一種管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

xx大學(xué)xx屆畢業(yè)論文設(shè)計(jì)摘要在現(xiàn)代社會(huì)中，人們總要遇到各種各樣的管道設(shè)施，而許多管道系統(tǒng)不是架設(shè)在空中就是深埋于地下，這樣一來(lái)，通過(guò)人力對(duì)管道的內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)就很不方便。本文研制的移動(dòng)式管道機(jī)器人本身攜帶CCD攝像頭，可以對(duì)一定口徑的管道內(nèi)壁進(jìn)行檢測(cè)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。本文首先對(duì)國(guó)內(nèi)外管道機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展做了綜述，給出了移動(dòng)式管道機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)介紹了機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、云臺(tái)系統(tǒng)等環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)。所討論的機(jī)器人采用上下位機(jī)的控制模式，使用了目前在國(guó)內(nèi)較為先進(jìn)的光纖信來(lái)傳送控制信號(hào)和來(lái)自CCD攝像機(jī)的圖像信號(hào)。下位機(jī)以LPC2114為核心處理器，進(jìn)行了移動(dòng)式管道機(jī)器人行走電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)、云臺(tái)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)、RS232串口通信電路以及控制系統(tǒng)外圍電路的討論。關(guān)鍵詞：本體結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)，管道機(jī)器人。AbstractIn modern society, people always encounter a variety of pipeline facilities, and many are not set up in the air piping system is buried underground, so that, through human testing within the pipeline is very inconvenient. This pipe mobile robot developed to carry CCD camera itself, you can certainly detect pipe wall diameter, has a high practical value. Firstly, the domestic and international pipeline robot technology summarized in this paper, given the structure of portable pipeline design of the robot body, detailing, the robot drive mechanism, heads and other aspects of the system structure. Robot discussed by upper and lower computer control mode, using more advanced in the domestic fiber channel to transmit control signals and image signals from the CCD camera. The next crew to LPC2114 core processor for the mobile pipeline robot drive motor for control design, the design head of the motor drive control, RS232 serial communication circuit and control system peripheral circuit discussion.Key word：Body structure,Control system, In-pipe robot.目 錄一、緒論 1二、管道機(jī)器人技術(shù)綜述 3（一）車輪式管道機(jī)器人 3（二）履帶式管道機(jī)器人 5（三）其他類型的管道機(jī)人 5三、移動(dòng)式管道機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7（一）移動(dòng)式管道機(jī)器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)和特點(diǎn) 7（二）移動(dòng)式管道機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)組成 7（三）機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 81、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 82、機(jī)器人本體密封及防腐 9（四）機(jī)器人云臺(tái)系統(tǒng) 9四、移動(dòng)式管道機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 11（一）管道機(jī)器人的常規(guī)控制形式11（二）控制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)12（三）電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)131、LPC2114簡(jiǎn)介132、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)133、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)15（四）外圍電路設(shè)計(jì)161、電源電路 162、復(fù)位電路173、統(tǒng)時(shí)鐘電路174、S232電平轉(zhuǎn)換電路17（五）供電及通信系統(tǒng)18五、移動(dòng)式管道機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)19（一）直流電機(jī)控制的軟件設(shè)計(jì)191.轉(zhuǎn)速計(jì)算及顯示192.電子換向的軟件實(shí)現(xiàn)21（二）四串口通信程序設(shè)計(jì)22（三）上位機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)25結(jié)語(yǔ) 26參考文獻(xiàn)27致謝 2829一、 緒論 在現(xiàn)代，無(wú)論是水力、火力發(fā)電站，還是煤氣、自來(lái)水、工業(yè)用水和供熱系統(tǒng)等公共設(shè)施，以及石油、化工等工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，都有縱橫交錯(cuò)的管道。這些管道系統(tǒng)在輸送各種液體和氣體物質(zhì)時(shí)，由于受振動(dòng)、熱循環(huán)、腐蝕、超負(fù)荷等作用，加上管道本身可能隱藏的內(nèi)在缺陷(如裂紋、砂眼、接頭處連接不良等)。壽命總是有限的。因此，許多管道系統(tǒng)難免在運(yùn)行之中突然發(fā)生損壞而造成液體、氣體物質(zhì)的泄?jié)B事故，不得不停工停產(chǎn)進(jìn)行檢修。這種事故有時(shí)造成的經(jīng)濟(jì)損失是巨大的。能不能在事故發(fā)生前就檢查出潛在的有問(wèn)題的管道而提前預(yù)防，是現(xiàn)代民用與工業(yè)企業(yè)中迫切需要解決的課題。由于管道系統(tǒng)或者埋在地下，或者架設(shè)在高空，或者管道內(nèi)徑很小，用人攜帶儀器檢查十分困難，有時(shí)甚至根本無(wú)法做到。此外，有些危險(xiǎn)和環(huán)境條件惡劣的工作場(chǎng)地。由人去檢查會(huì)對(duì)人的健康帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p害。因此，有必要開(kāi)發(fā)一種能夠深入管道的可移動(dòng)管道檢測(cè)儀器代替人去完成上述工作。