（机械制造及其自动化专业论文）基于dsp的遥控喷雾机器人运动控制系统的研究.pdf

摘要 遥控方式是机器人在复杂工况下移动的一种有效控制方法。针对我国许多温室行走路径不是 很规范的特点，本文以两轮独立驱动的喷雾机器人为研究对象，综合运用d s p 、a r m 、信号处 理与无线通信技术，研n t 基于d s p ( 数字信号处理器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) 的喷雾机器人运动控制 系统，以无线遥控方式和手动方式实现了机器人的运动控制。 提出了一种基于直线跟踪的自动控制模式。利用驱动轮与车身的夹角信息，设计了基于d s p 的数字p i d 控制算法，使得机器人具有沿直线自主移动的功能。 设计制作了以l 2 9 8 n 为主要器件的基于p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，脉宽调制) 直流电 机驱动器，较好地实现了机器人的驱动轮的调速功能。 设计了基于a r m 微处理器( l p c 2 1 0 4 ) 的遥控器，实现了对机器人的远程控制，保证了机 器人操作的灵活性。 实验表明，系统运行状况良好，达到了预期的效果。 关键词：运动控制，遥控，机器人，d s p a b s t r a c t r e m o t ec o n t r o li sav e r ye f f e c t i v en a v i g a t i o nw a ye s p e c i a l l yf o rr o b o tw o r k i n gi nc o m p l e x c o n d i t i o n s c o n s i d e r i n gt h en o n s t a n d a r dp a t hi nm a n yg r e e n h o u s e sa h o m e ，am o t i o nc o n t r o ls y s t e mf o r a2 - w h e e l sd r i v e n s p r a y i n g r o b o tw a sd e v e l o p e db a s e do nd s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g , t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) i ts y n t h e s i z e dd s p , a r m ，s i g n a lp r o c e s s i n ga n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , a n dr e a l i z e dm o t i o nc o n t r o la n ds p r a y i n gc o n t r o lo ft h er o b o tw i t ha h e l po fr e m o t eo p e r a t i o na n d m a n u a lm a n i p u l a t i o n t h ep r o b l e m ss t u d i e di n c l u d e ： 1 a na u t o - c o n t r o ls t r a t e g yb a s e do ns t r a i g h tl i n et r a c k i n gw a sp r o p o s e d ad i g i t a lp i dc o n t r o l a l g o r i t h mw a si m p l e m e n t e do l lt h ed s pt om a k et h er o b o tm o v i n ga l o n gas t r a i g h tl i n eu s i n gt h eo f f s e t a n g l eb e t w e e nt h ed r i v i n gw h e e l sa n dt h er o b o tb o d y 2 a d cm o t o r sd r i v e rw i t hal 2 9 8 nc h i pa st h ec o r ew a sd e s i g n e db yu s i n gt h ep w m ( p u l s ew i d t h m o d u l a t i o 吣t e c h n o l o g y u s i n gt h i sd r i v e r , t h es p e e do fd r i v i n gw h e e l sw a sr e g u l a t e dw e l l 3 ar e m o i ec o n t r o l l e rb a s e do na na r m m i c r o p r o c e s s o r ( l p c 2 1 0 4 ) w a sd e s i g n e d ，w h m hr e a l i z e d r e m o t ec o n t r o lo ft h er o b o ta n di m p r o v e dt h er o b o to p e r a t i n gf l e