除锈爬壁机器人控制系统的设计

除锈爬壁机器人控制系统的设计 1 前言 控制系统是船舶壁面除锈爬壁机器人的重要组成部分，其负责完成对除锈爬壁机器人的行走和转向功能的控制，使机器人能够按照预定的轨迹去工作，因此对除锈爬壁机器人控制系统提出如下基本要求 : (1)控制系统方便、可靠性高、操作灵活，便于操作人员使用 ; (2)通过功能按键可以设定机器人的多极移动速度，并可实时调整运动方向和运动速度，实现机器人在船体表面上的全方位移动 ; (3)由于船舶除锈现场环境恶劣，除锈爬壁机器人的工作环境制约了其控制方式， 本系统采用简单实用、可靠性高的有线遥控，其控制距离需大于 30米。 (4)控制系统能实现除锈爬壁机器人的简单作业，保证机器人在爬行过程中的除锈质量。 2 除锈爬壁机器人控制系统的总体方案 除锈爬壁机器人在船体表面上的行走和转向是通过左右两个交流伺服电机的驱动来实现的。当左右两个伺服电机的转速与转向相同时，爬壁除锈机器人在船体表面上实现直线行走。电机正转时，机器人前进 ;电机反转时，机器人后退。当左右两个伺服电机的转向相反时，除锈爬壁机器人在船体表面上实现转向。 综合考虑各种控制形式的优缺点，结合船舶除锈的实际情况， 爬壁机器人的控制系统采用上下位机二级分布式控制方式，以保证即使在无操作人员参与的情况下，下位机 也可以按照上位机通过串口预先给定的指令和参数实现自主作业，从而使船舶壁面除锈 爬壁机器人具有高效除锈、自动化水平高和减少操作人员操作强度的性能 ;操作人员也 以通过观测船体表面的实际锈蚀状况，根据除锈爬壁机器人的实际作业情况，随时切换到人工操作状态，以提高机器人的实时性、实用性和高效性。 在本控制系统中，上位机和下位机都是基于单片机而设计的。上位机是以 要由 阵键盘以及标准的 85接口构成，其作用是通过各功能按键向下位机发送指令，以实现对爬壁机器人伺服电机的远程控制。下位机控制器安装于机器人本体的背面，控制器内部装有两个伺服电机驱 动器、直流电源模块、和控制电路板。下位机控制电路板也是以 为核心，主要由 8155扩展 1/0接口电路、 换与运算放大电路、 数字量输入输出接口电 路、电源转换电路以及与上位机进行通讯的 85标准接口构 成，其作用是根据上位机传送的初始化参数和动作指令进行动作，控制左右两个伺服驱 动器，驱动左右两个交流伺服电机运动，从而控制除锈爬壁机器人的行走和转向。图 1 为除锈爬壁机器人控制系统总体框图。 图 1除锈爬墙机器人控制系统总体结构框图 3 除锈爬壁机器人控制系统的硬件设计 位机控制系统的硬件设计 下位机控制系统是爬壁机器人控制系统的核心部分，其主要功能是实现对左右伺服电机的运动控制以及与上位单片机控制系统之间进行通讯，以完成对机器人作业的控制。整个 下位机控制硬件主要由两个伺服电机驱动器和下位单片机控制电路板构成。下位单片机控制电路板主要输出模拟量电压信号来控制左右两个伺服驱动器，进而控制左右两个伺服电机的运转，从而达到控制除锈爬壁机器人行走与转向的目的，同时它又担负着和上位机控制器之间的通讯任务，将上位机传送过来的控制指令处理后，再将相应的电压信号传递给伺服驱动器，从而实现遥控操作的功能。整个下位机电路板由 8155D/字量输入输出接口电路、电源转换电路以及与上位机进行通讯的 85标准 接口电路构成。 流伺服电机驱动器 根据前面对伺服电机的选型可知，本课题选用的是调速范围宽、响应快、抗干扰性强的安川 4之相匹配的伺服驱动器型号为 4伺服驱动器有三种控制模式 :速度控制模式、转矩控制模式和位置控制模式。本系统采用速度控制模式，可通过伺服驱动器的用户参数 0V，其电机转速与指令电压成线性关系，速度指令电压与电机转速对应关系如表 1所示 1。 表 1速度指令压电与电极转速对应关系 正常工作时，伺服驱动器接受来自单片机控制系统的伺服准备信号，使伺服电机通 电，处于运行状态，然后根据加在 V端口上的由单片机控制系统 D/且通过模拟指令电压的正负来确定电机的 正反转，从而确定爬壁机器人在船体表面上的行走速度和运动方向，同时单片机控制系 统通过电平转换电路检测伺服驱动器的伺服状态输出信号，并根据接收到的信号对伺服 驱动器进行相应的控制。