激光雷達(dá)云臺開發(fā)

曾加柱 洪鑫龍 王世龍 覃柏偉

（中國民航大學(xué)，天津300000）

云臺作為光電一體化設(shè)備的載體，可搭載激光雷達(dá)、監(jiān)控攝像頭、探照燈等設(shè)備，以實現(xiàn)設(shè)備自由度和工作空間的擴(kuò)展。大型云臺的應(yīng)用上有農(nóng)業(yè)機(jī)器人云臺、全海深水下云臺，農(nóng)業(yè)機(jī)器人云臺在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有農(nóng)作物噴灑、園林監(jiān)控等作用，水下云臺技術(shù)常應(yīng)用于攝影拍攝、水下結(jié)構(gòu)監(jiān)控和水下機(jī)器人作業(yè)設(shè)備中。此款激光雷達(dá)云臺即是在便攜式云臺及較大型電動云臺的基礎(chǔ)上，進(jìn)行云臺結(jié)構(gòu)設(shè)計的補(bǔ)缺與控制性能的增強(qiáng)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 云臺材料選擇

根據(jù)設(shè)計需求，本云臺應(yīng)具有5kg 的載重要求，所以云臺材料的選擇既要滿足載重情況下不發(fā)生形變的強(qiáng)度要求，也要降低云臺內(nèi)部轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)的性能損耗。因此云臺的俯仰運(yùn)動機(jī)構(gòu)以及用于安裝電機(jī)、傳動軸、齒輪、軸承的水平轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)采用高強(qiáng)度鋁。云臺底座配合俯仰和水平運(yùn)動，用于承載云臺整體自重且內(nèi)部無設(shè)計運(yùn)動部件，故采用強(qiáng)度更高、密度更大的鑄鐵材料。

圖1 激光雷達(dá)云臺結(jié)構(gòu)

1.2 俯仰轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)

與激光雷達(dá)連接的俯仰運(yùn)動板塊1，其尺寸為250*160 厚度為6，并在其上開孔，用于云臺與雷達(dá)、載重物等兼容連接。平衡板塊用于俯仰運(yùn)動板與俯仰運(yùn)動軸連接。平衡板2 的尺寸為上部160 下部70 高度200，上部到下部逐漸縮短，此平衡板與俯仰運(yùn)動板通過螺釘螺母配合連接。平衡板通過螺孔與固定法蘭軸座螺釘螺母連接，法蘭座與俯仰運(yùn)動軸無頭內(nèi)六角螺絲連接，可以實現(xiàn)俯仰運(yùn)動軸帶動平衡板轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動俯仰平臺和載重物做俯仰運(yùn)動，如圖1。

1.3 水平轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)

水平轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)分為用于裝載電機(jī)、安裝轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)、軸承的部分和用于承載云臺整體質(zhì)量的底座部分。為安放電機(jī)支架、軸承、軸及連接板材需在A、B、C、D 各板材上打光孔。為整體美觀又盡量減輕自重，在中部沒有承重板材覆蓋區(qū)域設(shè)計樹脂板3材進(jìn)行覆蓋。用于承載云臺整體重量的底座4 是通過板材焊接形成中空的五面立方體，其尺寸為150*150*100 厚度8mm。在此底座上部設(shè)計挖空槽并在槽內(nèi)打上螺紋孔用于放置固定水平轉(zhuǎn)動作用軸的固定法蘭軸座。用螺釘螺母將云臺底座開口一面與一塊鐵板5 連接封底，此鐵板尺寸為350*350*8。

2 機(jī)械傳動設(shè)計

2.1 俯仰運(yùn)動

俯仰運(yùn)動傳動設(shè)計，電機(jī)通過電機(jī)支架固定于水平轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)的上方，軸向為水平方向。通過一對齒數(shù)40 和80、模數(shù)為1的齒輪將步進(jìn)電機(jī)扭矩傳遞到俯仰運(yùn)動軸上，通過電機(jī)的轉(zhuǎn)動齒輪的傳動從而帶動俯仰運(yùn)動軸轉(zhuǎn)動。俯仰運(yùn)動軸為一根軸徑10mm 長度250mm 的光桿軸，其轉(zhuǎn)動即可以帶動所設(shè)計的俯仰轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動。

