李云江,竇美寧,張 輝,郭祥乾

(1.山東建筑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山東濟(jì)南 250101;2.煙臺(tái)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)控技術(shù)系,山東煙臺(tái) 264006)

多功能?chē)娚浠炷翙C(jī)器人控制系統(tǒng)研究＊

李云江1,竇美寧2,張 輝1,郭祥乾1

(1.山東建筑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山東濟(jì)南 250101;2.煙臺(tái)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)控技術(shù)系,山東煙臺(tái) 264006)

針對(duì)噴射混凝土機(jī)器人存在的問(wèn)題,對(duì)產(chǎn)品的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)進(jìn)行模塊化重新劃分、構(gòu)造,基本實(shí)現(xiàn)了噴射混凝土機(jī)器人的多功能化。本文介紹了無(wú)線遙控控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),包括輸入信號(hào)采集電路板、無(wú)線發(fā)送模塊、無(wú)線接收模塊以及輸出控制電路板。

噴射混凝土;機(jī)器人;控制系統(tǒng)

1 引言

噴射混凝土支護(hù)技術(shù)與傳統(tǒng)的混凝土整體支護(hù)技術(shù)相比,具有強(qiáng)度高、減少巷道開(kāi)拓量、降低支護(hù)成本、提高圍巖自撐支護(hù)效能、使支護(hù)層厚度減少和加快施工進(jìn)度的特點(diǎn)[1]。噴射混凝土機(jī)器人克服了人工噴射混凝土的許多不足,而且有效地實(shí)現(xiàn)了支護(hù)[2]。在國(guó)家 863計(jì)劃的支持下,目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出大、中、小系列化機(jī)器人。但是,在進(jìn)行試銷(xiāo)過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)該機(jī)器人作為一種專業(yè)的施工裝備,有一些不足之處。主要表現(xiàn)在:噴射混凝土機(jī)器人產(chǎn)品單一,配套設(shè)施沒(méi)有跟上,使得機(jī)器人在施工過(guò)程中出現(xiàn)了“大馬拉小車(chē)”現(xiàn)象,嚴(yán)重制約了機(jī)器人能力的發(fā)揮。噴射混凝土機(jī)器人功能單一,噴射混凝土機(jī)器人只作為一臺(tái)噴射混凝土的設(shè)備,在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中閑置時(shí)間過(guò)長(zhǎng),尤其當(dāng)用戶沒(méi)有隧道施工任務(wù)時(shí),設(shè)備就閑置起來(lái),嚴(yán)重影響了設(shè)備有效使用率。

噴射混凝土機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)模塊化構(gòu)造,以便可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要進(jìn)行不同形式的改裝,以擴(kuò)大其適用性[3]。針對(duì)以上問(wèn)題,對(duì)噴射混凝土機(jī)器人進(jìn)行了改造和完善,基本實(shí)現(xiàn)了噴射混凝土機(jī)器人的多功能設(shè)計(jì),限于篇幅,本文只闡述其無(wú)線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

無(wú)線遙控控制系統(tǒng)包括輸入信號(hào)采集電路板、無(wú)線發(fā)送模塊、無(wú)線接收模塊以及輸出控制電路板。輸入信號(hào)采集電路板與輸出控制電路板的設(shè)計(jì)采用的微處理器是低功耗單片機(jī)MSP430,無(wú)線發(fā)送接收模塊選用的是無(wú)線數(shù)傳模塊[4,5]。

2 輸入信號(hào)采集電路板

根據(jù)噴射混凝土機(jī)器人的作業(yè)軌跡,按照機(jī)器人學(xué)的運(yùn)動(dòng)分解過(guò)程,把描述各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的模擬量控制信號(hào)(如:腰部轉(zhuǎn)動(dòng)、大臂俯仰、大臂伸縮、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)、噴嘴向前向后、縱臂進(jìn)退等)和開(kāi)關(guān)量控制信號(hào) (如:噴嘴轉(zhuǎn)動(dòng)、下車(chē)油源、縱臂左右、縱臂俯仰、電機(jī)停止等)通過(guò)相關(guān)電路輸入到微處理器MSP430。微處理器的 A/D轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換精度為12位,對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換處理后,根據(jù)采用的A/D轉(zhuǎn)換序列通道多次轉(zhuǎn)換方式將轉(zhuǎn)換結(jié)果依次存入ADCMEMX中,等待處理器對(duì)它們的讀取。開(kāi)關(guān)量輸入電路中,為了消除抖動(dòng)信號(hào)對(duì)開(kāi)關(guān)量輸入的影響,采用了MAXI M6818開(kāi)關(guān)去抖器,用以產(chǎn)生穩(wěn)定的開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)。

