探測(cè)機(jī)器人電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

翟國(guó)棟，　蘇一新，　高培源

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院， 北京　100083)

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探測(cè)機(jī)器人電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

翟國(guó)棟，蘇一新，高培源

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院， 北京100083)

摘要：為了提高探測(cè)機(jī)器人的智能化，設(shè)計(jì)了一種以ARM架構(gòu)為核心的電氣系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用2.4 GHz無線通信、電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制、多自由度機(jī)械臂控制以及多傳感器信息融合等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了避障、越障、定位、通信、傳感器測(cè)量等功能；利用光伏效應(yīng)和改進(jìn)爬山法進(jìn)行最大功率點(diǎn)追蹤，解決了探測(cè)機(jī)器人能耗問題。

關(guān)鍵詞：探測(cè)機(jī)器人； 電氣系統(tǒng)； 光伏發(fā)電； MPPT

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160705.1505.020.html

0引言

探測(cè)機(jī)器人是用于在危險(xiǎn)區(qū)域與復(fù)雜地形執(zhí)行目標(biāo)物及環(huán)境探測(cè)任務(wù)的地面移動(dòng)平臺(tái)[1]，是現(xiàn)代傳感技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、人工智能、自動(dòng)控制、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)等多學(xué)科、高新技術(shù)的結(jié)晶，不僅在空間、軍事、消防、采礦、林業(yè)、勘探等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，而且與相關(guān)學(xué)科的發(fā)展也有很大關(guān)系，具有重要研究意義。

探測(cè)機(jī)器人主要依賴自身電氣硬件系統(tǒng)，配合相應(yīng)軟件實(shí)現(xiàn)避障、越障、定位、通信、傳感器測(cè)量等功能。筆者設(shè)計(jì)了一種探測(cè)機(jī)器人電氣系統(tǒng)，并完成了樣機(jī)制作。

1探測(cè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)

探測(cè)機(jī)器人的機(jī)械構(gòu)造決定了其運(yùn)動(dòng)性能的好壞，本文基于結(jié)構(gòu)力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的相關(guān)理論，針對(duì)復(fù)雜未知的地形，設(shè)計(jì)了一種六輪搖臂懸架行走機(jī)構(gòu)；經(jīng)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，推導(dǎo)出了探測(cè)機(jī)器人在任意運(yùn)動(dòng)位置時(shí)質(zhì)心域的計(jì)算公式；利用Matlab軟件進(jìn)行了實(shí)體分析與優(yōu)化，用Adams進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)建模與仿真分析，驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)果。

探測(cè)機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)由中心車體和兩側(cè)的搖臂懸架2個(gè)部分組成[2]，如圖1所示。機(jī)器人兩側(cè)的搖臂懸架能夠緊貼路面行走，運(yùn)行平穩(wěn)。機(jī)器人采用六輪獨(dú)立閉環(huán)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，輪胎采用特殊材料避免迅速老化，通過六輪差速控制算法實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向。在機(jī)器人的正前方搭載了6自由度機(jī)械臂，以實(shí)現(xiàn)樣本采集工作，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中OR，D2，P2為機(jī)器人坐標(biāo)系；l1—l5為各桿長(zhǎng)；b為半個(gè)車體的寬度；β2為右搖臂繞車體轉(zhuǎn)動(dòng)的角度；r為車輪半徑；α1，α2為D2的Z軸與前臂形成的2個(gè)夾角。

(a)Solidworks結(jié)構(gòu)(b)測(cè)試樣機(jī)

圖1探測(cè)機(jī)器人Solidworks結(jié)構(gòu)及測(cè)試樣機(jī)

圖2　探測(cè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)

2探測(cè)機(jī)器人電氣系統(tǒng)

探測(cè)機(jī)器人電氣系統(tǒng)功能要求：為了安全和便于控制，要求機(jī)器人能夠精確閉環(huán)控制行進(jìn)距離、行進(jìn)速度，能準(zhǔn)確自我定位和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)通信；為了提高探測(cè)深度，要求機(jī)器人具備視覺采集、反饋控制與存儲(chǔ)，周圍環(huán)境信息采集存儲(chǔ)、樣本采集存儲(chǔ)等功能；為了有效行進(jìn)與越障，要求機(jī)器人能提供較大的驅(qū)動(dòng)電流；為了躲避無法逾越的障礙，要求機(jī)器人能夠具備CMOS圖像模式識(shí)別與紅外測(cè)距功能，以進(jìn)行有效避障。

探測(cè)機(jī)器人電氣系統(tǒng)包括供電、核心控制、通信、驅(qū)動(dòng)、測(cè)量傳感等子系統(tǒng),結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.1核心控制系統(tǒng)

核心控制系統(tǒng)運(yùn)行主算法程序，負(fù)責(zé)多傳感器信息融合[5]、遠(yuǎn)程通信、圖像采集與處理、機(jī)械臂及行走機(jī)構(gòu)控制等。

