徐連偉，魏崇毓

(青島科技大學 信息科學技術學院，山東 青島 266061)

消防機器人行走控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

徐連偉，魏崇毓

(青島科技大學 信息科學技術學院，山東 青島 266061)

近年來火災事故頻發(fā)，消防人員的安全問題無法保證，“機器換人”這一理念是處置火災救援的一個重要手段和發(fā)展趨勢，消防機器人的研發(fā)在有效救援的基礎上能保護消防人員的安全；針對火災現(xiàn)場的環(huán)境復雜性，設計了消防機器人的行走控制方案，通過設計電機驅動系統(tǒng)的硬件電路與針對行走控制系統(tǒng)進行MATLAB模擬仿真，實現(xiàn)并優(yōu)化了消防機器人的越障及轉彎功能；主要對電機驅動部分及整個系統(tǒng)軟件流程進行設計；通過測試，驗證了行走控制方案的可靠性。

消防機器人;行走控制;MATLAB;PID;模糊PID

0 引言

近年來，發(fā)生的火災事故頻發(fā)，消防人員在火災中喪生的現(xiàn)象值得思考。根據(jù)公安部相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)，近5年來，全國在救火搶險一線犧牲的消防人員達144人，每年有300多名消防員受傷甚至致殘[1-2]。消防員的獻身精神固然可歌可泣，但如何在保障民眾生命財產(chǎn)安全的同時減少消防員的傷亡？

2015年8月14日，國務院安全生產(chǎn)委員會發(fā)布緊急通知，要求立即在全國范圍內(nèi)深入開展危險化學品和易燃易爆物品專項整治。通知強調(diào)，要深化安全生產(chǎn)領域改革創(chuàng)新，加大各級政府和企業(yè)安全投入，加強應急處置能力建設，推廣應用先進適用的安全技術裝備[3]。

隨著政策力度的加碼和民眾關注度的提高，引入機器換人的理念是大型石化企業(yè)和危險化學災害處置救援的一個重要手段和發(fā)展趨勢[4-5]。消防機器人替代消防隊員接近火場可以有效的實施滅火救援、化學檢驗和火場偵察等活動。它的應用將提高消防部隊撲滅特大惡性火災的實戰(zhàn)能力[6]，對減少國家財產(chǎn)損失和滅火救援人員的傷亡產(chǎn)生重要的作用[7-8]。本文對消防機器人的硬件電路、系統(tǒng)關鍵技術、軟件流程圖進行解釋。針對火災現(xiàn)場的復雜環(huán)境，對消防機器人的行走控制模塊進行詳細的設計，并建立相應的運動理論模型，并進行系統(tǒng)仿真，以期達到實時檢測和動態(tài)調(diào)節(jié)的結果。

1 系統(tǒng)硬件設計及關鍵技術

整體設計框圖如圖1所示。整個消防機器人控制系統(tǒng)主要分為兩大部分，手持控制器和車載控制中心。手持控制器主要有四部分功能：控制消防滅火機器人的行走，水炮的動作(噴射開關、方向等)，車載視頻圖像的回傳顯示，車載附件(燈、電源)等的控制；車載控制中心主要集成了探照燈、攝像頭、水炮、傳感器以及電機控制電路五部分。

圖1 整體設計框圖

消防機器人采用履帶式車輪。履帶式底盤通過將環(huán)狀的循環(huán)履帶環(huán)繞在驅動輪和一系列滾輪外側，使車輪不直接于地面接觸，而是通過循環(huán)履帶于地面發(fā)生作用，再通過驅動輪帶動履帶[9]。實現(xiàn)車輪在履帶上的相對滾動的同時，履帶在地面反復向前鋪設，從而帶動底盤運動[10]，履帶式底盤的優(yōu)點是著地面積比車輪式大，所以著地壓強小；另外與路面粘著力較強，所能提供的驅動力大[11-12]。