x i b i l i t yp r e f e r a b l y e x p e r i m e n ts h o w e dt h a tt h es y s t e mw o r k e dw e l l ，a n dt h ee x p e c t e dp e r f o r m a n c ew a sa c h i e v e d k e yw o r d s ：m o t i o nc o n t r o l ，r e m o t ec o n t r o l ，r o b o t ，d s p 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 渐 时间：砌占年占月7 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名 导师签名 粥晖 她瘩 时间：御衫年z 月 日 时间： 旧6 年参月扫 中国农业丈学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究目的及意义 第一章绪论 据不完全统计，我国的大型温室面积已超过7 0 0 公顷，全国3 2 个省市自治区均有1 0 0 0 m 2 以 上的连栋温室，设旄生产已从蔬菜扩展到了花卉、瓜果、畜禽、水产养殖、林木育苗、食用菌以 及中草药等领域。近年来，大型连栋温室以每年超过1 0 0 公顷的速度增长。温室工程为解决我国 城乡居民的菜篮子工程和农民增收问题，为推进农业结构调整发挥了重要作用，温室种植养殖已 在农业生产中占据重要地位【l l 。 温室为农作物在整个生命周期的生长提供了一个最佳的外部环境。二氧化碳浓度、温度、湿 度、根的湿度、土壤肥力、害虫与菌类控制的虽佳组合可使温室能够全年出产反季节的瓜果蔬菜 和装饰花卉。但是为了能够达到这一理想条件，需要运用农药、杀菌剂、高温和增加二氧化碳与 湿度水平等手段进行调节1 2 j 。我国温室中主要依靠人工喷洒农药和杀虫剂，这些化学药剂在对病 虫害起到防治作用的同时也对温室工作人员身体健康造成威胁。人工洒药是一项费时、单调而又 危险的工作，长年累月的喷雾劳动会使人吸入的农药在可能某种情形下对其肺组织产生致命的、 永久性的伤害。虽然人们在喷雾时使用各种防护服和装备，但是研究表明防护服只能在一定程度 上减轻人的暴露程度，而不可能完全阻止有害物的侵入。目前研究者发现有很多杀虫剂能在半个 小时内穿过防护服甚至橡皮手套，而在温室劳动的人一般需要在这样的温室环境中呆上儿个小 时。另外，重复劳动的伸展拉伤，超强的高温暴露，极端的湿气侵入也会使人难以忍受。 我国温室农药施用目前应用最广泛的仍为手动背负式喷雾器，其通过空心圆锥喷雾头进行大 容量、大雾滴喷雾，这种施药法技术粗放，农药浪费现象严重，并给生态环境造成严重危害。随 着人们对无公害农产品要求和生态环境保护意识的日益增强，要求植保机械向着低喷量、精喷洒、 低污染、高工效，既经济又安全的施药方向发展，根据农艺要求和施药技术的进步，发展低量喷 雾技术，力求在单位面积上咀喷洒较少的药液量，达到较好的防治效果，同时提高机具的作业性 能、作业质量和作业工效，减轻农药对农产品和土壤的污染，保证农产品安全和对环境的保护。 随着科学技术突飞猛进的发展，自动化水平和程度在日新月异地不断提高。科技发展所带来 的巨大的生产力和经济效益也为农业创造了很大的益处。与温室中采用人工施药的方法相比，自 动喷雾机械所带来的经济社会利益远远超过了开发它可能的经济社会成本。这些利益包括减少了 劳动力成本、降低了农药浪费成本以及明显减轻了对劳动者的健康威胁吼与现有的喷雾方式相 比。自动作业的喷雾机器人具备如下优点： ( 1 ) 全自动化作业，不需人工干预，可以大大改善劳动条件； ( 2 ) 体积小，重量轻，成本较低； ( 3 ) 喷洒的精准性高，可根据需要喷洒不同浓度的农药，喷雾质量好： ( 4 ) 最犬5 度地减少药物浪费，可长时间工作，作业效率高，适合大型作业； 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 5 ) 机器人能被设计完成全部或大部分目前工人在温室的工作。比如在一个移动机器人平台 上安装一个可升降的机械手臂，用它可完成剪除、采摘和管理作物各项工作。 基于上述情况，研制和开发温室内使用的经济安全的喷雾机器人，可以提高劳动生产率：改 善农业生产环境，防l e 农药、化肥等对人体的伤害；同时采用先进施药技术，提高农药有效利用 率，减少环境污染和作物残留，以最少的农药达到最高的防治效果，从病虫害防治中收到良好的 经济效益、社会效益和生态效益。 1 2 喷雾机器人国内外研究现状 日本由于受其国土耕地面积的制约，喷雾机械以中小型为主，而且在小型智能喷雾机械方面 有国际领先优势。日本b r a i n 研究协会研制开发的果园自动喷雾机，如图1 - 1 所示。在果矧内， 机器人沿喷药作业路径铺设的感应电缆产生的电磁信号行走。机器人控制系统能够根据传感器检 测树木信号自动控制喷药，并可识别方向和自动转弯。机器人前端还有两个检测障碍物的传感器， 可以检测到机器人周围1 m 左右距离内的情况，遇有障碍就停止行走和喷药，其行走速度为0 5 0 7 m s 。为了防止喷洒的药液的伤害，操作人员可以利用小型无线电遥控器，在与机器人相隔一 定距离的地方控制机器人启动和停止。另外还可以控制风机的开关以及药液喷洒的开始和停止。 