基于CAN總線的輪式機(jī)器人分布式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張艷芬，李彬彬，劉旭東

（營(yíng)口職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 營(yíng)口115000）

0 引言

機(jī)器人技術(shù)起源于美國(guó).從20世紀(jì)60年代美國(guó)第一個(gè)提出工業(yè)機(jī)器人概念起，至今機(jī)器人技術(shù)一直是科技研發(fā)項(xiàng)目的重點(diǎn)和熱點(diǎn).機(jī)器人的發(fā)展加速了產(chǎn)業(yè)化，有效地解決了當(dāng)今社會(huì)面臨的老齡化、勞動(dòng)力匱乏的現(xiàn)狀，在機(jī)械制造、電子產(chǎn)品、汽車產(chǎn)業(yè)等生產(chǎn)領(lǐng)域中大幅提升生產(chǎn)效率.我國(guó)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)研究在2010年開始，也出現(xiàn)大幅增長(zhǎng)，使用率上雖遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家，但隨著國(guó)內(nèi)的新松機(jī)器人、大疆創(chuàng)新科技等一批科技公司的不斷壯大，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)入快速發(fā)展期.

機(jī)器人中移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用最廣，其中輪式機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低，更受用戶歡迎.本文提出了一種基于CAN總線的輪式機(jī)器人，以遠(yuǎn)程第一視角遙控系統(tǒng).在輪式機(jī)器人上面安裝無線接收模塊，接收遙控器發(fā)送的控制命令.在接收到控制命令后，輪式機(jī)器人上主控板通過一路CAN總線發(fā)送控制命令到4個(gè)麥克納姆輪控制板以實(shí)現(xiàn)車身的移動(dòng)控制，通過另一路CAN總線發(fā)送控制命令到云臺(tái)控制板，實(shí)現(xiàn)兩軸云臺(tái)的控制，云臺(tái)主控板通過CAN總線發(fā)送控制命令到發(fā)彈機(jī)構(gòu)控制板實(shí)現(xiàn)發(fā)彈機(jī)構(gòu)的控制［1～3］.

1 輪式機(jī)器人結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 輪式機(jī)器人結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)的輪式機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖1（見 79頁(yè)）所示.整個(gè)輪式機(jī)器人包括1個(gè)鋁合金底盤，4個(gè)麥克納姆輪，1個(gè)兩軸云臺(tái)，1套發(fā)彈機(jī)構(gòu)，在此結(jié)構(gòu)上再添加電控部分即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的功能設(shè)計(jì).

輪式機(jī)器人主要采用分布式控制，控制系統(tǒng)采用分布式設(shè)計(jì).分布式控制系統(tǒng)在移動(dòng)機(jī)器人上的成功應(yīng)用，使移動(dòng)機(jī)器人模塊化得以實(shí)現(xiàn)和發(fā)展，與傳統(tǒng)機(jī)器人相比，具有性能可靠、使用簡(jiǎn)單、容錯(cuò)性高、成本低等優(yōu)點(diǎn).

1.2 輪式機(jī)器人控制要求

本設(shè)計(jì)的輪式機(jī)器人要達(dá)到以下性能指標(biāo)： （1）機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)全向移動(dòng)； （2）機(jī)器人發(fā)射“BB彈”能夠控制單發(fā)或連發(fā)；（3）機(jī)器人兩軸云臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)平穩(wěn)控制；（4）機(jī)器人系統(tǒng)主控板和直流電機(jī)控制板DC24V供電；（5）機(jī)器人云臺(tái)控制板DC12V供電；（6）機(jī)器人整車CAN總線通信速率為1MBit／s.

1.3 輪式機(jī)器人工作原理

本設(shè)計(jì)的輪式機(jī)器人通過在機(jī)器人上面安裝攝像頭，通過實(shí)時(shí)圖像傳回機(jī)器人的周圍環(huán)境及自身狀態(tài)，機(jī)器人操作者作出分析后通過遙控器發(fā)送控制命令來控制機(jī)器人.為此，在機(jī)器人上面有一個(gè)總控制節(jié)點(diǎn)來接收遙控器的控制命令并作出分析.在分析完控制命令后，主控制節(jié)點(diǎn)會(huì)把相應(yīng)的控制命令通過CAN總線發(fā)送到下一級(jí)的控制節(jié)點(diǎn).移動(dòng)機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)全向移動(dòng)，需有4個(gè)麥克納姆輪，通過4個(gè)麥克納姆輪力的分解與合并，機(jī)器人便可以實(shí)現(xiàn)水平向左、向右、向前、向后、原地旋轉(zhuǎn)等移動(dòng).為此機(jī)器人上面需要有4個(gè)麥克納姆輪控制節(jié)點(diǎn)，這4個(gè)控制節(jié)點(diǎn)可以通過CAN總線接收主控制節(jié)點(diǎn)的控制命令，并通過PID控制算法對(duì)麥克納姆輪進(jìn)行調(diào)速.機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)對(duì)兩軸云臺(tái)平穩(wěn)控制，還要有1個(gè)云臺(tái)控制節(jié)點(diǎn).云臺(tái)控制節(jié)點(diǎn)可以通過CAN總線接收控制命令，還可以通過另一路CAN總線接收云臺(tái)電機(jī)發(fā)回的數(shù)據(jù).通過對(duì)控制命令的分析和云臺(tái)電機(jī)數(shù)據(jù)的解析，借助串級(jí)PID控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)兩軸云臺(tái)的平穩(wěn)控制.機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)發(fā)射 “彈丸”功能，所以還需有一個(gè)發(fā)彈控制板，通過接收命令，調(diào)節(jié)送彈電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間控制發(fā)彈數(shù)量.輪式機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示.

