7命令寄存器只能寫入不能讀出，狀態(tài)寄存器 只能讀出不能寫入。 口的工作方式是通過 8155位命令寄存器的低 4位來定義的，具體命令控制字的格式如圖6所示 1621。當系統(tǒng)確定了 8155、 B、 通過單片機編程將相應(yīng)的命令控制字寫入到 8155而使各 1/0在預(yù)定的方式下工作。在本控制系統(tǒng)中， 許 時計數(shù)器無操作，則相應(yīng)的命令控制字為 16H。 圖 6 8155命令控制字格式 D/由于在本控制系統(tǒng)中，爬壁除銹機器人的伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)采用的是模擬電壓控制，伺服電機的轉(zhuǎn)速與電壓成正比關(guān)系。而單片機只能輸出數(shù)字量，因此要獲得模擬量電壓必須對單片機輸出的數(shù)字量進行 D/而通過模擬量電壓來控制伺服電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。本控制系統(tǒng)中要對兩個伺服電機實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的同步控制，因此需要兩路同步工作的 D/于兩個伺服電機完全相同，所以進行 D/面就單路 D/ 在本控制電路中，單路 D/個 0電路原理圖如圖 7所示。該電路可輸出雙極性模擬量電壓，既可以實現(xiàn)對伺服電機的轉(zhuǎn)速控制，也可以實現(xiàn)對伺服電機的轉(zhuǎn)向控制。 圖 7 D\位 采用 20引腳雙列直插式封裝，由 8位輸入寄存器、 8位 位 D/主要特性有 [4]: 8位分辨率 ; 電流輸出，穩(wěn)定時間為 1娜 ; 可單緩沖、雙緩沖或直接數(shù)字輸入 ; 只需在滿量程下調(diào)整其線性度 ; 單一電源 供電 (+15V); 用時可直接將芯片的數(shù)據(jù)輸入線和 機的數(shù)據(jù)總線相連，作為一個擴展的 于 控制伺服電機所需要的是電壓信號，因此我們通過運算放大器 7將 用兩級運放電路的目的是為了獲得雙極性輸出電 壓。圖 7中， 3為反饋電阻，變阻器 面對 進一步介紹。 圖 8 如圖 中， 式中： 根據(jù)基爾霍夫電流定律，任一瞬時， 有 : 由上式可得： 由式 (知，當 0080當80H<同，為正電壓 ;當 0。 成正比。綜上， 將 一 過單片機向 過 D/ 從而使伺服電機在相應(yīng)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向下運行。 圖 9 兩片 除銹爬壁機器人左右兩個伺服電機的運動控制都是通過上述 D/運算放大 電路來實現(xiàn)的，且它們的同步運動是由兩路經(jīng) D/同步輸出來實現(xiàn)的。當 輸出，此時 圖 9所示為兩片 電路可得 到兩路同步輸出的模擬量電壓。 由圖 9可知， l#2#硯和 l#和 2# 1#2#的地址為 1#和 2#7常工作時， l#和 2# 位輸入寄存器中，然后再通過選口地址 據(jù)同時送入相應(yīng)的 8位 實現(xiàn)同步 D/過各自的運算放大電 路，便可以得到兩路同步輸出的模擬量電壓。 數(shù)字量輸入輸出接口電路 伺服驅(qū)動器除了需要模擬量電壓輸入來控制伺服電機運行外，其正常工作還需要有 相應(yīng)的數(shù)字量輸入作為伺服控制信號，而且伺服驅(qū)動器的運行狀態(tài)信號也是通過數(shù)字量 輸出的，因此，采用 需要設(shè)計相應(yīng)的數(shù) 字量輸入輸出接口電路。 由于 ，在本系統(tǒng)中采用了 8155了三個 中 口用來作為數(shù)字量輸出口，為伺服驅(qū)動器提供數(shù)字量輸入 信號， 來采集伺服驅(qū)動 器的運行狀態(tài)信號。 伺服驅(qū)動器的輸出 (附錄 5一 32線 )是十、一差分信號輸出，而 8155數(shù)字量輸入，因此要通過 8155需要在它們之間外加轉(zhuǎn)換電路。圖 10所示為單路伺服驅(qū)動器數(shù)字量輸出接口轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換后得到的電平信號 接輸入到 8155A 口。 圖 10 伺服驅(qū)動器輸出轉(zhuǎn)換電路 伺服驅(qū)動器的數(shù)字量輸入由 24 8155V，它 們之間不能直接相連，需在它們之間 加入光電藕合器 這樣既可以實現(xiàn) 8155防止了伺服驅(qū)動器對控制電 路板的干擾。如圖 11 所示為單路伺服驅(qū)動器的數(shù)字量輸入轉(zhuǎn)換電路圖，輸入到伺服驅(qū) 動器的數(shù)字量信號由 155 圖 11 伺服驅(qū)動器的數(shù)字量輸入轉(zhuǎn)換電路 整個控制電路板的數(shù)字量輸入輸出接口電路如圖 12所示。 圖 12 數(shù)字量輸入輸出接口電路 一 485通訊接口電路 由于除銹爬壁機器人在工作過程中要求其下位機控制系統(tǒng)與上位機控制系統(tǒng)之間 的通訊距離需大于 30米，而采用單片機本身的 傳輸距離 一般不超過 抗干擾性差。為增大數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄓ嵕嚯x和提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_ 能力，在本系統(tǒng)中我們采用 85標準串行通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸。 