（生物医学工程专业论文）水下机器人控制与通信系统研究.pdf

a b s t r a c t a st h es p a c ef o rh u m a na c t i v i t i e se x p a n d i n g ，s t u d ya b o u tu n d e r w a t e rv e h i c l eh a s b e c o m eah o t s p o t i nt h i sp a p e r , ac o n t r o ls y s t e mo ft r a c k e du n d e r w a t e rv e h i c l ei s d e v e l o p e d ，a n dt h eu n d e r w a t e rc o m m u n i c a t i o ni ss t u d i e di nt h el a b t h ec o n t r o ls y s t e mc o n s i s t so ft w op a r t s ：t h ev i d e op a r ta n dt h ee l e c t r i c a lp a r t t h ef o r m e ro n ei n c l u d e sc a m e r a ，v i d e os e r v e ra n dp ct e r m i n a l t h el m t e ro n ei sa t w o - l e v e lc o n t r o ls y s t e m 1 1 1 eu p p e rs y s t e mt o n s i l so fp ca n dt h ec o n t r o lb o x t h e l o w e rs y s t e mi sav e h i c l e - c a r d e ds y s t e m 1 1 1 ev e h i c l e - c a r r i e ds y s t e mi sp l a c e di n s i d et h ev e h i c l e a n di tr e c e i v e st h e c o m m a n df r o mt h ec o n t r o lb o xt h r o u g hu a r t , a n dc o n t r o l st h ev e h i c l e s a c t i o n s b e s i d e s ，i te x e c u t e sp i da l g o r i t h mt oc o n t r o lv e h i c l e sl o c o m o t i o n f u r t h e r m o r e ，t h e c u r r e n to fm o t o r si ss a m p l e di no r d e rt oa v o i do v e r l o a d i n g 1 1 1 ec o n t r o lb o xi sc o m p r i s e do fm a i n - c o n t r o l l e ra n dv i d e os e r v e r b e s i d e s r e c e i v i n gc o m m a n d f r o mp c ，t h em a i n c o n t r o l l e ra l s oc a ng e tt h ec o m m a n da c c o r d i n g t ok e y sa n dh a n d l e s s i g n a lo ft h ec a m e r at h a tf i x e do nt h ev e h i c l ei st r a n s m i t t e db y t h ec a b l et ov i d e os e r v e r , a n da f t e rd i g i t i z e d ，i ti st r a n s m i t t e dt op c p cc o n t r o l st h ev i d e os e r v e r , p r o c e s s e sa n dr e c o r d st h ev i d e od a t a ，o f f e r s i n t e r f a c et ou s e r s ，a n dc o m m u n i c a t e sw i t ht h em a i nc o n t r o l l e r i nt h i sp a p e r , t h ec h a r a c t e r so fu n d e r w a t e ra c o u s t i cc h a n n e la n ds e v e r a l m o d u l a t i o ni nu n d e r w a t e ra c o u s t i cc o m m u n i c a t i o na l ea n a l y s e