基于STM32的電梯導軌機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

李大琳　何鑫　陳濤

摘? ?要：文章實現(xiàn)了一種基于STM32單片機的高精度電梯導軌機器人控制系統(tǒng)。為保證系統(tǒng)安全，系統(tǒng)采用“自主+人工”的混合控制策略。根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場及項目的實際需要，該控制系統(tǒng)以STM32F104為控制核心，采用基于事件的實時系統(tǒng)設(shè)計思想，可以為機器人同時提供4路PWM電機控制信號輸出，4路數(shù)字控制信號輸出，10路數(shù)字傳感器輸入，1路AD輸入以及1個最高波特率為115 200 bps的全雙工RS485高速串行通信端口，并且可以根據(jù)電梯井的實際情況選配無線通信模塊。該控制系統(tǒng)能夠滿足30層以下建筑的各型電梯的巡檢、清理和日常維護需要。

關(guān)鍵詞：STM32;電梯導軌;機器人;控制系統(tǒng)

1? ? 電梯使用與維修

隨著我國高層建筑物的不斷增加，電梯的使用越來越廣泛。目前，電梯的使用有兩個突出特征：一是高層建筑增多，導致電梯工作行程增加，對電梯導軌的整體垂直度保證要求提高;二是隨著住宅小區(qū)的建設(shè)，電梯布置的密度增加，有些小區(qū)一棟建筑之內(nèi)就有3部電梯，導致電梯日常維護的強度增加。因此，如何保證電梯導軌維護工作效率，降低電梯導軌維護工作強度，保證電梯導軌維護質(zhì)量，成為在電梯的設(shè)計和使用過程中非常重要的問題。

目前業(yè)界有一些商用的電梯導軌巡檢和維護機器人產(chǎn)品[1]，我國國內(nèi)高校也提出了相關(guān)設(shè)計方案[2]。本文根據(jù)所在項目的實際需要，提出了基于以ARM-M3為核心的STM32單片機為控制器的電梯導軌機器人控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以滿足電梯導軌巡檢、清理和日常維護工作的控制需要，在性能和成本上取得平衡，是一種既能保證電梯導軌維護質(zhì)量，又具有商業(yè)推廣價值的方案。

2? ? 電梯導軌機器人

電梯導軌機器人的工作原理如圖1所示。機器人通過“磁輪+膠輪+安全鉤鎖”的方式吸附于電梯導軌，能夠同時保證吸附力、接觸誤差和安全定位，同時按照指令驅(qū)動電機帶動機器人在導軌上運動，并且控制各項傳感器和執(zhí)行器完成導軌的數(shù)據(jù)采集和簡單清理維護工作。本文所設(shè)計的機器人采用“自主+人工”的混合控制策略，機器人根據(jù)預(yù)設(shè)程序以及傳感器的輸入自主完成數(shù)據(jù)采集，并把數(shù)據(jù)通過串口傳給上位機。同時，機器人還能夠根據(jù)工作人員的指令，對導軌進行簡單維護（灰塵清理、緊固件狀態(tài)檢查）。

3? ? 基于STM32的電梯導軌機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1? 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

電梯導軌機器人的控制系統(tǒng)主要由控制模塊和通信模塊兩大部分組成，如圖2所示。其中，控制模塊又分為傳感器輸入、控制信號輸出兩部分，分別完成數(shù)據(jù)采集和機器人運動控制和導軌維護執(zhí)行器控制。通信模塊主要是RS485串行通信，該協(xié)議通信距離為1 200 m，最高通信速率為10 Mb/s，完全可以滿足電梯維護工作需要。如果需要加裝攝像頭進行視頻檢測，由于視頻傳輸?shù)母叽a率需要，系統(tǒng)需要為攝像頭配置專門的信號傳輸線路。

3.2? 控制系統(tǒng)主要功能子系統(tǒng)設(shè)計

3.2.1? 動力子系統(tǒng)設(shè)計

由于本文涉及的機器人使用的是瑞士產(chǎn)Maxon空心杯直流電機，可以提供21 Nm的扭矩，所以直接使用系統(tǒng)輸出的PWM信號驅(qū)動電機控制器來進行電機控制。另外，結(jié)合STM32的高精度PWM信號輸出，可以為電機提供精度為0.1°的控制信號，同時為電機加裝編碼盤，可以實現(xiàn)閉環(huán)控制，進一步提高精度。

3.2.2? 執(zhí)行器控制子系統(tǒng)設(shè)計

用1路PWM信號驅(qū)動吸塵器電機，實現(xiàn)軌道清潔;2路PWM信號驅(qū)動機械臂電機，實現(xiàn)360°視頻拍攝。

3.2.3? 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)設(shè)計

采用激光測距傳感器測量導軌間距，以保證導軌的相對垂直度;用導軌接頭感應(yīng)器判斷導軌接頭凸起，以保證電梯的平穩(wěn)工作。系統(tǒng)首先將采集數(shù)據(jù)緩存在STM32的Flash存儲器中，然后通過筆者設(shè)計的基于RS485和重傳的安全數(shù)據(jù)通信協(xié)議，將數(shù)據(jù)發(fā)給上位機并完成測量結(jié)果相關(guān)計算[3]。并且，系統(tǒng)為業(yè)界通用的高精度傳感器（二維位置敏感探測器[4]）預(yù)留了1路AD接口，可以通過串口發(fā)送命令進行功能激活。由于二維位置敏感探測器成本較高，一般只在導軌垂直精度校正時使用。

3.2.4? 供電子系統(tǒng)設(shè)計

由于動力輪、吸塵器電機以及機械臂電機總和功率相當大，本系統(tǒng)采用“主電源+備用電”的方案，主電源通過線纜直接為系統(tǒng)供電，起到一定的安全保護作用。機器人攜帶電池作為應(yīng)急備用電源，當主電源停電后，通過備用電池提供動力，可以保證機器人自主行駛到安全位置。

4? ? 系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)在項目所在辦公樓進行了測試，測試環(huán)境如表1所示。

實驗過程中，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、振動小、測試精度高，但吸塵器和測試傳感器不能同時工作，因為吸塵器引起系統(tǒng)的振動會影響精度。

5? ? 結(jié)語

經(jīng)過試驗證明，本文所設(shè)計基于STM32的電梯軌道機器人控制系統(tǒng)能夠滿足所在項目需求，并且具有精度高、功耗低、穩(wěn)定性好以及通用性強等特點。系統(tǒng)能夠在性能和成本上取得平衡，是一種既能保證電梯導軌維護質(zhì)量，又具有商業(yè)推廣價值的方案。

[參考文獻]

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[3]ZIQIANG Y，SHENGQI L.High accuracy error separation technique for on-machine measuring straightness[J].Precision Engineering，2006（30）：192-200.

[4]Keyence公司.激光傳感器用戶手冊[Z].LR—W，2017.

Abstract：In this paper， a high-precision elevator guide rail robot control system based on STM32 single chip microcomputer is realized. In order to ensure the safety of the system， the hybrid control strategy of“autonomous + manual”is adopted. According to the actual needs of the industrial site and the project， the control system takes STM32F104 as the control core and adopts the design idea of event based real-time system. It can provide the robot with four PWM motor control signal outputs， 4 digital control signal outputs， 10 digital sensor inputs， one ad input， and one full duplex RS485 high-speed serial communication with the highest baud rate of 115 200 bps The wireless communication module can be selected according to the actual situation of the elevator shaft. The control system can meet the needs of inspection， cleaning and daily maintenance of all types of elevators in buildings below 30 floors.

Key words：STM32; elevator guide; robot; control system