图卜1 果园自动喷雾机 另外日本研制了一种喷雾小车，如图1 - 2 所示。小车沿固定轨道行驶，它利用一个红外线传 感器来探测前方树冠的形状进而控制电磁阀对其迸行喷雾，也可以对其进行遥控作业。 图卜2 赜雾小车 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 日本开发了一种温室内专用植保机械常温烟雾机，采用轴流风机传播，烟雾可充满长返7 0 米的整个棚室空间。这种喷洒技术对消灭温室中存在的大量小飞虫非常有效，同时适用于温室的 火面积喷洒。但是此方法不是万能的，无法解决所有问题。 韩国也研制成功一种无人农药喷洒机。这种无人农药喷洒机的核心部件，是喷洒农药的喷头。 它由电子精密陶瓷制成，具有电动控制功能，能将农药自动均匀地喷洒到农作物叶片的两面，达 到理想的杀虫效果。用于温室、塑料大棚和果树林等地的杀虫作业时，可安装在轨道上，用蓄电 池驱动，实施无人喷洒作业。这不仅能省时、省力、省农药，而且还可避免农药对人体的伤害， 十分安全【4 】o 欧美等国发展了大型的喷雾机械，最典型也最先进的是用于温室作业的固定轨道式喷雾机。 这种喷雾机采用计算机控制，自动化程度和作业效率都很高。但其成本也很高，就我国引进的机 型来看，价格在1 0 万元，套以上，主要用在高档高产值的温室大棚内。 美国斯坦福大学研制了种农药自动喷洒机。温室管理人员只需坐在家中，就可同时指挥几 台农药自动喷洒机进行农药喷洒。这种农药喷洒机的关键技术，在于应用了自动导航控制器：该 装置能接受全球卫星系统发射出的定位信号，并能十分精确地控制农药自动喷洒机的位置、速度、 前进方向和喷洒农药的多少。适宜于大面积的农田作业【4 】。 澳大利亚最新开发的自主喷雾机器人已经设计完成，并应用于澳大利亚新南威尔州的国家温 室中心州，如图1 - 3 所示。这种自主移动的喷雾机器人行走在温室地面上的热水管道上。当机器 人运行到作物行尾时，通过无线方式向用户发出报警信息，提示用户换行，这种装置价格低，收 到当地种植者的欢迎，但其要依靠地面热水管道导航，这种热水管道在国外大多数温室中是一个 标准配置，但在我国比较少见。 图1 - 3 自主喷雾机器人 我国发展设施农业已有2 0 多年的历史，已在该领域取得了相当的成绩。我国设施农业虽然 得到了长足发展，但是其硬件发展与发达国家相比差距还是很大。这主要包括：总体水平特别是 3 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 科技水平低，设施本身水平低，机械化水平偏低，设施栽培技术不配套，机械作业水平低，犬部 分劳动和作业均为原始的手工完成，劳动强度大，工作环境差，效率低而且作业质量差等等。这 些均是综合设施技术中的薄弱环节，对设施技术的进一步发展已构成约束。此外，我国在自动喷 雾方面研究不多。虽然国内生产农用喷雾机械的企业有很多，一些新型的喷雾方式也被采用，而 且喷雾质量和工作效率本身较之以前有很大提高，但对喷雾机械的研制和改进大都集中和限制在 对液压泵和喷头的研制和改进上，而喷雾机械本身在田间的移动方式却一直很落后。若按移动方 式分类，现有的产品主要有以下几种： ( 1 ) 背负式：全人工移动，效率低而劳动强度很大，且很不安全： ( 2 ) 定点作业式：依然靠人工移动，只是比背负式喷雾机有更大的作业功率和射程，固定地 点作业时效率较高。但在需要频繁移动的条件下，效率显著下降， ( 3 ) 手推车式：实现了牵引机械化，但须有人跟随手扶驾驶； ( 4 ) 动力牵引式：实现了行驶机械化，一次携带的药液量大。但需要配备额外的牵引装置， 总体作业成本较高。且需要专人驾驶，依然没有解除药液对人体的侵害。 江苏理工大学于1 9 9 5 年就开始了对靶喷雾的试验研究，2 0 0 1 年与中国农业大学、中国农业 机械化科学研究院、苏州药械厂等3 家单位合作，根据果园的实际需要，研制了新型的高效低污 染的农药喷洒柳，果园自动对靶喷雾机。如图1 4 所示。果园对靶喷雾机主要由机架、药箱、 液泵、风机及出风管、低量喷头和静电系统、对靶系统和喷雾控制等部分组成，与四轮驱动拖拉 机挂接，充分利用了现有的农业机具资源，节约了制造成本【6 j 。 图1 - 4 果园自动对靶喷雾机 通过以上的分析可以看出，国外在农药喷洒方面进行了多项研究，并根据温室的特点开发了 自动喷雾机器人，但大多运行在轨道或者热水管上，并且在一定程度上依靠遥控控制。我国近年 来也开展一些研究，但是也未有较实用的自动喷雾机械。从我国目前温室实际情况出发研制一 种高效、经济、安全的喷雾机器人非常有必要。 1 3 研究目标与内容 本论文针对我国许多温室行走路径不是很规范的特点，旨在设计和构建一种适合在我国温室 d 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 内使用的小型喷雾机器人的运动控制系统。对喷雾机器人运行模式和运行控制方式进行研究，为 机器人在复杂工况下的移动提供一种有效的控制方法。 主要研究内容： ( 1 ) 确定机器人的驱动方式、运行模式； ( 2 ) 设计机器人控制器，选择运动控制算法； ( 3 ) 设计机器人遥控器，选择通信模块； ( 4 ) 设计机器人的直流电机驱动器： ( 5 ) 系统调试与实验。 中国农业大学硕七学位论文第二章喷雾机器人控制系统硬件设计 第二章喷雾机器人控制系统硬件设计 结合实验室现有的机器人的机械结构，设计喷雾机器人控制系统硬件部分的任务可分为：选 择设计车载控制器，设计电机驱动器，设计遥控器。