（机械电子工程专业论文）一种壁面攀爬机器人控制系统研究与开发.pdf

摘要 本文提出了一种绳索牵引式壁面攀爬机器人，该机器人采用一种无限程攀爬 机构将电机驱动力转化为本体向上的攀爬力，利用这种机构既可以实现动力系统 置于地面的远距离传动，也可以实现动力系统置于机器人本体上的近距离传动。 文中主要研究近距离传动方式下的壁面攀爬机器人。 首先，在对攀爬机器人系统进行适当的简化后，利用拉格朗日方程建立了机 器人在爬升运动过程中的动力学模型，使用s i m u l i n k 软件对该模型进行了仿真， 并结合仿真结果分析了机器人本体的动力学特性。 然后，介绍了攀爬机器人在近距离传动方式下的原理样机设计，并以该样机 为对象，重点研究了开放式控制系统平台的构建以及该平台下机器人点位运动和 循迹运动控制方法的实现。机器人样机采用直流步进电机驱动，齿轮啮合方式传 动，旋转编码器进行位置反馈。控制系统平台采用基于a r m 微控制器和肛c l i n u x 操作系统的嵌入式系统。完成了控制电路的设计，i i c i j m 操作系统的移植、可加 载的g p i o 和定时器驱动程序模块的开发、机器人匀速运动特性的分析和运动控制 程序的编写。 最后，进行了机器人样机在壁面上的攀爬实验，并通过和点位运动及循迹运 动的仿真结果进行对比，总结出了实验中直线或曲线循迹运动误差的由来和减小 误差的方法。 关键字：壁面攀爬机器人，斗c l i n u x ，a r m a b s t r a c t t h i sa n i c l ep 陀靶n 协a 扛删o nc a b l e s 耐v e nc l i m b i n gr o b o t ，w l l i c hi i 巾o d u c e sa l i i 】正t l e s sd i n l b i n ge q l l i p m e n tt od r i v e 山er o b o tc l i m b i i l gb y 订班1 s f o m m g 也ep o w e r 盘o mm d b r st ot h e 衔c t i o nb e “v c e l l 也er o b o ta n dt l l eca _ b l e s t h e 咒c o l l l db e 咖d r i v i n g m e t l l o d sb 嬲e do nt l l el i i l l i t l e s sc l i i i l b i i l ge q l l i p m e i 】叱o i st h el o n 鲥i g c m c em e 也o d w h i c hi sp l l 砸n gt h cm o t 0 体o n t o 也eg r o u n d ；t h co t h e ri st h es h o r t - d i 蚰m c cm e t h o d ， w l l i c hi sp u t t i n gt h em o t 0 船o nt l l er o b o ti t s e kt t l i s 枷c l ec c e r n s 也es h o r t d i s t 缸c e 山i v i n gm e t l l o d f i r s _ t l y t h er o b o t sd y n 锄缸ce q 瑚l i o n1 j v ! h i ti sc l i i b i n gu pi sc r e a t c da c c o r d i n g t 0 t b el a g r a n g e se 畔t i a f c i 盱s i m p l 坶i n gt h er o b o t sm d o e l ，姐das i m i l l a t i o ns y 啾mo f 血ef o b o ti sd e v e l o p e db yl l s i n gs i 加m i n ：| ( ，吣mw h i c ht h er o b o t sd ) 咄吼i c c h a r a c 僦s t i c sa r es t u d i e d s e c o n d l y ，ap r o t o t ”) co f t h e 加b o ti 塔i i l gs h o 】? t - d i s t 出l c ed 】j v j n gm e t h o di sd e s i 星皿c d 1 1 l em o s ti n l p o r t 锄tc o n t e n t so ft h ep a p e ra i 它t h ed e v e l o p m e n to fm eo p e n c dc 