本系統(tǒng)中所采用的 A/D轉(zhuǎn)換模塊是MSP430單片機(jī)內(nèi)嵌的數(shù)模轉(zhuǎn)換器模塊,轉(zhuǎn)換精度分為 10位、12位、14位三種。根據(jù)控制系統(tǒng)所要求的精度采用了ADC12模塊,其內(nèi)核是一個(gè)帶有采樣和保持功能的 12位轉(zhuǎn)換器。

機(jī)器人的操作過(guò)程是連續(xù)的,需要將模擬量持續(xù)不間斷的進(jìn)行轉(zhuǎn)換,因此,采用了序列通道多次轉(zhuǎn)換模式。序列通道多次轉(zhuǎn)換模式是對(duì)一個(gè)序列(有順序的多個(gè)轉(zhuǎn)換通道)進(jìn)行持續(xù)的轉(zhuǎn)換,直到用軟件將其停止。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的存放是由ADC12控制寄存器中的 CSStar-tAdd(轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)器地址定義位)決定,它指向第一個(gè)轉(zhuǎn)換寄存器,其后的結(jié)果將順序的存放在轉(zhuǎn)換寄存器中。比如噴射混凝土機(jī)器人的一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換序列有 2個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)果,第一個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)果存放在ADCMEM0中,則其后的第 2個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)果分別存放在ADCMEM1中。

在原先有線控制器中,采用的微處理器的A/D轉(zhuǎn)換為 10位的,電壓分辨力為:5/210=4.88mV。我們現(xiàn)在所采用的MSP430 ADC12模塊,其工作電壓為 3.6V,電壓的分辨力為:3.6/212=0.88mV,完全滿足了系統(tǒng)的工作要求。

噴射混凝土機(jī)器人的六個(gè)自由度:腰部轉(zhuǎn)動(dòng)、大臂俯仰、大臂伸縮、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)、噴嘴向前向后、縱臂進(jìn)退,都是通過(guò)遙控器上的 6個(gè)操作手柄來(lái)進(jìn)行控制。每個(gè)操作手柄根據(jù)它所代表的自由度的運(yùn)動(dòng)路徑,將它的電壓分值以模擬量的形式傳遞給MSP430單片機(jī)。采用的A/D轉(zhuǎn)換是:每次進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)每個(gè)電位器都進(jìn)行掃描,掃描的結(jié)果以數(shù)據(jù)包的格式存依次存放在轉(zhuǎn)換寄存器ADCMEMx中,對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取也是以整體的形式進(jìn)行讀取。

3 開(kāi)關(guān)量輸入的防抖動(dòng)設(shè)計(jì)

無(wú)線遙控器系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)一般用來(lái)控制電磁閥和繼電器。系統(tǒng)所涉及的開(kāi)關(guān)量信號(hào)的輸入是通過(guò)MSP430F147的 P1端口,這 8位端口既能用作輸入和輸出,同時(shí)又具有中斷的能力,每個(gè)信號(hào)都可以用作一個(gè)中斷源,有 7個(gè)寄存器用于輸入/輸出的控制。在進(jìn)行信號(hào)的輸入時(shí)必須要定義 P1端口的方向選擇寄存器,將選定的引腳切換成輸入模式。

機(jī)械開(kāi)關(guān)在實(shí)際應(yīng)用中不可能象數(shù)字系統(tǒng)希望的那樣產(chǎn)生一個(gè)單一平穩(wěn)的數(shù)字信號(hào)輸出,在開(kāi)關(guān)閉合和斷開(kāi)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生很多毫秒級(jí)的開(kāi)抖動(dòng)和關(guān)抖動(dòng),這是在硬件電路設(shè)計(jì)中不可回避的問(wèn)題。抖動(dòng)干擾的存在會(huì)使得系統(tǒng)在進(jìn)行信號(hào)采集時(shí)產(chǎn)生多個(gè)計(jì)數(shù)值,如果取值錯(cuò)誤,就會(huì)令系統(tǒng)的控制出錯(cuò),所以在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)采取防抖動(dòng)的措施。系統(tǒng)的防抖動(dòng)設(shè)計(jì)有軟件設(shè)計(jì)法和硬件設(shè)計(jì)法兩種。