本章详细介绍了本论文的硬件部分的设计。 2 1 喷雾机器人系统组成 本论文设计的遥控喷雾机器人接个系统主要由三火部分组成： 喷雾机器人机械车体本论文所研究的喷雾机器人的机械主体部分主要是沿用了实验室 现有的机器人结构，如图2 - 1 所示，机器人为四轮结构，前两轮通过减速比为6 5 ：1 的齿轮减速 机构与直流电机进行链接，通过控制直流电机的电压实现移动机器人的转向和驱动功能，后两轮 随动。车体前部安装有药箱和喷雾用的升降杆，车体中部盛放两个1 2 v 蓄电池是车体系统的电源。 尾部用来安装车载控制器、无线通信模块和电机驱动电路板。在车身与前轮的连接轴上安装了一 个角度传感器。本论文所采用的这种轮式机器人动作稳定，操纵简单，容易控制其运动速度和方 向。这种轮式移动机构有多方面的优势，它既拥有履带式移动机构接触面积大、推进力大的优点， 而且还具有可以实现比较大的运动速度、转向比较灵活、控制比较方便的优点。 控 制 器 和 驱 动 板 图2 1 喷雾机器人结构示意图 车载控制器采用d s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心控制器。该芯片带有的两个事件管理器模块 中国农业大学硕士学位论文第二章喷雾机器人控制系统硬件设计 为电机及功率变换控制提供了息好的控制功能，1 6 通道高性能1 2 位模数转换单元提供了两个采 样保持电路。可以实现双通道信号的同步采样，3 2 位的运算精度和1 5 0 m i p s 的处理能力为实时 控制机器人移动提供了强大的保证。 遥控器采用a r ml p c 2 1 0 4 为核心控制器，该芯片带有一个支持实时仿真和跟踪的 a r m t t d m i sc p u ，并且嵌入了1 2 8 k b 的高速f l a s h 存储器。该芯片具有非常小的尺寸和极低 的功耗，宽范围的串行通信接口，大的缓冲区规模和强大的处理能力，非常适合作为机器人的遥 控器。 喷雾机器人系统原理图如图2 - 2 所示。 圈2 - 2 喷雾机器人系统原理固 操作人员可以通过遥控器向机器人发送指令，远程控制机器人行走和喷雾。机器人的转弯依 靠遥控器的指令，车载控制器通过实时检测安装在前轮车轴与车身之间的角度传感器信号，然后 采用控制算法来保证机器人前进时的轨迹为直线。 本论文中车载控制器是主要使用i c e t e k - f 2 8 1 2 a 型开发扳，控制器主要任务如下： ( 1 ) 预先处理角度传感器的信号，执行控制策略； ( 2 ) 产生控制驱动电机和喷雾电机的信号( p w m ) ； ( 3 ) 执行遥控器的指令，控制喷雾阀的开和关。 遥控器主要使用e a s y a r m 2 1 0 4 开发板，其主要任务如下： ( 1 ) 发送启动，停止指令： ( 2 ) 发送转向及转角指令，控制机器人按照设定值运行： ( 3 ) 发送喷雾指令，实现喷雾功能。 机器人的电源是两个1 2 v 的蓄电池，安装在机器人车体的中部。驱动电机、喷雾电机、角度 传感器，电机驱动电路，车载控制器都由这两个电池供电。车载控制器使用一个1 2 v 转5 v 的 d c d c 模块单独供电。 2 2 车载d s p 控制系统设计 喷雾机器人的车载控制器作为机器人系统的执行机构，对系统平稳运行起着重要作用。它既 中国农业大学硕士学位论文第二章喷雾机器人控制系统硬件设计 要稳定执行控制指令，又要实时快速处理传感器的信号和来自遥控器的指令，同时转化这些指令 达到控制电机的目的。这些都需要很高的控制精度和运算能力，选择高性能的c p u 作为机器人 车载控制器的核心部件对于机器人小车的性能、控制系统的设计方式有很大的影响。所以对车载 控制器有如下要求： ( 1 ) 主控芯片的系统时钟速度和运算速度； ( 2 ) 能实时有效的实现电机调速，保证机器人运行的稳定性 ( 3 ) 通信方式及通信速率，以及遥控器通讯的可靠性和及时性； ( 4 ) 控制板的结构尺寸合理，能为以后的系统扩展留下余地； ( 5 ) 低功耗。 基于以上需求本论文使用了1 1 公司的2 0 0 0 系列d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为控制器的核心芯 片。为了缩短开发周期，本论文在车载控制器系统中选用的是北京瑞泰创新公司提供的 i c e t e k - f 2 8 1 2 a 开发板作为车载控制器。 2 ，2 1t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 简介 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是美国1 1 公司最新推出的d s p 芯片，是目前国际市场上最先进、功能最强大 的3 2 位定点d s p 芯片之一。它既具有数字信号处理能力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式 控制功能。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 代码与2 4 x 2 4 0 x 数字信号处理器完全兼容，因此，2 4 0 x 的用户能够轻 松地将代码移植到新的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 系列d s p 平台上。