臼d l s y s t e i na n dt b ec o n t r o lm 幽d so fn l er o b o t sp r o t o t y p eu n d e rp o i n t - t o - p o i m 越dl i n e 缸 m o v 咖吼t 0 nt h ep r o t 0 蛳o ft h er o b 吨d cm o t o r sa r eu s e d ，p o w 盯i s 仃锄f o n n e d t b r o u 吐g e a r s ，舡i dr o t a r ya l c o d e r sa 旭u s e dt 0g c tt h el e n g 血v a l u e 姒t h er o p eh a s c h a n g c da sf e e d b a c ki n f b n 舱吐o nt 0 也ec a 蛐r o ls y s t 锄t h ec o n 缸d is y s t e mi s 蛆 豇n b e d d e ds y s t e mb a s e do na i 己mp 】? o c e s s o r 缸d “c l i n u xo p e r a 血gs y s t 鼬w h a th a v e b e e nc o m p l e t e da 坞d e s i 蛐g 也ec i r c i l i tb o 矾，由瞄地p l 砸i 血g c l i n u 】，c o d i i l g 也e m o d e l so fg p i o 锄dn m e s n 蛐go f 让屺r o b o t s 幽e m a t i c sc h a m c t c r i s 垃c su d 盯 c o 】：1 s 切n ts 口e e da n dd e v e l o p i n gt h cr o b o t sc o n n d l l i n gs o f t w a f e f i n a l l y t h er o b o t sp r o t o t 外埒趾di t sc 们咖ls y s t e ma r et e s t e du n d e r 郅吐u a l a l 、，i r o m e i l t t h et e s tr e s l l l t s a c c u r a c yo ft h ep o i 玎_ t - 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1 所示。 根据不同的吸附方式和移动方式可以组成多种不同功能和用途的壁面攀爬机 器人。如负压吸附车轮式壁面攀爬机器人，磁吸附履带式壁面攀爬机器人等。 西北工业大学硕士论文第一章绪论 表卜1 几种主要吸附方式和移动方式的特点 优点 一缺点主要适用场合。 真空负压吸附不受壁面材料壁面要求较高，大块玻璃幕墙 i 。 限制，容易控制负载较小清洗 ；吸磁吸附 j吸附力大，壁面 只能用于导磁大型油罐的清 ；附凹凸适应性强壁面，断电失稳洗、探伤和喷涂 釜 i 方推力吸附 j吸附力大小易 稳定性较差，不无需紧密贴合 ! 式 控制易保证精度壁面作业场合 i 机械抓持吸附j断电仍能保证对壁面有特殊特定建筑物定 l 纛 ；稳定要求，速度慢制 车轮式i控制简单灵活，壁面越障能力平坦的壁面 速度较快较差 履带式接触面积大，有运动灵活性较壁面不平坦，使 l 一定越障能力差用接触式吸附 l脚足式 。越障能力强，易移动速度慢，控整个壁面呈多 l 移 实现壁面过渡制难度大，面形，较多拐角 ! 魂 ： 轨道式=控制简单，可靠交替运动速度壁面工作区呈 l 方 性强 慢，灵活性差长方形 i 式 绳索牵弓| 式可靠性强，速度 运动精度较差，要求快速作业 快，越障能力强易振荡，不稳定 场合 混会式 *控制简单，速度 准备时间长，建建筑物建设时 l 快，可靠性高筑物适应性弱即考虑安装 i 飞行方式 一 速度快、运动灵精度较差，易受作业精度要求 i 活气流影响，作业不高，作业周期 周期短 不长 1 3 国内外壁面攀爬机器人的研究现状 目前，各种吸附和移动方式组合的攀爬机器人在国内外都有研究，只是吸附 方式以真空负压和磁吸附居多，而移动方式以轮式、履带式和绳索牵引式居多。 下面分别以几种典型的壁面攀爬机器人为例来说明目前的研究状况。 l 、负压吸附轮式壁面攀爬机器人 如图1 1 所示为哈尔滨工业大学机器人研究所研制的单吸盘轮式气囊密封壁 面移动机器人1 5 1 。移动机构由电机、减速器和车轮构成，吸附机构包括真空泵、压 2 耍! ! 三些奎堂堡圭建苎笙二兰丝堡 力调节阀和密封机构等。真空泵不断从密封腔内抽出空气以形成一定的真空度。 