在這種情況下，管道機(jī)器人作為一種先進(jìn)的管道檢測(cè)手段納入了國(guó)內(nèi)外機(jī)器入研究開(kāi)發(fā)人員的眼中。管道機(jī)器人屬于特種機(jī)器人的研究范疇，它在管道這個(gè)特定的極限環(huán)境中作業(yè)，通常攜帶各種探測(cè)儀器和作業(yè)裝置，在操作人員的遙控或者計(jì)算機(jī)的自動(dòng)控制下完成管道的檢測(cè)或者維修工作。從上個(gè)世紀(jì)五十年代起，為了滿足管道運(yùn)輸、自動(dòng)清理以及檢測(cè)的需要，美、英、法、日等國(guó)相繼展開(kāi)了管道機(jī)器人的研究。最初的研究成果就是一種無(wú)主動(dòng)力的管內(nèi)檢測(cè)設(shè)備-PIG，該設(shè)備是依靠其首尾兩端管內(nèi)流體形成的壓差為驅(qū)動(dòng)力，使之隨著管內(nèi)流體的流動(dòng)向前運(yùn)動(dòng)。隨著機(jī)械、電子以及自動(dòng)控制理論的快速發(fā)展，管道機(jī)器人的研究也在不斷進(jìn)步，人們從管道機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、工作方式、控制系統(tǒng)等方面入手研究出許多樣式的機(jī)器入?？偟恼f(shuō)來(lái)國(guó)外一些國(guó)家的管道機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，基本上進(jìn)入了使用化階段。 我國(guó)對(duì)管道機(jī)器人的研究開(kāi)始于上個(gè)世紀(jì)八十年代未期，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、廣州工業(yè)大學(xué)以及上海大學(xué)等高校和科研院所都做了這方面的工作，在理論上和實(shí)用上取得了很大進(jìn)步。雖然如此，我們的管道機(jī)器人技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)地落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，存在機(jī)器人負(fù)載能力差，工作時(shí)間短，檢測(cè)精度不夠高，檢測(cè)距離短，不利于商品化等缺陷。就排水管道而言，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有比較先進(jìn)的檢測(cè)方式，大多數(shù)采用開(kāi)挖的方法進(jìn)行檢測(cè)。在管道機(jī)器人的發(fā)展過(guò)程中，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)十分重要的問(wèn)題。傳統(tǒng)控制策略應(yīng)用于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制是最普遍的，如PID控制。只要被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型是比較精確的、變化不大的、近似于線性的，傳統(tǒng)的PID控制可以滿足這種情況下管道內(nèi)作業(yè)機(jī)器人的控制要求。目前，在計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用需求的激勵(lì)下，各種新型的、先進(jìn)的、智能的控制策略也應(yīng)運(yùn)而生，并迅速在實(shí)際系統(tǒng)中得到應(yīng)用、改進(jìn)和發(fā)展，如自適應(yīng)控制、魯棒控制、預(yù)測(cè)控制、模糊控制、專家控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。在這些控制策略中，有的已經(jīng)在機(jī)器人控制領(lǐng)域得到了實(shí)際應(yīng)用，而有的仍處于不斷豐富的研究過(guò)程中。針對(duì)于我國(guó)管道機(jī)器人的研究狀況和背景，在查閱了大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合大慶市科技局的一個(gè)科技攻關(guān)項(xiàng)目，本文提出了一個(gè)合理的移動(dòng)式管道機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)方案，在機(jī)器人的本體機(jī)構(gòu)、檢測(cè)方式、通信和控制系統(tǒng)等方面都采用了當(dāng)前國(guó)內(nèi)先進(jìn)的技術(shù)。主要討論了對(duì)移動(dòng)式管道機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究，從軟硬件角度介紹了移動(dòng)式管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)過(guò)程，完成了系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)和調(diào)試，軟件的編制和調(diào)試。在機(jī)器人的研制過(guò)程中采用了改進(jìn)的積分分離PID控制策略，通過(guò)樣機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)的合理性和有效性。同時(shí)，對(duì)自適應(yīng)模糊控制方法進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了無(wú)刷直流電機(jī)的自適應(yīng)模糊控制器，通過(guò)仿真結(jié)果驗(yàn)證算法的可行性。移動(dòng)式管道機(jī)器入作為一種新型的管道檢測(cè)設(shè)備，正在被越來(lái)越多的人關(guān)注和研究，它的應(yīng)用前景將十分廣闊。二、管道機(jī)器人技術(shù)綜述 機(jī)器人技術(shù)屬于自動(dòng)化領(lǐng)域高科技范疇之一，研制機(jī)器人的主要目的之一就是要代替人在危險(xiǎn)的或者人無(wú)法到達(dá)的環(huán)境下作業(yè)。現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)起源于遙控主從型機(jī)械手，它是在第二次世界大戰(zhàn)期間為了對(duì)付放射性材料而發(fā)展起來(lái)的，為此，四十年代后期美國(guó)橡樹(shù)嶺和阿爾貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始研制遙控式機(jī)械手，用于搬運(yùn)放射性材料。上個(gè)世紀(jì)五十年代，隨著電子計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，使得機(jī)器人的發(fā)展步伐加快，這也使人們研究能自主、重復(fù)操作的更加復(fù)雜的機(jī)器人系統(tǒng)成為可能。隨后，美國(guó)的Unimation公司于1962年制造了實(shí)用的機(jī)器人，并取名為Unimate。緊接著，歐洲的第一臺(tái)程序控制一號(hào)操作工業(yè)機(jī)器人于1963年由瑞典一家公司推出，這標(biāo)志著機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。進(jìn)入八十年代，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)從大批量生產(chǎn)自動(dòng)化時(shí)代進(jìn)入多品種自動(dòng)化時(shí)代，于是，工業(yè)機(jī)器人在這個(gè)時(shí)代中起著越來(lái)越重要的作用。在上述非結(jié)構(gòu)環(huán)境中作業(yè)的機(jī)器人統(tǒng)稱為特種機(jī)器人?，F(xiàn)代傳統(tǒng)的機(jī)器人與特種機(jī)器人屬于兩個(gè)不同的應(yīng)用范疇，由于在上述環(huán)境中作業(yè)的特種機(jī)器入的研究開(kāi)發(fā)的必要性顯得越來(lái)越重要，許多國(guó)家把特種機(jī)器人的研究列入國(guó)家和各國(guó)的合作計(jì)劃，并給予強(qiáng)有力的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)支持，因此特種機(jī)器人的研究和開(kāi)發(fā)具有重要的戰(zhàn)略意義。 現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)及日常生活中使用著大量管道，石油、天然氣、化工等領(lǐng)域也應(yīng)用了大量管道，這些管道大多埋在地下或海底，輸送距離近千里，它們的泄漏會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染甚至于引起火災(zāi)，多數(shù)管道安裝環(huán)境人們不能直接到達(dá)或人們無(wú)法直接介入，因此，質(zhì)量檢測(cè)、故障診斷的課題十分迫切地?cái)[在我們面前。