摘 要：搜救機(jī)器人，為救援而采取先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研制的機(jī)器人，近些年由于各種災(zāi)害的頻繁發(fā)生，搜救機(jī)器人在救援過程中起到了至關(guān)重要的作用，但是由于機(jī)器人電源的缺陷，給搜救工作帶來了一些不利影響。本文研究搜救機(jī)器人的DC-DC電源，從硬件電路設(shè)計(jì)、控制算法、軟件設(shè)計(jì)三個(gè)方面詳細(xì)具體的闡述了電源的設(shè)計(jì)過程，以STM32為控制核心，從硬件和軟件兩方面提高電路精確度，改善搜救機(jī)器人因?yàn)殡妷翰蛔慊蛘呷鄙俾╇姳Ｗo(hù)造成搜救無法完成的嚴(yán)重后果。

關(guān)鍵詞： 搜救機(jī)器人 DC-DC電源 PDI控制 穩(wěn)壓

中圖分類號(hào)：TM44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）01（A）-0000-00

由于自然災(zāi)害、恐怖活動(dòng)等原因，災(zāi)難經(jīng)常發(fā)生。搜救機(jī)器人的研究給搜救工作帶來很大的方便。特別是在災(zāi)難發(fā)生后，搜救機(jī)器人能夠提高搜救效率，減少人員傷亡，失蹤等不幸事故，更好的為社會(huì)服務(wù)。但是搜救機(jī)器人經(jīng)常由于電池問題造成無法完成搜救任務(wù)。本設(shè)計(jì)是一個(gè)智能DC-DC電源，大大改善了搜救機(jī)器人的電源問題，提高了搜救機(jī)器人的搜救功能。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

總體硬件電路如圖1所示。當(dāng)搜救機(jī)器人的電源電壓在5.5～25V變化時(shí)，經(jīng)過智能直流穩(wěn)壓電源調(diào)整模塊后穩(wěn)壓輸出5V或者機(jī)器人所需要電壓。整個(gè)過程為電壓提升、放大和穩(wěn)壓調(diào)整電路，使輸出電流1A。帶負(fù)載的過程中輸出電壓變化<1%。這樣智能電源為搜救機(jī)器人工作提供了保障。

采樣調(diào)后的模擬電壓，經(jīng)過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換后由微控制器進(jìn)行分析，處理的結(jié)果再通過D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換反饋給放大電路去比較，顯示模塊實(shí)時(shí)顯示各項(xiàng)參數(shù)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)漏電流大于30mA，漏電保護(hù)動(dòng)作，切斷工作電路，等排除漏電故障后，電路重新開始工作。

圖1總體框圖

本設(shè)計(jì)采用的CPU是Cortex‐M3，它是一個(gè)32位處理器內(nèi)核。內(nèi)部的數(shù)據(jù)路徑是32位的，寄存器是32位的，存儲(chǔ)器接口也是32位的。CM3 采用了哈佛結(jié)構(gòu)，擁有獨(dú)立的指令總線和數(shù)據(jù)總線，可以讓取指與數(shù)據(jù)訪問并行不悖。這樣一來數(shù)據(jù)訪問不再占用指令總線，從而提升了性能。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)特性，CM3內(nèi)部含有好幾條總線接口，每條都為自己的應(yīng)用場(chǎng)合優(yōu)化過，并且它們可以并行工作。但是另一方面，指令總線和數(shù)據(jù)總線共享同一個(gè)存儲(chǔ)器空間（一個(gè)統(tǒng)一的存儲(chǔ)器系統(tǒng)）。

2 控制算法

在設(shè)計(jì)中，采用了（比例、積分、微分）PID調(diào)節(jié)控制。它以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。本設(shè)計(jì)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，得不到精確的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便，本系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例計(jì)算出控制量進(jìn)行控制。

△U（k）=Ae（k）-Be（k-1）+Ce（k-2） ；

A=Kp（1+T/Ti+Td/T） ；

B=Kp（1+2Td/T） ；

C=KpTd/T。

T采樣周期，Td微分時(shí)間，Ti積分時(shí)間，用上面的算法可以構(gòu)造本設(shè)計(jì)的PID算法： U（K）=U（K-1）+△U（K）。

電源穩(wěn)壓過程是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，特點(diǎn)是系統(tǒng)被控電壓的輸出會(huì)反送回來影響微控制器的電壓輸出，形成負(fù)反饋控制系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)中控制器的輸出電壓與輸入電壓誤差成比例關(guān)系。PID控制比例參數(shù)KP =0.02，穩(wěn)壓調(diào)整后電壓為5V，所以STM32輸出到LM324電路的電壓計(jì)算公式為：

式中U測(cè)量為系統(tǒng)被控采樣負(fù)載電壓，U輸出為控制器輸出電壓。

在軟件設(shè)計(jì)中采用PID比例調(diào)節(jié)、八階平均值濾波和一階滯后濾波，有效的濾去了采樣數(shù)據(jù)的脈沖干擾，提高了系統(tǒng)的精度，硬件電路采用成熟簡(jiǎn)單的電路，盡量減小漏電保護(hù)裝置的接入功耗。一般平均值濾波法，把干擾“平均”到計(jì)算結(jié)果中去，故平均值法不易消除由于脈沖干擾而引起的采樣值偏差。八階平均值濾波法先對(duì)N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，去掉其中的最大值和最小值，然后計(jì)算余下的N-2個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值， 計(jì)算中我們?nèi)=8，計(jì)算公式

一階滯后濾波器計(jì)算公式

濾波系數(shù)Q=T/（T+τ） ，其中T為采樣周期，τ為數(shù)字濾波器的時(shí)間常數(shù)，我們?cè)诔绦蛟O(shè)計(jì)中采用八階平均值濾波和一階滯后濾波較好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)采樣數(shù)據(jù)干擾的濾除。

3 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)用keilc51編程。采用了PID控制算法，并對(duì)采樣后的信號(hào)進(jìn)行分析，每部分完成兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換控制，以及轉(zhuǎn)換后數(shù)字信號(hào)的處理，測(cè)量出系統(tǒng)參數(shù)并實(shí)時(shí)顯示功率、電壓、電流。DAC輸出是微控制器處理后的數(shù)據(jù)再經(jīng)過內(nèi)部D/A轉(zhuǎn)換輸入到LM324放大電路進(jìn)行同相比較的電壓信號(hào)，通過PID調(diào)整[4]確保穩(wěn)壓輸出供電。將檢測(cè)到的電壓反饋信號(hào)與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)電壓AD值比較， 求出偏離AD值的偏差信號(hào)與偏差信號(hào)的變化率。保證機(jī)器人正常工作電壓和電流。程序流程圖設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2部分程序流程設(shè)計(jì)

4 結(jié)論

本系統(tǒng)以STM32控制電路為核心，精確設(shè)計(jì)電路板，盡量做到減小電磁干擾；充分利用軟件編程，并采用軟件補(bǔ)償，彌補(bǔ)元器件精度不足。本設(shè)計(jì)模擬電路處理和微控制器軟件處理并重，得到了精度較高的各項(xiàng)參數(shù)，設(shè)計(jì)靈活較容易實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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