气囊密封机构的功能是为了维持这一真空度，使机器人可靠地吸附于壁面上并产 生足够的正压力，从而使驱动机构产生足够的摩擦力实现移动功能。移动机构为 密封在气囊内部的车轮组，它们在电机的驱动下相对壁面滚动，从而推动整个机 器人前进。 图卜l 负压吸附轮式壁面攀爬机器人图1 _ 2 磁吸附履带式壁面攀爬机器人 2 、磁吸附履带式壁面攀爬机器人 2 0 0 4 年清华大学研制的t hc l i m b e ri 型磁吸附履带式壁面攀爬机器人【刀成功 应用于油罐壁面检测，如图1 2 所示，( a ) 为原理图，( b ) 为样机实物图。该机器 人采用两台8 0 w 直流电机驱动，两侧履带上各安装有3 6 块永磁体吸盘，并保证 每一时刻每条履带上有1 2 块吸盘与壁面可靠吸附，实测吸附力约为1 5 k g f o 3 、负压吸附脚足式壁面攀爬机器人 图1 3 所示为韩国s u l q g k y l 帐w a n 大学u 讧s 实验室研制的壁面攀爬机器 人凇鼢ii s p e c tm m j 。该机器人有4 条腿，每条腿都具有三自由度的活动关节 和一个活动的踝关节。活动关节由三个直流电机驱动，而踝关节是一个球铰链。 机器人足底有吸盘，可以在地面和墙壁上任意行走。其主要用途是壁面检测。 图卜3 负压吸附脚足式壁面攀爬机器人图卜4 负压吸附轨道式壁面攀爬机器人 3 西北工业大学硕士论文第一章绪论 4 、负压吸附轨道式壁面攀爬机器人 图1 _ 4 所示为加拿大维多利亚大学工程系学生于2 0 0 3 年研制的一种负压吸附 轨道式壁面攀爬机器人b i g g a l 0 【9 】。其主体由一个十字型轨道和八个吸盘组成。 运动时，一个轨道上的四个吸盘吸附在壁面上，并承受机器人的重量，另一个轨 道则沿已固定的轨道运动，强个轨道交替移动实现机器人在壁面上的运动。 5 、负压吸附混合式壁面攀爬机器人 图1 5 所示为德国f r a 瑚h o 向协会研制的壁面攀爬清洗机器人【1 0 1 。该机器人由 楼顶导轨牵引台实现机器人的水平运动和竖直起降运动。但是在作业点，机器人 采用真空负压吸附的方式固定。 ( a )( b ) 图卜5 负压吸附混合式壁面攀爬机器人图1 6 推力吸附飞行式壁面攀爬机器人 6 、推力吸附飞行式壁面攀爬机器人 图1 - 6 所示为日本富崎大学( u n i v e r s 时o f m i y a z a h ) 的n i s h i 教授研制的 飞行机器人旧。该机器人重2 0 千克，由两台5 6 c c 的内燃机驱动，分别产生机器 人的升力和对壁面的吸附力。 7 、机械抓持吸附轨道式壁面攀爬机器入 图1 7 所示为北京航天航空大学为国家大剧院研制的清洗机器人【1 4 1 。该机器人 充分利用建筑物特点，采用机械抓持建筑物表面上的导轨来实现吸附。而移动则 依仗自身的可伸缩框架实现。 图1 7 机械操持吸附轨道式壁面攀爬机罂人图卜8 负压吸附绳索牵引式壁面攀爬机器人 4 西北工业大学硕士论文 第一章绪论 8 、负压吸附绳索牵引式壁面攀爬机器人 图l - 8 所示为日本东急建设技术研究所于1 9 9 8 年开发的绳索牵引式壁面移动 机器人【l 卯。采用真空吸附方式使机器人贴附在壁面上，利用屋顶两台电机的速度 配合，实现机器人在5 3 0 m 2 范围内的自由移动。 由以上各机器人成品可以看出当前国内外壁面攀爬机器人的研究可谓百花齐 放，但是，其中许多只是停留在实验室，或者只是针对某种特定类型的建筑物， 而且作业内容也很单一。如果需要研制一种壁面适应性较高，且具有多种作业能 力的高空壁面作业机器人，则需要选择符合特定要求的吸附方式和移动方式。 1 4 本文提出的方案和研究的内容 本文所要研制的壁面攀爬机器人要求同时满足一般清洗作业和消防作业的要 求，所以要求该机器人运动速度快、越障能力强、可靠性高、负载能力强、对壁 面适应性好，而且能快速部署到位。因此，本文所提出的壁面攀爬机器人选用绳 索牵引的移动方式，而吸附方式则可选择分散式多吸盘的真空负压吸附或者是推 力吸附均可，具体选择可依据作业是否需要机器人与壁面紧密贴合来决定。 图1 9 所示为整个机器人原理示意图。该机器人工作原理可简述为：通过一种 无限程攀爬装置( 如图l - 1 0 ( a ) 所示) 将地面电机的绕转扭矩经牵引钢丝绳远距离 传递绘机器人本体，本体利用静摩擦力作用将该扭矩转化为其攀爬的动力，从而 实现了通过地面电机对机器人本体垂直运动的驱动，如图1 1 0 ( b ) 所示。这一组合 方式大大减小了机器人本身的质量，并实现了机器人作业系统与动力系统的有效 分离，通过加大地面电机的驱动能力就可以增加机器人本体的负载能力；通过调 节地面电机的转速就可以有效控制机器人在壁面上运动的速度和方向。 