(1)防抖動(dòng)設(shè)計(jì)的軟件實(shí)現(xiàn)方法。

軟件防抖動(dòng)設(shè)計(jì)法就是處理器在接受到一個(gè)開(kāi)關(guān)量的值時(shí),先將其保存在一個(gè)寄存器中,利用一個(gè)時(shí)間延遲循環(huán)后再采集一次開(kāi)關(guān)信號(hào)的值,兩者進(jìn)行比較。如果兩者相同,就可以將這個(gè)結(jié)果做為系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)量輸入值;反之,需要繼續(xù)采樣,直到取到兩個(gè)相同的值為止。軟件防抖動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是:不用外加硬件電路,實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較的簡(jiǎn)單,缺點(diǎn)是:具有較大的時(shí)間延遲,占用微處理器的工作時(shí)間,如果存在多路開(kāi)關(guān)信號(hào)的話,會(huì)占用較多的存儲(chǔ)器空間。

(2)防抖動(dòng)設(shè)計(jì)的硬件實(shí)現(xiàn)方法。

簡(jiǎn)易的硬件防抖動(dòng)設(shè)計(jì)是采用電阻和電容的方法來(lái)實(shí)現(xiàn),出于硬件設(shè)計(jì)方面的考慮,這種方法不適用與多路開(kāi)關(guān)信號(hào)的情況下。在本系統(tǒng)中我們采用的是防抖動(dòng)開(kāi)關(guān)接口芯片MAX6818。

MAX6818是MAXI M公司生產(chǎn)的一個(gè) 8路開(kāi)關(guān)去抖器,提供了從機(jī)械開(kāi)關(guān)到數(shù)字系統(tǒng)的穩(wěn)定接口。從一個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)接收到一個(gè)或多個(gè)抖動(dòng)的輸入,經(jīng)過(guò)一個(gè)短暫的、預(yù)制限定的延時(shí)后產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)字輸出。經(jīng)過(guò)該接口芯片,操作時(shí)的開(kāi)抖動(dòng)和關(guān)抖動(dòng)都被消除了。開(kāi)關(guān)信號(hào)的輸入沖擊電壓可達(dá)到±25V水平,工作的電源電壓為:2.7～5.5V,電源電流為:6μA,完全滿足本系統(tǒng)中所采用的低功耗要求。MAX6818防抖動(dòng)延時(shí)的典型值為 40ms,最小為 20ms,最大為 60ms,能頭適應(yīng)性能較差的機(jī)械開(kāi)關(guān),同時(shí)具有可控制的三態(tài)輸出。從圖 1可以看出, MAX6818與微處理器的接口方式非常簡(jiǎn)單,只需要外接一個(gè)濾波電容,所以在硬件電路上實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易。

圖1 MAX6818防抖動(dòng)接口電路

無(wú)線遙控器對(duì)系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)的讀取是通過(guò)掃描 P1口的輸入寄存器得到的。輸入寄存器是 CPU掃描 I/O引腳信號(hào)的只讀寄存器。用戶不能對(duì)它寫(xiě)入,只能通過(guò)讀取該寄存器中的內(nèi)容知道I/O端口的輸入信號(hào)。此時(shí),引腳的方向必須選定為輸入方式。

4 輸出控制電路板

輸出控制電路板是將通過(guò)無(wú)線數(shù)傳模塊接收到的模擬及開(kāi)關(guān)量信號(hào)通過(guò)相關(guān)電路處理后驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的閥塊和繼電器。其中模擬量信號(hào)利用MSP430單片機(jī)定時(shí)器A的輸出模塊功能,將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為PWM波形輸出到濾波電路和放大電路,從而完成數(shù)據(jù)的D/A轉(zhuǎn)換和放大過(guò)程。開(kāi)關(guān)量信號(hào)經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)量放大電路實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)功能。

5 無(wú)線數(shù)傳模塊

本控制系統(tǒng)所采用的無(wú)線數(shù)傳模塊(包括無(wú)線發(fā)送模塊和無(wú)線接收模塊)FC-201-E無(wú)線數(shù)傳電臺(tái),它具有透明,包容性強(qiáng)的 E型通訊協(xié)議,適合多種通訊場(chǎng)合。