此外通过伺服电机的编码器反馈，可以获得伺服电机实际工作 时转子的位置和电机的转速。如图 2所示为爬壁机器人单侧交流伺服驱动系统控制接线示意图。 图 2交流伺服驱动系统控制接线示意图 性能 内含 428个字节的随机存取数据存储器 (器件采用易失性存储技术制造。兼容标准 1指令系统，片内配置通用 8位中央处理器 ( 片上的 非易失存储编程器对程序存储器重复编程。 位 很多嵌入式控制应用提供了非常灵活而又价格适宜方案，具有较高的性能价格比 2。 1. 与 1产品指令系统完全兼容。 2. 片内有 43. 存储器可循环写入 /擦除 1000。 4. 存储数据保存时间为 10年。 5. 宽工作电压范围 :V。 6. 时钟频率范围 :4 7. 程序存储器具有 3级加密保护。 8. 128 9. 32个可编程 1/0接口线。 10. 2个 16位定时 /计数器。 11. 中断结构具有 5个中断源和 2个优先级。 12. 可编程全双工串行 13. 空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容。 图 3时钟电路 图 4复位电路 过该引脚可以使程序从指定处开始执行，即从程序存储器中的 要在 片机内部则 开始复位。只要 有当 000此， 作必须要有合适的时钟电路和复位电路。图 3和图 4分别为 时钟电路由一个 120们决定了单片机的工作时间精度为 1微秒。复位电路由 22协 键以及 成，可实现上电复位和按键复位。通常的复位采用 10协 电路，在本系统中我们根据实际经验选用 22协 好处是在满足单片机 可靠复位的前提下降低了复位引脚的对地阻抗，可以显著增强单片机复位电路的抗干扰 能力。其中 现短时间内多次 复位。 8155扩展 1/0接口电路 在爬壁机器人下位机控制系统中，两个伺服驱动器正常工作所需单片机的输入输出 信号较多，需占用 89的输入输出口线并不多，只有 位 3口的某些位线可作为输 入输出线使用，输入输出线不足 16条，因此，为满足系统需求， 外扩输入输出 (口芯片。 ，用户可以把外部 64O 接口的地址空间，每一个接口芯片中的一个功能寄存器口地址就相当于一个 单元， 其功能寄存器 进行读、写操作。 在 本系统中，我们采用 15芯片内包含有 256个字 节的静态 个可编程的 8位并行口 个可编程的 6位并行口 4位减法定时器 /计数器。可以为单片机提供 22个输入输出口线和一个 256 字节的 于 8155可以直接和 片机接口，不需要增加任何硬件逻辑。因而其灵活方便，可作为单片机与多种外围设 备相连时的接口芯片。 81550个引脚，采用双列直插式封装。 在本控制系统中，通过 ，其接口电路原理图如图 中 8155只有当 1558155，当 10/丽 =0时， 155择 8155H 的 当 10/丽 =1时， 155口的地址，选择 8155本系统中使用 8155展 1/0口，因此系统工作时应使 择 81558155信号而和写选通信号丽都为低电平有效，其分别由 供。当瓦 =0， 10/丽 =1，而端为低电平时， 8155单片机读入 ;当瓦 =0， =1，丽端为低电平时， 8155数据写入到 81558155为高电平有效，当 时， 8155址 锁存器” ;否则，地址锁存器处于封锁状态。 8155位端相连，都接到 者共用一个复位电路。 图 5 155在爬壁机器人的下位单片机控制系统中，伺服驱动器的伺服准备输入信号和伺服状 态输出信号主要是 155A、 而 155A、 8155H 的 1/0口编址见表 3。 表 2 8155根据图 5中 155及表 2中所列 8155知在该系统中， 8155口、 C 口地址分别为 77令寄存器和状态寄存器共用一个端口地址，在本系统中地址可为 7命令寄存器只能写入不能读出，状态寄存器 只能读出不能写入。 口的工作方式是通过 8155位命令寄存器的低 4位来定义的，具体命令控制字的格式如图6所示 1621。当系统确定了 8155、 B、 通过单片机编程将相应的命令控制字写入到 8155而使各 1/0在预定的方式下工作。