基于單片機(jī)的小型全地形履帶車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為一款小型全地形履帶車設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)，可以控制履帶車在全地形路況下載運(yùn)物品到達(dá)指定位置?？刂葡到y(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，通過(guò)人的遙控，主控制器控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)利用調(diào)速控制和反饋調(diào)速的總信號(hào)調(diào)壓的方式改變向車兩側(cè)電機(jī)供給的電能來(lái)驅(qū)動(dòng)履帶車，實(shí)現(xiàn)全地形載運(yùn)貨物的功能。

【關(guān)鍵詞】PID控制 雙電機(jī)驅(qū)動(dòng) DC轉(zhuǎn)DC 紅外線遙控

從2007年到2015年，我國(guó)快遞業(yè)呈現(xiàn)出強(qiáng)勁的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，快遞業(yè)務(wù)量年均增長(zhǎng) 40%以上，2015年我國(guó)快遞業(yè)業(yè)務(wù)量達(dá)到了206億件，同比增長(zhǎng)48%[1-2]。分揀站點(diǎn)作為快遞業(yè)務(wù)重要的一環(huán)，經(jīng)常因?yàn)樨浳锓倍喽逊e如山，站點(diǎn)內(nèi)需要小型可操縱載運(yùn)物品的裝置來(lái)將分揀后的快件運(yùn)送到站內(nèi)相應(yīng)位置；另外，隨著我國(guó)社會(huì)步入老齡化，在家庭生活中，特別是對(duì)于老年人需要一種可在全地形環(huán)境下幫助人搬運(yùn)物品的輕便裝置。

針對(duì)這種情況，設(shè)計(jì)出一種小型遙控操縱的搬運(yùn)小型物品用全地形履帶車。履帶車設(shè)計(jì)為由人在不超過(guò)以20m為圓心的區(qū)域內(nèi)通過(guò)手持無(wú)線遙控器實(shí)時(shí)對(duì)車的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行遙控，實(shí)現(xiàn)其全地形（包括翻越小型障礙、上樓梯等）負(fù)重前進(jìn)、轉(zhuǎn)向、倒退進(jìn)行載運(yùn)，到達(dá)指定位置。整車采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)和履帶設(shè)計(jì)，自重約為15 kg，長(zhǎng)925 mm、寬550 mm-750 mm（在此范圍內(nèi)可調(diào)）、高310 mm，可承載40 kg的貨物。整個(gè)車由機(jī)體部分、電機(jī)和傳動(dòng)及行駛部分、電子控制部分等三部分組成。履帶車整體示意圖如圖1所示。

目前，搬運(yùn)物品的智能車控制系統(tǒng)多是小型循跡車控制系統(tǒng)，如王登貴的基于MCU的智能搬運(yùn)車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[3]與郭偉的自動(dòng)尋跡搬運(yùn)車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[4]，通過(guò)控控制系統(tǒng)控制模型車循跡運(yùn)動(dòng)，但其設(shè)計(jì)無(wú)法滿足各種復(fù)雜路況下載運(yùn)偏重型物品；還有張培明的智能搬運(yùn)車控制系統(tǒng)研究[5]和董雷剛的復(fù)雜路況下的智能循跡小車方案設(shè)計(jì)[6]，這些設(shè)計(jì)解決了復(fù)雜都實(shí)現(xiàn)了搬運(yùn)車在復(fù)雜路況下沿指定路線載運(yùn)貨物的問(wèn)題，但是不適用于控制搬運(yùn)車到達(dá)隨意指定位置。本文設(shè)計(jì)的是適用于全地形搬運(yùn)貨物至任意地點(diǎn)的小型履帶車的控制系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

根據(jù)履帶車的要求，設(shè)計(jì)出遙控履帶車控制系統(tǒng)主要以89C52單片機(jī)為主控制器芯片，由紅外線通信模塊、主控制器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、供電電源模塊四部分構(gòu)成。