(1)高、低電壓之間的電平轉(zhuǎn)換。

隨著電子集成芯片向著小型化和低功耗的方向發(fā)展,數(shù)字系統(tǒng)的工作電壓已經(jīng)從 5V下降到 3V甚至更低的檔次,所以存在很多 5V器件與 3V器件共存于一個(gè)系統(tǒng)中的情況。在工作實(shí)踐中,由于種種實(shí)際需要,往往要求MSP430單片機(jī)與常用的、在5V電壓下工作的單片機(jī)進(jìn)行串行通訊,或與個(gè)人計(jì)算機(jī)進(jìn)行串行通訊。因此,不同工作電壓之間的電平轉(zhuǎn)換是要解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

由于MSP430F147單片機(jī)的電源電壓是 1.8～ 3.6V,通常,5V TTL器件可以驅(qū)動(dòng) 3V TTL輸入,因?yàn)榈湫碗p極晶體管的輸出并不能達(dá)到電源電壓幅度。當(dāng)一個(gè)5V器件的輸出為高電平時(shí),內(nèi)部壓降限制了輸出電壓。典型情況是VCC-2VBE,即約 3.6V。用3V器件驅(qū)動(dòng) 5V TT L的輸入端應(yīng)當(dāng)是沒(méi)有困難的。3V CMOS器件實(shí)際上能輸出 3V擺幅的電壓。對(duì) 5V TT L輸入的高電平2V門(mén)限是容易滿足的,但3V輸出卻不能可靠的驅(qū)動(dòng)5V的CMOS器件,因?yàn)?5VCMOS器件的輸入高電平要求最小的幅值為 3.8V,這是 3V器件不能做到的。顯然在此電源范圍內(nèi),其串行口的輸出電平既不能可靠實(shí)現(xiàn)與 TT L電平單片機(jī)的通訊,也不能實(shí)現(xiàn)COMS器件及RS232接口的通訊。為此,本系統(tǒng)給出了一種采用MAX3221E芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,從而實(shí)現(xiàn)MSP430單片機(jī)與(5V)單片機(jī)及 RS232進(jìn)行串行通信的解決方案。MSP430與數(shù)傳模塊之間的通信原理圖如圖 2所示。

圖 2 通信原理圖

(2)MSP430串行通信波特率的產(chǎn)生。

MSP430F147的串行通信模塊主要包括:波特率的產(chǎn)生部分,數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送部分,硬件接口部分等。MSP430的波特率發(fā)生器與其他標(biāo)準(zhǔn)的串行通信接口適配器實(shí)現(xiàn)的方法不同。MSP430的波特率發(fā)生器是由一個(gè)時(shí)鐘源預(yù)分頻器和一個(gè)調(diào)整器組成。分頻器實(shí)現(xiàn)分頻因子的整數(shù)部分,調(diào)整器使得小數(shù)部分盡量準(zhǔn)確。波特率發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖 3 波特率發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖

(3)MSP430串行通信的方式。

MSP430系列的串行通信模塊有兩種通信協(xié)議:UART異步通信協(xié)議和 SPI同步通信協(xié)議。異步通信模式下接收器自身實(shí)現(xiàn)禎的同步,因此通信雙方必須使用相同的波特率。異步禎的格式由 1位起始位,7位或 8位數(shù)據(jù)位,校驗(yàn)位,1位地址位和 1位或 2位的停止位組成,接收操作以收到有效起始位,如圖 4所示:

圖4 異步幀格式

在異步模式下支持兩種多機(jī)模式:線路空閑多機(jī)模式和地址位多機(jī)模式,實(shí)現(xiàn)了在多處理機(jī)通信系統(tǒng)間的有效數(shù)據(jù)傳輸,通過(guò)選擇控制寄存器中的MM位(多機(jī)模式選擇位)來(lái)選擇采用何種模式。線路空閑模式下數(shù)據(jù)塊被一段空閑的時(shí)間分隔,地址位模式下字符包含一個(gè)附加的位作為地址標(biāo)志,兩種模式都可以用查詢方法或者中斷方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

同步通信模式下允許 7位或 8位數(shù)據(jù)流以內(nèi)部或外部確定的速率進(jìn)行串行通信。在同步模式下接收和發(fā)送有各自的寄存器,且接收和發(fā)送為雙緩沖,字符的長(zhǎng)度為 7位或者 8位。