在本控制系统中， 许 时计数器无操作，则相应的命令控制字为 16H。 图 6 8155命令控制字格式 D/由于在本控制系统中，爬壁除锈机器人的伺服电机驱动系统采用的是模拟电压控制，伺服电机的转速与电压成正比关系。而单片机只能输出数字量，因此要获得模拟量电压必须对单片机输出的数字量进行 D/而通过模拟量电压来控制伺服电机的转速和转向。本控制系统中要对两个伺服电机实现转速和转向的同步控制，因此需要两路同步工作的 D/于两个伺服电机完全相同，所以进行 D/面就单路 D/ 在本控制电路中，单路 D/个 0电路原理图如图 7所示。该电路可输出双极性模拟量电压，既可以实现对伺服电机的转速控制，也可以实现对伺服电机的转向控制。 图 7 D位 采用 20引脚双列直插式封装，由 8位输入寄存器、 8位 位 D/主要特性有 4: 8位分辨率 ; 电流输出，稳定时间为 1娜 ; 可单缓冲、双缓冲或直接数字输入 ; 只需在满量程下调整其线性度 ; 单一电源 供电 (+15V); 用时可直接将芯片的数据输入线和 机的数据总线相连，作为一个扩展的 于 控制伺服电机所需要的是电压信号，因此我们通过运算放大器 7将 用两级运放电路的目的是为了获得双极性输出电 压。图 7中， 3为反馈电阻，变阻器 面对 进一步介绍。 图 8 如图 中， 式中： 根据基尔霍夫电流定律，任一瞬时， 有 : 由上式可得： 由式 (知，当 0080当80H同，为正电压 ;当 0。 成正比。综上， 将 一 过单片机向 过 D/ 从而使伺服电机在相应的转速和转向下运行。 图 9 两片 除锈爬壁机器人左右两个伺服电机的运动控制都是通过上述 D/运算放大 电路来实现的，且它们的同步运动是由两路经 D/同步输出来实现的。当 输出，此时 图 9所示为两片 电路可得 到两路同步输出的模拟量电压。 由图 9可知， l#2#砚和 l#和 2# 1#2#的地址为 1#和 2#7常工作时， l#和 2# 位输入寄存器中，然后再通过选口地址 据同时送入相应的 8位 实现同步 D/过各自的运算放大电 路，便可以得到两路同步输出的模拟量电压。 数字量输入输出接口电路 伺服驱动器除了需要模拟量电压输入来控制伺服电机运行外，其正常工作还需要有 相应的数字量输入作为伺服控制信号，而且伺服驱动器的运行状态信号也是通过数字量 输出的，因此，采用 需要设计相应的数 字量输入输出接口电路。 由于 ，在本系统中采用了 8155了三个 中 口用来作为数字量输出口，为伺服驱动器提供数字量输入 信号， 来采集伺服驱动 器的运行状态信号。 伺服驱动器的输出 (附录 5一 32线 )是十、一差分信号输出，而 8155数字量输入，因此要通过 8155需要在它们之间外加转换电路。图 10所示为单路伺服驱动器数字量输出接口转换电路，转换后得到的电平信号 接输入到 8155A 口。 图 10 伺服驱动器输出转换电路 伺服驱动器的数字量输入由 24 8155V，它 们之间不能直接相连，需在它们之间 加入光电藕合器 这样既可以实现 8155防止了伺服驱动器对控制电 路板的干扰。如图 11 所示为单路伺服驱动器的数字量输入转换电路图，输入到伺服驱 动器的数字量信号由 155 图 11 伺服驱动器的数字量输入转换电路 整个控制电路板的数字量输入输出接口电路如图 12所示。 图 12 数字量输入输出接口电路 一 485通讯接口电路 由于除锈爬壁机器人在工作过程中要求其下位机控制系统与上位机控制系统之间 的通讯距离需大于 30米，而采用单片机本身的 传输距离 一般不超过 抗干扰性差。为增大数据传输的通讯距离和提高数据传输的抗干扰 能力，在本系统中我们采用 85标准串行通信方式进行数据传输。 85是美国电气工业联合会 (定的利用平衡双绞线作为传输线的多点通讯 标准。它采用一对平衡差分信号线进行传输，最大传输距离可达 85标准允许最多并联 32个驱动器和犯个收发器。接收 器最小灵敏度可达士 20大传输速 率可达 s。 85协议是针对远距离、高灵敏度、多点通讯制定的标准。 