（检测技术与自动化装置专业论文）移动机械手平台系统设计.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多 种功能于一体的综合系统。移动机械手是由机械手固定在移动平台上构成的 一类特殊的移动机器人系统。其中机械手用来实现如抓取、操作等动作，平 台的移动用来扩展机械手的工作空间，使机械手能以更合适的姿态执行任务， 机械手的加入也极大的提高了移动机器人的性能。移动机械手系统一直是世 界机器人研究的热点，本文从实验室“2 1 1 ”建设出发，对该系统移动平台部 分的设计进行了研究和探讨。 移动平台是一辆采用直流伺服电机驱动的三轮平面移动小车，采用d s p 作为运动控制器，利用电机轴上的编码器作为计程仪导航，可以在一块用围 墙封闭起来的水平地面上运动。车体周围装有超声波传感器和碰撞传感器， 用以在运动中躲避障碍物。平台上安装一五自由度机械手，可以在一定范围 内抓放物体。该手臂的水平旋转基座上装有一c c d 摄像头作为平台的视觉传 感器，使用带有图像采集卡的p c i 0 4 计算机对图像进行处理，在手臂抓放物 体时完成目标物体的搜索、定位、识别工作。整个移动平台的自主运动由。 个安装在车体内的p c i 0 4 计算机来控制，它通过无线网络与一台远程计算机 通讯来接收控制命令和反馈运动信息。 移动机械手系统最终要实现在封闭场地内的自主导航运动，能够躲避障 碍物，依靠机器视觉从位置大致固定的多个物体中抓取指定特征的目标物体。 该系统可为开展对人工智能、神经网络、机器人视觉等方面的研究提供一个 理想的实验平台。 关键词：移动机械手系统：d s p ；自主运动；图像处理 堕堡堡兰堡丕堂堡主堂壁堡塞 a b s t r a c t m o b i l er o b o ti sac o m p o s i t i v es y s t e mw h i c hi n t e g r a t i n gm u l t i f o l df u n c t i o n s u c ha s a p p e r c e i v i n ge n v i r o n m e n t ，d y n a m i cd e c i s i o na n dp r o g r a m m i n g ，a c t i o n c o n t r o l l i n ga n dp e r f o r m i n g m o b i l em a n i p u l a t o ri s as p e c i a lr o b o tc o n s t r u c t e db y m o u n t i n g am a n i p u l a t o ro nam o b i l e p l a t f o r m t h ea r mc a ng r a s po b j e c t ， i m p r o v i n g t h e p l a t sp e r f o r m a n c e ；a n d t h em o b i i e p l a t e x t e n d sa r m s w o r k s p a c e ，p r o v i d i n gi tw o r ki ng o o dp o s e m o b i l em a n i p u l a t o ri sa l w a y sf o c u si n r o b o tr e s e a r c h ，t h i st h e s i si sb a s e d0 1 1 “21i ”p r o j e c t ，m a k es o m er e s e a r c ho nt h e d e s i g no fm o b i l ep l a t t h e p l a t i sat h r e e - - w h e e lc a rd r i v e d b yd c - - m o t o r , u s i n g ad s pa s a m i c r o c o n t r o l l e r , n a v i g a t i n gb yc o d e r so nt h em o t o r ss h a f t i tc a nm o v eo nac l o s e p l a n es u r r o u n d e db y w a l la n du s eu l t r a s o n i ca n d b u m p e r s e n s o rt oa v o i d o b s t a c l ew i t ham a n i p u l a t o ro ni t s e l ft og r a s po b j e c ta ts p e c i f i cs c o p e ，t h ea r mh a s ac c dc a m e r aa n dap c10 4 c o m p u t e rw i t hi m a g ec o l l e c t o r a sv i s i o n s y s t e m ，r e a l i z es e a r c h i n g ，o r i e n t i n ga n di d e n t i f y i n