劉 程

(六安職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與機(jī)電工程學(xué)院, 安徽 六安 237000)

0 引言

隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的成熟和應(yīng)用的普及,市場(chǎng)對(duì)于機(jī)器人的需求不斷擴(kuò)大。工業(yè)機(jī)器人通常在已經(jīng)熟知的固定環(huán)境中工作,而移動(dòng)機(jī)器人更加強(qiáng)調(diào)環(huán)境的感知,它要通過(guò)傳感器獲取周邊環(huán)境,更新自己的位置,并根據(jù)環(huán)境信息作出動(dòng)作調(diào)整[1-2]。移動(dòng)機(jī)器人的研究關(guān)鍵就是如何能夠?qū)崟r(shí)、精確獲取未知環(huán)境信息,并判斷障礙物位置和大小,傳感器采集到的信息經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換之后,輸入數(shù)學(xué)模型中,計(jì)算有效的躲避策略,指導(dǎo)機(jī)器人有效躲避障礙[3]。移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用對(duì)提高工作效率、節(jié)約人工成本具有非常突出的作用。在機(jī)器人設(shè)計(jì)中,受到體積和價(jià)格限制,無(wú)法直接采用現(xiàn)有電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。所以，研究一套以ARM為控制核心的低成本移動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)品，對(duì)擴(kuò)大移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用范圍非常關(guān)鍵[4]。

1 移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)選用ARM控制器為底層控制核心,完成嵌入式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖1所示。ARM處理器同時(shí)支持16位和32位指令,它的耗電較少,功能突出,同時(shí)符合低成本要求。ARM處理器的指令執(zhí)行速度比較快,多在寄存器中完成數(shù)據(jù)操作,尋址方式簡(jiǎn)單靈活,運(yùn)行效率高。芯片本身集成了高精度的ADC采集模塊和PWM模塊,提供多種通訊接口服務(wù)[5]。綜上所述,ARM芯片完全符合本文研究的需要。

圖1 移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖Fig.1 Mobile robot control system block diagram

底層控制系統(tǒng)接收傳感器采集到的信號(hào),利用RS232通信串口將采集到的數(shù)據(jù)傳送到上層控制器,同時(shí)接收上位機(jī)發(fā)送的命令,控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。電機(jī)電路和單片機(jī)之間利用光耦合器件隔離,單片機(jī)接收霍爾傳感器傳遞的信號(hào),并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理,然后將其發(fā)送給ARM處理器,最后將信號(hào)反饋給上位機(jī)[6]。上位機(jī)根據(jù)收到的信息計(jì)算PWM波的占空比,反饋給ARM,繼而調(diào)整PWM波占空比。

1.1 驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分采用STC公司開(kāi)發(fā)的15單片機(jī)為控制芯片,ARM和15單片機(jī)之間通過(guò)串口通信,ARM將上位機(jī)發(fā)送的控制命令傳遞給驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制器15單片機(jī)。圖2所示為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的整體框架示意圖。

圖2 驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the drive structure

傳感器采集到的信號(hào)會(huì)通過(guò)光耦隔離,然后發(fā)送到電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的控制芯片,15單片機(jī)給驅(qū)動(dòng)控制芯片發(fā)送控制信號(hào),同時(shí)利用電機(jī)的霍爾傳感器反饋回來(lái)的信號(hào)完成三相橋電路的控制。通過(guò)三相橋電路能夠直接控制直流電機(jī)定子繞組中的電流進(jìn)出,產(chǎn)生磁場(chǎng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)?；魻杺鞲衅鞣答伒男盘?hào)傳遞到單片機(jī)中,單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理之后，利用串口將數(shù)據(jù)傳遞到ARM處理器,經(jīng)過(guò)計(jì)算得出電機(jī)轉(zhuǎn)速。

驅(qū)動(dòng)模塊控制芯片利用三相橋電路中的MOSFET管的接通和閉合來(lái)控制電機(jī)定子繞組電流,設(shè)計(jì)中要保證MOSFET管的最大漏源電壓、電流符合要求。JY01A驅(qū)動(dòng)芯片中帶有過(guò)流保護(hù)電路,如果芯片的電壓采樣采集電壓,并與內(nèi)部1.25 V的標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較,采樣電壓大于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí),即認(rèn)為內(nèi)部電流大,自動(dòng)接通限流保護(hù)。直流電機(jī)選擇Z4BLD60直流電機(jī),其最大額定工作電流和啟動(dòng)電流分別為3.8 A和7 A。電機(jī)內(nèi)部的繞組電流為6.25 A時(shí),采樣電壓符合標(biāo)準(zhǔn)值要求；如果電流超過(guò)了6.25 A時(shí),驅(qū)動(dòng)芯片采取過(guò)流保護(hù)。驅(qū)動(dòng)模塊的電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)電路連接圖Fig.3 Drive motor circuit connection diagram

1.2 傳感器電路設(shè)計(jì)

在移動(dòng)機(jī)器人的底層硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中,傳感器包括紅外防撞傳感器、陀螺儀和電池電量檢測(cè)電路。陀螺

儀傳感器采用JY-901傳感器,它的精度優(yōu)秀,利用插針的方式將陀螺儀傳感器與電路板連接,與ARM之間的通信用串口實(shí)現(xiàn)。防撞傳感器布置在機(jī)器人的四周,供電為5 V電源。如果在周圍沒(méi)有探測(cè)到障礙物,那么傳感器的輸出為高電平；如果監(jiān)測(cè)到周圍有障礙物,那么防撞傳感器中的紅外接收管會(huì)接收到障礙物反饋回來(lái)的信號(hào),進(jìn)而輸出低電平。傳感器電力設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 傳感器電路連接圖Fig.4 Sensor circuit connection diagram