管道檢測(cè)技術(shù)始于上個(gè)世紀(jì)50年代1 ，由于當(dāng)時(shí)天然氣等大口徑管道的發(fā)展激勵(lì)人們?nèi)パ芯恳环N管內(nèi)檢測(cè)設(shè)備，這就是我們通常歷說(shuō)的一種無(wú)動(dòng)力的管內(nèi)清理檢測(cè)設(shè)備-PiG2，該設(shè)備簡(jiǎn)單、實(shí)用，在一定程度上解決了天然氣管道的檢測(cè)問(wèn)題。到了70年代末，隨著檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，PIG技術(shù)已經(jīng)成熟?，F(xiàn)在英、日、美、德、法等國(guó)大公司的PIG產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)用化、商品化。PIG的特點(diǎn)是實(shí)用性好、行走距離遠(yuǎn)，可達(dá)300公里左右，而且不拖線作業(yè)，但是PIG類檢測(cè)設(shè)備無(wú)自動(dòng)行走能力，移動(dòng)速度及檢測(cè)區(qū)均不易控制，嚴(yán)格說(shuō)來(lái)它不能算做是機(jī)器人。管道機(jī)器人的迅速發(fā)展時(shí)期還是始于上個(gè)世紀(jì)80年代，它屬于特種機(jī)器人的研究范疇3-5，能夠在管道這個(gè)特定的極限環(huán)境中作業(yè)，通常攜帶各種探測(cè)儀器和作業(yè)裝置，在操作人員的遙控或者計(jì)算機(jī)的自動(dòng)控制下完成管道的檢測(cè)和維修工作，檢測(cè)作業(yè)項(xiàng)目包括防腐狀況、對(duì)接管道焊縫質(zhì)量、管道內(nèi)腐蝕程度、防腐層厚度、管壁缺陷等；維修項(xiàng)目包括清掃、補(bǔ)口、焊接等。實(shí)踐已經(jīng)證明隨著管道機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛。目前日本、美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、法國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家在管道機(jī)器人技術(shù)方面做了大量工作6-8，尤其是日本，在管道機(jī)器人的研究及開(kāi)發(fā)中取得了領(lǐng)先的地位。（一）車輪式管道機(jī)器人 由于輪式行走具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、行走連續(xù)平穩(wěn)、速度快、可靠性高、行走效率高等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用比較廣泛。輪式移動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)輪要靠車體自重、彈簧力，液壓或氣動(dòng)力，磁性力壓緊在管道內(nèi)壁上以支撐機(jī)器人本體并產(chǎn)生一定的正壓力，這樣移動(dòng)機(jī)器人就具備了行走的基本條件，我們將使機(jī)器人行走輪壓緊在管壁上的力叫做封閉力，驅(qū)動(dòng)其中一個(gè)或幾個(gè)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)，由驅(qū)動(dòng)輪與管壁之間的附著力產(chǎn)生機(jī)器人向前行走的驅(qū)動(dòng)力，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器入的移動(dòng)，這是輪式管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器入行走的基本原理。輪式機(jī)器人的行走方式有兩種，如果驅(qū)動(dòng)輪軸線不與管道軸線垂直，驅(qū)動(dòng)輪實(shí)際上沿著管道中某一螺旋線行走，機(jī)器人一邊向前移動(dòng)，一邊繞管道軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，螺旋運(yùn)動(dòng)沿軸線上的速度分量即是機(jī)器人本體的移動(dòng)速度，這就是輪式螺旋運(yùn)動(dòng)式管內(nèi)移動(dòng)式機(jī)器人的行走過(guò)程。其特點(diǎn)是用降低速度來(lái)提高驅(qū)動(dòng)力。除此以外，輪式管道機(jī)器人還可以開(kāi)發(fā)出在彎道內(nèi)行走的功能。就管內(nèi)行走機(jī)構(gòu)而言，我們希望牽引力大、定心性好，行走速度快、可靠性高，還希望它具有彎管通過(guò)功能，輪式管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人大部分應(yīng)用于大口徑管道，這是因?yàn)椋阂环矫?，大口徑管道通常是輸送水、天然氣、煤氣或柔性物質(zhì)的主干線，它們的破壞會(huì)給國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成巨大的損失，而且這些管道成本高，鋪設(shè)困難，所以，應(yīng)盡量維護(hù)好它們；另一方面，從管道機(jī)器人研制的角度考慮，大口徑管道管內(nèi)移動(dòng)空間大，管道軸心線的曲率半徑大，有更大的空間來(lái)布置驅(qū)動(dòng)裝置和作業(yè)裝置，從而機(jī)器人自身的幾何尺寸可以相對(duì)放寬，機(jī)器人的設(shè)計(jì)及制造都比較容易。這種機(jī)器人能在直管或者大曲率半徑的管道內(nèi)行走，以滿足管道實(shí)際工程中的需要?，F(xiàn)僅舉幾個(gè)例子進(jìn)行說(shuō)明。 如圖21所示為日本東京理科大學(xué)福田敏男等研制的可以通過(guò)90度彎管的管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的樣機(jī)，機(jī)人由可相對(duì)回轉(zhuǎn)的頭部和本體組成，當(dāng)機(jī)器人沿直管行走時(shí)，本體上的電機(jī)MI通過(guò)減速裝置將動(dòng)力傳給本體上的驅(qū)動(dòng)輪，當(dāng)機(jī)器人沿彎管行走時(shí)，電機(jī)M2驅(qū)動(dòng)頭部做姿態(tài)調(diào)整，并驅(qū)動(dòng)頭部履帶引導(dǎo)機(jī)器人通過(guò)彎管。該機(jī)器人可作管內(nèi)裂紋探測(cè)，其具體技術(shù)指標(biāo)為：適應(yīng)管徑：m 50mm；行走速度：O048mmira轉(zhuǎn)彎性能：可通過(guò)90度直彎管；機(jī)器入重量：2409；機(jī)器人長(zhǎng)度：76mm。該機(jī)器人成功地通過(guò)了“L”型彎圖2-1 通過(guò)90度彎管的管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人 如圖22所示大阪燃?xì)庵晔綍?huì)社研制的內(nèi)置磁鐵輪式煤氣管道機(jī)器人2。該機(jī)器人可沿直管和彎管行走，采用光纜通訊，但由于攜帶的蓄電池電能的限制，還不能實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)的行走，其具體技術(shù)指標(biāo)為：適應(yīng)管徑：135660ram：行走速度：5m/min。 圖2-2 輪式煤氣管道機(jī)器人 從以上例子可以看出，人們?cè)谘兄贫喾N形式的輪式管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人方面作出了很大努力，并取得了一定的成績(jī)。但仍存在不少的缺點(diǎn)，如管內(nèi)行程不夠大，力的提高受封閉力的限制，研究還有待近一半的完善和成熟，研制可適用于小管徑、大管徑和不同管徑的深行程管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人有著廣闊的發(fā)展前景9.10（二）履帶式管道機(jī)器人 車輪式機(jī)器人的封閉力，即整壓力一摩擦力驅(qū)動(dòng)力之間的矛盾使其越障性能在一定程度上受到了影響，而且在管壁摩擦力小時(shí)會(huì)使其驅(qū)動(dòng)力降低，因此，為了提高機(jī)器人的牽引力，提高其在管內(nèi)的越障能力，為了實(shí)現(xiàn)在油污、泥濘等惡劣條件下的管道內(nèi)移動(dòng)，國(guó)外學(xué)者又在行走方式上研制了履帶式管道機(jī)器人。 