d b a s e do nt h a t ，a d i f f e r e n t i a lp u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o n ( d p p m ) u s i n gv a r i a b l ei n t e r v a li sb r o u g h t f o r w a r d c o m p a r i n gt od p p m ，i ti m p r o v e st r a n s m i s s i o ns p e e d f i n a l l y , e x p e r i m e n t s ， w h i c hu s ec i r c u i tt os i m u l a t et h eu n d e r w a t e ra c o u s t i cc h a n n e l ，a r ec a r r i e do u t ，a n dt h e e x p e r i m e n t sp r o v e i t sf e a s i b i l i t y a tt h ee n do ft h ep a p e r , t h ec h a r a c t e r so ft h ev e h i c l ea r ea n a l y z e da n dc o n c l u d e d a n dt h ef u r t h e ri m p r o v e m e n to fu n d e r w a t e rp u l s ea c o u s t i cc o m m u n i c a t i o ni sa l s o d i s c u s s e d k e yw o r d s ：u n d e r w a t e rv e h i c l e ；c o n t r o ls y s t e m ；u n d e r w a t e ra c o u s t i cc o m m u n i c a t i o n ； p u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o n i i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。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，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或 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谢意。 学位论文作者签名： 签字同期：易口多年石月厂2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝至三盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：力彩年厂月p e l 致谢 当此论文结束之际，感谢我的指导老师童勤业老师和张宏老师，我的论文是 在两位导师的直接指导下完成的，在研发过程和论文的修改过程中，他们付出了 极大的时间和精力，导师博大、精深的学识，严谨求实的治学态度和方法，使我 受益匪浅，在毕业之际，谨向童老师和张老师表示我深深的敬意和诚挚的谢意。 感谢魏老师设计开发的机器人机械系统，它是本课题中不可或缺的重要部 分。 感谢实验室丁炯和许鹏拓同学，在实验阶段得到了他们很大的帮助。尤其是 在实验实施阶段他们认真耐心的协助我完成工作，在他们无私的帮助下我的毕业 设计得以完成，他们认真的态度让我非常敬佩，他们对同学的热情让我非常感动。 感谢王静同学在论文完成时，仔细阅读我的论文，提出许多宝贵的意见。 感谢浙江大学给了我如此好的学习环境，以求是严谨的学风感染了我，教会 我踏踏实实的做人做学问。 饶芊 2 0 0 8 年5 月3 0 日 浙江人学硕i ：学位论文 1 绪论 1 绪论 机器人技术是集运动学与动力学理论、机械设计与制造技术、计算机硬件与 软件技术、控制理论、电动伺服随动技术、传感器技术、人工智能理论等科学技 术为一体的综合技术。而海洋中的资源储藏量是陆地的几十到几百倍，海洋资源 的开发和利用对人类未来的生存和发展将具有十分重要的意义。因此，机器人的 应用领域也逐渐从人工环境扩展到了水下和宇宙。随着人口数量的增长和科学技 术水平的不断提高，人类已把海洋作为生存和发展的新领域，海洋的开发与利用 已经成为决定一个国家兴衰的基本因素之一，从而使水下机器人具有更加广阔的 应用前景。2 1 世纪的水下机器人将会在功能、种类、数量上有更大的发展。随 着水下机器人技术的进步、造价的降低，水下机器人在其应用领域有进一步的扩 展，在海洋开发方面将发挥着更大的作用，产生更大的效益。 1 1 水下机器人分类及发展 由于水下作业的种类非常多，这使得水下机器人的构造、动作原理以及使用 目的也是多种多样的。对于现有的水下机器人，按不同的方式可以分成不同的种 类。