孟祥斌,張雅彬,田衛(wèi)華,劉 煒

(1.沈陽(yáng)工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110136；2.哈爾濱工程大學(xué)智能科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001)

0 引言

重力感應(yīng)傳感器是新型傳感器技術(shù)范疇，實(shí)質(zhì)是利用彈性敏感元件制成懸臂式位移器，與采用彈性敏感元件制成的儲(chǔ)能彈簧來(lái)驅(qū)動(dòng)電觸點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)從重力變化值到電信號(hào)的轉(zhuǎn)變[1-2]。

重力感應(yīng)傳感器以其低功耗、小體積、高過(guò)載、使用簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)載體姿態(tài)測(cè)量中。由于重力感應(yīng)傳感器微慣性數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單可靠，并不會(huì)改變傳感器彈載結(jié)構(gòu)，對(duì)其在車載測(cè)量應(yīng)用方面有著重要意義。但是，重力感應(yīng)傳感器測(cè)量精度有限，具體應(yīng)用需進(jìn)一步研究。文獻(xiàn)[3]提出重力加速度數(shù)值積分的多項(xiàng)式擬合算法，平臺(tái)移動(dòng)速度快，但定位精度不夠。文獻(xiàn)[4]研發(fā)了上位主控平臺(tái)，根據(jù)需要實(shí)時(shí)接收車載機(jī)械手狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)遙控平臺(tái)操控，定位誤差精準(zhǔn)，但車體移動(dòng)速度較慢。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了基于MMA7260 加速度傳感器的姿態(tài)平衡小車控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)車體快速控制，但定位精度誤差有待提高。

為解決以上問(wèn)題，本文通過(guò)重力感應(yīng)傳感器MMA7660FC測(cè)量重力引起的加速度，計(jì)算出設(shè)備相對(duì)于水平面的傾斜角度。設(shè)計(jì)了一種基于遙控操作平臺(tái)的雙控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用重力感應(yīng)傳感器對(duì)車體運(yùn)行姿態(tài)進(jìn)行粗調(diào)整，快速到達(dá)接近抓取目標(biāo)位置時(shí)，采用按鈕連接STM32控制模塊進(jìn)行車體速度、方向精準(zhǔn)步長(zhǎng)控制，可實(shí)現(xiàn)車載機(jī)械手位置的精準(zhǔn)校準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)表明車體移動(dòng)速度和定位精度都滿足設(shè)計(jì)要求。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車載機(jī)械手控制系統(tǒng)由遙控操作平臺(tái)、控制模塊、無(wú)線通信模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、重力感應(yīng)模塊、穩(wěn)壓濾波模塊等組成，系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

車載機(jī)械手是按照制訂程序、軌跡與要求實(shí)現(xiàn)自行抓取、放置的自動(dòng)化機(jī)械系統(tǒng)。車載機(jī)械手通常由2部分構(gòu)成，即移動(dòng)車體平臺(tái)和機(jī)械手。依托固定車輛底座，在此底座上層放置機(jī)械手，利用機(jī)械手實(shí)現(xiàn)空間動(dòng)作，完成抓取物體、機(jī)械手臂伸展、動(dòng)作復(fù)位等動(dòng)作。通過(guò)借助車體的快速移動(dòng)性，擴(kuò)展了機(jī)械手工作范圍。

設(shè)計(jì)的遙控操作平臺(tái)分別對(duì)車體和六自由度機(jī)械手機(jī)械控制。只有保證車體穩(wěn)定靜止后，才可以對(duì)機(jī)械手進(jìn)行動(dòng)作操作。車體除搭載機(jī)械手和傳感器外，車體自身具有單獨(dú)STM32控制模塊。控制模塊通過(guò)車體所攜帶超聲波傳感器和視覺(jué)傳感器識(shí)別周圍環(huán)境狀態(tài)，將采集的信號(hào)處理后，通過(guò)無(wú)線傳輸模塊發(fā)送給遙控操作平臺(tái)，以便遙控操作平臺(tái)進(jìn)行及時(shí)處理。PID算法調(diào)整直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，車體STM32控制器內(nèi)含特殊安全機(jī)制，保證遇到突發(fā)路面障礙和阻礙物體時(shí)，及時(shí)暫停車輛行進(jìn)，直到遇到遙控操作平臺(tái)確認(rèn)信息2次后(間隔時(shí)間短于2 s)，才可以繼續(xù)車體行進(jìn)和機(jī)械手操作動(dòng)作。

2 硬件設(shè)計(jì)