gt oo b j e c t t h ep l a tu s eap c 10 4 c o m p u t e ra si t si n d e p e n d e n tm o v e m e n tc o n t r o l l e r ，i tc a nc o m m u n i c a t e sw i t ha r e m o t ec o m p u t e rb yw i r e l e s sn e t ，r e c e i v ec o m m a n da n df e e d b a c km o v e m e n t i n f o r m a t i o n t h eu l t i m a t ea i mi st om a k et h ep l a tc a nm o v ea n da v o i do b s t a c l e i n d e p e n d e n t l yi nt h ee n c l o s e r ，g r a s pt h eo b j e c tw i t hs p e c i f i cc h a r a c t e rb yc o m p u t e r v i s i o n t h i ss y s t e mc a np r o v i d eai d e a le x p e r i m e n tp l a tf o rt h er e s e a r c ho fa r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ，n e r v en e t w o r k ，c o m p u t e rv i s i o na n ds oo n k e y w o r d s ：m o b i l em a n i p u l a t o r ；d s p ；i n d e p e n d e n tm o v e m e n t ；i m a g ep r o c e s s i n g 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引 用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表 的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：年月日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 移动机器人概述 第1 章绪论 移动机器人的研究始于6 0 年代术期，斯坦福研究院( s r i ) 的n i l s s e n 和 c h a r l e sr o s e n 等人，在1 9 6 6 年至1 9 7 2 年中研造出了取名s h a k e y 的自主移 动机器人。目的是研究应用人工智能技术，在复杂环境下机器人系统的自主 推理、规划和控制。与此同时，最早的操作式步行机器人也研制成功，从而 开始了机器人步行结构方面的研究，以解决机器人在不平整地域内的运动问 题，设计并研制出了多足步行机器人。7 0 年代末，随着计算机的应用和传感 器技术的发展，移动机器人研究又出现了新高潮。特别是在8 0 年代中期，设 汁和制造机器人的浪潮席卷全世界，一大批世界著名的公司开始研制移动机 器人甲台，这些移动机器人主要作为大学及研究机构的移动机器人实验平台， 从而促进了移动机器人学多种研究方向的出现。9 0 年代以来，以研制高水平 的环境信息传感器和信息处理技术，高适应性的移动机器人控制技术，真实 环境下的规划技术为标志，丌展了移动机器人更高层次的研究。 1 11 移动机器人的系统结构 目前研究的移动机器人都是带有智能的机器人：机器人本身能认识工作 环境、工作列象及其状态，它根据人给。弘的指令和“自身”认识外界的结果 来独立的决定工作方法，利用操作机构和移动机构实现任务目标，并能适应 工作环境的变化。 这些具有智能的机器人，有的能够模拟人类用两条腿走路，可在凹凸不 平的地面上行走移动；有的具有视觉和触觉功能，能够进行独立操作、自动 装配和产品检验：有的具有自主控制和决策能力。不仅能够应用各种反馈传 感器，而且还能够应用人工智能中的各种学习、推理和决策技术。 移动机器人一般由硬件系统和软件系统两部分构成。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 根据研制目的不同，移动机器人硬件系统的构成也不尽相同，比较完整 的典型结构如图1 1 所示”。 摄像头运动 图i 1 移动机器人的硬件系统 移动机器人的软件系统，就相当于机器人的“大脑”，智能机器人之所以 能够代替人做大量的工作，就是因为它具有和人类的大脑思维能力相仿的智 能控制系统。而这个智能控制系统其实就是机器人的软件系统，是人工智能 主要技术对于机器人的综合运用。智能机器人的软件系统，如图1 ，2 所示。 1 1 2 移动机械手平台系统 移动机器人是一个集环境感知、动态决策和规划、行为控制与执行等多 种功能于一体的综合系统。移动机械手是由机械手固定在移动平台上构成的 哈尔滨工栏大学硕士学位论文 一类移动机器人系统。