悬点a悬点b 悬点 地面电机a地面电机b地面电机 图卜9 攀爬机器人原理简图 5 西北工业大学硕士论文第一章绪论 癣晷 撼钝 ( a ) 无限程攀爬装置原理简图 攀爬机器人动力传递过程示意图 图卜1 0 壁面攀爬机器人攀爬原理图 该机器人主要是在移动方式上对传统的绳索牵引方式进行了改良，首先使 用了倒三角的双绳牵引方式，这种方式比传统的单绳牵引或双绳平行牵引的方式 更稳定，而且最主要的是它不需要平行导轨即可实现机器人在其跨度范围内的壁 面上自由移动，这样就可以不用预先铺设楼顶导轨，因而具有了更强的灵活性和 快速部署的能力；另外，它的运动机理和图1 8 所示的日本东急建设研制的机器人 是一样的，区别在于本机器人的动力系统置于地面上，而且机器人本体处在x 形 状的中心，不仅更加稳定，而且可以使机器人运动平面与壁面形成一定的夹角， 如图1 9 所示，这样机器人可以避开壁面上较大的障碍物( 如阳台、空调等) 快速 运动，这对于消防作业来说是非常重要的。 但是，这种攀爬机器人也存在着控制精度不高的问题，所以本文在以下内容 中将具体研究该机器人的控制问题。首先，文章通过简化系统，提取出了机器人 的基本力学模型，在对该模型进行了分析后，以无限程攀爬机构为基本原理设计 了机器人原理样机；然后，针对样机开发了嵌入式控制系统平台，硬件系统采用 基于a i u 讧微控制器的嵌入式控制板，软件选用c l i n 操作系统。随后，文章以 攀爬机器人匀速运动特性为研究重点，给出了机器人点位运动和曲线循迹运动的 算法以及控制程序的实现。最后，在完成控制系统和相应程序开发后，我们在实 验室的模拟大楼上进行了样机的攀爬实验，并对实验结果进行了详细的分析。 1 5 本章小结 本章首先介绍了高空作业机器人研究的背景，指出了其研究价值。然后，总 结出了目前壁面攀爬机器人所常用的移动和吸附方式的特点，并且，通过几种不 同类型的机器人实例介绍了当前国内外壁面攀爬机器人的研究现状。最后，本文 提出了一种新型壁面攀爬机器人方案，并且概述了本文研究的重点和内容组织。 6 西北工业大学硕士论文 第二章机器人原理样机本体设计 第二章机器人原理样机本体设计 本文提出的攀爬机器人方案虽然具有运动速度快、越障能力强、可靠性高、 负载能力强和对壁面适应性好等诸多优点，但是，由于机器人采用了远距离和单 方向的柔性绳传动，所以其精确运动控制较为困难。为了构建机器人运动控制研 究平台，我们以无限程攀爬机构为基本原理设计了小尺寸的机器人原理样机。 2 1 攀爬机器人动力学模型 为了获取攀爬机器人运动过程中的力学特征，指导机器人样机动力系统的设 计，本文将无限程攀爬装置看作是一个传递动力的“黑盒子”，它将牵引绳索传递 的动力转化为机器人的攀爬力。在对机器人运行环境进行一系列的理想化假设之 后，该机器人系统就可以等效为一个摆长可变的非对称双线摆模型了 首先，对机器人运行环境进行一系列的理想化假设：( 1 ) 机器人本体可看作 是质点；( 2 ) 整个系统处于同一垂直面内；( 3 ) 忽略悬挂钢丝绳的重力；( 4 ) 不 考虑机器人本体在铅锤面内的避障问题；( 5 ) 不考虑电机绕转对牵引运动各物理 参量的扰动；( 6 ) 不考虑阵风等高空环境对机器人的扰动；( 7 ) 不考虑控制响应 迟滞等问题；( 8 ) 不考虑各种影响机器人本体运动的机械阻力；( 9 ) 不考虑机器 人本体在壁面法线方向上的振荡运动。【1 q 然后，利用拉格朗日方法建立系统的动力学模型。机器人本体在两绳牵引力f 和的作用下有确定的运动速度和轨迹，系统自由度为2 。如图2 1 所示，建立壁 面直角坐标系，设机器人本体在固定起点( 而，朋) 处，左牵引绳长为，指向悬点 的绳长绝对变化量为而；左悬绳与水平线所夹锐角大小为( 为绝对值小于 或等于石2 的负数) ，该夹角逆时针方向的绝对变化量为口。左右牵引绳所形成的 夹角为。设系统广义坐标为而和口，得系统的动力学模型为： l 肌l 墨+ ( 再。一而) l = 巧+ e c o s + ，增s i l 口+ 铴) j 研( 而。一而) 西一2 峨西= # 咖一删吕c o s ( 口+ ) 1 ：龇。i n 赁害墅坠坌一 【 、，r + “o 一玉) 。一2 l ( 毛。一而) c o s ( 口+ ) r 9 1 、 其中：埘是机器人本体的质量；工为两悬点间的水平距离；g 为重力加速度。 式( 2 1 ) 即为机器人简化系统的动力学模型。由此式可求出机器人运动所需驱动 力的表达式，如式( 2 2 ) 所示。 西北工业大学硕士论文 第二章机器人原理样机本体设计 图2 一l 机器人简化模型分析图 卜历时矿 一馏帅一亟型垡笛刿 fp m ( 而。一西) 西一2 嘲西+ 用g c o s ( 口+ ) r 一咖，：_ l声：a r c 。