基于DSP管道機器人控制系統(tǒng)設計

毛立民，郭文利

（東華大學 紡織裝備教育部工程研究中心，上海 201620）

1 前言

隨著機器人技術的發(fā)展，管道機器人在管道檢測、噴涂、接口焊接、異物清理等領域的應用越來越廣泛，管道機器人控制系統(tǒng)研究也成為當今研究的熱點之一。

本文將PC與DSP相結合，綜合應用兩者的優(yōu)勢［1-2］，設計了一套管道機器人控制系統(tǒng)，上位機PC采用VC++.NET設計機器可視化控制平臺界面及其控制策略，下位機應用 TMS320F28335 DSP［3-5］設計管道機器人底層運動控制系統(tǒng)，完成機器人控制系統(tǒng)設計，圖像采集，上下位機RS-485通信，下位機與角度傳感器RS-232通信，電機控制驅動及角度傳感器和壓力傳感器反饋控制等功能。

考慮到中央空調通風管道有圓管和方管，因此管道機器人的姿態(tài)檢測與控制策略分為兩種方式。

機器人在圓管管道中行進時，機器人以120°周向均布的3組獨立全驅動（3組行走機構由單獨的電機各自驅動，稱為獨立全驅動方式）方式驅動控制履帶足行進。圖1中左右履帶足（固定夾角120°）4個直流電機分別控制越障機器人左右兩側的電動機驅動行走履帶足，高度調節(jié)機構根據(jù)管道直徑自適應調節(jié)支撐履帶足的展臂高度，調整各履帶足對管壁的壓緊力，保證行走機構以穩(wěn)定的壓緊力撐緊在管道內(nèi)壁上，使機器人具有充足且穩(wěn)定的牽引力，機器人能在各種直徑的管道中行走作業(yè)。方管中的機器人行進時情況類似，不復贅述。

驅動電機采用Maxon RE-max系列電機，集成了行星輪減速器和數(shù)字增量編碼器，具有體積小、重量輕和輸出扭矩大的特點，共用6個電機，其中5個電機作為行進電機，驅動機器人行走，另外1個作為調節(jié)電機通過齒輪副轉動絲桿螺母副帶動滑動支座沿導桿移動。

2 機械本體簡介

圖1 樣機機械結構

如圖1所示為機器人機械結構，主要由以下幾部分組成：支撐履帶足、調節(jié)臂、滑動支座、機體、行進履帶足、擺腿、絲桿、調節(jié)電機。

本體主要性能指標為407×250×180（長×寬×高）；重量為15 kg（含負載）；最高速度為5 m/min；爬坡角度為30°（在光滑的鍍鋅鐵板上保持靜止）；控制最小有效距離為100m。

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 系統(tǒng)硬件總體設計

對管道機器人控制系統(tǒng)進行功能分析，根據(jù)控制器實現(xiàn)方式及其控制特性，結合機器人控制功能要求，設計了PC+DSP運動控制系統(tǒng)，其控制結構如圖2所示,機器人控制系統(tǒng)具體分為三級，即：組織級、協(xié)調級和執(zhí)行級，三級之間相互聯(lián)系，使得整個系統(tǒng)運行更加快速、靈活、準確。

機器人主控計算機，任務規(guī)劃、環(huán)境感知以及與下位機DSP運動控制器的通信；DSP運動控制器接受來自上位機的控制指令，按控制協(xié)議進行指令轉換與解釋，并通過電機伺服控制器完成對電機的伺服控制。

圖2 控制系統(tǒng)總體結構

3.2 通信電路模塊

TMS320F28335片上外設有3通道SCI異步串口，采用MAX3238CAI完成三路電平轉換。

考慮到RS-232屬單端信號傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，最大通信距離不超過20m。根據(jù)功能需求，在通信流程設計中下位機設置接收優(yōu)先，F(xiàn)28335串口C通道的中斷優(yōu)先級最高，所以串口C采用RS-232轉RS-485芯片SN65hvd08完成與上位機串行通訊，通道A、B采用常用的零調制三線經(jīng)濟型接線方式與傾角傳感器通訊連接，其電路如圖3所示。

圖3 通信電路

485芯片的發(fā)送和接收功能轉換是由芯片的REn、DE端控制的。RE=1，DE=1時，485芯片處于發(fā)送狀態(tài)；REn=0，DE=0時，485芯片處于接收狀態(tài)。因此采用一個信號控制485芯片的接收和發(fā)送。

3.3 電機驅動模塊

采用NS作為直流電動機H橋驅動芯片LMD182000獨立控制各行進電機，芯片上集成有CMOS控制電路和DMOS功率器件，與DSP主處理器、電機和增量型編碼器構成一個完整的運動控制系統(tǒng)。如圖4所示為電機驅動模塊。

