除锈爬壁机器人控制系统的设

除锈爬壁机器人控制系统的设计1 前言控制系统是船舶壁面除锈爬壁机器人的重要组成部分，其负责完成对除锈爬壁机器人的行走和转向功能的控制，使机器人能够按照预定的轨迹去工作，因此对除锈爬壁机器人控制系统提出如下基本要求:(1)控制系统方便、可靠性高、操作灵活，便于操作人员使用;(2)通过功能按键可以设定机器人的多极移动速度，并可实时调整运动方向和运动速度，实现机器人在船体表面上的全方位移动;(3)由于船舶除锈现场环境恶劣，除锈爬壁机器人的工作环境制约了其控制方式，本系统采用简单实用、可靠性高的有线遥控，其控制距离需大于 30 米。(4)控制系统能实现除锈爬壁机器人的简单作业，保证机器人在爬行过程中的除锈质量。2 除锈爬壁机器人控制系统的总体方案除锈爬壁机器人在船体表面上的行走和转向是通过左右两个交流伺服电机的驱动来实现的。当左右两个伺服电机的转速与转向相同时，爬壁除锈机器人在船体表面上实现直线行走。电机正转时，机器人前进;电机反转时，机器人后退。当左右两个伺服电机的转向相反时，除锈爬壁机器人在船体表面上实现转向。综合考虑各种控制形式的优缺点，结合船舶除锈的实际情况，爬壁机器人的控制系统采用上下位机二级分布式控制方式，以保证即使在无操作人员参与的情况下，下位机也可以按照上位机通过串口预先给定的指令和参数实现自主作业，从而使船舶壁面除锈爬壁机器人具有高效除锈、自动化水平高和减少操作人员操作强度的性能;操作人员也以通过观测船体表面的实际锈蚀状况，根据除锈爬壁机器人的实际作业情况，随时切换到人工操作状态，以提高机器人的实时性、实用性和高效性。在本控制系统中，上位机和下位机都是基于单片机而设计的。上位机是以 AT89C51单片机系统为核心的控制系统，主要由 AT89C51 单片机、矩阵键盘以及标准的 RS 一485 接口构成，其作用是通过各功能按键向下位机发送指令，以实现对爬壁机器人伺服电机的远程控制。下位机控制器安装于机器人本体的背面，控制器内部装有两个伺服电机驱动器、直流电源模块、和控制电路板。下位机控制电路板也是以 AT89C51 单片机系统为核心，主要由 AT89C51 单片机、8155 扩展 1/0 接口电路、D 尽、转换与运算放大电路、数字量输入输出接口电路、电源转换电路以及与上位机进行通讯的 RS 一 485 标准接口构成，其作用是根据上位机传送的初始化参数和动作指令进行动作，控制左右两个伺服驱动器，驱动左右两个交流伺服电机运动，从而控制除锈爬壁机器人的行走和转向。图 1为除锈爬壁机器人控制系统总体框图。图 1 除锈爬墙机器人控制系统总体结构框图3 除锈爬壁机器人控制系统的硬件设计3.1 下位机控制系统的硬件设计下位机控制系统是爬壁机器人控制系统的核心部分，其主要功能是实现对左右伺服电机的运动控制以及与上位单片机控制系统之间进行通讯，以完成对机器人作业的控制。整个下位机控制硬件主要由两个伺服电机驱动器和下位单片机控制电路板构成。下位单片机控制电路板主要输出模拟量电压信号来控制左右两个伺服驱动器，进而控制左右两个伺服电机的运转，从而达到控制除锈爬壁机器人行走与转向的目的，同时它又担负着和上位机控制器之间的通讯任务，将上位机传送过来的控制指令处理后，再将相应的电压信号传递给伺服驱动器，从而实现遥控操作的功能。整个下位机电路板由 AT89C51单片机、8155FO 口扩展电路、D/A 转换与运算放大单元、数字量输入输出接口电路、电源转换电路以及与上位机进行通讯的 RS 一 485 标准接口电路构成。3.1.1 交流伺服电机驱动器根据前面对伺服电机的选型可知，本课题选用的是调速范围宽、响应快、抗干扰性强的安川 SGAMH 一 04AAA21 型交流伺服电机，与之相匹配的伺服驱动器型号为SGDM 一 04AD。该伺服驱动器有三种控制模式:速度控制模式、转矩控制模式和位置控制模式。本系统采用速度控制模式，可通过伺服驱动器的用户参数 Pn300 将速度指令电压设定为士 10V，其电机转速与指令电压成线性关系，速度指令电压与电机转速对应关系如表 1 所示 1。