其中机械手用来实现如抓取、操作等动作，平台的移 动用来扩展机械手的工作空间，使机械手能以更合适的姿态执行任务，同时 机械手的加入也极大提高了移动机器人的性能。 移动机器人体系结构的设计就是要把感知、建模、规划、决策、行动等 多种模块有机地结合起来，建立在动态环境中完成目标任务的一个或多个机 器人结构框架。 图1 ，2 智能机器人的软件系统 1 2 课题研究背景及意义 移动机械手平台系统是实验室“2 1 1 ”工程建设项目之一，涉及到机械、 电子、无线通讯、计算机视觉、模式识别与智能控制的许多学科，将为今后 进行基于移动机器人技术的各方面研究( 如机器人导航、视觉、模糊控制、 神经网络等) 提供理想的实验载体和平台。 把机械手安装在移动平台上，这种结构使机械手拥有几乎无限大的工作 空间和高度的运动冗余性，并同时具有移动和操作功能，这使它优于一般的 移动机器人和传统机械手；另一方面，移动平台和机械手不但具有不同的动 力学特性，而且存在强耦合，有的移动平台还受非完整约束。因此，研究这 类系统的控制问题有十分重要的理论价值和实践意义。 这种特殊结构的机器人在工业装配、无人恶劣环境中工作( 如灭火、外 星球探测和各类危险的科学研究) 以及室内服务工作( 如运送、导游和巡逻) 等方面具有一定研究价值。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 国内外研究现状 美国在2 0 0 3 年发射的两辆火星探测车“勇气”号和“机遇”号分别于 2 0 0 4 年1 月3 日和2 4 日在火星不同区域安全着陆，并完成了9 0 个火星日的 科研工作。这两辆先进的探测车又一次向世人展示了美国在机器人技术领域 的领先地位。 图1 _ 3 勇气号安全登陆火星图1 4 勇气号伸出机械手臂采集岩石样本 拿“勇气”号探测车来说，就是一个具有手臂的移动机器人。他的大脑 是一台高速计算机，车体靠自身具有的六个轮子在火星地面运动，视觉系统 采用一对全景照相机来拍摄火星表面和天空的全景视图，也用于形成着陆点 附近的地形图、搜索感兴趣的岩石和土壤，来完成寻找火星远古时期存在液 态水的证据的工作；另外分别于车体前端与后端安装两组相同的避危摄影机， 由一组立体影像的黑白摄影机所构成的，所拍摄的影像除了用于障碍物侦测 之外还用于探险车的路径规划上。 最先进的要数探测车上的机械手臂，手臂末端装备了各种工具，有显微 镜成像仪、三种质谱仪和两种分光计，一套岩石研磨和样本采集工具以及三 个磁铁阵列，所有设备主要用来寻找火星上是否曾经有液态水的证据。 日本t m s u k 公司开发的的抢险救生机器人“t 一5 2 援龙”属于双臂式油 压驱动机器人，通过履带移动，双臂有2 2 个自由度，可在事故现场完成数倍 于人力的工作以及救援人员无法接近的危险区救援等。配备9 台有效像素6 8 万的c c d 相机，可向远程操作装置传送图像。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 此外，美国出售的专供高校进行研究的机器人移动平台系统都配备了机 械手臂，可以在其上开展许多有价值的研究。比较著名的有i r o b o t 公司出品 的m a g e l l a np r o 系列机器人( 图1 5 ) 和a c t i v e m e d i a 公司的p i o n e e r 系列机 器人( 图1 6 ) 。 图1 5z r o b o t 公司的m a g e l l a np r o 系列机器人 图1 6 两种装有机械手臂的p i o n e e r 机器人 我国对移动机械手的研究虽然起步较晚，但也取得了一定的成果。中科 院自动化研究所复杂系统与智能科学实验室开发的c a s t a - i 型机器人是集多 种传感器、视觉、语音识别与会话功能于一体的智能移动机器人，它利用多 传感器信息融合技术，使机器人能够理解自己的状态和所处的外部环境信息， 并实时地做出自己的运动控制的决策一躲避障碍物、寻找最优路径，实现自 主移动、定点运动、轨迹跟踪、漫游等基本功能。今年，由南京大学研制的“灵 晰一b ”型排爆机器人在南京市公安局特勤支队正式服役。该机器人为三段履带 哈尔滨工程大学硕士学位论文 式设计，身上装置行走、机械手、云台三个摄像头，最大行走速度3 0 米秒， 能抓取1 5 公斤重物，爬行4 0 度斜坡和楼梯，越过4 0 厘米高障碍和5 0 厘米 宽壕沟，自带电源可连续工作4 小时。排爆人员可在远距离以无缆操作方式 对机器人进行精确操控。这台机器人同时还选装了爆炸物销毁器，在对可疑 物爆炸装置确认后，可对爆炸装置进行迅速销毁。 图1 7 “灵晰一b ”型排爆机器人 1 4 本文的主要研究工作 ( 1 ) 分析研究了国内外带机械手臂的移动机器人进展状况，了解了国外先进 的教学研究用机器人的软硬件结构，参考了a c t i v e m e d i a 公司的p i o n e e r 系列 机器人技术文档，具体分析了各项技术实现的可行性，提出了移动机械手平 台的总体设计方案。 ( 2 ) 通过对电机运行特性的了解学习，针对给定的性能指标计算出平台车轮 轴上的扭矩并选择了电机的型号，设计了电气控制系统中的电机驱动控制电 路部分。 ( 3 ) 针对移动平台在地面运动的简化数学模型，设计了初步的系统控制方案， 并考虑平台在运动受到干扰的情况下系统的改进控制方案。