在串行通信的過(guò)程中,將采集到的 6個(gè)模擬量和 8個(gè)開(kāi)關(guān)量的數(shù)字信號(hào)作為一個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行整體發(fā)送的。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?在一組數(shù)據(jù)包傳輸?shù)拈_(kāi)始加上一個(gè)校驗(yàn)碼 0x55做為接收模塊檢驗(yàn)數(shù)據(jù)開(kāi)始發(fā)送的標(biāo)志信號(hào),在數(shù)據(jù)包的結(jié)尾加上一個(gè)校驗(yàn)碼 0xaa作為接收模塊檢驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束的標(biāo)志信號(hào)。如果接收模塊接收到 0s55說(shuō)明數(shù)據(jù)開(kāi)始發(fā)送,接收模塊可以進(jìn)行數(shù)據(jù)接收,直到接收到信號(hào) 0xaa,方可認(rèn)為一個(gè)數(shù)據(jù)包傳送的結(jié)束。如果接收模塊開(kāi)始接收到的信號(hào)不是 0x55,則,接收模塊就要進(jìn)入等待直到接收到 0x55。

數(shù)據(jù)包的傳送和接收主要是一個(gè)移位寄存器在起作用。在接收時(shí),當(dāng)移位寄存器將接收來(lái)的數(shù)據(jù)位組合夠一個(gè)字節(jié)就保存到接收緩存URXBUF;在發(fā)送時(shí),將發(fā)送緩存UTXBUF內(nèi)的數(shù)據(jù)一位一位地送到發(fā)送端口。發(fā)送和接收兩個(gè)移位寄存器的移位時(shí)鐘都是波特率發(fā)生器的時(shí)鐘信號(hào) B ITCLK。串行通信時(shí),要發(fā)送的數(shù)據(jù)保存在發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖器中,只有發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖器為空時(shí),寫(xiě)入數(shù)據(jù)才會(huì)有效,發(fā)送才會(huì)開(kāi)始。接收機(jī)通過(guò)讀取接收數(shù)據(jù)緩存器中的內(nèi)容來(lái)獲得發(fā)送的數(shù)據(jù)。通過(guò)判斷接收緩沖器中是否有數(shù)據(jù)來(lái)作為能否接收數(shù)據(jù)的一個(gè)依據(jù)。

由于串行通信是8位傳送方式,MSP430單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換模塊是 12位的,因此,將單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行發(fā)送和接收時(shí)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行移位操作。發(fā)送時(shí),將 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果左移 4位,高 4位為0。因?yàn)槲覀円獋魉?6個(gè)模擬量和 8個(gè)開(kāi)關(guān)量,轉(zhuǎn)換后就變?yōu)橐粋€(gè)數(shù)據(jù)包要傳送 15個(gè)字節(jié)。MSP430的發(fā)送框圖如圖 5所示。

圖 5 MSP430的發(fā)送框圖

6 結(jié)論

多功能?chē)娚浠炷翙C(jī)器人已產(chǎn)業(yè)化,并在東營(yíng)油田某項(xiàng)目和珠海高欄島 CNG地下儲(chǔ)氣項(xiàng)目得到應(yīng)用。實(shí)踐表明,該機(jī)器人可以通過(guò)多種組合適應(yīng)不同的工況要求,完成規(guī)定的作業(yè)任務(wù),其控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠,能滿足噴射混凝土工藝要求。

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Study on the Control System ofM ultifunctional Shotcrete Robot

L I Yun-jiang1,DOU Mei-ning2,ZHANG Hui1,GUO Xiang-qian1
(1.School ofMechanical and Electronic Engineering,Shandong Jianzhu University,Ji’nan,Shandong,China 250101; 2.Depart ment ofNumerical Control Technology,Yantai Engineer and Technology College,Yantai,Shandong,China 264006)

〗To counter the main shortcomings of spray concrete,the products ofmechanical structure,control systems and other parts of the modular function are re-plotted and restructured.The robot’smultiple function features is basically achieved.This paper introduces the design and implementation of the wireless remote control system,including input signal acquisition board,the wireless trans mission module,wireless receivermodules and output control circuit board.

Shotcrete;Robot;Control system

book=66,ebook=71

TD403

A

1009-3842(2010)02-0066-04

2010-04-01

山東省科技廳科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(021050103)

李云江(1966-),男,山東萊陽(yáng)人,碩士,教授,主要從事特種機(jī)器人技術(shù)的教學(xué)與研究。E-mail:liyunjiang38@126.com