LMD18200集成電路對電機有兩種PWM信號控制模式：單極性控制和雙極性控制。系統(tǒng)采用單極性驅動方式，PWM控制信號通過引腳5輸入，轉向信號由引腳3輸入。在轉向信號控制電機正轉情況下，當PWM控制信號的占空比由［0，100%］變化時，電機電樞兩端電壓由［0，48］變化。

圖4 電機驅動模塊

LMD182000還有一個電流監(jiān)測輸出引腳8，該引腳輸出一個電流信號，該電流值正比于工作電流，典型值為377μA/A。將該引腳通過精度為1%的采樣電阻接地，變電流為電壓信號，然后將該電壓信號經(jīng)過由阻容低通濾波后送至DSP的A/D轉換輸入端口，從而可以實時檢監(jiān)測電機的工作電流。

根據(jù)上位機串口指令和光電編碼器及反饋的速度信息產(chǎn)生一定占空比的PWM波，并將方向、使能信號送入電機驅動芯片，實現(xiàn)機器人運動和姿態(tài)調整的精確控制。

3.4 位置與速度檢測模塊

位置速度檢測電路在電機控制中具有非常重要的作用,其檢測的精確性直接反應到對電機控制的精度。系統(tǒng)采用光電編碼器來測量電機的轉速和位置。光電編碼器輸出3相信號，其中A相和B相信號先光電隔離、濾波整形后直接送到DSP。圖5中6N137是高速光耦，實現(xiàn)模擬信號和數(shù)字信號的隔離，74HC14是施密特觸發(fā)器，銳化其上升沿和下降沿,去除因干擾而可能存在的尖峰毛刺，起到整型和濾波的作用，輸出標準的數(shù)字式方波。

圖5 位置與速度檢測模塊

3.5 傳感器模塊

傳感器檢測系統(tǒng)包括橫滾角傳感器、俯仰角傳感器和壓力傳感器和限位微動開關。橫滾角傳感器選用ZCT245AN雙軸傾角傳感器為機體橫滾角檢測，采用ZCT100AN單軸傾角傳感器作用機體俯仰角檢測，傾角傳感器均采用RS232方式與DSP控制器通信，完成機體行進姿態(tài)感測；壓力傳感器用于檢測調節(jié)臂內(nèi)彈簧壓力值的大?。怀ｉ_限位微動開關用于滑動座行程限位保護及機器人開機初始化時支座初始位移捕獲。

F28335采用全新的eQEP模塊架構，新增選通脈沖輸入端，當微動開關接觸閉合時，向DSP的EQEPS引腳輸入選通脈沖，觸發(fā)中斷中斷調用處理了程序初始化正交編碼計數(shù)器，完成位置捕獲。

4 系統(tǒng)軟件設計

機器人系統(tǒng)的軟件包括分別運行上位機控制策略平臺及下位機軟件DSP運動控制軟件及兩者之間的通信協(xié)議。軟件設計采用了模塊化的設計思想，不僅便于程序的調試與修改，也利于將來程序的擴展［6-7］。上位機采用VC++.NET來實現(xiàn)，調用工業(yè)強度的串口類接口，實現(xiàn)上下位機串行通信。工控機與DSP的通信信息由電機控制、傳感器信息采集等構成。通過串口RS-232轉RS-485完成從工控機和DSP的數(shù)據(jù)雙向單工傳輸。如圖6所示為控制系統(tǒng)軟件模塊化結構。

圖6 控制系統(tǒng)軟件模塊化結構

4.1 上位機控制策略軟件實現(xiàn)

控制決策軟件是管道機器人進行各種功能控制決策的核心層，軟件主要完成移動機器人基本運動控制、圖像采集、水平檢測、串口通信。系統(tǒng)上位機控制界面如圖7所示。

圖7 上位機程序界面

4.2 下位機軟件實現(xiàn)

DSP運動控制軟件是機器人電機控制的核心層，實現(xiàn)多電機速度位置的精確控制和多傳感器的協(xié)調控制。DSP主控程序主要包括分配存儲空間、初始化、中斷、通信協(xié)議、電機控制、傳感器信號處理等子程序，其控制流程圖如圖8所示。

圖8 下位機主控程序流程圖

完成下位機發(fā)送數(shù)據(jù)功能由兩個子函數(shù)實現(xiàn)，分別為 void Txready()和 void Scia_send()。void Txready函數(shù)主要完成將根據(jù)上位機請求數(shù)據(jù)預存在SCITX[]數(shù)組內(nèi)，然后調用Scia_send()完成數(shù)據(jù)發(fā)送。其Scia_send()發(fā)送流程如圖9所示。

5 結束語

本文提出了一種基于PC+DSP運動控制器的控制平臺，闡述了整個管道機器人控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。系統(tǒng)設計下位機以TMS320F28335 DSP控制核心，系統(tǒng)采用模塊化設計,通過系統(tǒng)功能擴展，具備高度的靈活性和廣泛的適用性。

圖9 Scia_send()發(fā)送數(shù)據(jù)流程

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