系統(tǒng)的運(yùn)行流程大致分為四步：紅外線通訊、單片機(jī)處理、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電機(jī)執(zhí)行，系統(tǒng)每次刷新時(shí)間是10 ms，完成上一次流程即刻進(jìn)入下一次循環(huán)。具體為：打開(kāi)履帶車上的電源開(kāi)關(guān)，單片機(jī)開(kāi)始對(duì)包括紅外線通信、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和編碼器等接口進(jìn)行初始化，按下按鍵使遙控器發(fā)出的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎指令，經(jīng)紅外線發(fā)射接收模塊的調(diào)制和解調(diào)后，將運(yùn)動(dòng)信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)；單片機(jī)會(huì)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行辨別運(yùn)算，發(fā)出履帶車做相應(yīng)運(yùn)動(dòng)所需的不同信號(hào)；在單片機(jī)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理之后，輸出信號(hào)會(huì)控制兩側(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)向電機(jī)電源的供給，進(jìn)而控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，最后實(shí)現(xiàn)控制履帶遙控車載運(yùn)的功能?？刂葡到y(tǒng)總框圖如圖2所示。

當(dāng)兩側(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車運(yùn)動(dòng)時(shí)，碼盤編碼器會(huì)將兩側(cè)運(yùn)動(dòng)速度返回至主控制器，通過(guò)主控制器改變對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的指令消除轉(zhuǎn)速差。如果需要對(duì)履帶遙控車進(jìn)行調(diào)速，可按下遙控器上調(diào)速按鍵發(fā)出的高中低速信號(hào)至主控制器，通過(guò)主控制器的脈沖輸出控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)，最后實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。前進(jìn)和后退的切換則可通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊里的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 紅外線無(wú)線通訊模塊

紅外線無(wú)線通信模塊主要用作從遙控器發(fā)送控制指令至主控制器。

紅外線通信是一種利用紅外線來(lái)傳輸信號(hào)的通信方式。紅外通信是利用950 nm近紅外波段的紅外線作為傳遞信息的媒體，即通信信道。發(fā)送端將基帶二進(jìn)制信號(hào)調(diào)制為一系列的脈沖串信號(hào)，通過(guò)紅外發(fā)射管發(fā)射紅外信號(hào)。紅外線具有容量大，保密性強(qiáng)，抗電磁干擾性能好，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、價(jià)格低。

設(shè)計(jì)用到的一對(duì)紅外線通訊編碼/解碼芯片PT2262/PT2272，是一對(duì)帶地址、數(shù)據(jù)編碼功能的無(wú)線遙控發(fā)射/接收芯片。發(fā)射芯片PT2262將載波振蕩器、編碼器和發(fā)射單元集成與一身，使發(fā)射電路變得十分簡(jiǎn)潔。接收芯片PT2272 M4，以四路非鎖定形式輸出，即當(dāng)發(fā)射信號(hào)消失時(shí)，其對(duì)應(yīng)輸出位即變?yōu)榈碗娖郊摧敵龅碾娖绞撬矔r(shí)的，且與發(fā)射端相對(duì)應(yīng)，可以實(shí)時(shí)電動(dòng)控制。

從發(fā)射模塊可以進(jìn)行四路遙控，分別是前行、分級(jí)調(diào)速、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)。進(jìn)而控制接收模塊的九路輸出，與主控制器進(jìn)行通訊。紅外線無(wú)線通信模塊原理圖如圖3所示。

2.2 主控制器模塊

主控制器模塊主要用作對(duì)指令信號(hào)的接收與處理。

設(shè)計(jì)用到的控制器核心為STC89C52RC單片機(jī)，用于對(duì)輸入信號(hào)的處理和輸出控制信號(hào)，其最小系統(tǒng)是由以89C52單片機(jī)為主的，再加上復(fù)位電路、振蕩電路和5V電源等組成的控制模塊。復(fù)位電路包括自動(dòng)上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位，可以使單片機(jī)的狀態(tài)還原成初始狀態(tài)；單片機(jī)上各個(gè)部件運(yùn)行都是以時(shí)鐘頻率為基準(zhǔn)，而晶振電路的作用就是為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)，設(shè)計(jì)使用的是11.0592 MHz的晶振作為振蕩源和50 pf的電容構(gòu)成振蕩電路。