一般地，按控制方式将水下机器人主要分为以下三类： ( 1 ) 遥控式水下机器人( r e m o t e l yo p e r a t e du n d e r w a t e rv e h i c l e ，简称r o v ) ； ( 2 ) 无人无缆水下机器人( u n m a n n e du n d e r w a t e rv e h i c l e ，简称u u v ) ； ( 3 ) 智能水下机器人( a u t o m a t i cu n d e r w a t e rv e h i c l e ，简称a u v ) ； 遥控式水下机器人通过电缆从水面控制台获得操作控制命令和动力电源，而 且同时电缆还担负着下传指令、命令，上传状态和信息数据的任务。因此遥控式 水下机器人具有以下优点：动力充足，可以支撑复杂的探测设备和较大的作业机 械用电；信息和数据的传递和交换快捷方便、数据量大；但电缆是制约其行为的 主要因素 无人无缆水下机器人不带缆线，随身携带有能源，通过无线通信方法将遥控 器发出的控制信息下达给u u v 。其主要用于军事目的，完成海洋传导性、温度和 压力剖面测绘在科学研究方面，主要用作活动的水声平台，兼作水下程序控制 系统的研究。目前在工业上应用较少。 自主式水下机器人又叫智能水下机器人，是随着计算机技术、通信技术、人 工智能的发展而出现的新型智能化的水下机器人，是近几年水下机器人发展的主 浙江人学颂1 j 学位论文 1 绪论 要方向。a u v 不仅自身带有能源，而且通过主动控制完成预先设定的任务。 遥控式水下机器人r o v 和无入水下机器人u u v 这两类机器人都不是完全自主 的，而是需要人为的干预，而自主式水下机器人a u v 在其使命执行过程中不需要 与外部通信。 1 2 国内外发展状况 与世界上其他十几个研制u u v 的国家相比，美海军处于领先地位。迄今为止， 美海军多种u u v 已经进入试验阶段，其中比较有代表性的包括被称作“新型机动 式水下鱼雷阵地”的“曼塔”o u r ，将装备濒海战舰的战场预置式u u v 、全自主 式远程水雷侦察系统( l m r s l o n g t e r mm i n er e c o n n a is s a n c es y s t e r a ) 、可灵活 组合负载的任务重组式无人潜航器( m r u u v - m is s i o nr e c o n f i g u r a b l eu n m a n n e d u n d e r s e av e h i c l e s ) 等等幢1 。 位于圣地亚哥的海军空间和海战系统工程中心拥有三个u u v 试验运载器1 ： 自由者i i ( f r e es w i m m e ri i - s fi i ) 、先进的无人搜索系统( a u s s ) 、飞行插头 ( f l y i n gp l u g ) 。a u s s 是一个鱼雷形的a u v 。它的主要任务是进行深海搜索。 它带有水声通信设备，可以在水深达6 0 0 0 米的水下向水面传送声纳数据或c c d 电视图像，为深海救生做准备。a u s s 已有13 4 次下潜记录。s fi i 是一个鱼雷形 的u u v ，可作为自治式运载器或通过光纤进行控制。飞行插头是一种小型运载器， 它主要用于布署微型光纤通信链，通过水声和光学制导传感器的联合工作，与水 下系统进行高速率通信。 9 0 年代，我国水下机器人的研究取得了重大发展，典型代表是“探索者” 号10 0 0 米无人无缆遥控潜水器和“c r - 0 1 a ”6 0 0 0 米无人无缆遥控潜水器a u v 1 。 1 9 9 , 1 年1 0 月“探索者”号在西沙群岛近海海域成功的下潜到水下10 0 0 米深处， 成为我国到达深海的先驱者，专家一致认为“探索者”号整机功能、主要技术性 能指标均达到国际9 0 年代最先进的同类型水下机器人水平。“c r - 0 1 a ”借助了俄 罗斯的有关技术力量，其设计深度为6 0 0 0 米。1 9 9 5 年1 0 月，在夏威夷附近海 域，成功下潜到5 3 0 0 米，拍摄到海底锰结核矿分布情况，获得了清晰的海底录 像、照片和声纳浅剖图，收集到大量珍贵数据。后来，在“c r - 0 1 ”的基础上进 一步改进而研制“c r - 0 2 ”自治水下机器人，大大提高其垂直面内的机动能力， 为机器人的爬坡创造了条件。 浙江人学顾l ：学位论文1 绪论 近年来，随着仿生学研究的不断进步，许多水下机器人科研工作者又将注意 力集中到长期生活在水下，特别是能在水中自由邀游的生物的游动机理的研究 上，它们长期生活在水下，进化出了完善的游动机能和器官，利用游动机理推动 机器人在水下浮游的想法伴随着仿生学、材料学、自动控制理论等学科成为现实。 1 3 水下爬行机器入 水下机器人中，有一类称为水下爬行机器人，它们可以在水底表面行进，完 成特定的探测、作业任务。水下爬行式机器人通常没有潜水器的外型，为开放式 结构。而对于爬行式机器人的推进主要采用两种方式：一种是靠管道或电缆自身 进行牵弓i ；另一种是靠海床进行牵引。