基于PMAC的數(shù)碼迷彩噴涂機器人運動控制方法

張延超，張永濤，盧紅旗，王慧武，高 揚

（1.西安理工大學 機械與精密儀器工程學院，西安 710048；2.長安大學 汽車學院，西安 710064）

0 引言

地面建筑或物體的偽裝已經(jīng)成為應(yīng)對高空偵察的主要技術(shù)手段，有效的偽裝手段可以保證軍事目標的安全性[1～4]。數(shù)碼迷彩作為一種新式的利用“像素”原理的偽裝手段，相比于傳統(tǒng)迷彩隱蔽性更強，在應(yīng)對高空偵察方面具有較大優(yōu)勢。但目前市場上缺少對數(shù)碼迷彩等多色圖案進行快速精確噴涂的產(chǎn)品，國內(nèi)軍事偽裝技術(shù)中主要依靠人工進行數(shù)碼迷彩噴涂，人工噴涂不但效率較低，極易出錯，而且難以保證噴涂邊界的精度，直接影響到軍事偽裝進度和偽裝效果[5,6]?，F(xiàn)有噴涂機器人多以單色噴涂為主。初苗等[7]基于PLC控制的兩槍式直角坐標機器人樣機提出一種數(shù)碼迷彩機器人快速控制算法，并進行試驗驗證可以完成雙色噴涂，其中指出噴涂作業(yè)中存在系統(tǒng)響應(yīng)時間。同時數(shù)碼迷彩主色通常由3～5種顏色組成[8]，因此對于偽裝效率和效果而言，有必要開展多把噴槍噴涂機器人和考慮系統(tǒng)響應(yīng)時間等方面的研究。

本文以PMAC運動控制器和上位機為控制平臺設(shè)計了一種新型數(shù)碼迷彩噴涂機器人，可以同時搭載四把噴槍，一方面避免了單噴槍換色噴涂面臨的管路顏色殘留、混色、清洗、對漆料要求較高等問題；另一方面，采用四把噴槍基本可以一次性完成數(shù)碼迷彩噴涂作業(yè)?？刂扑惴ǚ矫?，考慮系統(tǒng)響應(yīng)時間的因素，提出了一種噴涂機器人的快速控制算法，在減少控制單元計算量的基礎(chǔ)上可以避免不同色塊間流白或重疊現(xiàn)象，提高了噴涂效率以及精度。為數(shù)碼迷彩軍事偽裝技術(shù)的理論研究和工程實施提供重要參考。

1 噴涂機器人工作原理

數(shù)碼迷彩利用“像素”的原理，其通常可以分解為規(guī)整的方形小色塊，可以采用直角坐標機器人的結(jié)構(gòu)形式。但考慮到適應(yīng)不同列寬噴涂要求，要使噴槍與噴涂作業(yè)面的距離可調(diào)，噴涂機器人采用了三軸機器人的結(jié)構(gòu)形式。如圖1所示為噴涂機器人設(shè)計方案，通過調(diào)節(jié)噴涂機構(gòu)為水平、豎直狀態(tài)，該噴涂機器人可以完成對水平噴涂工作面、豎直噴涂工作面的噴涂作業(yè)。

圖1 噴涂機器人機械結(jié)構(gòu)示意圖

噴涂機器人主要包括行進機構(gòu)、噴涂機構(gòu)、控制柜和多噴槍模塊。其中，行進機構(gòu)主要搭載噴涂機器人噴涂機構(gòu)、控制柜和多噴槍模塊，并通過移動完成不同范圍的噴涂作業(yè)；噴涂機構(gòu)主要通過電機帶動多噴槍模塊沿直線導軌運動；控制柜通過控制伺服驅(qū)動器和電磁閥完成對多噴槍模塊運動和狀態(tài)的控制；縱向安裝的多噴槍噴涂模塊搭載四把噴槍實現(xiàn)多色的噴涂。

2 噴涂機器人運動控制方法

如圖2所示為噴涂機器人坐標系示意圖，其中X-Y平面與噴涂作業(yè)面平行，噴槍沿Y軸依次等距安裝。多噴槍模塊沿X軸和Z軸只有運動狀態(tài)無噴槍開關(guān)狀態(tài)，沿Y軸同時存在運動狀態(tài)和噴槍開關(guān)狀態(tài)。首先，根據(jù)噴涂列寬多噴槍模塊沿Z軸移動。噴涂開始時，多噴槍模塊沿Y軸運動完成單列噴涂后，再沿X軸移動進行下列噴涂，即多噴槍模塊在X-Y平面以S型軌跡完成單次噴涂作業(yè)。

圖2 噴涂機器人坐標系

如圖3所示，圖3(a)為噴槍在X-Z平面噴出的射流以噴槍噴嘴為頂點，噴涂作業(yè)面為底，其呈等腰三角形狀；圖3(b)為噴槍在噴涂作業(yè)面噴出的射流截面，其可以近似為矩形[7]。令等腰三角底邊長度為de，高為h，矩形高度為w，其中矩形寬度等于等腰三角底邊長度。