STC89C52RC單片機(jī)共32位I/O接線口。在控制系統(tǒng)中，P0組用于公共端接線，P1組用于紅外線通訊端接線，P2組用于指令輸出端接線，P3組用于與編碼器通訊的接線。主控制器模塊原理圖如圖4所示。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要用作處理主控制器指令信號(hào)，為電機(jī)提供可調(diào)電源。

電機(jī)是一種將電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊接單片機(jī)輸出的一個(gè)某長(zhǎng)度的脈沖信號(hào)，可以通過(guò)脈沖改變控?cái)?shù)字電位器的阻值來(lái)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)24 V電源向電機(jī)提供不同固定值的電壓，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。履帶車的左、右兩側(cè)履帶各自由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，兩個(gè)電機(jī)協(xié)同作業(yè)，從而達(dá)到控制履帶遙控車轉(zhuǎn)向、直行等運(yùn)動(dòng)的目的。

2.3.1 電機(jī)及電池的選擇

根據(jù)整車設(shè)計(jì)，要求電機(jī)的功率為150W，轉(zhuǎn)速為200 rpm，選擇臺(tái)松DC2 V正反轉(zhuǎn)調(diào)速90型3-15 K 200 W直流齒輪減速電機(jī)。其基本參數(shù)如表1。

所選電機(jī)在150 w及以上功率的情況下工作，要求履帶車可以在這種情況下連續(xù)工作3小時(shí)以上，因此選擇了優(yōu)貝特24 V 20 ah定制式鋰電池。

2.3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)所用到的24 V直流齒輪減速電機(jī)，是一種直流大力矩調(diào)速正反轉(zhuǎn)減速電機(jī)。電機(jī)在調(diào)速時(shí)采用調(diào)壓調(diào)速，可以盡量減小噪音和履帶遙控車在負(fù)載運(yùn)行時(shí)的震動(dòng)。減速電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路是一塊由電位器改變電壓值的電源轉(zhuǎn)換模塊，主要由通用時(shí)基電路NE555P、N溝道P75NF75三極管、L7812CV三端穩(wěn)壓集成塊和數(shù)字電位器構(gòu)成。其中NE555P時(shí)基電路由數(shù)字電位器器完成特點(diǎn)振蕩延時(shí)作用；P75NF75三極管是導(dǎo)電方式增強(qiáng)型的三極管；L7812CV集成塊是DC 12-24 V的輸入輸出穩(wěn)壓管；數(shù)字電壓器是可調(diào)共100階100 kΩ的數(shù)字電阻。

通過(guò)各個(gè)原件的協(xié)同工作，保證了電機(jī)運(yùn)行。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖5所示。

2.3.3 車兩側(cè)電機(jī)同步的設(shè)計(jì)

由于履帶車左右履帶分別由兩側(cè)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，為保證兩側(cè)電機(jī)同步。系統(tǒng)在兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)軸前端延長(zhǎng)部分分別用聯(lián)軸器連上碼盤編碼器，讀取左右電機(jī)的不同瞬時(shí)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，再經(jīng)過(guò)主控制器模擬PID運(yùn)算，輸出控制信號(hào)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)同步功能。

編碼器是將信號(hào)或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲(chǔ)的信號(hào)形式的設(shè)備。編碼器把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，前者稱為碼盤，后者稱為碼尺。按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對(duì)式兩類。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。絕對(duì)式編碼器的每一個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測(cè)量的起始和終止位置有關(guān)，而與測(cè)量的中間過(guò)程無(wú)關(guān)。

根據(jù)系統(tǒng)同步設(shè)計(jì)的要求，選擇的編碼器是歐姆龍E6A2 CS5C 100 p/r脈沖光電增量式碼盤編碼器。編碼器軸徑4 mm，電壓12-24 V DC，分辨率100 p/r。編碼器實(shí)物圖如圖6所示。它將電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)。