i n l 兰! 坠! 鱼! i+ ( 西。一五) 2 2 l ( 雨。一西) c o s ( 口+ ) ( 2 2 ) 机器人由一点运动另一点的过程通常是一个先加速然后匀速最后减速的过 程。利用s i u l i n k 仿真工具对该模型进行仿真，查看机器人在这一运动过程中各 参数的变化规律，如图2 2 所示为仿真输入信号，也即是虚和置的变化曲线；图 2 3 所示为各参数变化曲线，其中，耳为出现了负值，但是在实际中，厩和e 是 不可能为负值的，图中e 为负值是在理论情况下选择了特定大小的输入信号产生 的，由于机器人的动力学模型是对称的，所以只分析e 也可以得出机器人牵引力 的变化规律。当机器人运动在匀加速或匀减速阶段时，西和置为一常数，而矗和 南则是线性增大或减小的，机器人的牵引力e 是逐渐变化的，并且c 在启动时刻 为一个较大的值；当机器人匀速运动时，虚和毫是恒定的，而# 则是在一个小于 其启动值的基础上缓慢增大的，随着机器人的上升，球不断增大，角逐渐增大， 当角等于万时，e 和e 将趋于无穷大，然而在此之前，曩和只的大小可能已经 西北工业大学硕士论文第二章机器人原理样机本体设计 超出驱动电机所能提供的最大牵引力了，所以机器人在额定功率已定的电机驱动 下将存在一个无法到达的死区，解决方法是在两悬绳之间再加入另一根牵引绳使 其能提供足够的牵引力，但这种情况不在本文讨论的范围之内。 ( a ) 角度a 变化的加速度虚( 仿真输入信号)( b ) 而变化的加速度写( 仿真输入信号) 图2 2 仿真系统两路输入信号 ( a ) 左绳长变化速度k = 毫曲线( b ) 角度值口变化速度国= 舀曲线 ( c ) 左绳长绝对变化量葺曲线( d ) 左绳与水平方向夹角绝对变化量口曲线 ( e ) 左绳牵引力巧变化曲线( f ) 右绳牵引力e 变化曲线 图2 3 系统模型s i 1 i n k 仿真中各主要参数变化曲线 9 西北工业大学硕士论文第二章机器人原理样机本体设计 通过以上分析可知，机器人在加速阶段需要一个比匀速运动时大得多的牵引 力；而在匀速运动阶段，其牵引力必须有能继续增大的余地，所以，机器人的驱 动电机不能在恒功率的情况下以最大速度匀速运转。而且，机器人离悬点越近则 其所需要的牵引力就越大，增长越快，因此，机器人运动速度越小，则其无法到 达的死区就越小。综上所述，机器人样机的动力系统应该尽量低速运行，并且可 提供较大的驱动力。 2 2 攀爬机器人原理样机 为了避免牵引绳远距离传动带来的模型复杂性和不稳定性，以及解决传动的 单向性问题，机器人原理样机采用步进电机作为机器人驱动源，并将其置于机器 人本体之上，无限程攀爬机构的动力传输方式选用传输稳定的齿轮啮合传动，如 图2 4 所示。虽然这样会失去机器人远距离传动的优势，但是有固定传动比的刚 性齿轮传动可以减少系统复杂性，增加稳定性，更为重要的是可以在此基础上进 行机器人的精确控制研究。而它的研究结果则可直接应用于小型壁面作业机器人。 机器人原理样机实物如图2 5 所示，各部分说明如图2 6 所示。 图2 4 攀爬机器入原理样机的动力传递过程 图2 5 攀爬机器人原理样机 1 0 西北工业大学硕士论文第二章机器人原理样机本体设计 图2 - 6 攀爬机器人原理样机部件说明示意图 机器人本体依靠摩擦力支撑整个机构的重力和提供向上运动的驱动力，这就 要求无限程攀爬机构的摩擦轮和悬绳间具有较大的静摩擦力，为此，我们将摩擦 轮的轮槽做成倾斜1 7 。的v 形槽以增大轮与悬绳的接触面积，并且，摩擦轮采用 了摩擦系数较大的塑胶板加工制成。机器人在运动过程中会产生较大的摩擦力反 作用力，而且，由前文的分析可知，机器入本体离悬点越近，则其所需的攀爬力 就越大，有效功就越小，所以需要保证摩擦轮具有较大的扭矩。机器人样机利用 两种途径适当增加摩擦轮的扭矩：一是采用齿轮和链轮两级减速传动增加末端扭 矩；二是步进电机尽量处于低速运行状态，同时采用细分驱动器来驱动步进电机 以增加其低速运行的平稳性。电机选用永磁感应式两相步进电机4 2 b y g 2 0 3 ，静转 矩为2 4 l 【g c m 。齿轮啮合传动传动比为1 2 ：3 5 ，链轮传动比为7 ：1 6 ，这样由电机 轴到末端摩擦轮的传动比为3 ：2 0 。步进电机转速与摩擦轮转速之比与传动比成反 比为2 0 ：3 ，也郎是步迸电机每旋转2 0 周，摩擦轮旋转3 周。 一围困圈田圈圈一一 西北工业大学硕士论文第二章机器人原理样机本体设计 为了为减轻机器人样机的重量，增大摩擦轮的转动扭矩，样机机构采用了传 输距离较大，质量较轻，但瞬时速度传动比较差的链传动。而在传动末端，即摩 擦轮处安装了光电编码器，用以测定悬绳长度的相对变化量，并将其作为机器人 的位移反馈值。