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 同时具有数字信号处理器 和微控制器的特点，尤其是t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 继承了数字信号处理的诸多优点，其中包括可调整的 哈佛总线结构和循环寻址方式。它所具有的精简指令系统( r i s c ) 使得c p u 能够单周期地执行 寄存器到寄存器的操作，并且可调整的哈佛总线结构能够工作在冯诺依曼模式。微控制器的特点 主要包括字节的组合与拆分和位操作等。哈佛总线结构能够完成指令的并行处理，在单周期内通 过流水线完成指令和数据的同时提取，从而提高了处理器的处理能力。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 可以处理采用q + + 编写的软件，其效率非常高，因此用户不仅可以应用高 级语言编写系统程序，也能够采用c c + + 开发高效的数学算法。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 数字信号处理器 在完成数学算法和系统控制等任务时都具有很高的性能，这样就避免了用户在一个系统中需要多 个处理器的麻烦。n l s 3 2 0 f 2 8 1 2 处理器内核包括了一个3 2 x 3 2 位的乘法累计( m a c ) 单元，能 够完成6 4 位的数据处理，从而使该处理器能够实现更高精度的处理任务。快速的中断响应能够 使t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 保护关键的寄存器并快速( 更小的中断延时) 地响应外部异步事件。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 带有8 级流水线存储器访问流水线的保护机制，使t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 高速运行时不需 要大容量的快速存储嚣。专门的分支跳转( b r a n c h - l o o k a h e a d ) 硬件减少了条件指令执行的反应 时间，条件存储操作更进一步提高了t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的性能p j 。 2 2 2l c e t e k - f 2 8 1 2 - a 型开发板功能简介 为了缩短开发周期，本论文采用了咀为t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 核心芯片的i c e t e k - f 2 8 1 2 a 型开发 中国农业大学硕上学位论文第二章喷雾机器人控制系统硬件设计 板作为开发平台。i c e l 匝k - f 2 8 1 2 - a 型开发板扩展了t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 所有功能，并提供了丰富的 接口和运行软件的标准平台，如图2 3 所示。i c e t e k - f 2 8 1 2 - a 型开发扳主要配置如下： ( 1 ) 主处理器为t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 p g f a ，主频高达1 5 0 m h z ； ( 2 ) 片内1 2 8 k x l 6 b i t f l a s h ，自带1 2 8 位加密位； f 3 ) 2 组共1 6 个通道的a d 转换电路，分辨率1 2 位，最高采样带宽为1 2 5 m i p s ； ( 4 ) 1 路r s 2 3 2 串行数据接口，可扩展为2 路； f 5 ) 1 6 路p w m 电路，具有可编程死区单元； ( 6 ) 高速的j t a g 电路，大大简化了所需的外围电路，极适合使用在电机驱动控制中： ( 7 ) 扩展了d s p 的引脚，众多的接口可以方便的进行二次开发，从而缩短了研发时间。 图2 - 3i c e t e k - f 2 8 1 2 - a 型开发板接口示意图 本论文使用i c e t e k - f 2 8 1 2 - a 型开发板的p 1 口和p 2 口，分别是开发板扩展出来的- f 2 8 1 2 的引脚，其中p 1 口用来连接车载小键盘和为电机驱动电路输出p w m 信号，p 2 口用来和传感器 连接，串口和无线通信模块f 4 9 p 连接，同时利用开发板上的l e d 阵列来示意小车接收到的信息。 2 3 遥控器设计 遥控器主要用来远程控制机器人的运动，使其按照预想的路线行走。遥控器由e a s y a r m 2 1 0 4 开发板，键盘输入电路，无线通信模块f 4 9 p 组成。e a s y a r m 2 1 0 4 开发板构成主控部分，进行主 要的信息处理，通过查询确认是否有键按下，如果有键按下，则进入键值服务程序向串口u a r t 0 发送数据，u a r t 0 和无线通信模块f 4 9 p 相连，将数据发送给车载控制器。遥控器电源部分采用 两节9 v 电池串联，闱l m 7 8 0 9 和l m 7 8 0 5 转换电压，分别为e a s y a r m 2 1 0 4 开发板和无线通信 模块f 4 9 p 供电。遥控器硬件原理图如图2 4 所示。 