第一种方法通常是以动力轮夹持管道，沿 管道滚动前进；第二种是依靠各种履带或其它的行走机构实现机器人的移动。对 于这种机器人，常见的又有两种形式，一种是仿生机器人，它们依靠模仿水下生 物的移动方式而运动，例如六足爬行机器人、蛇形机器人等。另一种为履带式机 器人，其设计和制造和浮游式机器人也相差甚远，在这方面，它更像陆地上的工 程机械。科研人员对在水下履带式行进的动力学控制做了大量的研究和模拟d 1 ， 而水下履带机器人在军事、工业、民用方面得到了大量的应用。 k d dm e g u r o 研究与发展实验室在8 0 年代开发了三种海底电缆勘测、维护和敷 设用的机器人陆1 ：m a r c a s - 2 0 0 型( 1 9 8 1 年) 、m a r c a s - 2 0 0 爬行者( 1 9 8 6 年) 和 m a r c a s - 2 5 0 0 型( 1 9 8 7 年) 。m a r c a s - 2 0 0 爬行者是履带式海底行走机器人。它是为 深度埋设作业研制的专用机器人。它最初的设计目的主要是用来在水深2 0 0 米以 内的大陆架海域调查海底电缆敷设状况，探测埋设深度和故障点等。后来在实际 使用中，希望扩大其功能，并且进行其它各种作业的开发试验。除了装有超灵 敏度黑白电视摄像机、彩色电视摄像机、立体照相机以外，它还装有方位传感 器、高度传感器、水压传感器、姿态传感器、音响方位传感器和测定位置用的应 答器等。m a r c a s - 2 0 0 型外型尺寸为2 ox1 1 1 4 米。 福斯特米勒( f o s t e r - m i ll e r ) 公司研制出旅鼠( l e m m i n g ) 系列n 1 遥控机器 人，它是目前美国唯一可用于两栖探雷灭雷的小型机器人。旅鼠机器人可以自由 地在拍岸浪区及海滩之间运动，完成大面积探雷。它是一种履带式机器人，其研 制目的是为了弥补无人潜水器不能下潜到海床的缺陷该爬行器在拍岸浪区和海 滩之间自由爬行可进行大面积的海底测量，能够在1 8 3 m 深的海底爬行6 n m ( 海 浙江人学硕l j 学位论文 1 绪论 里) 以上。扫除一个两栖攻击通道中9 5 的水雷，一般需要1 5 0 个旅鼠机器人， 耗时4 小时“旅鼠”海底爬行器有多种型号，最小的型号称为“微型旅鼠”， 只有0 3 3 m 长，重量仅为9 k g 一艘o u v 、空中平台或水面小艇可搭载大量的“旅 鼠”，用于水雷的搜索和处理。 图1 1 旅鼠( l e m m i n g ) 系列遥控机器人 据报道，一种新型水下船体表面清刷机器人在哈尔滨工程大学研制成功。这 种机器人采用双履带永磁吸附方式吸附在船体的水下部分。它能在不影响船只正 常行驶的情况下，利用其头部的钢刷对船体表面锈蚀、吸附的海洋生物等进行清 理，从而延长船体的寿命。哈尔滨工程大学机电学院提出水下船体表面清刷机器 人方案研究鸭1 ，水下船体表面清刷机器人可分为机械本体、清刷作业装置和控制 系统三部分，其工作原理为：在船的甲板上放置有一个可自由移动的运载小车， 使机器人自动爬上或爬下船体表面，克服永磁吸附力带来的不便，并能起到运输 作用小车上有控制柜，c r t 显示器，动力源及卷扬装置。机器人从运载小车爬 上船体，先按从上至下的路径移动，当到达船的底部时，机器人旋转1 8 0 。，然后 再从下至上移动。清洗刷具由两个电机单独驱动做逆向旋转运动，机器人边移动 边清刷，如此往复，完成清刷工作。其总体系统框图如图1 2 所示。 浙江人学硕l ：学位论文 l 绪论 i 1 1 1。小车 帆曩从体e 塑圈 _ _ _ 际百蜀 电 c ：j 短冲黔哆阐 蠢吨兰竖型 凯 一领料叫 - - - f l l l 礁乖孽； l 。t - “ h 便豫罩k 0 馈置传器量l 图1 2 船体表面清刷机器人系统框图 1 4 水下通信 水下机器人在执行任务时，相互之间、与控制台之间都需要传输大量数据， 这就对通信能力提出了较高要求。目前，对通信模式的评估一般从可用带宽、发 送端与接收端之间的最远距离、检波能力等几方面进行。经过综合权衡可以发现， 以往使用的光纤通信方法无法满足在远距离航行和在复杂海底地形条件下执行 任务的需求，而无线电通信在实战条件下的稳定性和可靠性是不足的。因此，2 0 0 4 年的美国海军“无人潜航器总体规划”建议发展其他水下通信技术( 如激光通信 等) ，以期在保持航速和下潜深度的同时，提高通信效率，特别是数据传输的准 确率。水声通信p 1 基本上都是单程传输信号，其关键技术包括水声信道调制技术 ( 如相移键控、多相移键控和差分相移键控技术编码) ，自适应均衡技术以及时反 通信技术等。通过发展研究这些技术，可以提高信道的容量和利用效率，解决信 道的多途干扰等问题。目前，水声通信已经实现了较高的传输率和较低的误码率。 有理由相信，未来的水下无缆机器人通过水声通信手段就可以具备远距离传输数 据的能力。水下机器人在与水面、空中平台进行的联系也可以考虑激光通信。激 光通信的优点表现在传输效率高，信息容量大，方向性强，抗截获、抗干扰、抗 毁能力强，不受电磁以及核辐射影响。但是，它也有一定的缺陷：一是光波信号 的衰减( 蓝绿激光在海水中的衰减较小) ；二是它需要借助于高空飞行的卫星或飞 机，战时如果出现卫星、飞机被击毁的情况，激光通信即会中断。