消防機器人控制系統(tǒng)的架構搭建設計機器人的機械結構及控制系統(tǒng)的主要電路。從結構可靠性、應用環(huán)境、制造成本等角度進行機器人驅動系統(tǒng)機械結構設計，選用STM32F103R86T為主控芯片。對整個控制系統(tǒng)進行電路設計。手持控制器主要的功能：控制消防滅火機器人的行走，水炮的動作(噴射開關、方向等)，車載視頻圖像的回傳顯示，車載附件(燈、電源)等的控制。

結合所設計的履帶移動機器人結構，以及移動機器人的運動特點，對驅動系統(tǒng)不同驅動模塊的電機進行匹配計算和選型。移動機器人的運動方式可簡化為勻速行駛、原地轉動、爬坡越障3種模式。對各種運動方式的功率進行計算，相比較電機的額定功率及峰值功率，選出最合適的電機類型。目前選定的類型為86BL100-440-ZD-86XG20，86直流無刷電機。

電機驅動電路的設計，消防機器人采用履帶式移動結構，針對電機的運行方式，對驅動電路進行設計。電機驅動電路控制電機的運轉，電機的轉速則需要機器人控制器STM32進行控制。

消防機器人無線傳輸技術的實現(xiàn)，采用433 M無線模塊。手持控制器和消防機器人直接通過433 M無線模塊進行通信，實現(xiàn)遠程控制功能。433 M模塊的特點是發(fā)射功率比較大，傳輸距離比較遠，比較適合惡劣條件下進行通訊[13]。

2 行走控制算法

消防機器人采用輪履式結構，結合獨立的電機驅動技術。通過電機控制機器人的轉向實現(xiàn)前進、轉彎、倒退以及原地旋轉。每一個輪子的控制結構和方式都是相同的，如圖2所示。車載控制器接收手持控制器指令，通過CAN總線網(wǎng)絡對電機控制器進行控制，然后電機帶動輪子進行旋轉。

電機的驅動電路部分與數(shù)字控制部分相比較，為伺服控制系統(tǒng)中的重要組成部分，驅動電路是主控芯片與直流無刷電機聯(lián)結的紐帶[14-15]。因而，電機驅動電路的性能將直接影響到該系統(tǒng)的整體性能和可靠性。

圖4 基于IR2130的電機驅動電路

圖2 運動模塊控制結構圖

2.1 電機驅動電路設計

設計采用的直流無刷電機為三相六狀態(tài)，兩兩導通的方式[16]。電機系統(tǒng)主要由CPU主控芯片、換相電路、基于IR2130的驅動電路、電流及電壓檢測保護電路以及霍爾信號處理電路組成，其中換相電路是由6個MOSFET組成的三相全橋電路。系統(tǒng)工作時，主控芯片分析位置，發(fā)送信號到IR2130輸入端，由FAN73892驅動換相電路，控制MOSFET功率管的導通與關斷。通過對轉子位置傳感器檢測的信號(HA、HB、HC)進行邏輯變換，即傳送到電路里的為數(shù)字信號，從而產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號PWM，經(jīng)過放大處理后傳送至逆變器的功率開關，從而控制電機按一定順序正常進行工作。

圖3 電機控制方案圖

無刷直流電機采用三相橋式逆變電路[17]，正常情況下需要四組獨立電源，這使驅動電路變得較為復雜，導致逆變器的可靠性降低，采用國外一家公司生產(chǎn)的專用芯片F(xiàn)AN73892，這款芯片只需一個供電電源便可驅動三相橋式逆變電路的6個功率開關器件，使得驅動電路變得簡單可靠。同時可提供更高的開關頻率PWM調(diào)速控制[18]，因此本文選擇了專用驅動芯片F(xiàn)AN73892來驅動六個功率器件，只需一個供電電源去驅動FAN73892，即可驅動三相橋式逆變電路中的6個MOSFET,圖4為FAN73892驅動逆變器功率管的電路原理圖。

圖6 電機仿真模型

如圖4所示，U2極為IR2130驅動芯片，HO1-HO3，LO1-LO3分別為圖3中MOSFET功率管開關器件的驅動信號輸出端，驅動信號先經(jīng)過集成于FAN73892內(nèi)部的脈沖處理器和電平移位器進行電位變換等，送至CPU進行處理。HIN1-HIN3，LIN1-LIN3為MOSFET功率管驅動信號的輸入端。正常工作時，霍爾信號經(jīng)過變換傳入CPU處理，CPU根據(jù)PID算法調(diào)試PWM信號傳送給FAN73892的HIN1-HIN3、LIN1-LIN3。輸入6個引腳的驅動信號經(jīng)輸入信號