在悬绳和摩擦轮没有相对摩擦的情况下，摩擦轮每旋转一周，悬 绳长度变化一个周长的长度，实测值为1 4 厘米，光电编码器则输出l o o 个脉冲， 所以，光电编码器输出的一个脉冲可以精确表示悬绳长度变化值为0 1 4 厘米，此 外，反馈的脉冲数还可以作为步进电机有无失步的参考。另外，也可以直接获得 悬绳长度变化的瞬时速度，这一速度独立于步进电机转速，也可作为速度反馈值 加以运用。光电编码器选用 i e d s si s c 3 8 0 6 一h 0 3 g 1 0 0 b z 3 5 l 型，同时输出两路9 0 度相位差信号和零位信号，每周输出1 0 0 个脉冲，响应频率最大为1 0 0 i ( i z 。 2 3 本章小结 攀爬机器人原理样机没有直接采用远距离柔性绳传动，是因为通过实验发现： 小尺寸样机在柔性绳传动下易受到绳绕转影响而产生抖动，并且，由于样机无法 安装排线机构等辅助装置，样机运行极不稳定，有时无法正常完成攀爬动作；另 外，由于样机质量相对较轻，而柔性绳传动是单向的，所以有时样机无法自动下 降。诸多问题影响了我们对机器人攀爬运动的控制研究，所以，在设计原理样机 时，我们选择了近距离齿轮传动。 本章首先抽象出了攀爬机器人的动力学模型，分析了机器人在攀爬过程中的 牵引力变化特性；然后，根据机器人的力学要求，设计了无限程攀爬机构的两级 减速传动系统，并在此基础上构建了整个机器人的原理样机。 西北工业大学硕士论文第三章机器人嵌入式控制平台构建 第三章机器人嵌入式控制平台构建 机器人的一切运动控制都需要一个控制平台。平台管理机器人的各种运转设 备，获取环境信息，进行各种算法的运算，它是机器人最核心的部分。本文研究 高空作业机器人的控制系统，它不仅需要实现机器人攀爬运动控制，而且还需要 实现作业任务控制，所以，在研究的初级阶段，所构建的控制平台应具有强大的 运算能力、极大的可扩展性和功能的模块性等。下文将介绍如何构建一种基于a 跚 处理器和“c l i n u x 操作系统的开放的嵌入式控制平台。 3 1 控制系统硬件平台的构建 机器人控制器完全置于其本体之上，控制步进电机运转，读取编码器反馈值， 还可以作为机器人作业系统的控制器。控制系统硬件分为两层：底层是步进电机 细分驱动器、系统电源和信号转接板；上层则是具有丰富接口的基于a r m 微处理 器的控制板。将硬件分层不但可以使系统层次清晰，而且有利于维护和扩展：底 层电机的更换和传感器的增减等行为不需要更改上层控制板电路；而上层控制板 也可以在不影响下层电路的情况下整块更换。下面，我们将由下至上分析系统硬 件。 步进电机驱动器选用s m - 2 0 2 a 型细分驱动器，细分步数可调。细分步数设置 如表3 1 所示，具体细分数应根据实际的精度和电机的运转速度来选取，本文选 择细分倍数为4 。样机所选步进电机输入电流要求为o 3 a ，所以选择细分驱动器 输出电流为o 2 5 a 。 表3 1 驱动器细分数开关选择 i ”细分倍数9 。 。步数，避( 1 。舻整步) ， k 1 “x 2 “警7； 3 酚”。嚣 l2 0 0 o no no n 2 “ 4 0 0o f fo n o n 4 一 。；：荔羔纛蝴乏焉：纛”、”a 畦”。 ”o f f “o 盼8 囔 。 8 一 1 6 0 0o f fo f f o n 1 6 ” 3 2 0 0o no n o f f 。 3 26 4 0 0o f fo no f f ：一 6 41 2 8 0 0o no f fo f f 由于系统各部分供电电压有所差别，步进电机驱动器供电电压不超过4 5 v d c 即可，而上层控制电路板要求输入电压为9 v d c ，编码器则要求5 v d c 电压，所 以比较好的供电方案是制作一块电源调理板，统一输入2 2 0 v a c ，然后分别变压至 1 3 西北工业大学硕士论文第三章机器人嵌入式控制平台构建 所需要的电压值，而且保证输出电流符合要求，并且最好将两路驱动器所需要的 高电压与控制板和编码器所需要的低电压分离，以避免干扰。本方案的重点不在 于制作好的电源，且处于实验阶段，所以供电直接采用高质量的稳压电源设备。 而对于编码器信号来说，如果其处于恶劣工作环境之中，则极易产生噪声信号， 不利于脉冲计数，这种情况下可制作相应的信号调理板，首先是利用金属网罩屏 蔽信号线，然后在信号传送末端加入比较器进行信号处理，处理过的信号再送往 控制板接收端。本方案采用屏蔽线传送信号，传送距离大约为三十厘米，通过示 波器观察编码器输出的脉冲信号，其干扰较少，方波非常明显，所以未加信号调 理电路，直接将其接入控制板。 上层控制板采用p h i l i p s 公司的a i u 讧芯片l p c 2 2 1 0 ，如图3 1 所示。