对数字p i d 控制 方法的实现进行了研究，并提出了一种简单的机器人智能控制体系。 ( 4 ) 建立3 d 场景摄像机模型，对摄像机参数进行校准，研究利用该模型对 尺寸已知的目标物体进行定位，对利用针孔模型对尺寸未知目标物体的进行 啥尔滨工程大学硕士学位论文 定位的方法作了探讨。 ( 5 ) 采用基于颜色模型空间的外旋搜索法对目标物体进行搜索，提出了几种 有效的图像平滑、锐化、边缘提取以及边界跟踪的方法，在目标图像匹配上， 使用了两种快速有效的目标匹配算法来实现。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 帚a - , l 、- 2 章移动机械手平台总体设计 移动机械手平台系统是采用一辆轮式平面移动车作为移动平台，在该平 台上装配有机械手臂、摄像头、传感器等设备，能够在特定的环境中自主运 动，按要求抓放物体的移动机器人系统。 本章从可行性的角度出发提出了移动机械手平台系统要实现的的功能， 参考a c t i v e m e d i a 公司的p i o n e e r i i 型机器人的技术手册，我们给出了移动机 械手平台系统的总体设计方案，包括各组成部分及其工作原理，以及具体的 技术指标。 2 1 系统功能 要求移动机械手平台系统能够完成以下由简单逐渐复杂的任务： 1 移动平台在 作台边，根据远程监控计算机发送的命令，机械手借助视 觉系统抓放工作台上的物体。 2 移动平台在工作台边，根据远程监控计算机发送的命令，机械手可以从工 作台上的多个物体中识别出指定的目标物体，进行抓取。 3 根据远程监控计算机发送的命令，平台可以在已知地图的环境中从初始位 置( 己知坐标) 自主导航运动到目的地( 指定坐标) ，在运动中呵以躲避 坐标未知的障碍物。 4 根据远程监控计算机发送的命令，平台可以在己知地图的环境中从初始 位置自主导航运动到工作台l ( 坐标已知) ，机械手可以从工作台1 上摆 放的多个物体中抓取指定的目标物体，并把该物体放到环境中指定坐标 的工作台2 。 2 2 系统组成及工作原理 系统由移动平台，五自由度机械手，场外监控计算机系统、运动环境4 部分组成。如图2 1 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 1 移动平台 移动平台有平台本体和平台控制器组成，平台控制器包括主控计算机 视觉计算机，电气控制电路。 图2 1 移动平台总体布局示意图 ( 1 ) 平台本体 平台建立在一辆3 轮小车上， 轮采用直流伺服电机( 包括电机、 前边两轮独立驱动，后边一个随动轮。车 减速器、编码器) 驱动，车体转向通过两 图2 ，2 车体结构透视图( 俯视) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 个驱动轮差速运动来完成。为在有限空间内合理放置电机，电机轴和车轮轴 采用链条连接。车体前后装有超声波传感器，用来测量车体周围障碍物的距 离。车体前后还装有碰撞传感器，在机器人受碰撞时及时保护机器人本体。 机器人的电源系统采用两块1 2 v 、1 7 a h 的蓄电池供电。如图2 2 。 ( 2 ) 主控计算机 采用6 8 6 级p c i 0 4 计算机，板载1 2 8 m 内存，具有两个串行接口，一个 以太网接口，u s b 接口，另外扩展一块多串口卡。可通过串口与电气控制系 统交换信息，可通过u s b 接口的无线网卡与远程监控计算机交换信息。 主控计算机是平台控制器的核心，负责平台运动的智能控制：包括对移 动平台本体的控制和对机械手的控制。对本体的控制主要是对其位移和方向 的控制，通过串口与电气控制系统通讯，获得当前平台本体的运动状态和位 姿以及传感器反映的周围环境信息，同时发送控制命令控制本体运动。对手 臂的控制主要是对手爪的空间动作的控制，根据视觉系统对目标物和手抓图 像的分析，由视觉系统定位，给出手抓需要调整到的空间坐标值，并解算出 各个关节驱动电机的角度值，通过串口发送给机械手示教盒，控制手臂运动。 主控计算机通过无线网络与远程监控计算机通讯，接收最高级控制指令，并 反馈移动平台的位姿和环境信息数据。工作原理见图2 3 。 网络 l 示教盒 i | 机械手臂i 丫旧嘉静- 视觉处理计算机 u s b 。 包括图像采集卡 i 串1 ：2 ， 电气控制电路 平台控制器 千 1r 传感器伺服电机c c d 摄像头 图2 3 平台控制器工作原理图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 3 ) 视觉处理计算机 视觉处理计算机和图像采集卡采集并处理摄像头拍摄的图像信息，该计 算机利用串口与主控计算机通讯，具体结构见图23 。 主控计算机将待搜索的目标物体的图像数据( 图像文件、物体颜色、尺 寸) 发送给视觉处理计算机，视觉处理计算机根据该数据结合摄像头拍摄到 的图像，控制摄像头转动，在工作台1 ( 放置被抓物体的固定平台) 范围内 搜索目标物体的方位，采用基于颜色信息的外旋搜索法，将搜索结果发送给 主控计算机，当需要判别目标物体时，或在多个物体中选择出要抓取的目标 物体时，可对拍摄的图像进行处理，提取出目标物的图像特征与模板进行匹 配，最终区分出要抓取的目标物体。