中国农业大学硕士学位论文第二章喷雾机器人控制系统硬件设计 2 3 1l p 0 2 1 0 4 简介 图2 _ 4 遥控器硬件原理图 e a s y a r m 2 1 0 4 开发板的核心控制芯片是p h i l i p s 公司的l p c 2 1 0 4 ，l p c 2 1 0 4 包含一个支持 仿真的a r m t t d m i - sc p u 、与片内存储器控制器进行接口的a r m 7 、局部总线与中断控制器接 口的a m b a 高性能总线( a l q a ) 以及用于连接片内外设的v l s i 外设总线( v p b 与a r m 7 高级外设 总线相兼容的超集) 。l p c 2 1 0 4 将a r m 7 t d m i s 配置为小端( 1 i t t l e e n d i a n ) 字节顺序。1 2 8 位宽 度的存储器接口和独特的加速结构使3 2 位代码能够在最大时钟频率下运行。对代码规模有严格 控制的应用可以使用1 6 位t h u m b 模式将代码规模降低超过3 0 ，而性能的损失却很少。由于 l p c 2 1 0 4 具有非常小的尺寸和极低的功耗，因此它非常适合于那些将小型化作为主要要求的应 用，例如访问控制和电子收款机( p o s ) 。而且它带有宽范围的串口通信接口片内多达6 4 k b 的 s r a m ，由于具有大的缓冲区规模和强大的处理能力，它也非常适合于通信网关和协议转换器、 软件调制解调器、声音识别以及低端的图像处理，而多个3 2 位定时器、p w m 输出和3 2 个g p i o 使它特别适合于工业控制和医疗系统【8 】。 l p c 2 1 0 4 的特性如下： ( 1 ) 核心处理器为a r m 7 1 d m i s 处理器； ( 2 ) 1 2 8 k 片内f 1 a s h 程序存储器带i s p 和i a p 功能： ( 3 ) f l a s h 编程时间l m s 可编程5 1 2 字节扇区擦除和貉片擦除只需4 0 0 m s ； ( 4 ) 最多可达6 4 k 静态r a m ； ( 5 ) 向量中断控制器： ( 6 ) 仿真跟踪模块支持实时跟踪； ( 7 ) 标准a r m 测试调试接口兼容现有工具； ( 8 ) 双u a r t 其中一个带有完全的调制解调器接口； ( 9 ) 高速1 2 c 串行接口4 0 0 k b s ： ( 1 0 ) s p i 串行接口； ( 儿) 两个定时器分别具有4 路捕获比较通道； ( 1 2 ) 多达6 路输出的p w m 单元； ( 1 3 ) 实时时钟； 。1 0 中国农业大学硕士学位论文 第二章喷雾机器人控制系统硬件设计 ( 1 4 ) 看门狗定时器： ( 1 5 ) 通用f o 口： ( 1 6 ) c p u 操作频率可达6 0 m h z ； ( 1 7 ) 双电源： 一c p u 操作电压范围1 6 5 v 1 9 5 v 一电压范围3 o v 3 6 v ( 1 8 ) 两个低功耗模式：空闲和掉电： ( 1 9 ) 通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒； ( 2 0 ) 外设功能可单独使能禁止实现功耗最优化； ( 2 1 ) 片内晶振的操作频率范围l o m h z 2 5 m i - i z ； ( 2 2 ) 片内p u 。允许c p u 以最大速度运行可以在超过整个晶振操作频率范围的情况下使用。 2 3 2e a s y a r n 2 1 0 4 开发板功能简介 e a s y a r m 2 1 0 4 是一款简单的3 2 位a r m 微控制器开发板，具有j t a g 调试、i s p 编程等功能。 开发板如图2 - 5 所示。e a s y a r m 2 1 0 4 开发板功能特点如下【8 j ： ( 1 ) 选用p h i l i p s 公司的l p c 2 1 0 4 。可进行j t a g 仿真调试，支持a d s l 2 集成开发环境及 其p h i l i p s 所有型号a r m 微控制器的仿真与开发； ( 2 ) 完全自主设计的软硬件、拥有自主版权的j t a g 仿真技术，用户使用没有后顾之忧； ( 3 ) 支持l p c 2 1 0 4 2 1 0 5 2 1 0 6 系列4 8 针a r m 微控制器，标配芯片为l p c 2 1 0 4 ； ( 4 ) 板上具有主从j t a g 选择电路； ( 5 ) 板上的功能部件与c p u 之间，可以使用跳线器选择连接或断开连接； ( 6 ) 所有i o 全部引出，可以和用户的外部电路连接搭配： ( 7 ) 4 个独立l e d 、6 个独立键盘控制； ( 8 ) 具有r s 2 3 2 转换电路，可与上位机进行通讯； ( 9 ) 可进行g p i o 的控制实验，如l e d 闪烁控制、键盘输入、蜂鸣器控制、模拟s p i 等； ( 1 0 ) 提供基于p c 的人机界面，方便调试的实时时钟、串口通信功能。 本论文设计使用了l p c 2 1 0 4 的串1 3 通信功能，并利用l p c 2 1 0 4 的g p i o 扩展了1 6 个键值的 键盘。开发扳丰富的接口也为进一步扩展遥控器功能留下了余地。 中国农业大学硕士学位论文第二章喷雾机器人控制系统硬件设计 2 3 3 遥控器键盘及接口电路 图2 - 5e a s y a r m 2 1 0 4 开发板 遥控器主要通过键盘操作来产生需要的指令值，遥控器键盘电路设计如图2 - 6 所示，采用4 x 4 矩阵式触摸键盘。