日本日揮公司1986年研制的履帶式管道機(jī)器人，該機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由兩條夾角可以隨管徑變化的履帶構(gòu)成，用于水平管道內(nèi)行走，其具體技術(shù)指標(biāo)為：適應(yīng)管徑：400600mm：行走速度：5mmin；轉(zhuǎn)彎性能：可通過(guò)900水平圓彎管。 履帶式管道機(jī)器人附著性能好，在管內(nèi)存在油污、泥濘以及一定的障礙物的情況下，也能較為良好地行走，但是這種移動(dòng)形式的機(jī)器人結(jié)構(gòu)上要比車輪式機(jī)器人復(fù)雜，不易于控制和實(shí)現(xiàn)智能化。 （三）其他類型的管道機(jī)器人 有了車輪式和履帶式管道機(jī)器人之后，人們?cè)诠軆?nèi)行走方式上繼續(xù)探索新穎的機(jī)構(gòu)形式，通過(guò)對(duì)蚯蚓、毛蟲等穴居動(dòng)物的觀察，發(fā)現(xiàn)它們是靠身體的伸縮運(yùn)動(dòng)的，首先是用尾部支撐地面，身體伸長(zhǎng)帶動(dòng)頭部向前運(yùn)動(dòng)；然后再由頭部支撐地面，身體收縮，帶動(dòng)尾部向前運(yùn)動(dòng)，如此循環(huán)下去，實(shí)現(xiàn)了在洞穴內(nèi)行走。專家們利用與之相似的原理制造出了蠕動(dòng)式管道機(jī)器人。蠕動(dòng)式管道機(jī)器人的蠕動(dòng)需要支撐、縮回，這些運(yùn)動(dòng)都是直線的，不如轉(zhuǎn)動(dòng)容易實(shí)現(xiàn)，而且運(yùn)動(dòng)是間歇的，受驅(qū)動(dòng)部件起伏頻率的限制，蠕動(dòng)式管道機(jī)器人的移動(dòng)速度一般比輪式、履帶式機(jī)器入慢。蠕動(dòng)式的行走要有前后支撐部分的輔助運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)對(duì)于行走來(lái)說(shuō)都是“無(wú)效”的運(yùn)動(dòng)，因此蠕動(dòng)式管道機(jī)器人行走效率低，而且更換支撐部位時(shí)會(huì)產(chǎn)生機(jī)身不穩(wěn)定現(xiàn)象，機(jī)器人行走也不連續(xù)，因而難以滿足工程中“迅速完成作業(yè)”的需要。因此，實(shí)際中應(yīng)用較少。但彈性毛蠕動(dòng)式管道機(jī)器人有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：(1)密封性好；(2)機(jī)器人的橫截面積小。這兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)有利于管道機(jī)器人的在線檢測(cè)作業(yè)。 還有一種步行式管道機(jī)器人，它通過(guò)左右兩側(cè)腳鎖死和前后腿的機(jī)構(gòu)變化實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在管道內(nèi)壁的行進(jìn)。該種管道機(jī)器人機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，而且控制起來(lái)非常繁瑣，目前實(shí)用性不強(qiáng)。 在綜合分析了各種類型的管道機(jī)器人技術(shù)之后，我們可以看到：一方面，隨著核工業(yè)、化工工業(yè)的發(fā)展迫使人們研究管道機(jī)器人來(lái)對(duì)這些惡劣環(huán)境下的管道、罐狀容器進(jìn)行檢測(cè)維修，在一定程度上刺激了管道機(jī)器人的發(fā)展；另一方面，計(jì)算機(jī)、傳感技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、現(xiàn)代控制理論技術(shù)的發(fā)展，為管道機(jī)器人的研究應(yīng)用提供了技術(shù)保證，使應(yīng)用管道機(jī)器人進(jìn)行檢測(cè)、維修的手段成為現(xiàn)實(shí)，因此對(duì)管道機(jī)器人的研究和研制是必要和可行的。三、 移動(dòng)式管道機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 管道機(jī)器人要在管道這樣的極限環(huán)境內(nèi)完成檢測(cè)、維修等作業(yè)任務(wù)，其移動(dòng)載體的性能是關(guān)鍵。為滿足對(duì)管道的檢測(cè)、維修等作業(yè)任務(wù)的要求，所研究的移動(dòng)式管道機(jī)器人要具有良好的自定心性、較高的越障能力、良好的通過(guò)性、大的驅(qū)動(dòng)力輸出特性和較高的驅(qū)動(dòng)效率等特性，這樣才能保證移動(dòng)式管道機(jī)器人在管道這樣的極限環(huán)境下圓滿的完成預(yù)期的作業(yè)任務(wù)。本章討論的輪式全時(shí)驅(qū)動(dòng)拖纜機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)組成。（一）移動(dòng)式管道機(jī)器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)和特點(diǎn) 外形尺寸：220（寬）mm x 190(高)mm x 700(長(zhǎng))mm(不含云臺(tái))行走速度 ：O12 mmin無(wú)級(jí)可調(diào)適應(yīng)管道 ：250500mm行走距離 ：200m（二）移動(dòng)式管道機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)組成 移動(dòng)式管道機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)主要由機(jī)器人移動(dòng)本體、自由度云臺(tái)及云臺(tái)起升架等組成。機(jī)器人移動(dòng)本體用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在管道內(nèi)部穩(wěn)定行走，將檢測(cè)裝置送入待檢測(cè)的管道內(nèi)部。要求管道機(jī)器人有較強(qiáng)的越障能力，能在泥濘、雜物堆積、一定曲率與坡度的管道內(nèi)部順利通過(guò)，此外，還要求機(jī)器人本體應(yīng)具有很強(qiáng)的負(fù)載、牽引能力，保證機(jī)器人在管內(nèi)行走距離大于200m；二自由度云臺(tái)主要是為視像檢測(cè)提供一個(gè)平臺(tái)，云臺(tái)上可以安裝有一臺(tái)微型攝像機(jī)，通過(guò)云臺(tái)的俯仰和擺動(dòng)掃描，全方位地檢查管內(nèi)情況，實(shí)時(shí)記錄行走路線及其方位，以便為管內(nèi)故障的準(zhǔn)確定位提供可靠依據(jù)。機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。系統(tǒng)各部件約束定義系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)、學(xué)動(dòng)力學(xué)仿真分析痕跡規(guī)劃、生產(chǎn)過(guò)程系統(tǒng)優(yōu)化、選擇系統(tǒng)最佳方案管道機(jī)器人虛擬初步設(shè)計(jì)三維CAD模型管道機(jī)器人虛擬機(jī)構(gòu)優(yōu)化CAD模型輸出最終結(jié)果，形成管道機(jī)器人虛擬產(chǎn)品圖3-1 管道機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)（三）機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 在綜合考慮了管道機(jī)器人的管內(nèi)工作環(huán)境，緊密結(jié)合被檢測(cè)、維修管道的實(shí)際情況下，充分分析和借鑒已有管道機(jī)器人以及其它行業(yè)特種機(jī)器人的成熟技術(shù)，決定采用六輪全時(shí)驅(qū)動(dòng)(6WD)的機(jī)器人本體移動(dòng)方式，該移動(dòng)方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、行走連續(xù)平穩(wěn)、速度快、行走效率高、易于控制、容易小型化等諸多優(yōu)點(diǎn)。并且由于采用了全時(shí)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，任何一個(gè)輪子在任意時(shí)刻都為驅(qū)動(dòng)輪，避免了從動(dòng)輪阻力大的缺點(diǎn)14，提高了機(jī)器人的越障能力，可以將電機(jī)的功率最大效率地發(fā)揮出來(lái)。1.驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 本文所討論的移動(dòng)式管道機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要分成兩個(gè)方面，一是對(duì)機(jī)器人本體行走的驅(qū)動(dòng)，二是對(duì)云臺(tái)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)。對(duì)于移動(dòng)式機(jī)器人行走，常用的驅(qū)動(dòng)方式有液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)和機(jī)械式驅(qū)動(dòng)四種。這里我們選擇使用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，也就是將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為機(jī)器人本體的直線運(yùn)動(dòng)。常用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要有步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)?？紤]到機(jī)器人作業(yè)環(huán)境的特殊性、操作的方便性以及尺寸要求的嚴(yán)格性等方面，機(jī)器人的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要具有高轉(zhuǎn)矩重量比、寬調(diào)速范圍、高可靠性，同時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特性受電源功率的影響，要求驅(qū)動(dòng)具有盡可能寬的高效率區(qū)?；谶@些原則，我們采用一個(gè)大功率無(wú)刷直流電機(jī)圖3-2作為機(jī)器人行走電機(jī)。 P 0.0 P 0.1 P 1.0 P 1.7信號(hào)隔離信號(hào)隔離 兩路 電機(jī)L298NL298N7V直流電機(jī)7V直流電機(jī)7V-3V3V直流機(jī)圖3-2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理方框圖本文選用了瑞士MAXON公司的無(wú)刷直流電機(jī)EC40作為機(jī)器人的行走電機(jī)，并配以GP42的減速器，在電機(jī)以佳轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)候，可以實(shí)現(xiàn)大約10mmin的機(jī)器人行進(jìn)速度，完全滿足了我們?cè)O(shè)計(jì)的要求我們選用的MAXON電機(jī)的外形尺寸，下面是它的技術(shù)參數(shù)。（1）標(biāo)稱功率： 120 W（2）額定電壓：48 V（3）堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩：726 mNm（4）空載電流：98 mA（5）空載轉(zhuǎn)速： 5900 rpm（6）最大連續(xù)電流(5000rpm)16A（7）最大連續(xù)轉(zhuǎn)矩(5000rpm) 1084 mNm（8）最大效率：81（9）重量：390g2.機(jī)器人本體密封及防腐從移動(dòng)式管道機(jī)器人的工作環(huán)境及工作要求來(lái)看，該機(jī)器人應(yīng)滿足可以在水下工作的要求，也屬于水下機(jī)器人的范疇。機(jī)器人內(nèi)部裝有大量的電子元件及導(dǎo)線，保持內(nèi)部電子元件良好的工作環(huán)境是機(jī)器入正常工作的前提，為此要作好機(jī)器入本體的密封工作，以防止外部的水、灰塵等雜質(zhì)進(jìn)入到本體內(nèi)部影響機(jī)器人的正常工作。機(jī)器人箱體采用的是組合結(jié)構(gòu)，即通過(guò)分散加工各箱體蓋圖，然后通過(guò)螺栓緊固連接成為一個(gè)整箱體圖3.3，各箱蓋之間采用連接O形圈進(jìn)行密封，可以滿足密封要求。軸伸出端采用軸用齒形組合密封，對(duì)旋轉(zhuǎn)軸的密封效果良好。齒形組合密封是一種組合旋轉(zhuǎn)密封，采用O形圈和聚四氟乙烯環(huán)組合，依靠O形圈的彈性變形力，將聚四氟乙烯環(huán)壓緊在旋轉(zhuǎn)軸的圓周，起到很好的密封作用。同時(shí)因?yàn)榫鬯姆蚁┎牧媳旧淼淖詽?rùn)滑性和耐磨性，減小了接觸面的摩擦力，提高了密封件的使用壽命，同時(shí)也減小了軸轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力，提高了工作效率。 旋轉(zhuǎn)軸 齒形組合密封 圖3-3 軸端密封 由于移動(dòng)式管道機(jī)器人所在的管道內(nèi)的工作環(huán)境比較特殊，可能含有水、泥沙、油污以及腐蝕性氣體、液體等對(duì)機(jī)器人有腐蝕破壞性影響的物質(zhì)存在，因此要求機(jī)器人具有耐腐蝕、耐碰撞等特性，除了在形狀結(jié)構(gòu)上予以考慮解決以外，還要從本體材料的選擇上著手，在綜合考慮上述問(wèn)題的情況下，選擇超硬鋁合金(7A04)作為本體的材料，它可以滿足這種工作要求。（四）機(jī)器人云臺(tái)系統(tǒng) 本文討論的移動(dòng)式管道機(jī)器人前端安裝了視像檢測(cè)裝置-CCD攝像機(jī)，作為機(jī)器人的檢測(cè)工具，當(dāng)機(jī)器人在管道內(nèi)行走時(shí)，利用CCD攝像機(jī)觀察管道的內(nèi)壁情況，再通過(guò)控制系統(tǒng)把圖像信號(hào)傳回地面。為了詳細(xì)清晰的反映管內(nèi)的形貌，發(fā)揮出攝像機(jī)作檢測(cè)工具應(yīng)有的功能，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套具有2個(gè)自由度的云臺(tái)系統(tǒng)。該云臺(tái)系統(tǒng)具有能夠適應(yīng)管道內(nèi)徑大小的CCD攝像機(jī)中心位置調(diào)整功能，圖3.4PWM中斷模塊具有能夠?qū)崿F(xiàn)CCD視角調(diào)整的旋轉(zhuǎn)和擺動(dòng)功能，云臺(tái)中心位雹調(diào)整系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。 我們采用了兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)做為云臺(tái)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)源，一個(gè)電機(jī)控制云臺(tái)的俯仰，另一個(gè)電機(jī)控制云臺(tái)的擺動(dòng)，再配合以CCD攝像機(jī)的自動(dòng)調(diào)焦，能夠?qū)z像機(jī)所在范圍內(nèi)的管內(nèi)形貌及時(shí)準(zhǔn)確的反映出來(lái)。進(jìn)入中斷初始化結(jié)束否步進(jìn)啟動(dòng)結(jié)束否置步進(jìn)啟動(dòng)狀態(tài)標(biāo)志讀入換相周期計(jì)數(shù)器值達(dá)到換相周期值否自由換相子程序中斷結(jié)束步進(jìn)啟動(dòng)子程序圖3-4 PWM中斷模塊 本章介紹了移動(dòng)式管道機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)和機(jī)器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)，介紹了機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)行走方式、云臺(tái)的基本功能、本體的密封以及防腐等功能的實(shí)現(xiàn)，給出了所選電機(jī)的理論依據(jù)和基本參數(shù)，并對(duì)機(jī)器人軸端旋轉(zhuǎn)密封做了詳細(xì)介紹。四、移動(dòng)式管道機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 由于管道機(jī)器人的工作環(huán)境具有特殊性，它要在操作人員看不到的管道內(nèi)行走作業(yè)。為了提高工作效率和工作質(zhì)量，要依據(jù)管道的實(shí)際情況的不同，不斷地進(jìn)行加速和減速運(yùn)動(dòng)，并對(duì)承載CCD攝像頭的云臺(tái)的位置進(jìn)行調(diào)整。 從實(shí)用、穩(wěn)定、可靠性的角度來(lái)看，控制系統(tǒng)相當(dāng)于管道機(jī)器人的心臟，管道機(jī)器人的一切行為都在它的統(tǒng)一指揮下完成。本機(jī)器人要求控制系統(tǒng)必須做到以下幾點(diǎn)： 1要求實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走速度在012mmin之間無(wú)級(jí)可調(diào)；2要求可以控制機(jī)器人正反兩個(gè)方向行走；3要求可以對(duì)云臺(tái)在兩個(gè)自由度內(nèi)進(jìn)行位置調(diào)整；4. 