圖3 噴槍射流截面示意圖

假設(shè)噴涂作業(yè)單列色塊寬度為dw，則為適應(yīng)噴涂列寬多噴槍模塊沿Y軸移動的距離LZ為：

多噴槍模塊沿Z軸移動距離Lz后，噴槍在噴涂作業(yè)面的射流截面寬度等于噴涂列寬。

多噴槍模塊沿Y軸同時存在運動狀態(tài)和噴槍開關(guān)狀態(tài)。為實現(xiàn)快速控制，定義任一噴槍沿Y軸運動可能發(fā)生開關(guān)狀態(tài)變化的位置點為潛在顏色變化點[7]。如圖4所示為多噴槍模塊噴涂示例。其中，四把噴槍等距安裝，安裝間距為dp；方形色塊的長度為dc，寬度為dw；記初始時1號噴槍的Y坐標為y0=0,1號噴槍進入噴涂區(qū)域第一個色塊時的Y坐標為y1，即1號噴槍有距離為y1的空行程。易知潛在顏色變化點的位置為任一噴槍在噴涂區(qū)域任一色Y方向邊界時的位置。

圖4 多噴槍模塊噴涂示例

以圖第一列為例，任一噴槍只有運動到色塊邊界位置時，才可能發(fā)生開關(guān)狀態(tài)變化。為方便判斷，以1號噴槍的Y坐標為基準，則任一噴槍進入噴涂區(qū)域任一色塊時1號噴槍的Y坐標分別為：

其中，y1為單列噴涂開始前多噴槍模塊的空行程，i為噴槍編號（i=1，2，…，n），j為沿Y軸正方向的方形色塊依次編號（j=1，2，…，m，m+1），1號噴槍的Y坐標即為潛在顏色變化點的Y坐標。

當i=n且j=m+1時，即第n把噴槍離開噴涂區(qū)域第m個色塊時，為單列噴涂作業(yè)完成，則多噴槍模塊沿Y軸的行程Sy為：

其中，Ey為噴涂機器人沿Y軸的有效噴涂距離，y1為單列噴涂開始前多噴槍模塊的空行程，y2為單列噴涂結(jié)束后多噴槍模塊的空行程。

如上所述，僅需給出任一噴槍進入噴涂區(qū)域任一色塊時1號噴槍的Y坐標對應(yīng)的每把噴槍的開關(guān)狀態(tài)即可實現(xiàn)對多噴槍模塊的快速控制。但實際噴涂過程中會存在系統(tǒng)響應(yīng)時間，造成不同色塊之間流白或重疊現(xiàn)象，因此需要作出一定的位置補償以保證噴涂效果。假設(shè)多噴槍模塊的穩(wěn)定運動速度為v，系統(tǒng)響應(yīng)時間為t，則考慮系統(tǒng)響應(yīng)時間后任一噴槍在噴涂區(qū)域任一色塊Y方向邊界時1號噴槍的Y坐標為：

完成第一列噴涂后，第二列從第m個色塊開始噴涂，以此類推。多噴槍模塊沿X軸移動的距離LX為：

其中，dw為單列噴涂列寬。

多噴槍模塊在X軸方向不需要空行程，則多噴槍模塊沿X軸的行程SX為：

其中，Ex為噴涂機器人沿X軸的有效噴涂距離，k為噴涂機器人單次最大噴涂列數(shù)。

3 噴涂機器人的控制系統(tǒng)

噴涂機器人主要實現(xiàn)對平面進行數(shù)碼迷彩快速噴涂，其控制系統(tǒng)的主要功能有兩個：其一，通過伺服驅(qū)動器控制伺服電機的運動狀態(tài)，實現(xiàn)對多噴槍模塊運動的控制；其二，通過不同電磁閥的開啟和閉合控制壓縮氣體的通斷，實現(xiàn)對每把高壓無氣自動噴槍的差別控制。噴涂機器人控制系統(tǒng)的總體構(gòu)架如圖5所示。該控制系統(tǒng)主要由工控機、可編程多軸運動控制器（PMAC）和相應(yīng)執(zhí)行器組成。距離位置通過數(shù)據(jù)采集卡反饋噴槍和待噴涂作業(yè)面之間的距離，距離測定通過安裝在直角坐標噴涂機器人上的兩個高速攝像頭實現(xiàn)，電磁閥和噴槍一一對應(yīng)，通過PMAC提供的I/O接口控制電磁閥開啟和關(guān)閉。