表 1 速度指令压电与电极转速对应关系正常工作时，伺服驱动器接受来自单片机控制系统的伺服准备信号，使伺服电机通电，处于运行状态，然后根据加在 VR 卫 F 端口上的由单片机控制系统 D/A 转换电路产生的模拟指令电压信号来控制电机的转速，并且通过模拟指令电压的正负来确定电机的正反转，从而确定爬壁机器人在船体表面上的行走速度和运动方向，同时单片机控制系统通过电平转换电路检测伺服驱动器的伺服状态输出信号，并根据接收到的信号对伺服驱动器进行相应的控制。此外通过伺服电机的编码器反馈，可以获得伺服电机实际工作时转子的位置和电机的转速。如图 2 所示为爬壁机器人单侧交流伺服驱动系统控制接线示意图。图 2 交流伺服驱动系统控制接线示意图3.1.2 AT89C51 单片机及系统时钟与复位电路AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压、高性能 COMOSS 位单片机，片内含4KB 的可反复擦写的程序存储器和 128 个字节的随机存取数据存储器 (RAM)，器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造。兼容标准 MCS 一 51 指令系统，片内配置通用 8 位中央处理器(CPU)和 Flash 存储单元。芯片上的 FP三 ROM 允许在线编程或采用通用的非易失存储编程器对程序存储器重复编程。AT89C51 将具有多种功能的 8位 cPu 和 FPEROM 结合在一个芯片上，为很多嵌入式控制应用提供了非常灵活而又价格适宜方案，具有较高的性能价格比 2。AT89csl 单片机的主要性能如下:1. 与 MCS 一 51 产品指令系统完全兼容。2. 片内有 4KB 可在线重复编程的 Flash 闪速擦写存储3. 存储器可循环写入/擦除 1000。4. 存储数据保存时间为 10 年。5. 宽工作电压范围:VCC 可为 2.7V 一 6V。6. 时钟频率范围:OHz 一 24MHz。7. 程序存储器具有 3 级加密保护。8. 128x8B 内部 RAM。9. 32 个可编程 1/0 接口线。10. 2 个 16 位定时/计数器。11. 中断结构具有 5 个中断源和 2 个优先级。12. 可编程全双工串行 UART 通道。13. 空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容。图 3 时钟电路 图 4 复位电路AT89C51 的复位输入引脚 RST 为其提供了初始化手段，通过该引脚可以使程序从指定处开始执行，即从程序存储器中的 O000H 地址单元开始执行程序。当 AT89C51 的时钟电路工作后，只要在 RST 引脚上出现 1Oms 以上的高电平时，单片机内部则开始复位。只要 RST 保持高电平，则 AT89C51 循环复位。只有当 RST 由高电平变低电平以后，AT89C51 才一从 0000H 地址开始执行程序。因此， AT89C51 单片机在控制系统中正常工 作必须要有合适的时钟电路和复位电路。图 3 和图 4 分别为 AT89C51 的时钟电路和复位电路。时钟电路由一个 12M 的晶振和两个 30pF 的小电容组成，它们决定了单片机的工作时间精度为 1 微秒。复位电路由 22 协 F 的电容、 IK 的电阻、按键以及 IN4148 二极管组成，可实现上电复位和按键复位。通常的复位采用 10 协 F 电容和 IOK 电阻组成复位电路，在本系统中我们根据实际经验选用 22 协 F 的电容和 IK 的电阻，其好处是在满足单片机可靠复位的前提下降低了复位引脚的对地阻抗，可以显著增强单片机复位电路的抗干扰能力。其中 IN4148 二极管的作用是起到快速泄放电容电量的功能，实现短时间内多次复位。