要求對(duì)機(jī)器人采用遙控作業(yè)，遙控距離在200m以上；5要求主控界面便于操作、使用。（一）管道機(jī)器人的常規(guī)控制形式 通常情況下，管道機(jī)器人控制系統(tǒng)都采用上下位機(jī)控制形式，要解決的關(guān)鍵問(wèn)題有兩個(gè)：一個(gè)是管內(nèi)外遠(yuǎn)程通信的可靠性，另一個(gè)是下位機(jī)控制器的穩(wěn)定性。由于管道機(jī)器人在管線內(nèi)部作業(yè)，環(huán)境惡劣不允許出現(xiàn)管內(nèi)失控的重大事故，因此除了對(duì)機(jī)器人的能源動(dòng)力系統(tǒng)等強(qiáng)電部分提出嚴(yán)格的要求之外,還對(duì)機(jī)器人的控制單元提出了極高的運(yùn)行可靠性要求，以保證控制單元不受環(huán)境影像，在有效的控制策略下起到穩(wěn)定的控制作用。目前，管道機(jī)器人的常規(guī)控制形式有以下幾種：1.PLCPLC控制系統(tǒng)該系統(tǒng)中，上位機(jī)和下位機(jī)都采用PLC，構(gòu)成由PLC為控制核心,的主從二級(jí)制系統(tǒng)。管外控制部分作為主控制系統(tǒng)，管內(nèi)控制部分作為從控制系統(tǒng)，兩個(gè)控制器間通過(guò)專用的PLC擴(kuò)展通信單元進(jìn)行通信聯(lián)絡(luò)。PLC系統(tǒng)本身可靠性很高，可維護(hù)性好，開(kāi)發(fā)周期短，操作簡(jiǎn)單，對(duì)于一些邏輯運(yùn)算功能顯著，不過(guò)它也有一些缺點(diǎn)，比如運(yùn)算速度慢、價(jià)格貴等。2.Pc一單片機(jī)控制系統(tǒng)該系統(tǒng)中，上位機(jī)采用PC機(jī)，下位機(jī)采用單片機(jī)。目前研究的管道機(jī)器人大多數(shù)采用這種控制形式，例如由文獻(xiàn)15中，王卓軍、張曉華等人研制的基于視覺(jué)的管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)就是用的這種形式。作為上位機(jī)的PC機(jī)主要完成參數(shù)設(shè)置、視覺(jué)處理、控制命令的輸出及控制狀態(tài)的顯示等工作，而單片機(jī)負(fù)責(zé)接收控制命令、應(yīng)用速度和位置閉環(huán)控制算法及控制號(hào)輸出、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集等工作。PC一單片機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)算速度快，控制精度高，利于小型化和智能話，但是單片機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，可靠性要不斷改進(jìn)。3.PC一單片機(jī)+DSP控制系統(tǒng)在有些系統(tǒng)中，把一些計(jì)算量比較大的工作(例如圖像處理)交給下位機(jī)來(lái)完成，這時(shí)候需要下位機(jī)有一定的計(jì)算和存儲(chǔ)能力，往往可以由單片機(jī)+DSP構(gòu)成雙機(jī)控制系統(tǒng)，其中單片機(jī)負(fù)責(zé)控制部分，DSP負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)的運(yùn)算和處理。這種控制系統(tǒng)可以完成更為復(fù)雜的工作，不過(guò)在設(shè)計(jì)周期上有了一定的限制。（二）控制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì) 本控制系統(tǒng)也是采用上下位機(jī)的控制形式，上位機(jī)負(fù)責(zé)圖像處理和發(fā)送控制指令，下位機(jī)要負(fù)責(zé)底層的控制和機(jī)器人行走速度信號(hào)的反饋，包括對(duì)行走電機(jī)的控制，對(duì)云臺(tái)電機(jī)的控制。反饋機(jī)器人的速度信息，由于對(duì)圖像的處理部分在上位機(jī)進(jìn)行，運(yùn)算量主要集中在上位機(jī)，所以使用的是PC-單片機(jī)控制系統(tǒng)。上位機(jī)外圍電器LPC2114直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)HALL編碼器步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)1步進(jìn)電機(jī)2 圖 4-1 控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖4-1所示，PC機(jī)和單片機(jī)之間通過(guò)光纖進(jìn)行通信，CCD攝像頭拍攝的圖像信號(hào)直接通過(guò)光纖傳送給PC機(jī)，PC機(jī)一方面要采集CCD的圖像信號(hào)，并保存，一方面利用一個(gè)控制臺(tái)程序向下位機(jī)發(fā)送控制指令來(lái)實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)機(jī)器人的行走速度和云臺(tái)的姿態(tài)，同時(shí)接收下位機(jī)反饋回來(lái)的速度信號(hào)，顯示實(shí)時(shí)速度以及行走距離。下位機(jī)采用的是Philips公司的ARM7單片機(jī)LPC2114。下位機(jī)接收上位機(jī)的控制令并譯碼，相應(yīng)地控制各個(gè)電機(jī)，并通過(guò)對(duì)編碼器反饋回來(lái)的行走電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行處理并發(fā)送給上位機(jī)。為了方便試驗(yàn)，在初期設(shè)計(jì)中我們使用一組八位的LED數(shù)碼管來(lái)顯示反饋回來(lái)的電機(jī)轉(zhuǎn)速。（三）電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì) 由于管道機(jī)器人的行走電機(jī)選用的是無(wú)刷直流電機(jī)，而控制云臺(tái)位姿的電機(jī)選用的是步進(jìn)電機(jī)，所以電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)分解為兩個(gè)方面，即直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)。1.LPC2114簡(jiǎn)介【16】 LPC21 14是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的1632位ARM7TDMIS CPU，并帶有128kB嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器。128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。對(duì)代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過(guò)30，而性能的損失卻很小。由于LPC21 142124非常小的64腳封裝、極低的功耗、多個(gè)32位定時(shí)器、4路lO位ADC、6路PWM輸出、46個(gè)GPIO以及多達(dá)9個(gè)外部中斷使它們特別適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問(wèn)控制和電子收款機(jī)、機(jī)器人控制等領(lǐng)域。由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口，它們也非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、嵌入式軟件調(diào)制解調(diào)器以及其它各種類型的應(yīng)用。2.直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)行走電機(jī)采用maxon公司的稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，額定功率為120W，配帶霍爾傳感器和500線的數(shù)字編碼器。稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)作為一種新型電動(dòng)機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行效率高、調(diào)速性能好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于不受機(jī)械換向的限制，易于做到大容量、高轉(zhuǎn)速。