如圖6所示為噴槍開關(guān)狀態(tài)控制原理圖，高壓無氣噴涂機實時為無氣噴槍供漆，同時空氣壓縮機通過電磁閥與高壓無氣自動噴槍連接，若電磁閥通電閥門打開，壓縮空氣通過電磁閥進入噴槍，控制噴槍開啟；反之，電磁閥斷氣后，噴槍關(guān)閉。噴涂過程由噴涂機器人中的噴涂子系統(tǒng)控制，其中噴涂子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。在噴涂模塊中安裝有多把噴槍，每把負責一種顏色的噴涂，噴涂過程中由PMAC通過控制運動卡來控制電機來讓噴涂模塊沿平行坐標軸運動，同時通過電磁閥控制噴槍的開關(guān)。

噴涂過程中是分區(qū)域作業(yè)的，即每次移動噴涂模塊后完成一個1500mm×1200mm作業(yè)面的噴涂，然后關(guān)閉系統(tǒng)移動噴涂平臺進入下一個噴涂區(qū)域進行噴涂，現(xiàn)以一個噴涂區(qū)域為例，噴涂機器人的工作流程如圖8所示。首先由上位機識別當前噴涂區(qū)域并判斷噴涂機器人噴槍是否處于初始狀態(tài)，并通過視覺判別系統(tǒng)完成噴槍初始定位，并根據(jù)當前噴涂位置識別和完成初始程序生成，而后開啟噴涂系統(tǒng)，按照預定軌跡自動控制X、Y軸驅(qū)動電機移動噴槍，同時根據(jù)程序由電磁閥適時判別開啟相應(yīng)顏色的噴槍完成當前作業(yè)區(qū)域的噴涂任務(wù)。

圖5 噴涂機器人控制系統(tǒng)

圖6 噴槍開關(guān)狀態(tài)控制原理

圖7 噴涂子系統(tǒng)工作原理

4 試驗結(jié)果

為驗證本文提出的運動控制算法和控制系統(tǒng)的有效性，根據(jù)圖1噴涂機器人設(shè)計方案和圖7噴涂機器人控制系統(tǒng)，搭建的噴涂機器人物理樣機如圖9所示。該噴涂機器人物理樣機主體框架以鋁合金為主，相比傳統(tǒng)鋼材大幅降低設(shè)備質(zhì)量，符合輕量化要求。四把噴槍沿Y軸方向等距安裝，安裝距離dp=60mm。多噴槍模塊的穩(wěn)定運動速度為0.4m/s，其單次最大有效噴涂面積為1500mm×1200mm，取單列噴涂前后的空行程y1=y2=20mm，則根據(jù)式(3)和式(6)噴涂機器人多噴槍模塊沿X、Y軸方向的行程分別為1500mm、1220mm。

圖8 噴涂機器人的工作流程

圖9 噴涂機器人物理樣機

如圖10所示，為色塊邊長dc=dp=100mm時的6行4列局部多色噴涂的試驗效果，該圖案為存在多個連續(xù)色塊同一顏色的不規(guī)則圖案，可以較好驗證本文設(shè)計和研制的物理樣機的噴涂效果。實驗中，上位機根據(jù)式(4)預先計算出所有潛在顏色變化點，僅需四次單列運動實現(xiàn)了圖示噴涂效果。說明：限制于實驗場地，試驗在橡皮紙面上進行，由于表面較為光滑，且油漆吸附能力較差，若在的水泥粗糙表面進行噴涂，效果會有進一步的提高。

如圖11所示是四色多色噴涂一個完成作業(yè)區(qū)域內(nèi)的數(shù)碼迷彩噴涂試驗結(jié)果。通過調(diào)節(jié)的油漆粘度值、噴槍開啟延遲與提前關(guān)閉時間、噴槍移動速度，獲得了理想的10cm×10cm數(shù)碼迷彩噴涂效果，在單次作業(yè)區(qū)域內(nèi)相鄰馬賽克方塊圖案之間的對接誤差≤5mm，完全達到了預期噴涂效果，完成單次作業(yè)區(qū)域的噴涂時間僅為54s，效率得到大大提高，較好的驗證了基于PMAC運動控制器的數(shù)碼迷彩噴涂效果。

圖10 多色噴涂實驗效果圖

圖11 單次作業(yè)區(qū)域內(nèi)數(shù)碼迷彩噴涂效果

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于潛在顏色變化點并且考慮系統(tǒng)響應(yīng)時間的快速噴涂控制算法，僅需在有限個潛在顏色變化點進行控制，即可完成多色噴涂作業(yè)，提高工作效率。并設(shè)計了以PMAC和工控機為控制平臺的噴涂機器人控制系統(tǒng)。通過樣機研制和多色噴涂實驗表明，利用本文設(shè)計研制的噴涂機器人對任一單列四色圖案，噴涂機器人僅需一次噴涂運動即可完成噴涂作業(yè)。數(shù)碼迷彩主色通常由3～5種顏色組成，即本文設(shè)計研制的噴涂機器可以單次完成絕大部分數(shù)碼迷彩平面噴涂作業(yè)。