本文设计采用 水声通信方式。 1 5 论文安排 本文的内容分为两部分，一为水下履带式机器人控制系统的研发，二为水下 声通信的研究。论文结构安排如下： 浙江人学硕i ：学位论文 1 绪论 第二章提出了有线履带式机器人的整体方案。对系统的组成进行了概述，并 且进一步介绍了机器人本体( 即车载部分) 的组成部分、控制台的组成部分，简 略介绍了机器人本体的机械结构。 第三章主要讨论车载部分的设计与实现。文中对车载部分需要实现的功能进 行了描述，并且具体描述、讨论车载电路硬件的各个部分设计，u c o s ii 的移植， 以及所采用的p i d 控制算法的软件的设计实现。 第四章主要讨论控制台的的设计与实现。与上一章相似，文中对控制台部分 需要实现的功能进行了描述，并且具体描述、讨论车载电路硬件的各个部分设计， 以及软件的设计实现。 第五章对机器人综合调试中遇到的问题及解决方法进行了讨论分析。 第六章介绍了水下通信的背景、国内外发展情况。 第七章介绍了水声信道的特性一一通道衰落和多径传输。针对多径传输，介 绍了一种抗多径干扰的方法一一时间反转镜。对时间反转镜的基本原理进行了介 绍，并具体描述了如何将其应用到水声通信中。 第八章介绍了脉冲位置调制通信，并提出改进方法。具体讨论了它们各自的 传输参数，并对同步序列进行了一定讨论。 第九章利用电路实现脉冲位置调制通信方式及其改进方式。在此基础上，对 水声信道的频率特性进行了模拟，对实验结果进行了讨论。 第十章对全文进行总结，并对本机器人以及脉冲通信之后的研究工作进行了 展望。 浙江人学硕l j 学位论文2 整体方案 2 整体方案 2 1 系统组成 整个系统包括机械部分和电气部分，机械部分设计和加工请人另外完成。本 论文主要介绍电气部分。 我们研发的机器人系统电气部分分为两级控制，上位机由p c 和控制台组成， 主要是发送指令，下位机( 或称车载从控制器) 主要任务是按指令实现控制。车 载从控制器安装在小车底部，接收控制台发出的命令，直接控制小车的动作和接 收小车的反馈。控制台负责接收来自p c 终端的命令或是根据手柄、按键产生的 操作命令，并将命令发送给车载部分。p c 终端显示、保存、回放小车采集的图 像，并为用户提供一个控制界面。整个系统组成的框图如图2 1 所示。 图2 1 机器人整体系统框图 2 1 1 车载部分 车载系统主要包括电机、摄像头、高亮度l e d 灯、从控制器电路以及电机驱 动电路等。 行进电机采用m a x o n 的a - m a xd 3 2 石墨有刷直流电机，标称值2 0 w ；云台电 机采用r e - m a xd 1 7 金属有刷直流电机，标称值2 5 w 。电机的驱动由l 2 9 8h 桥 驱动芯片完成，后者的输出功率可达4 0 w 以上，完全满足电机的功率要求。 车上装配两个彩色摄像头，一个采用s o n yf c b - e x 4 8 c p 一体化摄像机，该摄 像机有效像素为7 5 2 ( h ) x 5 8 2 ( w ) ，水平解像度为4 8 0 t v 线，同时具有18 倍光学 变倍，1 2 倍数字变倍，最低照度达0 0 1 流明；另外一个采用f o li c e 的f o s 一2 9 0 c d 微型摄像机，用于辅助机器人行走以及取样铲的操作，该摄像头的成像器件为 浙江人学硕f ：学位论文2 整体方案 1 3 英寸s h r a p 彩色c c d ，有效象素为5 0 0 ( h ) x 5 8 2 ( v ) ，最低照度达0 5 流明。 在两个摄像头的旁边各安放一个高亮度l e d 灯，功率达5 w 。 从控制器由l p c 2 13 6 、c p l d 以及串口芯片组成。它主要的功能是响应主控制 器的命令，通过l 2 9 8 芯片驱动模块对机器人的行走、云台动作等进行控制，同 时通过串口与s o n yf c b - e x 4 8 c p 一体化摄像机通讯，以实现对光圈、焦距和聚焦 等光学参数的控制。另外，从控制器还计算机器人的速度、位移、云台速度以及 所在角度等信息，并向主控制器反馈这些信息和机器人的状态。 2 1 2 控制台部分 控制箱主要包括a c d c 电源、主控制器、视频服务器、l e d 面板、按键手柄 面板、灯光调节面板等。 a c d c 电源将市电转换为直流电源，供车载电路及主控制器使用。 主控制器主要由l p c 2 2 1 4 和外围器件组成。它主要任务是接收p c 图像终端 的命令，以及根据按键、手柄操作，向从控制器发送控制命令。同时把从控制器 反馈的信息反馈给p c 图像终端。 l e d 面板通过指示灯显示机器人的状态、通讯状态等。 按键手柄面板包括十个按键和两个手柄，用以控制机器人的动作。 灯光调节面板包括两个用于调节灯光亮度的电位器、灯开关、紧急开关( 用 于切断供电) 等。 视频服务器的主用作用是采集两路视频信号，转换为数字信号，并进行编码 压缩，压缩码流通过网络进行传输，通过网络可以实时视频预览和录制。 2 1 3p c 终端 主要有两个功能：对视频服务器传输的数据进行处理显示，通过用户界面获 得用户命令，产生命令包通过串口通讯发送到控制台，并接收由控制台发送的机 器人状态。