3.1.3 38155 扩展 1/0 接口电路在爬壁机器人下位机控制系统中，两个伺服驱动器正常工作所需单片机的输入输出信号较多，需占用 AT89C51 单片机大量的输入输出口线，而 Al，89C51 单片机本身提供的输入输出口线并不多，只有 Pl 准双向口的 8 位 FO 口线和 P3 口的某些位线可作为输入输出线使用，输入输出线不足 16 条，因此，为满足系统需求，AT89C51 单片机需要外扩输入输出(FO)接口芯片。AT89C51 单片机的外部 I/O 口是和外部数据存储器 RAM统一编址的，用户可以把外部 64K 字节的数据存储器 RAM 空间的一部分作为扩展 FO接口的地址空间，每一个接口芯片中的一个功能寄存器口地址就相当于一个 RAM 存储单元，CPU 可以像访问外部数据存储器 RAM 那样访问外部接口芯片，对其功能寄存器进行读、写操作。在本系统中，我们采用 Iniel 的 815SH 芯片扩展 FO 口，该芯片内包含有 256 个字节的静态 RAM 存储器、两个可编程的 8 位并行口 PA 和 PB、一个可编程的 6 位并行口PC 以及一个 14 位减法定时器 /计数器。可以为单片机提供 22 个输入输出口线和一个256字节的 RAM。由于 8155H 内部集成了地址锁存器和地址译码器，其可以直接和AT89C51单片机接口，不需要增加任何硬件逻辑。因而其灵活方便，可作为单片机与多种外围设备相连时的接口芯片。8155H 共有 40 个引脚，采用双列直插式封装。在本控制系统中，通过 AT89C51 单片机的 1/0 口扩展 81 弘 H 芯片，其接口电路原理图如图 5.5 所示。图中 8155H 的片选信号瓦由 AT89C51 的 P2.7 口提供，即只有当P2.7 为低电平时才选中 8155H 芯片工作。8155H 的 RAM 存储器和 1/0 口选择信号 10/丽由 PZ.O 提供，当 10/丽=0 时，ADO 一 AD7 的地址为 8155HRAM 单元的地址，选择8155H的 RAM 工作; 当 10/丽=1 时，ADO 一 AD7 的地址为 8155HJ/O 口的地址，选择 8155H的FO 口工作。在本系统中使用 8155H 芯片的目的是扩展 1/0 口，因此系统工作时应使AT89C51 单片机的 P2.0 口为高电平，选择 8155H 芯片的 FO 口工作。8155H 的读选通信号而和写选通信号丽都为低电平有效，其分别由 AT89C51 单片机的而和丽口提供。当瓦=0 ， 10/丽=1 ，而端为低电平时，8155H 将 FO 口内容传送到 ADO 一 AD7 供单片机读入;当瓦=0，IO/ 丽=1 ，丽端为低电平时，8155H 将单片机输出到 ADOAD7的数据写入到 8155H 的 UO 口。8155H 地址锁存允许端 ALE 与 AT89C51 单片机的 ALE端相连，其为高电平有效，当 ALE=1 时，8155H 允许 ADO 一 AD7 上地址锁存到“地址锁存器”;否则，地址锁存器处于封锁状态。8155H 的复位端与 AT89C51 单片机的复位端相连，都接到 AT89C51 的复位电路上，两者共用一个复位电路。图 5 AT89C 引单片机与 8155H 的接口电路原理在爬壁机器人的下位单片机控制系统中，伺服驱动器的伺服准备输入信号和伺服状态输出信号主要是 AT89C51 单片机通过 8155H 芯片的 PA、PB 和 PC 口输出和读入的。而 AT89C51 单片机对 8155H 芯片的 PA、PB 和 PC 口的操作是通过地址来实现的。8155H的 1/0 口编址见表 5.2 所示 3。表 2 8155H 的 IO 口编址根据图 5 中 AT89C51 单片机与 8155H 芯片的连接方式以 .及表 2 中所列 8155H 的FO 口编址，可知在该系统中， 8155H 芯片的 A 口、B 口、C 口地址分别为7F0lH、7F02H、7FO3H。命令寄存器和状态寄存器共用一个端口地址，在本系统中地址可为 7FOOH，但命令寄存器只能写入不能读出，状态寄存器只能读出不能写入。A 口、B 口和 C 口的工作方式是通过 8155H 的 8 位命令寄存器的低 4 位来定义的，具体命令控制字的格式如图 6 所示 1621。