車載機(jī)械手控制系統(tǒng)包含車體運(yùn)行姿態(tài)的調(diào)控和六自由度機(jī)械手抓取控制，其中通過(guò)控制直流電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)車體移動(dòng)，當(dāng)車體靜止后，再控制機(jī)械手上的6個(gè)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)物體抓取的設(shè)計(jì)。

2.1 車體驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

車體STM32控制模塊通過(guò)無(wú)線模塊，接收到遙控操作平臺(tái)指令，據(jù)此執(zhí)行相應(yīng)的控制任務(wù)。由于控制模塊STM32輸出的PWM信號(hào)為3.3 V電平，不能直接用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，采用直流驅(qū)動(dòng)電路來(lái)提高驅(qū)動(dòng)能力。設(shè)計(jì)采用L298N芯片，L298N是雙H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，可以驅(qū)動(dòng)2個(gè)直流電機(jī)。依據(jù)L298N設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路可提供5～35 V范圍的驅(qū)動(dòng)電壓，最大功率為25 W。L298N價(jià)格較低，性能可靠，滿足本設(shè)計(jì)需求[6]。

車體STM32控制模塊并產(chǎn)生穩(wěn)定度較高PWM信號(hào)和I/O電流。電流信號(hào)方向的正負(fù)來(lái)確定使能端上的信號(hào)電平，利用使能端的信號(hào)狀態(tài)來(lái)改變直流電動(dòng)機(jī)的順時(shí)針、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。PWM信號(hào)的占空比決定直流電機(jī)的運(yùn)行速度。PWM信號(hào)經(jīng)L298N驅(qū)動(dòng)電路放大后，可以滿足車體直流電機(jī)的運(yùn)行功率。車體電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖如圖2所示。

圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

2.2 重力感應(yīng)傳感器電路設(shè)計(jì)

重力感應(yīng)傳感器MMA7660FC是一個(gè) 1.5g的三軸加速度計(jì)，支持I2C數(shù)字輸出。同時(shí)這款傳感器是電容MEMS型的傳感器，具有非常低的功耗，它內(nèi)部具有低通濾波器，可用于補(bǔ)償0g偏移和增益誤差，用戶可根據(jù)要求為該傳感器配置為6位分辨率。重力感應(yīng)傳感器功能框圖見(jiàn)圖3。

圖3 重力感應(yīng)傳感器功能框圖

車輪的轉(zhuǎn)速和方向由重力感應(yīng)的傾角值決定。重力感應(yīng)傳感器電路見(jiàn)圖4。遙控操作平臺(tái)內(nèi)控制模塊將捕獲重力感應(yīng)傳感器的姿態(tài)數(shù)值與設(shè)定程序進(jìn)行匹配，并將匹配數(shù)值發(fā)送給車體控制模塊。通過(guò)車體控制模塊內(nèi)的閉環(huán)PID控制算法確定車輛的車輪運(yùn)動(dòng)方向和角度。

圖4 重力感應(yīng)傳感器電路

2.3 遙控操作平臺(tái)通信電路設(shè)計(jì)

車載機(jī)械手遙控操作平臺(tái)系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)通信模塊采用無(wú)線通信NRF24L01芯片，這款無(wú)線射頻收發(fā)芯片的工作頻率是2.4 GHz。該芯片內(nèi)部自帶CRC檢驗(yàn)功能，可自動(dòng)完成應(yīng)答功能，內(nèi)部硬件的CRC具有查錯(cuò)能力，可以實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信地址操控。同時(shí)，該款芯片在1.9～3.6 V之間進(jìn)行工作，可實(shí)現(xiàn)低功耗處理數(shù)據(jù)，待機(jī)狀態(tài)下電流為22 μA，掉電模式下電流為900 nA。內(nèi)置2.4 GHz天線，該芯片有126個(gè)頻道，符合多點(diǎn)通信和跳頻通信的需求。此外具有高可靠性的數(shù)據(jù)傳送[7-8]。通信模塊與控制器STM32F103RBT6構(gòu)成無(wú)線通信傳輸。無(wú)線模塊采用3.3 V電源電壓供電，因?yàn)镾TM32F103RBT6同樣采用3.3 V供電，所以無(wú)線模塊的通信引腳可以和控制器STM32的引腳直接相連。IRQ是可設(shè)置的中斷標(biāo)志的引腳，當(dāng)接收有效數(shù)據(jù)時(shí)或者發(fā)送數(shù)據(jù)成功時(shí)，引腳會(huì)產(chǎn)生電平的變化。