2.2 水平運(yùn)動

水平運(yùn)動傳動設(shè)計電機(jī)通過電機(jī)支架固定在水平轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)內(nèi)，軸向為豎直方向。通過一對齒數(shù)40 和80、模數(shù)為1 的齒輪將步進(jìn)電機(jī)軸產(chǎn)生的扭矩傳遞到水平轉(zhuǎn)動作用軸。水平轉(zhuǎn)動作用軸為一根外徑16mm 內(nèi)徑10mm 長度200mm 的空心軸，此軸底部用固定法蘭軸座與底座固定連接，這根軸的上部通過軸承與水平轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)內(nèi)部連接。與俯仰運(yùn)動不同，所設(shè)計的水平轉(zhuǎn)動是水平轉(zhuǎn)動作用軸和固定在這根軸上的齒輪相對地面不轉(zhuǎn)動，而是與電機(jī)軸相連接的齒輪繞水平作用軸做圓周運(yùn)動。

圖2 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)框圖

3 控制電路設(shè)計

控制電路使用51 單片機(jī)，遠(yuǎn)程控制部分采用HC-05 藍(lán)牙模塊。控制電路如圖2 所示。

3.1 單片機(jī)

單片機(jī)選用51 單片機(jī)，作為基礎(chǔ)入門的單片機(jī)，其雖然結(jié)構(gòu)簡單，但能夠很好的完成對于步進(jìn)電機(jī)的基本控制?？刂菩酒x用STC89C516，其是STC 推出的新一代超強(qiáng)抗干擾/高速/ 低功耗的51 單片機(jī)，它是采用8051 核的ISP（In System Programming）在系統(tǒng)可編程芯片，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051 單片機(jī)。

3.2 步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。云臺使用的電機(jī)為57 步進(jìn)電機(jī)，其為兩相四線制步進(jìn)電機(jī)，主要特點是低噪音、大力矩、運(yùn)行穩(wěn)定。電機(jī)四線為A+、A-、B+、B-，當(dāng)按照A+、A-、B+、B- 的順序輸送脈沖時，電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)按照A-、A+、B-、B+的順序輸送脈沖時，電機(jī)反轉(zhuǎn)。

3.3 步進(jìn)電機(jī)控制器

步進(jìn)電機(jī)控制器選用的是DM524 低熱量數(shù)字驅(qū)動器。驅(qū)動器的供電電壓可達(dá)48V（DC），輸出的電流峰值可達(dá)4.2A，電氣隔離采用了光隔離，輸入可以共陰、共陽、差分信號，脈沖最高響應(yīng)頻率200KHz。驅(qū)動器的優(yōu)點為低速零震動，且噪音及小，以及抗干擾能力強(qiáng)，在電網(wǎng)惡劣的環(huán)境里，可以實現(xiàn)高精度定位。其廣泛應(yīng)用于自動包裝機(jī)、點膠機(jī)、雕刻機(jī)等自動化設(shè)備，對于以前用到有震動和噪音較大的用戶有明顯改善。驅(qū)動器的應(yīng)用范圍為所有法蘭盤為42、57 步進(jìn)電機(jī)以及86 電機(jī)機(jī)身長度在80毫米以下所有電機(jī)。

DM524 有三個接口，分別為信號接口、電機(jī)接口、電源接口。信號接口的PUL＋和PUL－為控制脈沖信號正端和負(fù)端；DIR＋和DIR－為方向信號正端和負(fù)端；ENA＋和ENA－為使能信號的正端和負(fù)端。電機(jī)接口的A＋和A－接步進(jìn)電機(jī)A 相繞組的正負(fù)端；B＋和B－接步進(jìn)電機(jī)B 相繞組的正負(fù)端。當(dāng)A、B 兩相繞組調(diào)換時，可使電機(jī)方向反向。電源接口采用直流電源供電，工作電壓范圍為20－50VDC，電源功率大于100W。