当系统确定了 8155H 的 A、B、c 口工作方式后，可通过单片机编程将相应的命令控制字写入到 8155H 的命令寄存器，从而使各 1/0 在预定的方式下工作。在本控制系统中，A 口定义为基本输入方式，B 口定义为基本输出方式，C定义为输出方式，允许 A 口中断，定时计数器无操作，则相应的命令控制字为 16H。图 6 8155 命令控制字格式3.1.4 D/A 转换与运算放大电路由于在本控制系统中，爬壁除锈机器人的伺服电机驱动系统采用的是模拟电压控制，伺服电机的转速与电压成正比关系。而单片机只能输出数字量，因此要获得模拟量电压必须对单片机输出的数字量进行 D/A 转换，进而通过模拟量电压来控制伺服电机的转速和转向。本控制系统中要对两个伺服电机实现转速和转向的同步控制，因此需要两路同步工作的 D/A 转换与运算放大电路。由于两个伺服电机完全相同，所以进行 D/A 转换和运算放大的两路电路也相同。下面就单路 D/A 转换与运算放人电路作详细介绍。在本控制电路中，单路 D/A 转换与运算放大电路是由一个 DAC0832、两个 0P07 运算放大器以及一些反馈电阻和滤波电容构成，其电路原理图如图 7 所示。该电路可输出双极性模拟量电压，既可以实现对伺服电机的转速控制，也可以实现对伺服电机的转向控制。图 7 DA 转换与运算放大电路DACO832 是美国国家半导体公司研制的一种 8 位 DAC 芯片，其采用 20 引脚双列直插式封装，由 8 位输入寄存器、 8 位 DAC 寄存器和 8 位 D/A 转换电路所构成。其主要特性有 4:8 位分辨率;电流输出，稳定时间为 1 娜;可单缓冲、双缓冲或直接数字输入;只需在满量程下调整其线性度;单一电源供电(+SV 一+15V);DAC0832 是总线兼容型芯片，使用时可直接将芯片的数据输入线和 AT89C51 单片机的数据总线相连，作为一个扩展的 FO 口。由于 DAC0832 的输出是电流信号，而控制伺服电机所需要的是电压信号，因此我们通过运算放大器 OP(7 将 DACO832 输出的电流信号转换成模拟量电压信号。采用两级运放电路的目的是为了获得双极性输出电压。图 7 中，Rl、R2 和 R3 为反馈电阻，变阻器 R4 为运算放大器的调零电阻，Cl 和CZ 分别为一级和二级输出电压的滤波电容。下面对 DAC0832 的双极性电压输出电路作进一步介绍。图 8 DACO832 的双极性电压输出电路如图 5.8 所示为下位机控制电路板中 DAC0832 的双极性电压输出电路图。图中，式中：根据基尔霍夫电流定律，任一瞬时，G 点上电流的代数和恒等于零，则有 :由上式可得：由式(5.6)可知，当 00H 少 80H 时，VouT 模拟输出电压的极性与 vREF 相反电压; 当80HB 三 FFH 时，VouT 模拟输出电压的极性与 VRE:相同，为正电压; 当 B 二 80H 时，VouT 二 O。VouT 模拟输出电压的大小与输入数字量 B 成正比。综上，VouT 模拟量输出电压为双极性输出电压。若将 VouT 与伺服电机驱动器 CNI 口的 V 一 REF 端相连，通过单片机向 DAC0832 送入数字量，经过 D/A 转换和运算放大后产生相应的模拟量电压，从而使伺服电机在相应的转速和转向下运行。图 9 两片 DAC0832 与 AT89C51 单片机的双缓冲方式接口电路除锈爬壁机器人左右两个伺服电机的运动控制都是通过上述 D/A 转换和运算放大电路来实现的，且它们的同步运动是由两路经 D/A 转换和运算放大产生的模拟量电压的同步输出来实现的。当 DAC0832 工作于双缓冲器方式时可保证这两路模拟量电压同步输出，此时 DACO832 输入寄存器的锁存信号和 DAC 寄存器的锁存信号需分开控制。如图 9 所示为两片 DAC0832 与 AT89C51 单片机的双缓冲方式接口电路图，该电路可得到两路同步输出的模拟量电压。