毛立民，郭文利

（東華大學(xué) 紡織裝備教育部工程研究中心，上海 201620）

1 前言

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，管道機(jī)器人在管道檢測、噴涂、接口焊接、異物清理等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，管道機(jī)器人控制系統(tǒng)研究也成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)之一。

本文將PC與DSP相結(jié)合，綜合應(yīng)用兩者的優(yōu)勢［1-2］，設(shè)計了一套管道機(jī)器人控制系統(tǒng)，上位機(jī)PC采用VC++.NET設(shè)計機(jī)器可視化控制平臺界面及其控制策略，下位機(jī)應(yīng)用 TMS320F28335 DSP［3-5］設(shè)計管道機(jī)器人底層運(yùn)動控制系統(tǒng)，完成機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計，圖像采集，上下位機(jī)RS-485通信，下位機(jī)與角度傳感器RS-232通信，電機(jī)控制驅(qū)動及角度傳感器和壓力傳感器反饋控制等功能。

考慮到中央空調(diào)通風(fēng)管道有圓管和方管，因此管道機(jī)器人的姿態(tài)檢測與控制策略分為兩種方式。

機(jī)器人在圓管管道中行進(jìn)時，機(jī)器人以120°周向均布的3組獨(dú)立全驅(qū)動（3組行走機(jī)構(gòu)由單獨(dú)的電機(jī)各自驅(qū)動，稱為獨(dú)立全驅(qū)動方式）方式驅(qū)動控制履帶足行進(jìn)。圖1中左右履帶足（固定夾角120°）4個直流電機(jī)分別控制越障機(jī)器人左右兩側(cè)的電動機(jī)驅(qū)動行走履帶足，高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)根據(jù)管道直徑自適應(yīng)調(diào)節(jié)支撐履帶足的展臂高度，調(diào)整各履帶足對管壁的壓緊力，保證行走機(jī)構(gòu)以穩(wěn)定的壓緊力撐緊在管道內(nèi)壁上，使機(jī)器人具有充足且穩(wěn)定的牽引力，機(jī)器人能在各種直徑的管道中行走作業(yè)。方管中的機(jī)器人行進(jìn)時情況類似，不復(fù)贅述。

驅(qū)動電機(jī)采用Maxon RE-max系列電機(jī)，集成了行星輪減速器和數(shù)字增量編碼器，具有體積小、重量輕和輸出扭矩大的特點(diǎn)，共用6個電機(jī)，其中5個電機(jī)作為行進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動機(jī)器人行走，另外1個作為調(diào)節(jié)電機(jī)通過齒輪副轉(zhuǎn)動絲桿螺母副帶動滑動支座沿導(dǎo)桿移動。

2 機(jī)械本體簡介

圖1 樣機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)

如圖1所示為機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)，主要由以下幾部分組成：支撐履帶足、調(diào)節(jié)臂、滑動支座、機(jī)體、行進(jìn)履帶足、擺腿、絲桿、調(diào)節(jié)電機(jī)。

本體主要性能指標(biāo)為407×250×180（長×寬×高）；重量為15 kg（含負(fù)載）；最高速度為5 m/min；爬坡角度為30°（在光滑的鍍鋅鐵板上保持靜止）；控制最小有效距離為100m。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計

對管道機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行功能分析，根據(jù)控制器實(shí)現(xiàn)方式及其控制特性，結(jié)合機(jī)器人控制功能要求，設(shè)計了PC+DSP運(yùn)動控制系統(tǒng)，其控制結(jié)構(gòu)如圖2所示,機(jī)器人控制系統(tǒng)具體分為三級，即：組織級、協(xié)調(diào)級和執(zhí)行級，三級之間相互聯(lián)系，使得整個系統(tǒng)運(yùn)行更加快速、靈活、準(zhǔn)確。

機(jī)器人主控計算機(jī)，任務(wù)規(guī)劃、環(huán)境感知以及與下位機(jī)DSP運(yùn)動控制器的通信；DSP運(yùn)動控制器接受來自上位機(jī)的控制指令，按控制協(xié)議進(jìn)行指令轉(zhuǎn)換與解釋，并通過電機(jī)伺服控制器完成對電機(jī)的伺服控制。

圖2 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3.2 通信電路模塊

TMS320F28335片上外設(shè)有3通道SCI異步串口，采用MAX3238CAI完成三路電平轉(zhuǎn)換。

考慮到RS-232屬單端信號傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，最大通信距離不超過20m。根據(jù)功能需求，在通信流程設(shè)計中下位機(jī)設(shè)置接收優(yōu)先，F(xiàn)28335串口C通道的中斷優(yōu)先級最高，所以串口C采用RS-232轉(zhuǎn)RS-485芯片SN65hvd08完成與上位機(jī)串行通訊，通道A、B采用常用的零調(diào)制三線經(jīng)濟(jì)型接線方式與傾角傳感器通訊連接，其電路如圖3所示。

圖3 通信電路

485芯片的發(fā)送和接收功能轉(zhuǎn)換是由芯片的REn、DE端控制的。RE=1，DE=1時，485芯片處于發(fā)送狀態(tài)；REn=0，DE=0時，485芯片處于接收狀態(tài)。因此采用一個信號控制485芯片的接收和發(fā)送。

3.3 電機(jī)驅(qū)動模塊

采用NS作為直流電動機(jī)H橋驅(qū)動芯片LMD182000獨(dú)立控制各行進(jìn)電機(jī)，芯片上集成有CMOS控制電路和DMOS功率器件，與DSP主處理器、電機(jī)和增量型編碼器構(gòu)成一個完整的運(yùn)動控制系統(tǒng)。如圖4所示為電機(jī)驅(qū)動模塊。