2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模

移動(dòng)機(jī)器人的動(dòng)力來(lái)源為無(wú)刷直流電機(jī),它是一種永磁同步電動(dòng)機(jī),轉(zhuǎn)子就是永磁體,永磁體的對(duì)數(shù)根據(jù)直流電機(jī)的不同而不同。定子用作繞組,一般的電機(jī)繞組為三相,控制器根據(jù)電機(jī)反饋的信號(hào)確定轉(zhuǎn)子位置,控制電機(jī)繞組的接通和阻斷,產(chǎn)生的電磁場(chǎng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子,產(chǎn)生的力矩帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)[7]。轉(zhuǎn)子到達(dá)固定位置后,繞組中的電流進(jìn)出再次改變。直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型如下:

Te=2keIp

Tl=Lσ/Rs

式中,Um表示電機(jī)的輸入電壓,Te表示電磁轉(zhuǎn)矩,Tl表示時(shí)間常數(shù),ω表示電機(jī)的角速度,Rs和Lσ分別表示單相繞組電阻和繞組電感,TL表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩,J表示轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,ke為反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)過(guò)程中,電源電壓保持不變,調(diào)整PWM波的占空比來(lái)控制電機(jī)輸出功率。如果PWM波的占空比為1,那么電機(jī)輸入電壓等于電源的電壓,輸出功率達(dá)到最大值。

PWM波的占空比和電機(jī)電源電壓的乘積即為電機(jī)輸入電壓,用下式表示:

Um=ρUd

Um表示電機(jī)的輸入電壓,ρ為占空比,Ud為電源電壓。

3 移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中,單片機(jī)要采集其中的霍爾傳感器的脈沖信號(hào),并通過(guò)串口將信號(hào)發(fā)送給ARM芯片。移動(dòng)機(jī)器人的電機(jī)驅(qū)動(dòng)的最高轉(zhuǎn)速為2 r/s,驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周產(chǎn)生375個(gè)脈沖,那么可以計(jì)算出單片機(jī)能夠接收到的最高脈沖頻率是759 Hz。脈沖頻率比較小,所以可以采用T法測(cè)速的方式來(lái)測(cè)量脈沖頻率。驅(qū)動(dòng)電路軟件流程如圖5所示。

圖5 驅(qū)動(dòng)電路程序設(shè)計(jì)Fig.5 Driver circuit programming

T法測(cè)速就是通過(guò)計(jì)算兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間完成周期計(jì)算,然后得到頻率。因?yàn)椴豢杀苊獾卮嬖诎雮€(gè)時(shí)間單位,所以可能會(huì)存在一個(gè)時(shí)間單位的誤差。如果被測(cè)的速度比較高,計(jì)算周期小,會(huì)帶來(lái)比較大的計(jì)算誤差,所以T法測(cè)速通常用于計(jì)算速度比較低的場(chǎng)合?？梢酝ㄟ^(guò)降低編碼器脈沖數(shù)目的方式來(lái)提升速度測(cè)量上限,或者可以適當(dāng)?shù)臏p小計(jì)時(shí)單位,能夠獲得更加精確的計(jì)算結(jié)果,確保以此測(cè)量的時(shí)間值盡量延長(zhǎng)。

3.2 硬件系統(tǒng)的搭建

系統(tǒng)包括三層,第一層設(shè)置的是干擾較大和體積較大的器件,包括電池、直流電機(jī)、開(kāi)關(guān)的電源模塊以及電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。這種布置方式能夠保證移動(dòng)機(jī)器人的穩(wěn)定性。第一層和二、三層之間要設(shè)置鋼板,能夠有效地避免電源、隔離電機(jī)、傳感器和控制電路之間的電磁干擾。第二層布置的是激光雷達(dá),為了減少信號(hào)干擾,所以這一層盡量不放置傳感器和電路等。第三層放置工控機(jī)、調(diào)試電路以及ARM控制器,紅外接收器放置在頂層反面,盡可能地降低外部電源帶來(lái)的干擾。

3.3 系統(tǒng)通信

移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)和上位機(jī)之間的通信借助RS232串口來(lái)實(shí)現(xiàn),將通信信息錯(cuò)誤的可能性降到最低。此次設(shè)計(jì)中的通信方案是16進(jìn)制的,ARM和單片機(jī)反饋信息的格式如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)通信信息格式Fig.6 System communication information format

通過(guò)通信測(cè)試驗(yàn)證,當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人所處環(huán)境有電磁干擾時(shí),系統(tǒng)的通信系統(tǒng)沒(méi)有受到影響,上位機(jī)接收到的信息均有效。如果將系統(tǒng)的屏蔽層去除,那么上位機(jī)接收到的通信信號(hào)出現(xiàn)了較低程度的錯(cuò)誤,上位機(jī)能通過(guò)數(shù)據(jù)校驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這些錯(cuò)誤并丟棄。

3.4 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)檢測(cè)

通過(guò)PWM波來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制,而ARM控制PWM波的產(chǎn)生。在傳播過(guò)程中,PWM波的變形情況將會(huì)直接影響系統(tǒng)控制穩(wěn)定性和精確性。在ARM控制器和電機(jī)之間,設(shè)置高速光耦合電路,取PWM占空比為75%和25%的兩段波形進(jìn)行比較分析,結(jié)果驗(yàn)證原信號(hào)和經(jīng)過(guò)光耦后的波形一致,符合要求。

4 總結(jié)

本文研究了基于單片機(jī)的移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),介紹了基于ARM控制核心的底層運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)硬件,包括紅外防撞傳感器、陀螺儀傳感器、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和ARM控制電路。最后簡(jiǎn)要給出了系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制模塊的實(shí)現(xiàn)過(guò)程,對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證。