该部分不在论文工作之内，因此不做过多描述。 2 2 车载机械结构 2 2 1 行进部分 机器人的行进方式可采用轮式或履带式，履带式又可分为双履带式和分散式 履带足为了增加摩擦力并且分散移动机器人车载的重量，减小压强，机器人采 用双履带式，以两条履带协调运动来完成直线和各种曲线运动，以及原地转弯。 浙江人学硕：t ：学位论文 2 整体方案 应用同步带作为行进履带，以实现机器人有一定翻越障碍和爬坡的能力。每条履 带各有一个主动轮，其余为从动轮。行进电机分别横置于车身前后，经减速齿轮 箱减速后与主动轮相连，如图2 2 所示，可看出其中一条履带和主动轮的关系。 图2 2 ( a ) 机器人行进机械结构侧面图( b ) 机器人行进机械结构正面图 2 2 2 视频部分 机器人行进模块上配备有云台，云台在电机的驱动下可转动3 6 0 度。云台上 安装有摄像头，如图2 3 所示。该摄像头为s o n yf c b - e x 4 8 c p 一体化摄像机，具 有变焦功能，通过串口接收控制板命令来进行调焦。摄像头后端连接的串口控制 信号线和视频信号线，以及云台电机的控制、反馈信号线通过云台下的钻孔分别 连接至控制板和航空连接器插座，如图所示。摄像头采集的视频信号通过连接在 小车尾部的同轴电缆传输至视频服务器。在云台旋转过程中，串口控制信号线和 视频信号线会产生扭转及缠绕，为防止其断裂，云台不可无限制旋转。 图2 3 机器人整体机械结构 翟l，一薅缱曩翟疆 浙江人学硕f ：学位论文3 下载f 【l 路设计 3 车载电路设计 3 1 车载电路硬件设计 车载从控制器硬件电路板要完成以下功能： ( 1 ) 实现和控制台主控制器的通讯( 如接收命令、发送状态) ( 2 ) 根据主控制器命令以不同速度驱动各个电动机( 行进电机、云台电机) ( 3 ) 控制摄像头的调焦 ( 4 ) 计算机器人的行进速度和距离，纠偏行进路径。 车载从控制器主要完成控制任务，并且进行测速、测距，要求系统有较好的 实时性；故考虑使用u c o s - i i ，因此要求m c u 有足够的内存资源、外围接口( 如 a d 、串口等) 以及通用1 0 口；另外，由于小车底部空间有限，要求在资源满足 要求的情况下芯片数量少，芯片封装较小，因此微处理器采用p h i l i p 公司的 a r m 7 t d m i 系列l p c 2 13 6 芯片。由于对电机的控制以及测速测距功能要求较复杂 的外部逻辑、时序电路辅助完成，因此采用a 1t e r a 公司的c p l d 芯片m a xi i 系列 e p m 5 7 0 完成具有一定数量及复杂度的逻辑时序电路。对电机的控制使用l 2 9 8 芯 片，它具有电流反馈接口。复位模块使用s p 7 0 8 s 芯片。电机编码器输出信号通 过差分产生脉冲信号，供c p l d 内计数器所用，差分编码芯片采用m c 3 4 8 6 。对于 云台和小铲，要确定它们的位置。云台转动需要一个参考点来判断当前的位置， 而小铲需要确定其位置是处于下部，中部，上部。因此，设计当云台、小铲转动 到一定位置时由限位、限流装置产生中断。车载系统框图如图3 1 所示。 浙江人学硕，j j 学位论文3 乍载i u 路垃计 ；品徽 ，2 电压采样信号 - 3l 2 9 8 电路 4 控制线 芎 5 v 2 4 v h 一 ，2 编码芹分信号 m c 3 4 8 6 ，2 编码芹分信号 5 v ， 3 3 v 铲限位，r 关3 一， 信弓11 信号 ，3 选择线 一 川 c p l d 3 计数方向 a r m 相关电路 ，铲限位开关2 ， ，铲限位开关i 云台限位r 关 i 33 v3 3 v 7 编码信号 ，4 计数使能 一，j 0 编码驱摧t 2 驱动线 ，允删陆 l 2 9 8 电路 ，4 控制缌 一 5 v 2 4 v 2 电j 卡米仟佰亏 p v 卜 翮，z v 印，视频线l ，2 视频线 5 vr _ i 2 富 口 囤一i j _ d l 2 。h o o 图3 1 车载控制板系统框图 3 1 1 电源、复位模块 车载部分的进板电压通过电缆由外部提供，安装在控制台内部，采用明纬医 疗电源，起到安全隔离作用。由于小车电机工作电压为2 4 v ，共采用两个电源， 其输入电压都为为2 2 0 v 市电。电源1 有两路输出，分别为1 2 v 2 a 、5 v 3 2 a 。 电源2 输出2 4 v 5 a 。1 2 v 通过电缆供车载控制器使用，5 v 供控制台主控制器使 用，2 4 v 一方面为灯光调节面板提供电源，一方面通过电缆连接至车载控制器再 供电机驱动使用。 车载控制器电路板使用芯片的工作电压为3 3 v 和5 v ，因此系统采用两级供 电方式u 仉。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 源的纹波、瞬态响应性能、时钟源的稳定性及电源监控可靠性等多方面提出了更 高的要求。 l p c 2 1 3 6 、e p m 5 7 0 芯片供电电压为3 3 v ，因为微处理器对供电电压3 3 v 的 要求较高，且其功耗不是很大，所以不适合用开关电源，应当用低压差模拟电源 l d o 。