由于 85采用的是差分信号，与单片机的 此两者接口时需 进行电平转换，在本系统中，我们采用 芯片既可作为 85的驱动器又可作为接收器。 85芯片，采用单一电源 +定电流为 300林 A，采用半双工通讯方式，它完成将85电平的功能，其引脚结构图如 图 13所示。 图 13 从图 13中可以看出， 部含有一个驱动 器和接收器。 和 为接收和发送的使能端，当丽为逻辑 0时，芯片处于接收状态 ;当 时，芯 片处于发送状态。由于 以只需用单片机的一个管脚控 制丽和 端为接收和发送共用的差分信号端。若 ， 当发送的数据为逻辑 1时， 当发送的数据为逻 辑 0时， 若丽二 O，当 全 收端 当 三一 收端 端和 图 14所示为本控制系统中 了消除反射和吸收噪音，在 端和 阻值为 1200的电阻。 图 14 系统电源解决方案 在本控制系统的设计中用到了多种电压信号。除锈爬壁机器人的交流伺服电机、伺 服驱动器以及开关电源的供电都为交流 220V，开关电源可为下位机控制系统提供 +24V、 月 外 +准电压，其对电源的精度要求较高，需要选取适宜的电源模块，设计相应的 换电路。 在 +1C/取 该芯片可 为 8到 14位 别为电源输入端 +压输出端 常情况下，在其电源输入端 +3其电压输出端 能得到一个精度较高的 +这需要元器件具有较高的质量等级。而实际上， 元器件本身不可避免地会存在着一些偏差。为了确保其输出的 +1度，需要在 具体转换电路如图 15所示。图中的 +一 1515阻 R=220时， 0卜 120时， 0R= 图 15 +10C/位机控制系统的硬件设计 图 16 上下位机控制系统通讯接口电路连接原理图 爬壁机器人上位机控制系统的主要功能是实现对下位机控制系统的远程控制，从而达到控制爬壁机器人在船体表面上行走的速度和方向。上位机控制系统采用 时钟电路、复位电路、行列式非编码键盘电路以及 85通讯电路构成，其主要完成对键盘的扫描，并将所按下键对应的控制命令通过 85通讯电路发送给下位机控制系统，使下位机产生相应的动作控制左右伺服电机运动。 在本控制系统中，上位机控制系统与下位机控制系统采用的单片机相同，都为采用的时钟电路和复位电路与下位机控制系统中 的相同。上位机控制系统中的 85通讯电路与下位机控制系统中的也相同，都是采用 控制系统之间进行通信时，只需将各自 引脚和 体连接电路如图 16所示。图中将两控制系统通讯电路的地相连，主要是确保电平一致，避免传输的信号失真。 键盘是由若干个按键组成的开关矩阵，它是最简单的单片机输入设备，通过键盘输入数据和命令，可实现简单的人机对话。本上位机控制系统中采用的键盘为 4只 4的行列式非编码键盘，其具体结构如图 17所示。在这种键盘中，每根行线和列线的交叉处都接有一个按键，当某个按键被按下时，与这个按键相连的行线和列线就会接通，否则是断开状态。一个 条行线和 占用 M+系统中的键盘共占用单片机 8条 独立式非编码键盘相比，节省了单片机 8条 图 17 4 图 18 上位机控制系统硬件电路原理图 如图 18所示为上位机控制系统硬件电路原理图。图中， 4V，当键盘上没有键闭合时，所有的行线和列线都断开 ，行线3呈高电平。当键盘上的某一个键闭合时，该键所对应的行线和列线短路。例如，线 时 控制 中将行线 3对应地接到 列线 3对应地接到 通过单片机的控制，使 ，即列线 余三根 列线 后单片机通过 果 3都为高电平，则 果读出行线的状态不全为高 电平， 则低电平的行线和 如果 着使列线 余列线为高电平，用同样的方法检查 此类推，这种逐行逐列地检查键盘状态的过程称为对键盘的一次扫描。 可以采取定时控制 方式，每隔一定的时间 可以采用中断方式，当键盘上有键闭合时，向 键盘扫描，以识别哪一个按键处于闭合状态，并对按键输入信息作出相应处理。 根据行线和列线的状态求得，也可以根据据行线和列线的状态查表求得。 参考文献 1 安川电机中文用户手册 2003. 2 欧阳文 列单片机的原理与开发实践 中国电力出版社， 2007. 3张毅刚， 彭喜源等 1单片机应用设计 哈尔滨工业大学出版社， 1997. 4胡汉才 北京 :清华大学出版社， 2004.