采用单摄像头定位方法测量目标物体与 摄像头的距离，再折算成手爪与物体的相对距离( 即物体在手臂坐标系中的 坐标) 。主控计算机根据这个坐标值控制手臂运动使手爪处于目标物体上方。、 视觉处理计算机分析摄像头拍摄到的手与目标物体的图像，计算出手趣 与目标物体的相对距离，把这个距离和目标物体的方位信息传送给主控计算 机。主控计算机根据视觉系统传送来的信息调整手臂，确保目标物体最终处 于手爪的范围之内，控制手爪执行抓取任务。 在执行物体放置任务时，利用移动平台本体上的超声波传感器，主控计 算机控制移动平台接近工作台2 ，同时视觉系统采集手爪放置物体的图像信 息，处理计算出手臂需要调整的位移量并发给主控计算机，主控计算机再控 制手臂运动到需要的位置和姿态，直至正确完成放置。 上述搜索、定位工作完成后需要用到相应的图像处理技术最终完成目标 物体识别，步骤有如下几项： 硬件采用p c i 0 4 总线的主板和图像采集卡，操作系统采用r t - l i n u x ，编程 采用g n u c + + 。 ( 4 ) 电气控制电路 采用d s p 作为中央处理器，主要完成车轮驱动电机的控制和传感器信号 的采集，同时负责与主控计算机系统通过串口通讯，接受运动指令并反馈机 哈尔滨工程大学硕士学位论文 器人车体目前的方位、姿态和传感器信息。 为了将电池的电能合理分配给各个子系统使用，针对平台上各系统，设 计一块电源板，把电池组提供的电压值变换成各部分需要的电压值后输出。 转换电路结构示意如图2 4 。 2 2 2 五自由度机械手 主控计算机 图2 4 电源转换电路 机械手 图2 5 五自由度机械手子系统框图 1 2 示教盒 哈尔滨工程大学硕士学位论文 机械手本体具有五个自由度，安装在移动平台本体上，可完成工作空间 范围内的物体的抓取和放最任务。机械手由6 个电机控制，其中5 个电机控 制机械手臂的各个关节，1 个电机控制手爪，并由6 个传感器检测关节和手 爪张开的角度，见图2 4 。在机械臂的水平旋转基座上安装一个c c d 摄像头， 采集图像通过电缆传送给平台本体中的图像采集卡，交由视觉处理计算机处 理。摄像头位于基座正前方，镜头中心与手爪中心在一条线上。 五自由度机械手子系统控制和数据采集的核心部分是机械手示教盒，负 责控制机械手本体运动，采集机械手各关节和手爪的位置信息，并实现与负 责机械手运动控制的计算机通过串口通讯。 2 2 3 远程监控计算机 在一台p c 机上连接无线网桥设备，通过无线网络与机器人通讯。可以向 机器人发送总体任务命令( 如抓取物体，或自主导航运动到地图中指定的坐 标处) 或目标物的图像特征数据，接收机器人视觉系统的图像信息。操作者 可以通过该计算机人为发送命令控制机器人。 2 2 4 运动环境 移动平台系统的运动环境是一块矩形的场地，场地中随机摆放障碍物和 工作台，周围用围墙围住，详见图2 6 。环境的地图就是区域中除障碍物以 外各个物体的坐标值( 包括移动平台的初始位置坐标、工作台l 和工作台2 的位置坐标) 。 在运动环境中，规定移动平台的初始位置坐标和目的地的坐标已知，初 始放置完成后，通过远程控制计算机将坐标信息无线发送给移动平台。机器 人的导航通过安装在车轮电机轴上的两个编码器组成计程仪，由于车轮直径 己知，可以计算出各轮的线速度，在时间轴上进行积分可以得到平台任意时 间内的线位移。由于两车轮间距离n 已知，则以低速轮为圆心，以n 为转动 半径可以计算出角速度，积分可得角位移。 移动平台通过安装在本体周围的超声波传感器测量自身与墙壁或障碍物 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的距离，实现运动中的避障。此外，这些传感器还可帮助移动平台接近放置 目标物体的工作台。 移动 障碍物 目标物体 图2 6 运动环境示意图 2 3 系统的性能指标 x 工作台1 工作台2 手臂： 重量：2 5 k g 工作范围：垂直：5 5 0 r a m水平：4 5 0 水平旋转角度：2 7 0 0 工作电压：1 5 v d c 工作电流：o 3 a 分辨率：l m m 最大抓取重量：2 0 0 9 本体： 外形尺寸：5 5 0 4 3 5 0 4 2 5 0 ( m l t i ) 重量：4 0 k g 载重：2 0 k g 最大速度：l m s 最大加速度：lr r d s 2 指令周期：5 0 m s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 最长工作时间：1 小时 运动环境： 面积为6 m * 5 m 的区域，地面平坦，颜色单一，围墙高i 米。目标物体采 用不同颜色，放置于固定坐标范围内。场内可在任意坐标处放置障碍物，障 碍物至少与移动平台等高。工作台1 和工作台2 为圆柱形台体( = l m ， h = 2 5 0 m m ) ，用来放置目标物体。 2 4 本章小结 本章主要对移动机械手系统进行了总体设计，描述了系统的组成以及各 部分的工作原理，提出了一些相对具体的技术指标，并阐述了对系统最终完 成的任务的具体要求。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章移动平台本体电气系统设计 驱动平台车轮的电机是平台系统的重要部件，直接关系到平台的运动性 能。