键盘采用行列扫描方式来设计。每个键一端通过上拉电阻连接到3 3 v 电源，另 一端输入到l p c 2 1 0 4 0 口供检测。各行线为l p c 2 1 0 4 的 0 端口p 0 2 4 _ _ p 0 2 7 ，设置为输出， 初始置为低电平。各列线为l p c 2 1 0 4 的 0 端口p 0 2 8 - - p o _ 3 1 设置为输入。当无键按下时，各 列线均保持为高电平。当有键按下时，该键对应的行列线导通，由于各行线均为低电平，则该键所 在的列线也为低电平，从而软件可得出哪一列有键按下( 这一过程称为“列扫描”) ；通过程序使 各行线依次置低，并读取列线信息，就可以得出是哪一行有键按下( 称为“行扫描”) 。这样就获 得了按键对应的行列扫描码。 图2 - 6 遥控器键盘电路图 1 2 中国农业大学硕卜学位论文 第二章喷雾机器人控制系统硬件设计 2 4 电机驱动电路设计 动力和运动是可以相互转换的，而电动机是最常用的运动源，从这个意义上来讲，运动控制 的最有效的方式就是对运动源的控制。因此，一殷通过对电机的控制来实现系统的运动控制。 本论文的喷雾机器入侵用两个直流电机分别驱动两个轮，外加个喷雾电机，总共是三个直 流电机，驱动电机轴和轮子的辙之间使用链条链接。机器人的行走主要依靠车载控制器调节驱动 电机的转速来实现。 直流电机是最早能实现调速的电动机，它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高质 高效平滑的运转特性。绝大多数直流电机采用开关驱动方式，开关驱动方式是使半导体功率器件 工作在开关状态，通过脉宽调制( p w m ) 来控制电机的电枢电压，实现调速( 9 1 。 本论文采用了p w m 控制方法配合桥式驱动电路来控制机器人的移动。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 无需任 何外围电路就能产生1 6 路极性可编程的p w m 信号，通过光电隔离器件输入到电机驱动芯片便 可驱动电机。p w m 调制方式使h 桥式驱动屯路工作在开关状态，这种调速方式不仅功率损耗低、 效率高，而且调速范围广，线性度好，响应速度快等特点。 桥式驱动电路选用的是电机驱动专用芯片l 2 9 8 n i l q 。l 2 9 8 n 是驱动二相和四相步进电机的专 用芯片，它内部集成了两个h 桥式电路。l 2 9 8 n 内部结构如图2 - 7 所示，其具有过电流保护、过 温度保护、低饱和电压、高电压和高电流的双桥式驱动器等特点，可以节省外加电路的复杂性， 进而增加了整体硬件的可靠度。同时，此两组桥式电路为两组独立的电桥。可分别驱动两个不同 的直流电机。l 2 9 8 n 可以接收标准t i l 逻辑电平信号，可驱动4 6 v 、2 a 以下的电机。l 2 9 8 n 的 逻辑功能如表2 - 1 所示，本论文设计的驱动电路原理图如图2 - 8 所示f 1 1 j f l 2 1 i ”j 。 图2 7 _ 2 9 8 1 1 内部结构图 中国农业太学硕士学位论文 第二章喷雾机器人控制系统硬件设计 输入 电杭运行状态 e n a ( b )i l ( 1 1 1 3 ) l n 2 0 n 4 ) 高电半 高电平 高电平 低电平 高电平 低电平 与i n 2 ( i n 4 计日同 任意状态 低电平 高电平 与i i i l ( i n 3 ) 相同 任意状态 j 下转 反转 快速停止 停止 囤2 - 8 驱动电路1 2 原理图 为了使驱动电路有良好的适应性，设计中使用三个基于l 2 9 8 n 的电机驱动器分别控制三个电 机，对于每个i a 9 8 n 的两个h 桥采取了调线方式，在需要时可以将两个h 桥合并为一个这样 可以增大输出电流。为了使驱动电路紧凑，将两块l 2 9 8 n 设计在一个电路上。同时在两个l 2 9 8 n 之间也设置了调线，以备以后需要更大输出电流时将两路合并。驱动电路实物图如图2 - 9 所示。 在电路板输入端加入了光电耦合器t l p 5 2 1 2 ，这样可以实现i c e t e k - f 2 8 1 2 - a 型开发板与 l 2 9 8 n 信号隔离，从丽避免相互间的干扰。 另外由于i c e t e k - f 2 8 1 2 - a 型开发板输出最大电压为3 3 v ，使用光电耦合器转换后也可以将 l 2 9 8 n 的输入电平提高到标准值。光电耦合器t l p 5 2 1 2 的供电采用了l m 2 9 3 7 - s v 电源转换芯片。 电路板上设计了5 个指示灯，分别表示电路板上电正常，电机的正反、转状态。在输出了添 加了二极管i n 5 8 1 8 ，防止电路输出端出现断路情况损坏电机。 中国农业大学硕士学位论文 第二章喷雾机器人控制系统硬件设计 2 5 传感器接口 图9 - 9 电机驱动电路 i c e t e k - f 2 8 1 2 - a 型应用板扩展了t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的模数转换器( a d c ) 。模数转换器( a d c ) 有1 6 个通道，可配置为2 个独立的8 通道模块，分别服务于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的事件管理器a 和b ， 两个独立的8 通道模块也可以级联构成一个1 6 通道模块。