圖4中CN5～CN10是自舉電容，為了防止當外電流發(fā)生過流或者直通時，電路的驅動信號檢測器迅速翻轉，造成器件的損壞。二極管D1、D2、D3與電阻R1、R2、R3分別串聯(lián)，組成了漏源極之間的保護電路，二極管的主要是為了限制柵極電壓在穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值以下，保護MOSFET不被擊穿，電阻是為了釋放電荷，不然電荷積累，電荷的積累也會使MOSFET被擊穿。因此這部分電路屬于MOSFET的內(nèi)部電壓保護電路。

2.2 電機控制方法

隨著科技的發(fā)展，對無刷直流電機控制精度，以及動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能的要求逐漸提高，傳統(tǒng)的PID控制器盡管算法簡單、魯棒性好以及可靠性高，但逐漸難以滿足對控制系統(tǒng)快、準、穩(wěn)的要求。

本文采用模糊控制的方法對電機控制器進行設計，與傳統(tǒng)的PID控制算法、模糊PID控制相比較，無需建立精確數(shù)學模型的控制對象、復雜系統(tǒng)的處理等。因此，當外部控制條件發(fā)生變化時，模糊控制不需要獲取系統(tǒng)的數(shù)學模型就能對系統(tǒng)PID控制參數(shù)進行實時整定。

利用MATLAB中對模糊PID算法和傳統(tǒng)PID算法進行簡單比較，在傳統(tǒng)PID中kP=5，kI=0.1，kD=0.01。對模糊PID設置如下：k=60，kD=2.5，kI=0.01，k=0.8。實驗結果如圖5所示。

圖5 傳統(tǒng)PID和模糊PID性能比較

由圖5兩種控制結果比較系統(tǒng)階躍響應曲線可以得到，通過模糊PID控制的方法，其靜態(tài)誤差明顯小于傳統(tǒng)PID控制方法。因此選用模糊PID控制器應用于無刷直流電機更為合理和有效。

2.3 控制模塊仿真及結果

本文以MATLAB7.0為平臺，利用Simulink搭建了系統(tǒng)仿真模型，對直流無刷電機控制系統(tǒng)建立模型，并對其運行，速度變化等情況進行仿真。對其速度環(huán)節(jié)進行傳統(tǒng)PID及模糊PID控制的比較，根據(jù)直流無刷電機的特點建立如圖6所示的仿真模型。

電機控制系統(tǒng)的原理：電源模塊供電給MOSFET，由于MOSFET管承受短時過載能力比較小，需對功率MOSFET驅動設計保護電路，采用MOS驅動器的輸出與MOS管之間串聯(lián)電阻的方法，避免在功率管在導通和快速關閉時，由于漏極電壓的震蕩頻率造成的di/dt過高而誤導通的現(xiàn)象。如圖三所示，R2～R6是MOSFET的門極驅動電阻。無刷電機與MOSFET連接，通過霍爾信號測試信號判斷轉子位置。根據(jù)原理建立了如圖6所示的模型。整個電機控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)調(diào)速控制方案：速度環(huán)節(jié)采用傳統(tǒng)PID控制，電流環(huán)采用電流滯環(huán)調(diào)節(jié)方式。

利用MATLAB里的Fuzzy Logic Toolbox工具箱對速度環(huán)節(jié)進行模糊PID控制方式，它的輸入為速度的誤差及誤差的變化量，調(diào)整各PID控制參數(shù)。如圖7所示為模糊控制器的結構圖。

圖7 模糊PID控制結構圖

利用上述模型進行仿真驗證，速度還分別采用傳統(tǒng)PID和模糊PID控制方式，初始轉速為1000rad/s空載啟動，系統(tǒng)穩(wěn)定后，調(diào)節(jié)轉速到500rad/s。得到如圖8所示仿真波形，由圖可知，模糊PID控制電機轉速調(diào)控能力明顯比傳統(tǒng)PID優(yōu)越。因此選用模糊PID控制電機轉速更為合理和有效。