由于直流伺服电机具有调速范围宽，机械特性和调节特性的线性度好， 响应速度快等优点，所以用其来驱动移动平台的车轮非常理想。 我们对平台的运动进行分析，计算电机所必须要达到的参数指标，来对 电机进行选型。采用d s p 作为运动控制器，以其为核心设计控制电路，相应 的编写了控制程序。 3 1 电机选型 为使移动平台达到要求的性能指标( 速度、加速度、运行时问等) ，必须 选择合适的电机，在达到规定的性能后有一定的余量，同时还要选配合适的 减速器和光电编码器。 3 1 ，1 功率计算 机器人运动性能指标： 最大速度：v 。一1 砒 最大加速度：a m 。= l m s 。 车轮直径：d = 2 0 c m = o 2 m 质量：m 4 0 坎 刊矿- 心- 厂 l 7 ，一 1rm 口 图3 1 平台车体受力分析 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图32 平台实际运动曲线 车体在地面行走受到的阻力厂可用产i 朋窖计算， ( k g f k g ) 为行走阻力 系数，当车轮位于轨道或平整的路面上时2 = 0 0 1 0 0 3 ，当车轮位于砂石路 面这类不平整的道路上时2 = 0 1 0 2 ，效率目= o 7 0 9 。 ( 1 ) 车体匀速运动时 牵引力：r = 厂= l h g 总功率：p = 凡xv ，7 l = 9 8 2 mxv r l ( w ) = 9 8x0 , 2 3 0 i 0 7 = 8 4 ( w ) 单轮功率：p = p l 2 = 5 6 ( w ) ( 2 ) 车体加速运动时 牵引力：e l = l m g + m a = 3 0x ( o 2x 9 8 + 1 ) = 8 8 8 ( n ) 总功率：j p = f lxv 叮l = 8 8 8 i 0 7 = 1 2 68 ( w ) 单轮功率：p = p 2 = 6 3 4 ( w ) 则单个车轮电机的功率的最大值：p 。= 6 3 4 ( w ) 车轮的最大角速度：0 3 。= 2y 口= 1 0 ( r a d s ) n m 。= 3 0 x fa = 9 5 5t r p m l 由b ，。一6 9 。x 丁_ 。，有电机最大连续输出转矩。= 厶。u 。= 6 3 4 1 0 = 6 3 4 ( n m ) 3 2 选型m 1 采用m a x o n 公司的f 系列电机中的f 2 2 6 0 搭配g p 6 2 齿轮减速器，具体 哈尔滨工程大学硕士学位论文 该减速器推荐输入转速是3 0 0 0 r p m ，因此允许的最大减速比是： i m 。一”。n = 3 0 0 0 9 5 5 = 3 i ：1 我们选择速比低一些的2 7 ：1 的二级传动的减速器，效率为7 5 。 2 选择电机 将速度和转矩折算到电机轴上。 n = i + 珂= 2 7 9 5 5 = 2 5 7 9 r p m t m o t = t m a x ( i + 彳) = 6 3 4 ( 2 7 $ 7 5 ) = 3 1 4 6 m n m 在f 2 2 6 0 系列中编号为8 8 5 的型号比较符合要求，具体数据如下： 额定功率：8 0 w 额定电压：2 4 v 堵转转矩：1 6 7 n m 启动电流：1 6 ，7 a 空载转速：2 2 3 0 r p m 最大允许转速：4 0 0 0 r p m 最大连续转矩：3 2 1 m n m 由于机器人车体从静止到运动过程要克服地面的静摩擦力厂，f 的数值无法 估算，只能通过实际测量。 3 3 直流电机特性“ 直流电机稳态运行方程： 图3 3 电机运行范围 哈尔滨工程大学硕士学位论文 。：堡 k ， t r 。 k c k t ( 3 1 ) u a 为电枢电压，蜀为转矩常数，丘为电势常数，心为点枢电阻，疋为 负载转矩。 3 3 1 机械特性 机械特性是指电枢电压恒定时，电机转速随负载转矩变化的关系。电 机的空载转速n o = u j k 。( 瓦= o ) ，电机的堵转转矩t a - k , u j r 。转矩平衡时， 即负载转矩等于电磁转矩( 疋= 咒。) ，有n = n o - k h t 。, , , ，如图3 4 ，可见随控制 电压乩增加，机械特性曲线平行地向转速和转矩增加的方向移动。 3 ，32 控制特性 图3 4 直流电机机械特性曲线 m 、 是指负载转矩恒定时，转速随控制电压变化的规律。咒为常量，即 f b = 疋月牡。局= c o n s t ，则n = l v 眨一，特性曲线如图3 5 。 当n = 0 时，有乩d = 疋r 抵，称为电机的启动电压，与负载转矩的大小 成正比。由于电机自身摩擦阻转矩乃的存在，瓦永远不为零，d 恒大于零。 电机启动时，当 ，。= 瓦氓描= 疋。 r , k t = i 。傻。，所以启动时的电枢电流 厶也比稳态运行时的电枢电流厶大。实际控制特性曲线如图3 6 。 图3 5 直流电机控制特性曲线图3 6 直流电机控制特性曲线 3 3 3 动态特性 在电机的电枢上加阶跃电压，转子速度随时问的变化规律称为动态特性， 用n - 例表示。由于电机存在两种惯性：机械惯性和电磁惯性，动态特性本 质 = - 可由过渡过程来描述。直流电机的过渡过程应尽可能的短，以便转速的 变化跟上控制信号的变化。电机的电枢回路等效图如下，它通常可以看成一 个惯性环节来建立传递函数。