由图 9 可知，l#DAC0832 的瓦与 AT89C51 单片机的 PZ.l 相连，2#DAC0832 的砚和 AT89C51 单片机的 P2.2 相连，l#和 2#DACO832 的万百瓦都与 AT89C51 单片机的P2.3 相连，故 1#DACO832 的输入寄存器的地址为 FDFFH，2#DAC0832 的输入寄存器的地址为 FBFFH，1#和 2#DAC0832 的 DAC 寄存器的地址皆为 F7FFH。正常工作时，AT89C51 单片机可以分别通过选口地址 FDFFH 和 FBFFH 把数字量送入 l#和 2#DAC0832 相应的 8 位输入寄存器中，然后再通过选口地址 F7FFH 把输入寄存器中的数据同时送入相应的 8 位 DAC 寄存器中，以实现同步 D/A 转换，经过各自的运算放大电路，便可以得到两路同步输出的模拟量电压。3.1.5 数字量输入输出接口电路伺服驱动器除了需要模拟量电压输入来控制伺服电机运行外，其正常工作还需要有相应的数字量输入作为伺服控制信号，而且伺服驱动器的运行状态信号也是通过数字量输出的，因此，采用 AT89C51 单片机对伺服驱动器进行控制时，还需要设计相应的数字量输入输出接口电路。由于 AT89C51 单片机本身提供的 1/0 口有限，在本系统中采用了 8155H 芯片扩展了三个 FO 口，其中 B 口和 C 口用来作为数字量输出口，为伺服驱动器提供数字量输入信号，A 口和 AT89C51 单片机 Pl 口的部分口线作为数字量输入口，用来采集伺服驱动器的运行状态信号。伺服驱动器的输出(附录 A 的 25 一 32 线)是十、一差分信号输出，而 8155H 是单端数字量输入，因此要通过 8155H 采集该类信号，就需要在它们之间外加转换电路。图10 所示为单路伺服驱动器数字量输出接口转换电路，转换后得到的电平信号 IN 可直接输入到 8155H 的 PA 口。图 10 伺服驱动器输出转换电路伺服驱动器的数字量输入由 24V 电压驱动，而 8155H 芯片输出的高电平为 SV，它们之间不能直接相连，需在它们之间加入光电藕合器 TLP521 进行信号隔离和电平转换，这样既可以实现 8155H 输出数字量与伺服驱动器的匹配，又防止了伺服驱动器对控制电路板的干扰。如图 11 所示为单路伺服驱动器的数字量输入转换电路图，输入到伺服驱动器的数字量信号由 AT89C51 单片机通过 8155H 的 PB 口和 PC 口输出。图 11 伺服驱动器的数字量输入转换电路整个控制电路板的数字量输入输出接口电路如图 12 所示。图 12 数字量输入输出接口电路3.1.6 一 485 通讯接口电路由于除锈爬壁机器人在工作过程中要求其下位机控制系统与上位机控制系统之间的通讯距离需大于 30 米，而采用单片机本身的 TTL 电平直接传输数据时，其传输距离一般不超过 1.5m，且抗干扰性差。为增大数据传输的通讯距离和提高数据传输的抗干扰能力，在本系统中我们采用 RS 一 485 标准串行通信方式进行数据传输。RS 一 485 是美国电气工业联合会 (EIA)制定的利用平衡双绞线作为传输线的多点通讯标准。它采用一对平衡差分信号线进行传输，最大传输距离可达 1.2km;Rs 一 485 标准允许最多并联 32 个驱动器和犯个收发器。接收器最小灵敏度可达士 20OmV;最大传输速率可达 IOMbit/s。RS 一 485 协议是针对远距离、高灵敏度、多点通讯制定的标准。由于 RS 一 485 采用的是差分信号，与单片机的 TTL 电平不兼容，因此两者接口时需进行电平转换，在本系统中，我们采用 MAX485 作为电平转换芯片，该芯片既可作为RS 一 485 的驱动器又可作为接收器。 MAX485 接口芯片是 Maxim 公司的一种 RS 一485 芯片，采用单一电源+SV 工作，额定电流为 300 林 A，采用半双工通讯方式，它完成将 TTL 电平转换为 RS 一 485 电平的功能，其引脚结构图如图 13 所示。图 13 MAx485 芯片引脚结构图从图 13 中可以看出，MAX485 芯片的结构和引脚都非常简单，内部含有一个驱动器和接收器。