s p x l l l 7 为一个低功耗正向电压调节器，其可以用在一些高效率小封装的 浙江人学硕l ：学位论文3 下载f 乜路设计 低功耗设计中。s p x l l l 7 输出电流可达8 0 0 m a ，输出电压的精度在1 ，还有电 流限制和热保护功能。一个10 u f 的输出电容可有效的保证稳定性。 尽管s p x l l l 7 允许的输入电压可达2 0 v ，但高电压使芯片的发热量上升，造 成散热问题，也影响芯片性能，同时波动的电压造成发热量上升，这样就需要用 前级电路来调整。选择5 v 作为前级的输出有2 个原因：一是满足s p x l l17 的要 求；二是在本系统中存在需要5 v 供电的芯片，这个5 v 电源就可以兼做前级输出 和后级输入。常用的7 8 0 5 稳压芯片可产生5 v 电压。但它有一个明显缺点，是当 输入电压大于1 2 伏时，发热会很厉害，最大的输入电压也只能到15 伏左右。原 因在于7 8 0 5 属于线性稳压。即如果输入12 v ，就有7 v 电压是完全的发热浪费掉。 解决这个问题的有效方法是改用开关式的电源l m 2 5 7 5 ，电源电路如图3 2 所示。 =。=f 图3 2 车载控制板电压转换电路 本系统的复位电路使用了专用微处理器电源监控芯片s p 7 0 8 s ，提高了系统 的可靠性n 叫。使用该系列芯片可有效降低系统的复杂程度。由于在进行j t a g 调 试时，衙、t r s t 是可由上位机控制复位的，所以使用了7 4 h c l2 5 进行驱动，以 起到三态隔离的作用。系统复位电路如图3 3 所示。 图3 3 车载控制板重启电路 3 1 2 微处理器 车载从控制器与控制台控制器通讯需要一个串口，从控制器控制摄像头光学 浙江人学顾卜学位论义 3 下裁i 【i 路设计 参数需要一个串口，控制行进电机转速需要p w m 两路( 电机的驱动采用双向p w m 脉宽调制方式控制) ，控制小铲电机转速需要p w m 一路，控制云台电机转速需要 p w m 一路，测量机器人当前状态需要外部中断一个，测量各个电机的过流状态需 要a d 转换通道4 个，另与逻辑、时序电路交互信号需要1 0 信号23 个。考虑到 本系统主要完成控制功能，在微处理器上移植u c o s - i i 有助于本系统的实时性， 故f l a s h 容量必须足够移植u c o s - i i 内核，因此采用p h i 1i p 公司的a r m 7 t d m i 系列l p c 2 13 2 芯片。其特性如下1 ： 1 6 3 2 位a r m 7 t d m i - s 核，超小l q f p 6 4 封装。 3 2 k b 的片内静态r a m 和2 5 6 k b 的片内f l a s h 程序存储器。 通过片内b o o t 装载程序实现在系统编程在应用编程( i s p i a p ) 。 e m b e d d e d i c er t 和嵌入式跟踪接口通过片内r e a l m o n i t o r 软件对代码进行实时 调试和高速跟踪。 2 个8 路1 0 位的a d 转换器，共提供1 6 路模拟输入，每个通道的转换时间低 至2 4 4 u s 。 1 个1 0 位的d a 转换器，可产生不同的模拟输出。 2 个3 2 位定时器j l - 部事件计数器( 带4 路捕获和4 路比较通道) 、p w m 单元( 6 路输出) 和看门狗。 低功耗实时时钟具有独立的电源和特定的3 2 k h z 时钟输入。 多个串行接口，包括2 个1 6 c 5 5 0 工业标准u a r t 、2 个高速1 2 c 总线( 4 0 0k b i t s ) 、 s p i 和具有缓冲作用和数据长度可变功能的s s p 。 向量中断控制器。可配置优先级和向量地址。 小型的l q f p 6 4 封装上包含多达4 7 个通用i o 口( 可承受5 v 电压) 。 多达9 个边沿或电平触发的外部中断管脚。 通过片内p l l ( 1 0 0 u s 的设置时间) 可实现最大为6 0 m h z 的c p u 操作频率。 p r 内集成振荡器与外部晶体的操作频率范围为i 一3 0m h z ，与外部振荡器的操 作频率范围高达5 0 m h z 。 低功耗模式：空闲和掉电。 可通过个别使能禁止外部功能和外围时钟分频来优化功耗。 通过外部中断或b o d 将处理器从掉电模式中唤醒。 浙江人学硕i ：学位论文3 乍载f 【l 路设计 单电源，具有上电复位( p o r ) 和掉电检测( b o d ) 电路；c p u 操作电压范围：3 0 3 6v ( 3 3v 1o ) ，i 0 口可承受5 v 的电压。 3 1 3 串口模块 车载从控制器与控制台主控制器通讯需要一个双工串i = i 一个；从控制器控制 摄像头调焦需要单工串i = i 一个，只需要t x d ；因此串口通讯模块需要2 个发送信 号，1 个接收信号，它们都采用r s 23 2 标准，芯片采用s p 3 2 3 2 ，它具有2 路发送、 2 路接收，串口通讯模块电路图如图3 4 所示。 