近年來(lái)，隨著大功率開(kāi)關(guān)器件、集成電路及高性能的磁性材料的快速發(fā)展，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(BLDCM)在航空航天、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療及實(shí)驗(yàn)室設(shè)備、家電等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用17。 基于LPC2114的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)主要由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路和顯示電路組成，其系統(tǒng)組成如圖42所示。位于地面的上位機(jī)通過(guò)串行通信經(jīng)過(guò)光纖向位于管道中的下位機(jī)控制系統(tǒng)傳送控制指令，下位機(jī)控制系統(tǒng)接受控制指令并譯碼。根據(jù)相應(yīng)的控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的控制。 上位機(jī)顯示電路 LPC 2114位置傳感器驅(qū)動(dòng)電路電流檢測(cè)無(wú)刷直流電機(jī)數(shù)字編碼器圖4-2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)框圖（1） 驅(qū)動(dòng)電路功率驅(qū)動(dòng)部分采用三相全橋驅(qū)動(dòng)方式，功率MOSFET管用IRF620，其前置驅(qū)動(dòng)器用IR213l，它是一個(gè)高電壓、高速度的MOSFET和IGBT驅(qū)動(dòng)器，具有獨(dú)立的三個(gè)高電平和三個(gè)低電平參考輸出通道，LPC2114的六路PWM輸出與IR2131的六路輸入直接相連，IR2131的輸出通過(guò)電阻與功率MOSFET管的輸入相連。（2） 檢測(cè)電路檢測(cè)電路分為三個(gè)部分，即轉(zhuǎn)予位置檢測(cè)，速度檢測(cè)和電流檢測(cè)。轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)采用霍爾傳感器，如圖43所示，無(wú)刷直流電機(jī)的霍爾傳感器產(chǎn)生ABC-路信號(hào)，通常高低電平相互覆蓋，兩相輸出之間的相位差Y912018。根據(jù)霍爾傳感器三路輸出信號(hào)的每次跳變，對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)橋路進(jìn)行控制，當(dāng)檢測(cè)到霍爾傳感器輸出信號(hào)發(fā)生跳變時(shí)，控制器進(jìn)入中斷處理，以改變六路PWM輸出的狀態(tài)。通過(guò)LPC2114的CAP00-CAP03捕獲霍爾傳感器三路輸出信號(hào)的跳變，每次跳變將引發(fā)一次中斷，改變PWM輸出序列，來(lái)控制驅(qū)動(dòng)橋路的導(dǎo)通順序。 A B C 0 120 240 360 480 600 720 圖 4-3 霍爾傳感器的輸出信號(hào)為了提高測(cè)速精度，速度檢測(cè)采用500線的數(shù)字編碼器，編碼器輸出三路差分信號(hào)，經(jīng)過(guò)RS422線驅(qū)動(dòng)器和線接收器送給控制器LPC2114，控制器對(duì)輸入脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，應(yīng)用軟件計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速并判斷電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。在橋式整流電路的低壓端和地之間接一個(gè)采樣電阻，用來(lái)檢測(cè)主回路的電流，當(dāng)電路板電流達(dá)到最大允許值時(shí)，采樣電阻能激活I(lǐng)R213I內(nèi)置的過(guò)流保護(hù)電路。采樣電阻上的電壓經(jīng)過(guò)放大送至rJLPC2114的ADC模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，作為電流環(huán)控制的反饋。一定要在新的PWM產(chǎn)生之前裝入電流檢測(cè)值，與給定的參考值一起控制PwM的寬度。（3） 顯示電路LPC2114把計(jì)算出來(lái)的電機(jī)轉(zhuǎn)速通過(guò)12C傳給SAAl064，SAAl064是帶有12C接13的四位LED驅(qū)動(dòng)器19.20。通過(guò)兩片SAAl064動(dòng)態(tài)地驅(qū)動(dòng)8位LED，顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速。（4）控制電路控制電路主要是以LPC21 14為核心處理器，利用它的一些模塊，如定時(shí)器、ADC模塊、PWM、12C、ADC以及一些外圍電路配合相應(yīng)的軟件程序來(lái)實(shí)現(xiàn)控制邏輯。3.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)由于云臺(tái)的運(yùn)動(dòng)需要的電機(jī)功率并不大，所以采用步進(jìn)電機(jī)，兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別控制云臺(tái)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作和俯仰動(dòng)作，步進(jìn)電機(jī)使用的是北京和利時(shí)公司的兩相電機(jī)42BYG250C。步進(jìn)電機(jī)接收數(shù)字控制信號(hào)21.23，并轉(zhuǎn)換成與之相對(duì)應(yīng)的角位移或直線位移，它本身就是一個(gè)完成數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換的執(zhí)行元件。而且它可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)位囂控制，輸入一個(gè)脈沖信號(hào)就得到一個(gè)規(guī)定的位置增量，這樣的增量位置控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的直流伺服系統(tǒng)相比，其成本明顯降低，幾乎不必進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)整，因此，隨著運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)數(shù)字化到來(lái)，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用日益廣泛，例如在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、現(xiàn)代辦公室設(shè)備、儀器設(shè)備、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等中獲得大量應(yīng)用。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：1.通常不需要反饋就可以對(duì)位置和速度進(jìn)行控制2.與數(shù)字設(shè)備兼容3.位置誤差不會(huì)積累（1）步進(jìn)電機(jī)控制原理步迸電機(jī)有磁阻式、混合式和永磁式三種，它們必須與相應(yīng)的電子驅(qū)動(dòng)電路配套使用，而其工作性能很大程度上取決于所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路。盡管步進(jìn)電機(jī)各相繞組之間、定轉(zhuǎn)子之問(wèn)存在強(qiáng)耦合，電磁關(guān)系存在較嚴(yán)重的非線性，但從驅(qū)動(dòng)電路角度來(lái)看，對(duì)一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的控制，就是按一定順序向多相線圈通電，對(duì)各相電流的控制以產(chǎn)生必要的轉(zhuǎn)矩的問(wèn)題。因此，就步進(jìn)電機(jī)控制而言，各相通電順序的產(chǎn)生和電流波形的控制是主要的問(wèn)題，其次要解決的是一些保護(hù)問(wèn)題。 圖4-4給出了典型的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)框圖。