CPU采用基于ARM7架構(gòu)的32位處理芯片LPC2138，其帶有512 kB的高速Flash存儲(chǔ)器、47個(gè)GPIO、2個(gè)10位8路ADC、10位DAC、PWM通道和多個(gè)32位定時(shí)器，以及9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷。該芯片還具有實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤功能，寬范圍的串行通信接口和片內(nèi)32 kB的SRAM,非常適用于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換等。

圖3　探測(cè)機(jī)器人電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

探測(cè)機(jī)器人采用六輪獨(dú)立閉環(huán)方式驅(qū)動(dòng)，使用Faulhaber帶編碼器的空心杯減速直流電動(dòng)機(jī)2342L012(額定電壓為12 V，輸出功率為17 W，輸出扭矩大，減速比為64∶1)，并設(shè)計(jì)了雙直流電動(dòng)機(jī)閉環(huán)驅(qū)動(dòng)集成電路板，其核心處理器及外圍電路可以采集光電編碼器反饋信息，并進(jìn)行PID運(yùn)算、PID參數(shù)優(yōu)化，可更準(zhǔn)確地調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度和轉(zhuǎn)速。

2.3測(cè)量傳感系統(tǒng)

探測(cè)機(jī)器人配有8個(gè)GP2D12紅外測(cè)距傳感器，同水平面均勻分布。該傳感器具有紅外信號(hào)發(fā)射端和接收端，發(fā)射端發(fā)射出紅外光線，光束傳播過程中遇到物體后被反射，回到傳感器接收端，利用發(fā)射與接收的時(shí)間差計(jì)算得到與物體的距離。其功耗小，體積小，抗干擾能力強(qiáng)，測(cè)量射程范圍為10～80 cm，可用于實(shí)現(xiàn)近距離物體的測(cè)距避障功能。

探測(cè)機(jī)器人配備了2個(gè)CMOS視覺模塊，搭配機(jī)械云臺(tái)進(jìn)行全方位圖像采集與模式識(shí)別。雙目視覺技術(shù)模仿人雙目立體感知的方法[6]，用2部視覺傳感器同時(shí)采集同一場(chǎng)景的圖像，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像閾值化、圖像增強(qiáng)處理，以及連通域提取等流程，實(shí)現(xiàn)彩色圖像中的多個(gè)障礙物識(shí)別[1]，然后根據(jù)場(chǎng)景在不同攝像機(jī)成像中存在的視差，得到空間物體的深度信息，從而重建出場(chǎng)景的三維信息。

探測(cè)機(jī)器人還裝配了全球定位系統(tǒng)，用于采集緯度和經(jīng)度，同時(shí)也能室外定位。陀螺儀用于室內(nèi)位姿調(diào)整，BH1750FVI芯片的光照度傳感器、單總線DS18B20數(shù)字溫度傳感器、DHT11濕度傳感器等用于機(jī)器人周圍環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及存儲(chǔ)，最后，通過無線通信系統(tǒng)將傳感器信息上傳到上位機(jī)。

2.4通信系統(tǒng)

探測(cè)機(jī)器人一方面可以根據(jù)自身硬件進(jìn)行自主決策，實(shí)現(xiàn)一定程度的自主導(dǎo)航、定位與控制；另一方面，還可以接收上位機(jī)的遠(yuǎn)程操作控制指令[7]。

通信系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人信息流傳遞的關(guān)鍵，機(jī)器人采用無線通信技術(shù)與上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)雙向通信，上位機(jī)發(fā)送控制信息，同時(shí)接收機(jī)器人各模塊數(shù)據(jù)與圖像信息。通信系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)：在2.4 GHz無線路由器中寫入OpenWrt系統(tǒng)，并在該系統(tǒng)上運(yùn)行Serial2net程序，進(jìn)行核心處理器串口與網(wǎng)口的信息交換。

3探測(cè)機(jī)器人光伏發(fā)電系統(tǒng)

3.1光伏發(fā)電系統(tǒng)組成

光伏發(fā)電是利用由半導(dǎo)體材料制成的PN結(jié)電池結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的光生伏特效應(yīng)[3]。太陽(yáng)能電池是為了滿足各種供電系統(tǒng)所需，直接把光能轉(zhuǎn)換成電能，并通過串聯(lián)和封裝保護(hù)后形成的大面積太陽(yáng)能電池板。

探測(cè)機(jī)器人配有3塊可折疊式薄膜太陽(yáng)能電池板，其光電轉(zhuǎn)換效率高，聚光條件下也適用。配合使用具有功率控制功能的MPPT(Maximum Power Point Tracking，最大功率點(diǎn)跟蹤)控制器和儲(chǔ)能鋰電池組，便組成了整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)，如圖4所示，該系統(tǒng)不受地域制約，安全、環(huán)保，且性能可靠。

