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摘要 悬索检测机器人控制系统设计 研究生：皮扬 指导教n - 王兴松教授 东南大学机械工程学院 摘要 斜拉桥作为现代桥梁的新型式，由于其良好的抗震性、低成本及美化城市等优点，在世 界范围内得到了广泛的应用。而斜拉桥悬索维护的问题却一直得不到很好的解决，悬索检测 机器人也因此而产生。在悬索检测机器人中，运动控制系统对于机器人的运行起着重要的作 用。悬索机器人要实现高效、高精度的位置控制和轨迹跟踪，必须依赖优良的运动控制系统。 本文针对实验室已有的斜拉桥悬索检测机器人设计了一套运动控制系统。此系统采用片上资 源丰富的混合信号单片机c 8 0 5 1 f 0 2 1 作为系统的核心，不仅简化了系统硬件设计，而且贴近 现实应用。 本文主要从运动控制系统的硬件结构、软件设计以及实验调试几个方面来对系统进行深 入阐述。 首先，本文介绍了运动控制系统的总体设计及主要的硬件电路。描述了悬索检测机器人 控制系统的系统组成及几种运动方案，并利用其中的一种方案进行了运动控制系统的总体设 计、c 8 0 5 1 f 0 2 1 功能分析以及驱动电机选型：讨论了运动控制系统的功能结构，针对主要的电 路结构进行了详细设计和分析，其中包括电源电路、复位和时钟电路、串行通信接口、电机 驱动单元等模块，并分析了系统的抗干扰设计。 其次，针对运动控制系统的控制软件和编程思路进行了介绍。叙述了软件控制的总体结 构与功能模块，然后详细阐述了主程序模块和运动控制模块的程序编写与必要的寄存器的设 置，并分析了上升运动控制和下降运动控制相应的程序及程序流程图。 最后，本文介绍了运动控制系统硬件调试和软件调试，详细叙述了软件编程环境及各模 块的调试过程及结果，并针对调试过程中出现的种种问题分析其产生的原因。 关键词：悬索检测机器人运动控制系统c 8 0 5 1 f 0 2 1 电机驱动速度控制 a b s t r a e t c o n t r o ls y s t e md e s i g no fs u s p e n s i o nc a b l e i n s p e c t i o nr o b o t b yp i y a n g s u p e r v i s e db y w a n g x i n g s o n g s c h o o lo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ，s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t a san e wm o d e mb r i d g e ，c a b l e - s t a y e db r i d g ei sw i d e l yu s e dt h r o u g h o u tt h ew o r l df o ri i s g o o ds h o c kr e s i s t a n c e ，l o wc o s ta n du s a g e i nu r b a nb e a u t i f i c a t i o n b u tt h em a i n t e n a n c eo f c a b l e - s t a y e db r i d g ec a b l ei sa l w a y sad i f f i c u l tp r o b l e m a sar e s n l t ，s u s p e n s i o nc a b l ei n s p e c t i o n r o b o ti sd e v e l o p e dt os o l v et h i sp r o b l e m m o t i o nc o n t r o ls y s t e mp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h e o p e r a t i o no ft h er o b o t t og e th i g he f f i c i e n c ya n da c c u r a t ep o s i t i o nc o n t r o la n dt r a j e c t o r yt r a c k i n g ， e x c e l l e n tm o t i o nc o n t r o ls y s t e mi s r e q u i r e d b a s e do nt h ec a b l e - s t a y e db r i d g er o b o ti n t h e l a b o r a t o r y , as e to fr o b o tc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e di nt h i sp a p e r m i x e d - s i g n a ls y s t e mo n - a - c h i p m c uc 8 0 51 f 0 2 1i su t i l i z e di nt h i ss y s t e mw i t hv a r i o u sr e c o u r s e so nc h i p i tn o to n l ys i m p l i f i e s t h eh a r d w a r ed e s i g n ，b u ta l s ob e c o m em o r ep r a c t i c a l t h es y s t e mi s f u l l y i n t r o d u c e df r o mi t sh a r d w a r es t r u c t u r e 、s o f t w a r ed e s i g na n dt h e e x p e r i m e n t s f i r s to fa l l ，t h ew h o l es t r u c t u r eo ft h em o t i o nc o n t r o ls y s t e ma n dm a i nh a r d w a r ec i r c u i t sa r e p r e s e n t e d t h e nt h ec o n s t i t u t i o no ft h em o t i o nc o n t r o ls y s t e ma n ds e v e r a lm o t i o ns c h e m e sa r e i n t r o d u c e d t h ew h o l es t r u c t u r eo ft h em o t i o nc o n t r o ls y s t e ma n dt h ef u n c t i o n a la n a l y s i so f c 8 0 51 f 0 2 1b e s i d e st h