该芯片 采用3 2 位删7 ) m 【内核，具有丰富的外设接口，1 4 4 脚封装的芯片具有；例 1 、8 路l o 位山d 转换器，转换时间低至2 4 “s ； 2 、2 个3 2 位定时计数器，其中包括4 路捕获通道和4 路比较匹配通道； 3 、6 路p w m 输出； 4 、实时时钟和看门狗电路； 5 、多路串行接口，包括2 个1 6 c 5 5 0 工业标准u a r t 、高速1 2 c 接口( 4 0 0 k b 口s ) 和2 个s p i 接口。 6 、向量中断控制器。可配置优先级和向量地址。 7 、多达7 6 路快速通用i o 接口，承受5 v 电压。 8 、通过片内p l l 可实现最大7 5 m 的c p u 操作频率。 图3 一ll p c 2 2 1 0 结构框图 1 4 西北工业大学硕士论文第三章机器人嵌入式控制平台构建 控制板实物如图3 - 2 所示，配有2 m 字节的n o rf 1 a s h 存储器，可用于放置系 统启动代码b o o d o a d 盱；8 m 字节的p s r 舢讧，作为系统内存；1 6 m 字节的n a 】呵d f 1 a s h 存储器，可用于存放操作系统和应用程序代码。控制板具有r s 2 3 2 转换电路， 可以实现与上位机的串行通信；提供四路l e d 指示灯和1 7 个按键，并留有2 2 英 寸2 4 0 3 2 0 t f t 彩色液晶屏接口电路，可在此基础上开发方便友好的人机交互界 面；开发板留有标准网络接口，方便实现控制系统的网络通信。下面将简要介绍 控制板的几个主要电路。 图3 - 2 机器人控制系统硬件一e 层控制板 图3 3 所示为系统电源电路的一部分，由于编码器电源将取自该开发板，所 以重点介绍5 v 电源电路。首先c z l 电源接口输入+ 9 v 直流电源，二极管d 1 防止电 源反接，经过c 4 2 、c 4 3 滤波，然后通过l m 2 5 7 5 芯片将电源稳压至5 v ，从而得到 质量较高的5 v 直流电源。 图3 3 系统钾电源电路 图3 4 所示为系统复位电路。由于a r m 芯片的高速、低功耗、低工作电压导 致其噪声容限低，对电源的波纹、瞬态响应性能、时钟源的稳定性、电源监控可 靠性等诸多方面也提出了更高的要求。开发板采用了带i 存储器的电源监控芯片 c a t l 0 2 5 j 卜3 0 ( 复位门槛电压为3 o v 一3 1 5 v ) ，提高了系统的可靠性。 西北工业大学硕士论文 第三章机器人嵌入式控制平台构建 图3 4 系统复位电路 图3 5 所示为系统时钟电路。该开发板使用了外部1 1 0 5 9 2 删z 晶振，用 1 1 0 5 9 2 删z 晶振的原因是使串口波特率更精确，同时能够支持l p c 2 2 l o 微控制芯 片内部p l l 功能和i s p 功能。 图3 6 所示为系统串口电路。由于系统采用3 3 v 供电，所以使用了s p 3 2 3 2 e 进行r s 2 3 2 电平转换，s p 3 2 3 2 e 是3 v 工作电源的r s 2 3 2 转换芯片。 z 垡 v e ce l + - l r* m t i “2 亡面一 h 王1 业 o 习匿 t 2 0 图3 5 系统外部时钟电路 图3 - 6 系统串口电路 图3 7 所示为开发板键盘电路。具有1 6 个按键，使用了1 2 c 接口的键盘与u d 驱动芯片z l g 7 2 9 0 进行键盘扫描。z l g 7 2 9 0 的电源采用3 3 v ，复位引脚与系统复 位信号n r _ s t 相连，当系统上电复位或手动复位时会同时复位z l g 7 2 9 0 。z l g 7 2 9 0 的键盘中断输出信号与l p c 2 2 1 0 的中断引脚p 0 3 0 相连，当有键按下时，z l g 7 2 9 0 将会输出中断信号通知l p c 2 2 1 0 。 图3 7 控制板键盘电路 1 6 西北工业大学硕士论文第三章机器人嵌入式控制平台构建 本方案采用该控制板完成电机控制、编码器脉冲计数和键盘设定等工作。电 机驱动器的脉冲输入主要由微控制器的定时器匹配输出引脚产生：电机旋转方向 信号则由g p i o 输出的高低电平确定；编码器的脉冲计数和z 引脚零位信号由定时 器的输入捕获产生中断来完成，由于机器人攀爬速度较低，旋转方向的判断可由 软件完成；系统启动运行等由按键控制。图3 8 为整个控制系统的连线图。 图3 - 8 攀爬机器人控制系统连线图 目前控制器的可视化控制主要是通过r s 2 3 2 串口与主机通信实现，由于主机 控制器主板预留有t f t 显示屏接口和按键电路，所以人机交互可以在控制器主板 上完成，该功能的实现已超出了我们研究的范围，本文对此不再叙述。