圖8 行走控制仿真圖

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)設計中采用美國Keil Software公司的KeilμVision4集成開發(fā)環(huán)境，使用C語言進行程序設計。如軟件流程圖9所示，手持控制器和車載控制中心應用程序主要包括上述個電機驅動控制算法的實現(xiàn)函數(shù)、機器人行走控制算法函數(shù)、433 M無線模塊數(shù)據(jù)通信的實現(xiàn)函數(shù)，CAN、IIC、uart網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)函數(shù)，中斷處理函數(shù)和各模塊信息處理函數(shù)。

消防機器人和手持遙控器首先進行設備初始化，手持遙控器和消防機器人通過433 M無線模塊進行無線連接，消防機器人等待接收來自遙控器的指令，進行指令檢測處理，并進行信息反饋，根據(jù)遙控器的控制指令判斷電機的動作，主要有3種指令：加減速/反轉、制動、自然結束。手持遙控器主要進行發(fā)送指令以及接收指令的反饋在顯示器上顯示。

圖9 系統(tǒng)軟件流程圖

在中斷處理函數(shù)中只接收數(shù)據(jù)和設置相應的系統(tǒng)狀態(tài)字。然后在主循環(huán)中循環(huán)監(jiān)測相應的系統(tǒng)狀態(tài)字，進行相應的信息處理和操作。

手持控制器和車載控制中心通過433 M無線模塊進行通信，手持控制器傳送指令，車載控制器進行信息的處理和反饋。行走控制模塊監(jiān)聽控制信號，判斷是否有控制信號，當監(jiān)聽到控制信號后，根據(jù)控制信號的控制指令，調(diào)用PID算法，調(diào)整PWM信號的占空比，將新的占空比賦給各個MOSFET功率管，產(chǎn)生相應動作指令。

4 測試效果與分析

經(jīng)現(xiàn)場組裝測試，消防機器人可以實現(xiàn)二維平面內(nèi)任意方

向的移動功能包括直行、轉彎、原地打轉等全向移動，運行平穩(wěn)且轉向靈活。速度多檔位可連續(xù)調(diào)控，可實現(xiàn)裝配過程中的高精度定位，并具有一定的爬坡越障功能。手持控制器可以實時的顯示車體運行狀態(tài)信息，方便可靠。

5 結束語

消防機器人的研發(fā)有效保護消防人員的安全，在一定程度上阻止了火災對消防人員的二次傷害。針對火災現(xiàn)場的環(huán)境復雜性，本文設計了消防機器人的行走控制方案，通過設計電機驅動系統(tǒng)的硬件電路與針對行走控制系統(tǒng)進行MATLAB模擬仿真。在組裝測試后，整個系統(tǒng)方案切實可行，方便可靠易于維護。

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Design and Implementation of Walking Control System for Fire Fighting Robot

Xu Lianwei，Wei Chongyu

(Qingdao University of Science & Technology, Qingdao 266061, China)

Fire accidents occurred frequently in recent years.,Fire safety problems can not be guaranteed. “Machine substitution”, this concept is an important means of disposal of fire rescue and development trend， the fire fighting robot research and development on the basis of effective relief to the safety of fire protection personnel. Aiming at the scene of the fire of the complexity of the environment,The hardware circuit of the motor drive system is designed and the MATLAB simulation is carried out for the walking control system. Implementation and optimization of the fire fighting robot obstacle avoidance and turning function. The main part of the motor drive and the whole system software design process. Through the test, to verify the reliability of the control scheme of walking.

fire fighting robot; walking control; MATLAB; PID; fuzzy PID

2016-07-18；

2016-08-17。

徐連偉(1990-)，女，山東煙臺人，碩士研究生，主要從事計算機通信網(wǎng)理論與技術方向的研究。

魏崇毓(1957-)，男，江蘇徐州人，博士，教授，主要從事通信與電子系統(tǒng)方向的研究。

1671-4598(2017)01-0066-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.01.019

TP24

A