转予角速度u 的公式： ， 一二 一上 c o ( t ) = 孑( 1 一p 。) = ( 1 一p “) ( 3 - 2 ) a d 式中c o o = u j k a 为电机理想空载角速度，r 。为电机的机械时间常数。电机角 速度随时间变化的关系如图3 5 示。 从式知，当t - r 。时，电机的角速度上升到稳定角速度的0 6 3 2 倍；当t = 4 r 。，时，电机角速度。= o 9 8 5u 。，一般可认为过渡过程结束。电机的机械时 间常数r 。是衡量过渡过程的一个重要指标。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 4 电机电枢回路等效图图3 5 电机动态特性图 3 3 4 直流电机的工作状态 i d i o 斗卜一 a 电动机状态 一 盯兀m 22 玎疋m 土夕 b 发电机状态 卜一 c 能耗制动状态d 反接制动状态 h 疋。 l 途a j 。 k u 4 图3 6 电机4 象限工作状态 ( 1 ) 电动机状态 电源电压大于感应电压u o e a ，且方向相反。该状态对应于机械特性曲 线位于第1 或第3 象限，电机正转在第1 象限，电机反转在第3 象限。 ( 2 ) 发电机状态 疡，方向仍相反。电磁转矩t 。与速度i l 方向相反，起制动作用。一 般由电枢电压突然下降或有与转速同方向的力矩作用于轴上引起，在该状态 n、， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 下，一部分动能转化为电能并回送给电源，所以又称回馈制动。 ( 3 ) 能耗制动状态 使乩= o ，等效于发电机输出端短路状态，z 与 方向相反，属制动状 态。其机械特性曲线是一条通过原点的直线。是一种常用的制动方式。 ( 4 ) 反接制动状态 与丘方向相同，电枢电流厶= r + 品) f + 剐，大于堵转电流，因此 电磁转矩也很大，与速度方向相反，制动状态比回馈制动或能耗制动效果明 显的多。但电机的铜耗很大，发热量高，对电机有损害，一般在紧急情况下 使用这种制动方式。 3 4 电机控制电路设计“羽 机器人在运动中必须不断改变速度、方向和精确定位，在采用直流伺服 电机时，要求电机的功率放大器具有良好的电压调整特性。考虑到控制系统 的实时性和高精度的要求，采用t i 公司的运动控制专用d s p 芯片 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为控制器的核心。它集d s p 的信号高速处理能力和适用 于电机控制的外围电路于一体，大大减少了控制系统的体积，提高了系统的 性价比。f 2 4 0 7 片内的事件管理器e v ，包括有9 组比较器c m p 和9 组脉宽 调变输出p w m ，这些比较器和p w m 通过和通用计时器t x c n t 相比较，输 出指定时间的脉冲信号。p w m ( 脉冲宽度调制) 功率放大器现在多采用晶或 m o s 管组成的，具有功耗低、效率高、体积小、工作可靠等优点。p w m 信 图3 9 直流电机控制系统 哈尔滨工程大学硕士学位论文 号通过驱动芯片i r 2 1 3 0 控制放大器工作，电机的功率放大器一般采用桥式 整流电路。电机的轴上装有转轴编码器，将电机的转速转换成正交编码的脉 冲信号， 由f 2 4 0 7 的c a p n q e p n 输入，构成伺服系统。f 2 4 0 7 的事件管理 器的编码器q e p 对输入的脉冲计数，测量马达的定位和速度。 3 4 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 简介 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p 是t i 公司推出的c 2 x x x 系列产品，它具有实施运 算，工作灵活，功耗低等优点，其基本特点如下： l f 2 4 0 7 具有1 6 位定点c p u 内核，其运行速度为4 0 m i p s ，指令周期为2 5 n s 。 整个程序和数据存储容量为1 2 8 k * 1 6 b i t 存储空间，其中3 2 k 为片上f l a s h ， 2 5 k 的数据存储空间，i o 寻址空间为6 4 k 。 1 6 路1 0 位d 接口，。 丰富的电机控制接口：多路p w m 控制输出，正交解码接口，脉冲捕获单元 和3 路定时器，满足实时电机控制要求。 丰富的通讯控制接口：u a r t 串行接口( s c i ) c a n 总线标准接口，具有s p i 同步串行外设接口。 具有片上安全监控功能：如看门狗，电源驱动保护等。 l f 2 4 0 7 丰富的片上资源，非常适用于移动机器人控制系统实现的需要。且 d s p 的高性能的运算能力，能满足电机控制算法的实现。 3 4 2 驱动电路设计 ( 1 ) h 桥功放电路 h 桥功放电路有单极性和双极性两种驱动方式，这里我们采用双极性h 桥功放电路。相对于单极性驱动方式，电机在双极性驱动方式时可在四个象 限内工作，低速平稳性好。但他也有功率损耗大，和开关管有直通危险的缺 点，需要在控制器输出p w m 信号时增加死区时间来克服。电子开关采用功 率场效应管( m o s f e t ) ，由于电机f 2 2 6 0 的起动电流较大，采用i r l z 3 4 n 场效应管，最大允许电流为3 0 a 。