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 輪式機(jī)器人電路設(shè)計(jì)

機(jī)器人系統(tǒng)的電路板主要有兩部分，一部分是主控電路板，可以作為底盤主控制板，另一部分是直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)板.

主控制電路板主要包括電源電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、CAN總線接口電路、蜂鳴器報(bào)警電路、指示燈電路.主控電路主要完成遙控器數(shù)據(jù)的接收、分析、處理，通過兩路CAN總線下發(fā)控制命令給4個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板和云臺(tái)控制板.云臺(tái)控制也采用這一塊主控制板.

電機(jī)驅(qū)動(dòng)板主要包括電源電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、CAN總線接口電路、蜂鳴器報(bào)警電路、指示燈電路、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路.電機(jī)驅(qū)動(dòng)板主要完成直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和接收CAN總線命令.本設(shè)計(jì)的輪式機(jī)器人底盤直流電機(jī)和送彈直流電機(jī)都由此驅(qū)動(dòng)板控制.

本設(shè)計(jì)的輪式機(jī)器人的整車通信是CAN總線，所以在每一塊電路板上面都要有CAN接口電路，本設(shè)計(jì)采用了致遠(yuǎn)電子的CTM1051（A）MCAN總線模塊.

2.2 主控制板單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的輪式機(jī)器人底盤主控制板需要兩路CAN總線接口，并且需要處理大量的數(shù)據(jù)，所以采用高性能的STM32F405單片機(jī)來作為主控電路板的核心，如圖3（見 80頁(yè)）所示.STM32F405系列是基于高性能的ARM Cortex－M4 32位精簡(jiǎn)指令集，核心運(yùn)行頻率168MHz.Cortex－M4核心功能的浮點(diǎn)單元 （單精度浮點(diǎn)運(yùn)算單元），支持所有單精度數(shù)據(jù)處理指令和數(shù)據(jù)類型.它還實(shí)現(xiàn)了全套數(shù)字信號(hào)處理器指令和內(nèi)存保護(hù)單元 （微控制器），提高了應(yīng)用程序的性能.

本系統(tǒng)采用高速嵌入式存儲(chǔ)器和4字節(jié)備份存儲(chǔ)器，標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)和外設(shè)連接接口和一個(gè)32位multi－ahb總線矩陣；提供3個(gè)12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器，低功耗的時(shí)鐘，12個(gè)通用的16位定時(shí)器，包括脈寬調(diào)制定時(shí)器的電機(jī)控制，兩用32位定時(shí)器，1個(gè)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器 （測(cè)距），它還具有標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口［4、5］.

3 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的主控制板主要實(shí)現(xiàn)接收遙控器命令，對(duì)命令進(jìn)行解析，然后發(fā)送控制命令給底盤電機(jī)控制板，直接轉(zhuǎn)發(fā)云臺(tái)控制命令和發(fā)彈電機(jī)控制命令.主控制板軟件流程如圖4（見 81頁(yè)）所示.

首先完成單片機(jī)各個(gè)應(yīng)用外設(shè)的初始化，然后給下一級(jí)通信節(jié)點(diǎn)發(fā)送通信測(cè)試命令測(cè)試通信是否正常.如果通信不正常，則通過蜂鳴器報(bào)警.通信測(cè)試成功之后，程序一直等待遙控器數(shù)據(jù)的到來.當(dāng)收到一幀遙控器數(shù)據(jù)之后，主控制板對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，得到底盤控制命令，然后將命令發(fā)送給底盤控制電路板.對(duì)于云臺(tái)控制命令和送彈電機(jī)的控制命令，主控制板直接透?jìng)鹘o云臺(tái)控制板.

本設(shè)計(jì)的輪式機(jī)器人有4個(gè)麥克納姆輪.每一個(gè)麥克納姆輪有一個(gè)直流電機(jī)，每一個(gè)直流電機(jī)有一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，利用H橋去驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，利用直流電機(jī)編碼器返回的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制.速度的設(shè)定值來自于機(jī)器人主控制板.電機(jī)驅(qū)動(dòng)板的工作流程如圖5所示.

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)的輪式機(jī)器人采用了分布式控制，很好地體現(xiàn)了分布式控制 “分散控制，集中監(jiān)控”的特點(diǎn).線路連接緊湊、有序，保證了系統(tǒng)穩(wěn)定性；采用了高性能的STM32單片機(jī)作為控制芯片，使得算法能夠快速、高效的實(shí)現(xiàn)；采用麥克納姆輪，這種獨(dú)特的輪子加上性能優(yōu)良的直流電機(jī)和高效的控制算法，使得輪式機(jī)器人可以快速完成全方位的移動(dòng).本設(shè)計(jì)的輪式機(jī)器人應(yīng)用廣泛，其獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)方式，使得其具有很好的靈活性，更容易在狹小空間活動(dòng)，所以可以作為在狹小空間使用的監(jiān)控機(jī)器人.針對(duì)其獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)方式和具有射擊能力，可以改進(jìn)作為一款玩具，培養(yǎng)青少年科技興趣，鍛煉他們的動(dòng)手能力.