RO 和 Dl 端分别为接收器的输出端和驱动器的输入端，丽和 DE 端分别为接收和发送的使能端，当丽为逻辑 0 时，芯片处于接收状态;当 DE 为逻辑 1 时，芯片处于发送状态。由于 MAX485 工作于半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控制丽和 DE 这两个引脚即可。A 端和 B 端为接收和发送共用的差分信号端。若 DE=1，当发送的数据为逻辑 1 时，A 引脚输出高电平，B 引脚输出低电平; 当发送的数据为逻辑 0 时，A 引肚 p 输出低电平，B 引脚输出高电平 ;若丽二 O，当 A 一 B 全 0.2V 时，接收端 R 输出高电平;当 A 一 B 三一 0.2V 时，接收端 R 输出低电平。MAX485 芯片与单片机连接时接线非常简单，其 RO 端和 Dl 端分别与单片机的RXD和 TXD 相连，丽端和 DE 端与单片机的一个 FO 口线相连即能实现 MAX485 芯片的接收与发送。如图 14 所示为本控制系统中 MAX485 的通讯接口电路图。为了消除反射和吸收噪音，在 MAX485 的 A 端和 B 端之间连接了一个阻值为 1200 的电阻。图 14 MAx485 的通讯接口电路3.1.7 系统电源解决方案在本控制系统的设计中用到了多种电压信号。除锈爬壁机器人的交流伺服电机、伺服驱动器以及开关电源的供电都为交流 220V，开关电源可为下位机控制系统提供+24V、月 SV 和+SV 等几种直流电源。另外 DACO832 在进行 D/A 转换时还需要+lOV 的参考基准电压，其对电源的精度要求较高，需要选取适宜的电源模块，设计相应的 DC/DC 转换电路。在+1OV 的 DC/DC 转换电路中，选取 Maxim 的 MX581 作为转换芯片，该芯片可为 8 到 14 位 DA 转换器提供高精度的+lOV 参考基准电源。MX581 具有三个引脚，分别为电源输入端+VS、电压输出端 VouT 和接地端 GND。通常情况下，在其电源输入端+VS 输入 +12.5v 一+3ov 范围内的任意电压且接地端 GND 接地时，在其电压输出端VouT就能得到一个精度较高的+lOV 电压，但这需要元器件具有较高的质量等级。而实际上，元器件本身不可避免地会存在着一些偏差。为了确保其输出的+1OV 电压具有更高的精度，需要在 MX581 的外围设计相关电路，其具体转换电路如图 15 所示。图中的+lSV和一 15V 电压可与开关电源的+1SV 和一 15V 相连。电阻 R 的大小影响输出电压 VouT的精度，当 R=220 时，vouT 的精度为士 30mV;当卜 120 时，vouT 的精度为士 10mV;当R=3.9 几时， VouT 的精度为士 5mV。图 15 +10V 参考电压 DC/DC 转换电路3.2 上位机控制系统的硬件设计图 16 上下位机控制系统通讯接口电路连接原理图爬壁机器人上位机控制系统的主要功能是实现对下位机控制系统的远程控制，从而达到控制爬壁机器人在船体表面上行走的速度和方向。上位机控制系统采用 AT89C51单片机为控制核心，由时钟电路、复位电路、行列式非编码键盘电路以及 RS 一 485 通讯电路构成，其主要完成对键盘的扫描，并将所按下键对应的控制命令通过 RS 一 485通讯电路发送给下位机控制系统，使下位机产生相应的动作控制左右伺服电机运动。在本控制系统中，上位机控制系统与下位机控制系统采用的单片机相同，都为AT89C51，其采用的时钟电路和复位电路与下位机控制系统中的相同。上位机控制系统中的 RS 一 485 通讯电路与下位机控制系统中的也相同，都是采用 MAX485 芯片，两控制系统之间进行通信时，只需将各自 MAX485 芯片的 A 引脚和 B 引脚对应相连即可，具体连接电路如图 16 所示。图中将两控制系统通讯电路的地相连，主要是确保电平一致，避免传输的信号失真。键盘是由若干个按键组成的开关矩阵，它是最简单的单片机输入设备，通过键盘输入数据和命令，可实现简单的人机对话。本