i j 7 v u u j j ：- 图3 4 车载控制板串口电路 3 1 4c p l d 逻辑组合 本系统采用a 1t e r a 公司的c p l d 芯片m a xi i 系列e p m 5 70 提供具有一定数量 及复杂度的逻辑时序电路，辅助a r m 完成控制电机、测速测距等功能。由于a r m 的i o 口为复用，只能提供3 路p w m 信号，故需要c p l d 产生一路p w m 信号。 电机控制：每个电机需要正、反转控制2 个控制信号，4 个电机共8 个控制 信号，控制信号分别和各自的p w m 控制信号相与后产生输出到电机驱动电路，因 此需8 个与门，逻辑结构图如图3 5 所示 浙江人学顾i j 学位论文3 下载f u 路设计 腑1 p w v m 2 。p w m p m p w m ：y m l _ c t r l i ：? v m i 。c t , t 2j v m 2 。c t 【1 2 r p m 。c t r l l 一 d s m ，c t r l l ； 一。”- s m c t r l 2； 图3 5c p l d 电机控制信号逻辑结构 测速测距：行进电机、云台电机配有编码器，转动时发出脉冲，由于电机编 码器输出为差分脉冲信号，因此需要经过差分接收器件后产生编码脉冲信号才能 进行计数。差分接收器件采用m c 3 4 8 6 ，其电路图如图3 6 所示。 v 2 4 - 2 v 2l -1 n u 1 - l n u z v 1 j + 1 4 0 3 4 - l n b 0 4 v 1i 一 1 5 一i n b v 2a + 6 v 2a - 7 + l n c l n c v 1 一a + 1 0 v 1a - 9 + i n o i n d d 5 幢 e n a c e n b ，d m 0 3 4 t 强3 u 图3 6 差分信号编码电路 根据行进距离以及云台旋转角度要求，需要3 个1 5 位计数器对脉冲进行计 数。由于行进电机、云台电机都可进行正反转，因此初始置数为计数量程的一半， 并且由微处理器i o 口对计数方向以及置数进行控制，计数溢出后将向a r m 发送 中断信号，通知a r m 进行累加。每个行进电机分别需要1 个进位信号和1 个借位 浙江人学硕f j 学位论义 3 下载l u 路设计 信号，其逻辑结构图如图3 7 所示。 一l c o u n l e r 4 一j ：广i p m ，五- 赢c o n p - ：r e 习3 - 莉? 一 l k k 一_ l 翻：l ，r 一1 0 棚i o -l 歪母 7 日一 r 。“ 刚30 1 卜嘣 卜叫】m ：b 护。 ) 。蝴三c r n _ e n i | = s c o u n t l 13 - 一o l 毋_ _ 。 2 州聃 肿坚=l三兰=e=鼍二-。而e 甜 s c o u n t l 1 3 0 1 l “一。1 “o r ： ” x - j id l t a a 【 3q 一。l 一r 一 图3 7c p l d 电机码盘计数逻辑 电机限位：对于云台和小铲，要确定它们的位置。云台转动需要一个0 。参 考点来判断当前的位置，而小铲需要确定其位置是处于下部，中部，上部。因此， 设计当云台、小铲转动到相应位置时产生中断。 前面提到每个行进电机分别需要1 个溢出信号，因此，整个系统共有6 个中 断源，云台限位1 个，小铲限位3 个，左右行进电机计数溢出信号2 个。而l p c 2 13 6 共分配1 个外部中断，因此这6 个中断源需要进过c p l d 处理合并为一个中断， 再连接至l p c 2 13 6 外部中断，为判断中断源，需要有6 个信号输出到l p c 2 13 6 指示中断源。另外，应分别为6 个中断源分配对应的中断允许，需要6 个输入作 为中断允许，如图3 8 所示。图中标明了中断源中4 个限位信号，加上上图中进 位中断源共6 个。另外，图中只标出了对中断源0 的允许控制，其他中断源与之 相同。 浙江人学颂i ：学位论义3 乍裁i u 路设计 i p m _ a n d o ! j 。s w j 4 - - ：i i 喜删簪型型坐l 、穆一i 兽沸畦塑生唑虬 粤i _ ：i ? ! j i 亭渊牲皇蝼 ：唧! _ j j j 荤油婷型堕咝骘 e i n t - j ： e i n tt e s t 图3 8 中断源逻辑结构 此外，由于要求c p l d 需要产生一路p w m 信号，因此需要输入一个可变数用 以调节小铲电机的p w m 信号占空比。由前面叙述可见，4 个电机需要输入对应的 8 个控制信号；测速测距需要将计数值输出到l p c 2 13 6 进行处理，左右行进电机 计数和云台计数共3 路计数值。因此c p l d 共需要3 路输入向量( 小铲电机p w m 信号可变数输入、电机控制信号、中断允许输入) 、4 路输出向量( 左行进电机 计数、右行进电机计数、云台计数、中断源信号) 。由于c p l d 与a r m 的之间信号 通信只能通过i o 口来完成，而a r m 的i o 口有限，故部分1 0 必须复用，因此设 计这3 路输入向量、4 路输出向量都取1