驅(qū)動器有紅綠兩個指示燈。其中綠燈為電源指示燈，當(dāng)驅(qū)動器上電后綠燈閃爍；紅燈為故障指示燈，當(dāng)出現(xiàn)過壓、過流故障時，故障燈常亮。故障清除后，紅燈滅。當(dāng)驅(qū)動器出現(xiàn)故障時，只有重新上電和重新使能才能清除故障。

驅(qū)動器可以改變其細(xì)分程度來調(diào)整步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的精度，當(dāng)控制器細(xì)分精度為3200 步/ 轉(zhuǎn)時，步進(jìn)電機(jī)每步轉(zhuǎn)動360/3200=0.1125°，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)需要轉(zhuǎn)動90°時，步進(jìn)電機(jī)走過的步數(shù)，即控制器接受到的脈沖為90/0.1125=800。

3.4 藍(lán)牙模塊

遠(yuǎn)程控制初步的方案分為WiFi 控制、紅外控制及藍(lán)牙控制。WiFi 控制受限于網(wǎng)絡(luò)的波動，不能滿足激光雷達(dá)對于精度的要求。而紅外控制的距離相較于藍(lán)牙控制較短，所以遠(yuǎn)程控制最終選用藍(lán)牙控制。上位機(jī)藍(lán)牙連接單片機(jī)藍(lán)牙模塊，對單片機(jī)的串口發(fā)送信息，單片機(jī)接受到信息后，對步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器發(fā)出相應(yīng)的指令，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度。

藍(lán)牙模塊選用HC-05，其是一款高性能的主從一體藍(lán)牙串口模塊，可以同各種帶藍(lán)牙功能的電腦、藍(lán)牙主機(jī)、手機(jī)、PDA、PSP 等智能終端配對，該模塊支持非常寬的波特率范圍：4800～1382400，并且兼容5V 或3.3V 單片機(jī)系統(tǒng)。

3.5 電源

云臺由220V 轉(zhuǎn)24V 的直流開關(guān)電源供電。開關(guān)電源是通過控制電力電子器件周期性的開通和關(guān)斷，對輸入的電壓進(jìn)行脈寬的調(diào)制，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓和自動穩(wěn)壓的功能。開關(guān)電源具有小型、輕量化、高效率的特點。開關(guān)電源的效率比線性電源高，因為開關(guān)電源工作時，晶體管多在飽和區(qū)與截至區(qū)切換，耗散較低。而線性電源工作時，晶體管工作在放大區(qū)，本身消耗電能。開關(guān)電源耗散低從而產(chǎn)生的熱量小，不會影響激光雷達(dá)的正常工作。

4 實驗結(jié)論

通過云臺外型結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步設(shè)計并利用仿真軟件進(jìn)行模擬，驗證了云臺結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的可靠性。選用57 型步進(jìn)電機(jī)能夠滿足云臺載重5kg 的要求，選用51 單片機(jī)系統(tǒng)加裝藍(lán)牙模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對于云臺的遠(yuǎn)程控制。該實驗驗證了加裝了控制器的步進(jìn)電機(jī)有良好的閉環(huán)控制性能，而51 單片機(jī)系統(tǒng)可以通過簡便穩(wěn)定的控制完成對于云臺旋轉(zhuǎn)的精細(xì)操作。

結(jié)束語

激光雷達(dá)云臺是一種二自由度云臺，可以協(xié)助激光雷達(dá)高效、快速的實現(xiàn)工作任務(wù)。本文介紹了關(guān)于激光雷達(dá)云臺的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計以及控制電路的設(shè)計，通過兩個步進(jìn)電機(jī)實現(xiàn)云臺水平以及垂直方向的旋轉(zhuǎn)，控制電路加裝藍(lán)牙模塊，可以通過遠(yuǎn)程控制信號操控云臺，調(diào)整激光雷達(dá)的掃描區(qū)域。電機(jī)選用了帶控制器的步進(jìn)電機(jī)，在兼具一定閉環(huán)控制能力的同時，又降低了云臺的成本。此款雷達(dá)云臺在航空航天、戶外設(shè)備及特種設(shè)備等領(lǐng)域都有著很好的應(yīng)用場景。