2.4 車體無(wú)線通信電路設(shè)計(jì)

車體的無(wú)線通信模塊主要功能是接收遙控操作平臺(tái)發(fā)送的控制指令，并將車體搭載傳感器采集的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)傳送到遙控操作平臺(tái)端。NRF24L01的外接天線傳輸距離提高到20 m，其車體無(wú)線通信接收電路見(jiàn)圖5，受外界環(huán)境影響，傳輸距離有一定的降低。

圖5 車體無(wú)線通信接收電路

2.5 液晶顯示接口電路

顯示模塊使用低功耗NOKIA5110的LCD液晶顯示屏。該屏是以點(diǎn)陣的方式來(lái)顯示的，具有48像素×84像素的分辨率。傳輸最高速率可達(dá)4.0 Mbit/s，可以顯示英文字符、漢字和圖片。液晶顯示模塊采取SPI的通信方式。硬件使用了5個(gè)普通的IO口的資源作為顯示屏的輸出接口。通過(guò)液晶顯示模塊可以實(shí)時(shí)觀測(cè)車體運(yùn)行速度信息和方向角度數(shù)值[9]。圖6為液晶接口圖。

3 程序設(shè)計(jì)

該車載機(jī)械手系統(tǒng)的軟件主要用C語(yǔ)言編寫(xiě)，開(kāi)發(fā)環(huán)境為Keil MDK，軟件采用模塊化設(shè)計(jì)。車載機(jī)械手系統(tǒng)的主程序先進(jìn)行初始化配置，確保車體和機(jī)械手正常工作。初始化主要包括系統(tǒng)變量初始化、中斷初始化、傳感器模塊初始化、A/D轉(zhuǎn)換程序初始化、機(jī)械手初始化等。系統(tǒng)變量初始化包含霍爾測(cè)速模塊的設(shè)置，重力感應(yīng)傳感器、超聲波模塊測(cè)距離賦初值，視覺(jué)傳感器Pixy 2代CMUcam5的各類函數(shù)的初始化，供電電源監(jiān)測(cè)初始化等。系統(tǒng)初始化后，遙控操作平臺(tái)中重力感應(yīng)模塊測(cè)定數(shù)值超過(guò)設(shè)定靜止閾值后，通過(guò)遙控操作無(wú)線模塊發(fā)出移動(dòng)信息，啟動(dòng)車體。車體在移動(dòng)后，利用超聲波傳感器和視覺(jué)傳感器感知車體周圍環(huán)境信息，如遇障礙物，及時(shí)將信息反饋給遙控操作平臺(tái)端。遙控操作平臺(tái)改變車體運(yùn)行速度和方向，規(guī)避障礙物。當(dāng)車體接近目標(biāo)物體時(shí)，首先通過(guò)重力感應(yīng)模塊進(jìn)行車體姿態(tài)調(diào)整，其次通過(guò)按鈕進(jìn)行位置微調(diào)修正。當(dāng)滿足設(shè)定誤差范圍±5 mm內(nèi)時(shí)，保持車體靜止。啟動(dòng)機(jī)械手控制，利用PID算法控制六自由度機(jī)械手舵機(jī)角度方向角度，進(jìn)行目標(biāo)物體抓取，抓取目標(biāo)物體放入小車后，進(jìn)行機(jī)械手歸位。最后，重新啟動(dòng)小車運(yùn)動(dòng)。車載機(jī)械手主程序的流程圖如圖7所示。

車載機(jī)械手系統(tǒng)需要確保電量支持，各類傳感器模塊、無(wú)線通信模塊、車體驅(qū)動(dòng)電機(jī)和機(jī)械手舵機(jī)等均需要電能支持，為保證系統(tǒng)電量充足，需設(shè)置電源監(jiān)測(cè)程序。通過(guò)一定延遲時(shí)間對(duì)車體攜帶電源兩端電壓監(jiān)測(cè)，保證系統(tǒng)正常工作。當(dāng)電壓值低于設(shè)置電壓(7.2 V的20%)，紅燈閃爍，需要及時(shí)充電。正常時(shí)保持綠燈點(diǎn)亮。圖8為電池電能監(jiān)測(cè)子程序流程圖。

