除锈爬壁机器人控制系统的设计

！除锈爬壁机器人控制系统的设计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:控制系统方便、可靠性高、操作灵活，便于操作人员使用;机器人在船体表面上的全方位移动;30米。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。！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。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。AT89C51AT89C51RS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AT89C51单片机系统为核心，主要由AT89C5181551/0DRS485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！除锈爬壁机器人控制系统的硬件设计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AT89C51单8155FOD/A转换与运算放大单元、数字量输入输出接口电路、电源RS485标准接口电路构成。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SGAMH04AAA21SGDM04AD:Pn300将速度指令电压设定为10V1所示。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V~RFD/A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！2示意图。图2交流伺服驱动系统控制接线示意图AT89C51单片机及系统时钟与复位电路AT89C51是美国ATMELCOMOSS4KB128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MCS518位中央处理器(CPU)FlashFP]ROM允许在线编程或采AT89C518cPuFPEROM案，具有较高的性能价格比。AT89csl:MCS51产品指令系统完全兼容。4KBFlash闪速擦写存储存储器可循环写入/1000。10年。宽工作电压范围:VCC2.7V6V。时钟频率范围:OHz24MHz。3级加密保护。128x8BRAM。321/0接口线。216位定时/计数器。52个优先级。UART通道。！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AT89C51RST为其提供了初始化手段，通过该引脚可以使程序从指O000HAT89C51RST1Oms以上的高电平时，单片机内部则开始复位。RST保持高电平，则AT89C51RST由高电平变低电平以后，AT89C510000H34AT89C51电路。12M30pF122F的电容、IKIN4148二极管组成10FIOK22FIK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。3.1.338155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Pl8FOP3口的某些位线可作为输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。AT89C51I/ORAM64KRAMFO！RAM存储单元，CPURAM进行读、写操作。Iniel815SHFO256个字节RAM8PAPB6位并行口PC14/计数器。可以为单片机提供22256字RAM8155H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。8155H40个引脚，采用双列直插式封装。AT89C511/081H5.58155HAT89C51P2.7口提供，即只有当P2.78155H芯片工作。8155HRAM1/010/丽PZ.O10/丽=0ADOAD78155HRAMRAM工作;10/丽=1AD78155HJ/O口的地址，选择8155H的FO8155H1/0口，因此系统工作时应使AT89C51P2.08155HFO口工作。8155H的读选通信AT89C51单片机的而和丽口提供。当瓦=0，10/丽=1，而端为低电平时，8155HFOADOAD7供单片机读入;当瓦=0，IO/丽=1，丽端为低电平时，8155HADO~AD78155HUO口。8155HALEAT89C51ALE端相连，其为高电平有效，当ALE=1ADOAD7上地址锁存到“地址锁存器”;否则，地址锁存器处于封锁状态。8155HAT89C51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5AT89C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AT89C518155H、PBPC口输出和读入的。AT89C518155HPBPC1/05.2所示。表28155H的I\O口编址5AT89C518155H芯片的连接方式以.28155HFO口编址，可知在该系统中，8155HA口、B口、C7F0lH、7F02H7FO3H7FOOH，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、BC口的工8155H84位来定义的，具体命令控制字的格式如图616218155HAc口工作方式后，可通过单片机编程将相应8155H1/0在预定的方式下工作。在本控定义为输出方式，允A16H。！图6 8155命令控制字格式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。D/ADAC08320P07运7控制。图7D\A转换与运算放大电路！DACO8328DAC20引脚双列直88DAC8D/A性有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);DAC0832AT89C51单片FODAC0832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(7DACO832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7中，RlR2R3为反馈电阻，变阻器R4为运算放大器的调零电阻，ClDAC0832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)00H少<80HvREF相反电压;当80H<BFFHVRE:相同，为正电压;B80H时，OB模拟量输出CNIVREFDAC0832D/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D/A转换和运算放大D/A转换和运算放大产生的模拟量电压的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DACO832DAC9DAC0832AT89C51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AT89C51P2.2相连，l#2#DACO832AT89C51单片机的P2.31#DACO832FDFFH，2#DAC0832的输入寄存器FBFFH，1#2#DAC0832DACF7FFH。正常工作时，AT89C51FDFFHFBFFHl#2#DAC08328F7FFH把输入寄存器中的数8DACD/A路，便可以得到两路同步输出的模拟量电压。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。AT89C511/08155H芯片扩展FOBC信号，AAT89C51Pl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(A2532线)8155H8155H采集该类信号，就需要在它们之间外加转换电路。图10IN可直接8155HPA口。图10 伺服驱动器输出转换电路24V8155HSV，它TLP521！8155H11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AT89C518155HPBPC口输出。图11 伺服驱动器的数字量输入转换电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30TTL1.5mRS485标准串行通信方式进行数据传输。RS485是美国电气工业联合会(EIA)1.2km;Rs485！32最大传输速IOMbit/s。RS485协议是针对远距离、高灵敏度、多点通讯制定的标准。RS485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MAX485RS485MAX485MaximRS芯片，采用单一电源+SV300A，采用半双工通讯方式，它完成将TTLRS48513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0时，芯片处于接收状态;DE1时，芯MAX485工作于半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控DE这两个引脚即可。ABDE=1，1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0时，Ap输出低电平，B引脚输出高电平;OAB0.2VR输出高电平;AB0.2VR输出低电平。MAX485RODlTXD相连，丽端和DEFOMAX48514MAX485MAX485AB1200的电阻。！图14 MAx485的通讯接口电路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220V，开关电源可为下位机控制系统提供+24VSV和+SV等几种直流电源。另外DACO832D/A转换时还需要+lOV的参考基DC/DC转换电路。在+1OVDC/DCMaximMX581作为转换芯片，该芯片可814DA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+VSGND+VS输入+12.5v一+3ovGND就能得到一个精度较高的+lOV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MX58115所示。图中的+lSV15V电压可与开关电源的+1SV15VRR=220时，vouT120时，vouTR=3.95mV。图15 +10V参考电压DC/DC转换电路！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AT89C51RS485RS485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RS485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MAX485AB16避免传输的信号失真