由運(yùn)動(dòng)控制器給出的輸入指令是輸入時(shí)鐘和方向信號(hào)，他們?cè)诿}沖分配器中經(jīng)過(guò)邏輯組合轉(zhuǎn)換成各相通斷的時(shí)序邏輯信號(hào)，導(dǎo)通程序邏輯信號(hào)送至功率驅(qū)動(dòng)級(jí)，轉(zhuǎn)換成其內(nèi)部功率開(kāi)關(guān)的基極(或柵極)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。功率驅(qū)動(dòng)級(jí)除包括功率開(kāi)關(guān)及其驅(qū)動(dòng)電路外，可能還包括一些電流反饋控制和限流、限壓、過(guò)熱保護(hù)等輔助電路部分。按步進(jìn)電機(jī)相繞組流過(guò)的電流是單向的還是雙向的，其驅(qū)動(dòng)方式可分為單極性驅(qū)動(dòng)和雙極性驅(qū)動(dòng)。通常三相、四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用單極性驅(qū)動(dòng)，而兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)必須采用雙極性驅(qū)動(dòng)，從步進(jìn)電機(jī)繞組利用率來(lái)講，雙極性比單極性利用率要高。從功率驅(qū)動(dòng)級(jí)電路結(jié)構(gòu)來(lái)看，可區(qū)分為電壓驅(qū)動(dòng)和電流驅(qū)動(dòng)兩種驅(qū)動(dòng)方式。電壓驅(qū)動(dòng)方式包括串聯(lián)驅(qū)。運(yùn)動(dòng)控制器 脈沖分配器功率驅(qū)動(dòng)器步進(jìn)電機(jī)負(fù)載電流控制保護(hù)電路 圖 4-4 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)框圖（2）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路本文步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖圖45所示，基于LPC2114，MICROELECTRONICS公司出產(chǎn)的集成芯片L297、L298實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，對(duì)于云臺(tái)的兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，其控制電路大致相同。L297是單片步進(jìn)電機(jī)控制器集成電路，適用于雙極性兩相步進(jìn)電機(jī)或者單極性四相步進(jìn)電機(jī)的控制，采用模擬數(shù)字電路兼容的12L工藝，20腳DIP塑料封裝，以+5V供電，全部信號(hào)線都是ITUCMOS兼容的。 IOPA7 IOPA6 IOPA5 IOPA4 IOPA3IOPBO-IOPA7VDDVSSV0ECS1CS2R/WRSDB0-DB7R=10K+5VGND 圖 4-5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路（四）外圍電路設(shè)計(jì) 由于LPC2114本身集成了許多常用的外圍部件，如12C、PWM、ADC等，而且具有128K Flash無(wú)需擴(kuò)展存儲(chǔ)器，所以給外圍電路的設(shè)計(jì)提供了方便。主要有電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位以及RS232電平轉(zhuǎn)換電路。1.電源電路 LPC2114的供電電源電路。由于LPC2114使用兩組電源，IO供電電源3.3V，內(nèi)核及片內(nèi)外設(shè)供電電源為18v，為了保持系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性，采用兩級(jí)穩(wěn)壓的供電方式。首先由外部輸入12V的直流電源，二極管D1防止電源反接，經(jīng)過(guò)電容C1和C2濾波，通過(guò)7805穩(wěn)壓至5V，這個(gè)5v電一方面作為其他電路的邏輯電源，一方面繼續(xù)穩(wěn)壓給CPU供電。使用LDO芯片(低壓差電源芯片)穩(wěn)壓輸出33v和18v電壓：鉭電容C3和C4用來(lái)改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。LDO芯片采用了LMlll73.3和LMlll7-1.8。LMlll7系列LDO芯片輸出電流可達(dá)800mA，輸出電壓精度在1以內(nèi)，具有電流限制和熱保護(hù)功能，穩(wěn)定性高。2.復(fù)位電路 由于ARM芯片的高速、低功耗、低工作電壓導(dǎo)致其噪聲容限低，對(duì)電源的紋波、瞬態(tài)響應(yīng)性能、時(shí)鐘源的穩(wěn)定性、電源監(jiān)控可靠性等諸多方面也提出了更高的要求，本文的復(fù)位電路使用了專用微處理器電源監(jiān)控芯片MAX708SD，提高系統(tǒng)的可靠性。復(fù)位電路如圖46所示。由于在進(jìn)行JTAG調(diào)試時(shí)，nRST、nTRST是可以由JTAG仿真器控制復(fù)位的，所以使用了三態(tài)緩沖門74HCl25進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。信號(hào)nRST連接到LPC2114的復(fù)位腳REST，信號(hào)nTRST連接到LPC2114芯片內(nèi)部JTAG接口電路復(fù)位腳TRST。當(dāng)復(fù)位按鍵RST按下時(shí)，MAX708SD立即輸出復(fù)位信號(hào)，其引腳RST輸出低電平導(dǎo)致74HCl25C、74HCl25D導(dǎo)通。信號(hào)nRST、nTRST將輸出低電平使系統(tǒng)復(fù)位。平時(shí)MAX708SD的RST腳輸出高電平74HCl25C.74HCl25D截止，由上拉電阻R3、R4將信號(hào)nRST、nTRST上拉為高電平，系統(tǒng)可以正常運(yùn)行或者通過(guò)JTAG接口進(jìn)行仿真調(diào)試。圖 4-6 復(fù)位電路3.系統(tǒng)時(shí)鐘電路 LPC2114可使用外部晶振或者外部時(shí)鐘，內(nèi)部PLL電路可以調(diào)整系統(tǒng)時(shí)鐘，使系統(tǒng)運(yùn)行速度更快(LPC2114的最大操作時(shí)鐘是60MHz)。如果不使用片內(nèi)PLL功能及ISP下載功能，則外部晶振頻率范圍是10MHz一25MHz。本文使用了外部110592MHz晶振，因?yàn)檫@個(gè)晶振可以使串口波特率更準(zhǔn)確，同時(shí)能夠支持LPC2114芯片內(nèi)部PLL功能和ISP功能。采用四腳貼片的110592MHZ有源晶振，經(jīng)過(guò)一個(gè)100PF的電容濾波后接到LPC2114的XTALl腳。4.RS232電平轉(zhuǎn)換電路 LPC2114具有兩個(gè)串口即UART0和UARTl，其中UARTl帶有完整的調(diào)制解調(diào)器接口。由于LPC2114的IO口電壓是33v的訂L電平，而PC機(jī)的串口是RS232電平，所以在與上位機(jī)通信的時(shí)候?yàn)榱藢?shí)現(xiàn)電平匹配，要進(jìn)行RSR232電平轉(zhuǎn)換。圖4-7為UART0的RS232電平轉(zhuǎn)換電路。這里采用了芯片MAX3232，它是3V工作電源的RS232轉(zhuǎn)換芯片。 圖 4-7 UARTO RS232 電平轉(zhuǎn)換電路 LPC2114除了可以通過(guò)J1IAG接口進(jìn)行調(diào)試下載程序之外，還可以通過(guò)UART0進(jìn)行ISP方式下載程序，此時(shí)把PC機(jī)的串口和LPC2114的串口相連，為了滿足ISP的硬件條件，要把J10短接，便可以使用UART0進(jìn)行通訊了。當(dāng)J10斷開(kāi)時(shí)，PO.14被拉成高電平，只能通過(guò)JATG進(jìn)行調(diào)試下載程序（五）供電及通信系統(tǒng) 我們討論的移動(dòng)式管道機(jī)器人是拖纜機(jī)器人，一方面，上下位機(jī)之間的通信是通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)的，另一方面，機(jī)器人的供電電源來(lái)自一個(gè)多路輸出的可變電源，可變電源安裝在機(jī)器入的本體上，它要求220V、50Hz的交流輸入，因此機(jī)器人所拖帶的纜線分為光纜和電纜兩種。我們選擇使用一種目前在國(guó)內(nèi)技術(shù)先進(jìn)的光電復(fù)合纜，就是把電力線和信號(hào)線做在一起，由于信號(hào)在光纖中傳播，它不會(huì)受到交流電力線的干擾，保證了傳輸距離和數(shù)據(jù)的可靠性。 本章介紹了移動(dòng)式管道機(jī)器