圖8 電池電能監(jiān)測(cè)子程序流程

4 測(cè)試結(jié)果及分析

4.1 機(jī)械手臂夾緊力測(cè)試

抓取物體的夾緊力是設(shè)計(jì)機(jī)械手重要指標(biāo)，夾緊力大會(huì)使物體在拾取物體過(guò)程中表面破損或形狀變形，從而導(dǎo)致拾取失??；夾緊力過(guò)小，導(dǎo)致車輛行走過(guò)程中，物體滑落，也會(huì)導(dǎo)致拾取失敗。夾緊力需要克服物體重力所引起的靜載荷和物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化產(chǎn)生的載荷，以保證機(jī)械手對(duì)物體穩(wěn)定的夾緊狀態(tài)。機(jī)械手對(duì)物體夾緊力依據(jù)式(1)計(jì)算[10]:

FN≥β1β2β3G

(1)

式中：β1為安全系數(shù)，通常取值1.2～2.0；β2為狀況系數(shù)，主要考慮慣性力的作用；β3為方向系數(shù)，依據(jù)手臂與物體之間的不同位置進(jìn)行判斷；G為被抓取物件所受重力，N。

機(jī)械手夾緊力測(cè)試如表1所示。

表1 機(jī)械手夾緊力測(cè)試

由測(cè)試結(jié)果可知，機(jī)械手對(duì)于質(zhì)量≤6.05 g物體，抓取率過(guò)低。對(duì)于質(zhì)量>10.0 g物體，抓取率高。此外，測(cè)試中機(jī)械手所夾取物體質(zhì)量不可超過(guò)300 g，否則會(huì)造成微型車載搬運(yùn)機(jī)器人重心不穩(wěn)。

4.2 車輛控制系統(tǒng)測(cè)試

遙控操作平臺(tái)連接無(wú)線通信模塊后，對(duì)車載機(jī)械手狀態(tài)進(jìn)行20次發(fā)送指令測(cè)試，觀察搬運(yùn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化，再改變遙控操作平臺(tái)與搬運(yùn)機(jī)器人之間距離后重復(fù)上面的測(cè)試。不同距離控制指令準(zhǔn)確性測(cè)試如表2所示。

表2 不同距離控制指令準(zhǔn)確性測(cè)試

其中重力傳感器粗略調(diào)整為模式1，按鈕連接STM32控制器，進(jìn)入模式2，實(shí)現(xiàn)精細(xì)調(diào)整。根據(jù)表2可以獲得實(shí)測(cè)模式1和模式2的接收指令準(zhǔn)確次數(shù)和該模式對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)確率。

以上測(cè)試環(huán)境是在空曠的地面上，測(cè)試通信質(zhì)量較好，在無(wú)線通信NRF24L01芯片有效范圍20 m內(nèi)，通信指令模式1準(zhǔn)確率的平均值為95.6%,模式2準(zhǔn)確率的平均值為98.8%。原因?yàn)椋褐亓Ω袘?yīng)模式1下，數(shù)據(jù)變化過(guò)快，控制器對(duì)數(shù)據(jù)的處理和發(fā)送延遲。

4.3 六自由度機(jī)械手仿真及定位測(cè)試

控制STM32模塊給機(jī)械手的6個(gè)舵機(jī)發(fā)送相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度，控制機(jī)械手的關(guān)節(jié)運(yùn)行，完成抓取工作。圖9給出了基于Proteus軟件仿真的PWM脈寬仿真波形圖。

圖9 PWM脈寬波形圖

依據(jù)虛擬示波器顯示的PWM波形，可以檢驗(yàn)編寫(xiě)的PWM子程序是否滿足舵機(jī)控制要求。舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度是通過(guò)調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比來(lái)完成的。標(biāo)準(zhǔn)PWM信號(hào)的周期固定為20 ms(50 Hz)，理論上仿真脈寬分布應(yīng)在1～2 ms之間，實(shí)測(cè)脈寬可為0.5～2.5 ms之間。

在設(shè)計(jì)中，每個(gè)數(shù)字舵機(jī)方向旋轉(zhuǎn)角度設(shè)置為8個(gè)定值(6個(gè)舵機(jī)共有48個(gè)方向角)。受方向角在空間數(shù)量不足影響，存在定位誤差，實(shí)測(cè)數(shù)值與理論值計(jì)算相比在-3～3 mm之間。圖10為車載機(jī)械手實(shí)物圖。

圖10 車載機(jī)械手實(shí)物圖

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)基于重力感應(yīng)傳感器的車載機(jī)械手，完成了車輛確定的運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)路徑連續(xù)可控。通過(guò)按鈕可在20 m內(nèi)，遠(yuǎn)程操作機(jī)械手進(jìn)行抓取、運(yùn)送等動(dòng)作執(zhí)行，并對(duì)夾緊力進(jìn)行實(shí)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂的精準(zhǔn)定位與操控。