本论文启用了一个a d 通道，用来获 取机器人车体上角度传感器的信号。角度传感器安装在前轮与车身的连接轴上，用来测量机器人 前轮轮轴与车身的夹角。车载控制器借助这个角度传感器测得的角度信号来协调前面两个驱动轮 的速度。 角度传感器是一个环形的塑膜滑动电阻，输出电阻与其转角成比例关系。其电源供应为3 3 v ， 由于机械结构的限定，角度传感器的左右偏差最大为4 5 度，电压范围为( 1 8 7 v ，2 8 3 v ) t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的模数转换器( a d c ) 的模拟输入电压范围为( 0 v ，3 v ) ，因此直接可咀将角度 传感器的输出接i c e t e k - f 2 8 1 2 - a 型应用板的p 2 口的2 3 引脚，即a d c 结果寄存器o ( a d c r e s u l t o ) 。 1 5 中国农业大学硕士学位论文 第二章喷雾机器人控制系统硬件设计 2 6 喷雾单元及机器人控制键盘设计 2 6 1 喷雾单元电路 为使机器人一机多用，所以喷雾单元与喷雾机器人要相对独立，机器人提供给喷雾单元一个 公共接口，如图2 1 0 所示。本论文采用了一个普通的电动喷雾器。车载控制器在收到遥控器的指 令后输出p w m 信号，经过电机驱动电路调节喷雾电机的转速，从而达到改变喷雾流量的目的。 喷雾电磁阀选择了一个2 w 、1 2 v 、常开型单向电磁阀，d s p 的控制口l o 不能直接驱动它，所以 使用了一个固态继电器。 2 6 ，2 车载键盘设计 囤2 1 0 喷雾单元接口电路 为了防止遥控器出现失灵等故障或者临时需要移动机器人，所以有必要在车载控制器上设置 一个小键盘。本论文设计了五个键，分别与t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的g p i o a l l - - a 1 5 连接，可以手动控 制机器人的前进、后退、左转、右转以及急停。键盘接口电路图如图2 1 1 所示。键盘采用查询方 式识别键值。首先将当有键按下时，先采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的c p u 定时器0 中断延时l o o m s 以消 除抖动，确认键值，进入相应的键盘服务程序调整事件管理器的比较值，从而改变p w m 信号的 占空比，实现驱动电机的前进、后退、左转、右转以及急停。 图2 - 1 1 车载键盘接口电路 1 6 中国农业大学硕士学位论文第二章喷雾机器人控制系统硬件设计 2 7 无线通信方式设计 遥控器的控制指令通过l p c 2 1 0 4 串口送至无线通信模块，经过无线通信模块调制后发送出 去。机器人车载的通信接收器接收并解调信号，然后传送给车载徼处理器。本论文中控制器，遥 控器之间的通信是用无线通信模块f 4 9 p 来实现的。无线通信模块采用调频形式进行数据的传送， 接口均为异步串口。模块如图2 一1 2 所示： 图2 - 12 无线通信模块f 4 9 p f 4 9 p 模块工作在4 3 1 m h z - - 4 3 5 m h z 的频段内，每个信道间有3 0 0 k h z 的频率间隔。通过 p b 4 来设置异步串口的帧格式为8 个或9 个数据位。其特点如下： ( 1 ) 通信距离：3 0 0 4 0 0 m ； 但) 可调信道：8 个； ( 3 ) 接口形式：异步串1 2 ； ( 4 ) 串口电平：1 1 l 、r s 2 3 2 、r s 一4 8 5 可选； f 5 ) 串口帧格式；( 1 ，8 ，1 ) 、( 1 ，9 ，1 ) 可选( 设置) ； ( 6 ) 串口速率：1 2 0 0 、2 4 0 0 、4 8 0 0 、9 6 0 0 定货可选； f 7 1 无线通讯方式：半双工： r 8 ) 收发一体。 通过两个无线通信模块f 4 9 p 实现车载控帝6 器与遥控器串口通讯，无线通信模块的串口帧格 式、串口速率为一固定值，串口帧格式设置成1 个开始位、8 位字符、1 个停止位、无校验，无 线收发频率设置为4 3 1 m h z 。串口速率设置为固定的9 6 0 0 b i t s 。控制器和遥控器中的通信程序在 这些参数上都与无线通信模块的设置致。图2 1 3 为无线通信模块的连接电路【1 4 1 。 t x d r x d g n d v c g n d t x d l 汉b g n d v c c g 瓣d 囝2 - i 3 无线通信连接电路 中国农业大学硕士学位论文第二章喷雾机器人控制系统硬件设计 2 8 电源及转换电路设计 2 ，8 1 车载控制器电源设计 任何系统的设计，电源都是非常关键的。电源系统设计的好坏直接影响系统的稳定性。因为 机器人是独立行走的系统所以电源只能由机器人自身携带的两纽1 2 v 蓄屯池提供。车载控制器 中所有2 4 v 、1 2 v 电源由蓄电池组提供。所需的5 v 电源由稳压芯片l m 2 9 3 7 - 5 提供， i c e t e k - f 2 8 1 2 - a 型开发扳的电源由一个1 2 v 转5 v 的d c - d c 模块提供。因为d s p 的i o 是3 3 v 电平，所以信号的输入需要3 3 v 电褥，在本系统中采用了由稳压芯片l m l l l 7 3 3 v 提供的电源。 2 8 2 遥控器电源设计