該型號(hào)編碼器有3條引線，其中1條是A相脈沖輸出線，1條是COM端線，1條是電源線（OC門輸出型）。編碼器的電源直接接外接電源，如圖7所示。電源“-”端與編碼器的COM端連接，“+ ”與編碼器的電源端連接；編碼器的COM端與主控制器輸入COM端連接；A相脈沖輸出線直接與主控制器的輸入端連接，脈沖信號(hào)直接輸入給主控制器，利用主控制器的計(jì)數(shù)器對(duì)其脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，以獲得測(cè)量結(jié)果。

2.4 供電電源模塊

供電電源模塊主要用作對(duì)主控制器模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊提供專用電源。

設(shè)計(jì)的供電電源模塊由三路專用的供電電源提供給履帶遙控車。一路24V電源由電池經(jīng)DC24/12-DC5降壓模塊降壓之后，為其提供穩(wěn)定可靠的5V專用電源，所用到的降壓模塊主要由高效率大電流降壓芯片TPS40057、TPCA8016-H MOSFET N通道構(gòu)成，被降電壓經(jīng)過(guò)N通道的邏輯電平門最后通過(guò)大電流降壓芯片TPS40057（TPS40057原理圖如圖8所示）進(jìn)行降壓，為主控制器提供電源；另一路直接連接24V電源正負(fù)極至電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊正負(fù)端子，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制對(duì)電機(jī)供電；最后一路直接向編碼器供電。

3 軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用Keil μVision4進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)中系統(tǒng)軟件包括主函數(shù)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)函數(shù)函數(shù)。對(duì)單片機(jī)和一些外圍器件需要進(jìn)行初始化才能正常使用的器件進(jìn)行初始化和重新賦值一些變量，初始化完后進(jìn)去死循環(huán)，如果不進(jìn)入死循環(huán)程序運(yùn)行一次就會(huì)退出，如果加入死循環(huán)程序就會(huì)不斷地進(jìn)行循環(huán)達(dá)到實(shí)時(shí)檢測(cè)執(zhí)行的目的。

程序主要完成系統(tǒng)、遙控模塊初始化和控制電機(jī)運(yùn)作等功能。

系統(tǒng)初始化由定時(shí)器10 ms的定時(shí)，對(duì)單片機(jī)和遙控模塊等進(jìn)行初始化和重新賦值。初始化完后進(jìn)入主程序。首先檢查是否接收到遙控信號(hào)，如有信號(hào)，由單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行處理。由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用數(shù)字電位器調(diào)壓的方式，單片機(jī)I/O口段時(shí)間發(fā)送一段脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)電位器的某一阻值，從而改變電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)電機(jī)提供電源的電壓值達(dá)到控制電機(jī)的目的。履帶車兩側(cè)編碼器會(huì)在車不同運(yùn)行狀態(tài)下返回兩側(cè)不同速度數(shù)據(jù)，經(jīng)主控制器對(duì)該階段反饋的速度數(shù)據(jù)進(jìn)行pid運(yùn)算比較，對(duì)數(shù)字電位器進(jìn)行微調(diào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩電機(jī)同步的要求。程序流程圖見(jiàn)圖9。

4 結(jié)論

為一小型全地形履帶車設(shè)計(jì)了其控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)應(yīng)用到履帶車上，在額定載重、全地形工況下，履帶車載運(yùn)貨物行進(jìn)、轉(zhuǎn)向和變速的操控性能良好，能夠在穩(wěn)定的跨越草地、石子路、樓梯等障礙的同時(shí)保持車兩側(cè)履帶速度同步，保持了履帶車的設(shè)計(jì)運(yùn)載能力。所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)完全滿足履帶車運(yùn)行控制的要求。

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作者簡(jiǎn)介

龐根蒂（1995-），男，四川省德陽(yáng)市人。大學(xué)本科學(xué)歷。2013級(jí)自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生。

作者單位

1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 遼寧省沈陽(yáng)市 110159

2.沈陽(yáng)理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院 遼寧省沈陽(yáng)市 110159