85是美國電氣工業(yè)聯(lián)合會 (定的利用平衡雙絞線作為傳輸線的多點通訊 標準。它采用一對平衡差分信號線進行傳輸，最大傳輸距離可達 85標準允許最多并聯(lián) 32個驅(qū)動器和犯個收發(fā)器。接收 器最小靈敏度可達士 20大傳輸速 率可達 s。 85協(xié)議是針對遠距離、高靈敏度、多點通訊制定的標準。 由于 85采用的是差分信號，與單片機的 此兩者接口時需 進行電平轉(zhuǎn)換，在本系統(tǒng)中，我們采用 芯片既可作為 85的驅(qū)動器又可作為接收器。 85芯片，采用單一電源 +定電流為 300林 A，采用半雙工通訊方式，它完成將85電平的功能，其引腳結(jié)構(gòu)圖如 圖 13所示。 圖 13 從圖 13中可以看出， 部含有一個驅(qū)動 器和接收器。 和 為接收和發(fā)送的使能端，當麗為邏輯 0時，芯片處于接收狀態(tài) ;當 時，芯 片處于發(fā)送狀態(tài)。由于 以只需用單片機的一個管腳控 制麗和 端為接收和發(fā)送共用的差分信號端。若 ， 當發(fā)送的數(shù)據(jù)為邏輯 1時， 當發(fā)送的數(shù)據(jù)為邏 輯 0時， 若麗二 O，當 全 收端 當 三一 收端 端和 圖 14所示為本控制系統(tǒng)中 了消除反射和吸收噪音，在 端和 阻值為 1200的電阻。 圖 14 系統(tǒng)電源解決方案 在本控制系統(tǒng)的設(shè)計中用到了多種電壓信號。除銹爬壁機器人的交流伺服電機、伺 服驅(qū)動器以及開關(guān)電源的供電都為交流 220V，開關(guān)電源可為下位機控制系統(tǒng)提供 +24V、 月 外 +準電壓，其對電源的精度要求較高，需要選取適宜的電源模塊，設(shè)計相應(yīng)的 換電路。 在 +1C/取 該芯片可 為 8到 14位 別為電源輸入端 +壓輸出端 常情況下，在其電源輸入端 +3其電壓輸出端 能得到一個精度較高的 +這需要元器件具有較高的質(zhì)量等級。而實際上， 元器件本身不可避免地會存在著一些偏差。為了確保其輸出的 +1度，需要在 具體轉(zhuǎn)換電路如圖 15所示。圖中的 +一 1515阻 R=220時， 0卜 120時， 0R= 圖 15 +10C/位機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 圖 16 上下位機控制系統(tǒng)通訊接口電路連接原理圖 爬壁機器人上位機控制系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)對下位機控制系統(tǒng)的遠程控制，從而達到控制爬壁機器人在船體表面上行走的速度和方向。上位機控制系統(tǒng)采用 時鐘電路、復(fù)位電路、行列式非編碼鍵盤電路以及 85通訊電路構(gòu)成，其主要完成對鍵盤的掃描，并將所按下鍵對應(yīng)的控制命令通過 85通訊電路發(fā)送給下位機控制系統(tǒng)，使下位機產(chǎn)生相應(yīng)的動作控制左右伺服電機運動。 在本控制系統(tǒng)中，上位機控制系統(tǒng)與下位機控制系統(tǒng)采用的單片機相同，都為采用的時鐘電路和復(fù)位電路與下位機控制系統(tǒng)中 的相同。上位機控制系統(tǒng)中的 85通訊電路與下位機控制系統(tǒng)中的也相同，都是采用 控制系統(tǒng)之間進行通信時，只需將各自 引腳和 體連接電路如圖 16所示。圖中將兩控制系統(tǒng)通訊電路的地相連，主要是確保電平一致，避免傳輸?shù)男盘柺д妗? 鍵盤是由若干個按鍵組成的開關(guān)矩陣，它是最簡單的單片機輸入設(shè)備，通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)和命令，可實現(xiàn)簡單的人機對話。本上位機控制系統(tǒng)中采用的鍵盤為 4只 4的行列式非編碼鍵盤，其具體結(jié)構(gòu)如圖 17所示。在這種鍵盤中，每根行線和列線的交叉處都接有一個按鍵，當某個按鍵被按下時，與這個按鍵相連的行線和列線就會接通，否則是斷開狀態(tài)。一個 條行線和 占用 M+系統(tǒng)中的鍵盤共占用單片機 8條 獨立式非編碼鍵盤相比，節(jié)省了單片機 8條 圖 17 4 圖 18 上位機控制系統(tǒng)硬件電路原理圖 如圖 18所示為上位機控制系統(tǒng)硬件電路原理圖。圖中， 4V，當鍵盤上沒有鍵閉合時，所有的行線和列線都斷開 ，行線3呈高電平。當鍵盤上的某一個鍵閉合時，該鍵所對應(yīng)的行線和列線短路。例如，線 時 控制 中將行線 3對應(yīng)地接到 列線 3對應(yīng)地接到 通過單片機的控制，使 ，即列線 余三根 列線 后單片機通過 果 3都為高電平，則 果讀出行線的狀態(tài)不全為高 電平， 則低電平的行線和 如果 著使列線 余列線為高電平，用同樣的方法檢查 此類推，這種逐行逐列地檢查鍵盤狀態(tài)的過程稱為對鍵盤的一次掃描。 可以采取定時控制 方式，每隔一定的時間 可以采用中斷方式，當鍵盤上有鍵閉合時，向 鍵盤掃描，以識別哪一個按鍵處于閉合狀態(tài)，并對按鍵輸入信息作出相應(yīng)處理。 根據(jù)行線和列線的狀態(tài)求得，也可以根據(jù)據(jù)行線和列線的狀態(tài)查表求得。 參考文獻 [1] 安川電機中文用戶手冊 2003. 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