LMD18200集成電路對電機(jī)有兩種PWM信號控制模式：單極性控制和雙極性控制。系統(tǒng)采用單極性驅(qū)動方式，PWM控制信號通過引腳5輸入，轉(zhuǎn)向信號由引腳3輸入。在轉(zhuǎn)向信號控制電機(jī)正轉(zhuǎn)情況下，當(dāng)PWM控制信號的占空比由［0，100%］變化時，電機(jī)電樞兩端電壓由［0，48］變化。

圖4 電機(jī)驅(qū)動模塊

LMD182000還有一個電流監(jiān)測輸出引腳8，該引腳輸出一個電流信號，該電流值正比于工作電流，典型值為377μA/A。將該引腳通過精度為1%的采樣電阻接地，變電流為電壓信號，然后將該電壓信號經(jīng)過由阻容低通濾波后送至DSP的A/D轉(zhuǎn)換輸入端口，從而可以實(shí)時檢監(jiān)測電機(jī)的工作電流。

根據(jù)上位機(jī)串口指令和光電編碼器及反饋的速度信息產(chǎn)生一定占空比的PWM波，并將方向、使能信號送入電機(jī)驅(qū)動芯片，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動和姿態(tài)調(diào)整的精確控制。

3.4 位置與速度檢測模塊

位置速度檢測電路在電機(jī)控制中具有非常重要的作用,其檢測的精確性直接反應(yīng)到對電機(jī)控制的精度。系統(tǒng)采用光電編碼器來測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置。光電編碼器輸出3相信號，其中A相和B相信號先光電隔離、濾波整形后直接送到DSP。圖5中6N137是高速光耦，實(shí)現(xiàn)模擬信號和數(shù)字信號的隔離，74HC14是施密特觸發(fā)器，銳化其上升沿和下降沿,去除因干擾而可能存在的尖峰毛刺，起到整型和濾波的作用，輸出標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字式方波。

圖5 位置與速度檢測模塊

3.5 傳感器模塊

傳感器檢測系統(tǒng)包括橫滾角傳感器、俯仰角傳感器和壓力傳感器和限位微動開關(guān)。橫滾角傳感器選用ZCT245AN雙軸傾角傳感器為機(jī)體橫滾角檢測，采用ZCT100AN單軸傾角傳感器作用機(jī)體俯仰角檢測，傾角傳感器均采用RS232方式與DSP控制器通信，完成機(jī)體行進(jìn)姿態(tài)感測；壓力傳感器用于檢測調(diào)節(jié)臂內(nèi)彈簧壓力值的大??；常開限位微動開關(guān)用于滑動座行程限位保護(hù)及機(jī)器人開機(jī)初始化時支座初始位移捕獲。

F28335采用全新的eQEP模塊架構(gòu)，新增選通脈沖輸入端，當(dāng)微動開關(guān)接觸閉合時，向DSP的EQEPS引腳輸入選通脈沖，觸發(fā)中斷中斷調(diào)用處理了程序初始化正交編碼計數(shù)器，完成位置捕獲。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

機(jī)器人系統(tǒng)的軟件包括分別運(yùn)行上位機(jī)控制策略平臺及下位機(jī)軟件DSP運(yùn)動控制軟件及兩者之間的通信協(xié)議。軟件設(shè)計采用了模塊化的設(shè)計思想，不僅便于程序的調(diào)試與修改，也利于將來程序的擴(kuò)展［6-7］。上位機(jī)采用VC++.NET來實(shí)現(xiàn)，調(diào)用工業(yè)強(qiáng)度的串口類接口，實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)串行通信。工控機(jī)與DSP的通信信息由電機(jī)控制、傳感器信息采集等構(gòu)成。通過串口RS-232轉(zhuǎn)RS-485完成從工控機(jī)和DSP的數(shù)據(jù)雙向單工傳輸。如圖6所示為控制系統(tǒng)軟件模塊化結(jié)構(gòu)。

圖6 控制系統(tǒng)軟件模塊化結(jié)構(gòu)

4.1 上位機(jī)控制策略軟件實(shí)現(xiàn)

控制決策軟件是管道機(jī)器人進(jìn)行各種功能控制決策的核心層，軟件主要完成移動機(jī)器人基本運(yùn)動控制、圖像采集、水平檢測、串口通信。系統(tǒng)上位機(jī)控制界面如圖7所示。

圖7 上位機(jī)程序界面

4.2 下位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)

DSP運(yùn)動控制軟件是機(jī)器人電機(jī)控制的核心層，實(shí)現(xiàn)多電機(jī)速度位置的精確控制和多傳感器的協(xié)調(diào)控制。DSP主控程序主要包括分配存儲空間、初始化、中斷、通信協(xié)議、電機(jī)控制、傳感器信號處理等子程序，其控制流程圖如圖8所示。

圖8 下位機(jī)主控程序流程圖

完成下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)功能由兩個子函數(shù)實(shí)現(xiàn)，分別為 void Txready()和 void Scia_send()。void Txready函數(shù)主要完成將根據(jù)上位機(jī)請求數(shù)據(jù)預(yù)存在SCITX[]數(shù)組內(nèi)，然后調(diào)用Scia_send()完成數(shù)據(jù)發(fā)送。其Scia_send()發(fā)送流程如圖9所示。

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于PC+DSP運(yùn)動控制器的控制平臺，闡述了整個管道機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)設(shè)計下位機(jī)以TMS320F28335 DSP控制核心，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計,通過系統(tǒng)功能擴(kuò)展，具備高度的靈活性和廣泛的適用性。

圖9 Scia_send()發(fā)送數(shù)據(jù)流程

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