下文的重 点将放在控制器的软件开发上。 1 7 西北工业大学硕士论文第三章机器人嵌入式控制平台构建 3 2 控制系统软件平台的构建 控制器需要完成电机控制信号的产生、编码器脉冲计数和相关计算等任务， 这些任务都需要由软件系统完成。单一程序完成所有的任务不断缺乏灵活性，而 且当机器人控制任务需要增加时，原来的控制程序需要进行彻底修改，而且代码 复杂度也会随之增加，非常不利于调试和维护。本方案所提出的嵌入式控制系统 不但用来作为机器人运动控制器，而且还可以作为作业系统控制器，其功能也将 会得到极大的扩展，所以在研究初期，以单一程序实现目前的功能并不是明智的。 相反，嵌入式操作系统相比单一程序具有诸多优点：1 、可以提高了系统的可靠性； 2 、在嵌入式操作系统环境下开发实时应用程序使程序的设计和扩展变得容易，不 需要大的改动就可以增加新的功能；3 、通过将应用程序分割成若干独立的任务模 块，使应用程序的设计过程大为简化；4 、通过有效的系统服务，嵌入式操作系统 使得系统资源得到更好的利用，能够充分发挥3 2 位c p u 的多任务潜力。本方案选 择免费且开源的肛c l i n u x 操作系统作为本控制系统的嵌入式操作系统。 3 2 1p c l i n u x 操作系统简介啪1 “c l i n l d 【是一个完全符合g g p l 公约的操作系统，完全开放代码，现在由 l i n 公司支持维护。u c l i n 慨的发音是“y o u - 辩1 i 嗽”，它的名字来自于希腊字 母“m u ”和英文大写字母“c ”的结合。“舢”代表“微小”之意，字母“c ”代 表“控制器”，所以从字面上就可以看出它的含义，即“微控制领域中的l i n u x 系 统”。 为了降低硬件成本及运行功耗，有一类c p u 在设计中取消了内存管理单元 ( m 锄o r ym a n a g e l e mu n i t ，以下简称加讯i ) 功能模块，例如，本方案使用的 l p c 2 2 1 0 微控制器。最初，运行于这类没有 妇讯r 的c p u 之上的都是一些很简单 的单任务操作系统，或者更简单的控制程序，甚至根本就没有操作系统而直接运 行应用程序。在这种情况下，系统无法运行复杂的应用程序，或者效率很低，而 且，所有的应用程序需要重写，并要求程序员十分了解硬件特性。这些都阻碍了 应用于这类c p u 之上的嵌入式产品开发的速度。然而，随着“c l i m d 【的诞生，这 一切都改变了。 “c l i l l l l ) 【从l i i i u x2 0 ，2 4 内核派生而来，沿袭了主流l i n u x 的绝大部分特性。 它是专门针对没有m m u 的c p u ，并且为嵌入式系统做了许多小型化的工作。适 用于没有虚拟内存或内存管理单元( m m u ) 的处理器，例如a r m 7 t e i m i 。它通 常用于具有很少内存或f l a s h 的嵌入式系统。“c l i r m x 是为了支持没有m m u 的处 理器而对标准l i n l l ) 【作出的修正。它保留了操作系统的所有特性，为硬件平台更好 1 8 西北工业大学硕士论文第三章机器人嵌入式控制平台构建 的运行各种程序提供了保证。在g n u 通用公共许可证( g n ug p l ) 的保证下， 运行u c l i 删x 操作系统的用户可以使用几乎所有的l i n 旺a p i 函数，不会因为没有 m m u 而受到影响。由于肛c l i n u x 在标准的l i n u x 基础上进行了适当的裁剪和优化， 形成了一个高度优化的、代码紧凑的嵌入式l i n u x ，虽然它的体积很小，p c l i n i 】【 仍然保留了l j m 的大多数的优点：稳定、良好的移植性、优秀的网络功能、完备 的对各种文件系统的支持、以及标准丰富的a p i 等。如图3 9 为“c 1 i n u ) 【基本架构 图，各部分介绍如下： 图3 - 9 c l 抽基本架构 b o o tl o a d 盯：负责l i n _ 畎内核的启动，它用于初始化系统资源，包括系统内存。 这部分代码用于建立l i n u x 内核运行环境和从f l a s h 中装载初始化舳d i s k 。这一 部分是我们将“c l i n 眍操作系统移植到控制器主板上的重点和难点。 内核初始化：l i n u x 内核的入口点是s t a r tk c 加e l o 函数。它初始化内核的其他 部分，包括事件捕获，通道，调度，设备驱动，标定延迟循环，最重要的是 能够f o r k “砬”进程，以启动整个多任务环境。 系统调用函数捕获函数：在执行完“砬”程序后，内核对程序流不再有直接 的控制权，此后，它的作用仅仅是处理异步事件(