由于p w m 信号频率较高，与场效应管并 联的四个续流二极管要采用高频、大电流的肖特基二极管。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 场效应管，最大允许电流为3 0 a 。由于p w m 信号频率较高，与场效应管并 联的四个续流二极管要采用高频、大电流的肖特基二极管。 ( 2 ) h 桥驱动芯片 m o s f e t 是电压型驱动器件，其输入电容在管子导通和关断时要充放电， 因此驱动电路提供电流的能力决定了管子的开关速度。因此采用i o r 公司的 m o s f e t 驱动专用芯片l r 2 13 0 。 i r 2 1 3 0 i r 2 1 3 2 ( j ) ( s ) 是一种高电压、高速度的功率m o s f e t 和i g b t 驱动器，工作电压为1 0 2 0 v ，分别有三个独立的高端和低端输出通道。逻 辑输入与c m o s 或l s t t l 输出兼容，最小可以达到2 5 v 逻辑电压。外围电 路中的参考地运行放大器通过外部的电流检测电位器来提供全桥电路电流的 模拟反馈值。如果超出设定或调整的参考电流值，i r 2 t 3 0 驱动器的内部电流 保护电路就启动关断输出通道，实现电流保护的作用。i r 2 1 3 0 驱动器反映高 脉冲电流缓冲器的状态，传输延迟和高频放大器相匹配，浮动通道能够用来 驱动n 沟道功率m o s f e t 和i g b t ，最高电压可达到6 0 0 v 。 v c cv b l 一。rm ln i i n lh 0 1 m 3 一 h i n 2v s l l l 一一j v m 2 o l l n lv b 2 信 jcm 4o l n 2h 0 2 3 l n t o ，f a u l l v s 2 l 【t r i p 一 c a 0 忍 一 7 c a 。 g v s s 一 j - 忙 _ l r v s 0l 0 1 限 jc h l 0 2 j ： 图3 1 0 直流电机驱动电路 系统的驱动电路保护作用主要是由i r 2 1 3 0 驱动器来实现的。i r 2 1 3 0 驱 动器保护电路主要有两部分：自保护电路和过电流欠电压保护电路。自保护 2 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 v s o 参考值，1 r 2 1 3 0 驱动器的内部电流保护电路启动关断输出通道，实现 电流保护的作用。i r 2 1 3 0 芯片内部也有硬件保护电路。如果负载或驱动电路 出现过电流或欠电压的情况，i r 2 1 3 0 驱动器的f a u l t 引脚会输出制动信号， 通常这个输出信号接到d s p 的p d p i n t 引脚上，拉低p d p i n t 引脚的输入 电平，关断d s p 的所有输出并置为高阻状态，实现整个控制电路的保护作用。 ( 3 ) 脉冲频率选择 p w m 决定了电枢电流的连续性，从而决定电机运行的平稳性。若脉冲频 率选择不当，电机的低速性能不理想，由于电流不连续，电机可能产生剧烈 震荡。因此要慎重选择切换频率。为克服静摩擦，改善运行特性，切换频率 应使电机轴产生微振，即 f t f m = k r u c | l 疆s ( 3 3 ) 式中，厨为转矩系数，己0 为功放电源，厶为电枢电感，乃为电机静摩擦力 矩。 ( 4 ) 信号隔离电路 控制电路和驱动电路之间的控制和驱动信号要通过光电隔离器进行信号 隔离，实现不同电压之间的信号传输。由于本系统中的p w m 脉冲信号的输 出频率比较高，为了避免信号损失和失真，要选用导通时间短的光电隔离器 件，常用的有6 n 1 3 7 光电隔离器。 ( 5 ) 速度检测 安装在两个驱动轮电机轴上的光电码盘是机器人系统的速度反馈检测单 元，通过对码盘脉冲信号的计数、运算也可以获得机器人的位移信息。电机 旋转时将产生两路相位相差9 0 。的正交脉冲信号，电机每旋转一周，光电码 盘产生1 6 个脉冲。f 2 4 0 7 片上具有两组正交解码电路，脉冲输出信号经过非 门后直接与d s p 的输出接口q e i ，q e 2 和q e 3 ，q e 4 相连，d s p 内部的正交鳃 码电路对这两路正交信号鉴相，并且由其内部可逆计数器对码盘脉冲信号进 行计数，电机每转一周，d s p 的脉冲计数为4 倍码盘脉冲数。当电机e 转时， 码盘信号经过鉴向后使可逆计数器正向计数，反之则可逆计数器减计数，并 且d s p 通过判断计数器的计数方向来检测电机的转向。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 4 3 程序设计。4 ( 1 ) p w m 输出 采用e v 中的全功能比较器产生p w m 波形，由c m p l 6 p w m l 6 脚输出 三相的互补共6 个波形，设定方式如下： 1 设定比较器控制寄存器( c o m c o n ) ，晌应全h 。b k , 较器及使用的通用定时 器。 2 通过全功能比较器控制寄存器( a c t r ) 设定c m p l 6 输出准位。 3 设定休时寄存器( d b t c o n ) 来决定同