圖4　探測(cè)機(jī)器人光伏發(fā)電系統(tǒng)

根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)際工作狀態(tài)，設(shè)計(jì)了3種工作模式：光照充足時(shí)，完全由光伏電池給負(fù)載供電，鋰電池只有儲(chǔ)能作用，鋰電池充滿時(shí)，應(yīng)斷開充電線路，防止鋰電池過充；光照不足時(shí)，由光伏電池和鋰電池同時(shí)給負(fù)載提供電能；無光條件下，由鋰電池單獨(dú)供電，此時(shí)太陽(yáng)能電池續(xù)航能力較弱。

3.2最大功率點(diǎn)跟蹤算法

光伏方陣的最優(yōu)工作點(diǎn)稱為最大功率點(diǎn)，其值主要取決于電池板的工作溫度和當(dāng)時(shí)的光照水平[4]。最大功率點(diǎn)跟蹤算法是指太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn)追蹤方法，在快速變化的天氣條件下，控制電池板盡量在最大功率點(diǎn)工作。MPPT控制器能夠?qū)崿F(xiàn)電路中電壓、電流的監(jiān)測(cè)，以及鋰電池的充、放電控制，不僅可防止鋰電池過充，延長(zhǎng)鋰電池的壽命，還可根據(jù)負(fù)載需求，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池組件的主動(dòng)控制及鋰電池的電能輸出。鋰電池充電時(shí)，太陽(yáng)能電池的輸出電壓應(yīng)大于鋰電池當(dāng)前電壓，否則無法充電。

圖5　改進(jìn)爬山法跟蹤原理

為了避免誤動(dòng)作，加入對(duì)ω3的判斷作為輔助決策條件。當(dāng)Δp′>0時(shí)，假設(shè)ω2<ω3，則證明功率變化是由光強(qiáng)影響的，應(yīng)該繼續(xù)維持一開始工作狀態(tài)時(shí)的電壓值不變，否則，證明電池板在最大功率點(diǎn)的左側(cè)工作，需增加工作時(shí)的電壓；同理，當(dāng)Δp′<0時(shí)，假設(shè)ω2>ω3，則應(yīng)繼續(xù)保持原來的工作電壓不變，否則，有必要降低工作時(shí)的電壓。改進(jìn)爬山法有效減少了爬山法跟蹤的誤動(dòng)作，并能更好地跟蹤光照強(qiáng)度的快速變化，提高最大功率跟蹤效率，使跟蹤匹配因數(shù)更接近于1。跟蹤匹配因數(shù)越接近1，說明MPPT控制算法效果越好[4]。改進(jìn)爬山法流程如圖6所示。

圖6　改進(jìn)爬山法流程

4結(jié)語(yǔ)

探測(cè)機(jī)器人電氣系統(tǒng)以ARM7架構(gòu)處理器為核心，并運(yùn)用GPS、紅外傳感器、陀螺儀、視覺傳感器、環(huán)境探測(cè)傳感器等進(jìn)行多傳感器信息融合，進(jìn)而控制行走機(jī)構(gòu)與機(jī)械臂等執(zhí)行機(jī)構(gòu)；選用改進(jìn)的爬山法進(jìn)行最大功率點(diǎn)追蹤，有效降低了爬山法跟蹤的誤動(dòng)作，能更好地跟蹤光強(qiáng)的迅速變化，提升最大功率跟蹤的效率，解決了探測(cè)機(jī)器人的能耗問題。

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Design of electrical system for exploration robot

ZHAI Guodong，SU Yixin，GAO Peiyuan

(School of Mechanical Electronic and Information Engineering,China University of Mining and Technology (Beijing), Beijing 100083, China)

Abstract:In order to improve intelligence of exploration robot, an electrical system taking ARM architecture as core was designed. The system adopts techniques including 2.4 GHz wireless communication, closed-loop control of motors, control of multi degree of freedom mechanical arm and multi sensor information fusion to achieve functions of obstacle avoidance, obstacle crossing, positioning, communication and sensor measurement. It uses photovoltaic effect and improved hill climbing method to realize maximum power point tracking, and solves energy consumption problem of exploration robot.

Key words:exploration robot; electrical system; photovoltaic power generation; MPPT

文章編號(hào)：1671-251X(2016)07-0079-04

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.07.020

收稿日期：2016-01-25；修回日期：2016-05-16；責(zé)任編輯：胡嫻。

基金項(xiàng)目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2014YJ02)。

作者簡(jiǎn)介：翟國(guó)棟(1973-)，男，河北高碑店人,高級(jí)工程師，博士，主要從事機(jī)電專業(yè)的教學(xué)、科研工作，E-mail:zgd@cumtb.edu.cn。

中圖分類號(hào)：TD67

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-07-05 15:05

翟國(guó)棟，蘇一新，高培源.探測(cè)機(jī)器人電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(7)：79-82.