es e l e c t i o no ft h em o t o ra r es h o w ni nd e t a i l a d d i t i o n a l l y , t h ef u n c t i o n a l s t r u c t u r eo ft h em o t i o nc o n t r o ls y s t e mi sd i s c u s s e d t h em a i nh a r d w a r ec i r c u i t si sf u l l ya n a l y z e d i n c l u d i n gt h e c h o i c eo fc p u ，m o t o rd r i v ec o n t r o l ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec i r c u i t s f u r t h e r m o r e ，t h ed i s c u s s i o no ft h ea n t i - i n t e r f e r e n c ei sa l s oi n v o l v e d s e c o n d l y , t h es o f t w a r eo ft h em o t i o nc o n t r o ls y s t e ma n dp r o g r a m m i n gm e t h o da r ei n t r o d u c e d t h ew h o l es t r u c t u r ea n df u n c t i o n a lc o n t r o lm o d u l e so ft h es o f t w a r ec o n t r o ls y s t e ma r ei l l u s t r a t e d t h e nt h em a i np r o g r a mm o d u l e sa n d m o t i o nc o n t r o lm o d u l eo ft h ep r o g r a m m i n ga n dt h e n e c e s s a r yr e 酉s t c 璐s e t t i n g sa r es h o w n t h ec o r r e s p o n d i n gp r o g r a ma n d f l o wc h a r to ft h e a s c e n d i n ga n dd e s c e n d i n gm o t i o nc o n t r o la r ei n t r o d u c e d f i n a l l y , t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e b u go ft h em o t i o nc o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ei se x p l a i n e d t h es o f t w a r ep r o g r a m m i n ge n v i r o n m e n ta n dm o d u l eo ft h et e s t i n gp r o c e s sa n dt h er e s u l t sa r e g i v e n b e s i d e s ，t h ec a u s eo fs o m ep r o b l e m sg e n e r a t e dd u r i n gt h ed e b u gi sf u r t h e ri n v e s t i g a t e d k e yw o r d s ：s u s p e n s i o nc a b l ei n s p e c t i o nr o b o t ，m o t i o nc o n t r o ls y s t e m ，c 8 0 5 1 f 0 2 1 ，m o t o rd r i v e ， s p e e dc o n t r o l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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 其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南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： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文文件，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本 人电子文文件的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公 布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名： 日期：沙7 六矽 第章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 111 悬索检测机器人技术综述 斜拉桥是最近几十年才兴起的新型桥型，斜拉桥以其优美的外观及照好的抗震性越来趣 得到桥粱设计师的青睐。自从1 9 8 6 年在瑞典建威斯曹姆松特斜拉桥蚍来到1 9 9 3 年全世界 己经建成3 g o 余座斜拉桥。我国自1 9 7 5 年在四川云阳建成第一座斜拉桥之后，至今共建成 加余座大型斜拉桥”1 。并且许多大型建筑如机场、体育场等也采用了斜拉式悬索结构。已经 完工的苏通太桥和世界跨度最大的杭州湾跨海大桥也采用了悬索斜拉式结构。 矗盏盥 ( a )o ) 圈1 1 国内斜拉桥 ( a 苏通大桥( b ) 杭州湾大桥 然而作为斜拉桥三大受力构件( 桥塔、桥面和悬索) 之一的悬索长期暴露在空气中 经风吹雨淋，悬索表面的p e 保护层出现了不同程度的硬化和破坏现象，继而钢丝柬受到腐 蚀，严重者甚至出现断丝现象，另方面，由于随机风振，雨振，汽车行驶过程中产生的 振动，是悬索内部的钢丝发生微摩擦，引起锅丝磨损。因此必须要对这些构件进行定期维护。 但是，悬索的检测自动化问题一直没能有教解决，多少年来由于锈蚀造成桥梁损坏的教训 是极其深刻的。在国外，美国帕斯克肯涅成科桥。仅通车7 年即被迫抉索。纽约市威廉斯 堡桥从1 9 0 3 年建成后，在1 9 2 1 ，1 9 2 4 ，1 9 f i 3 年都对4 0 8 主缆进行全面维修，到1 9 9 2 年还 进行了长达两年的更加彻底的检涮维护。德国汉堡科尔布兰德斜拉桥，仅通车几年即因斜缆 严重腐蚀而全部换索其费用相当于建桥总价的一半。在中国，广州海印大桥斜拉索断裂， 导致全部换索。济南黄河公路斜拉桥，1 9 8 2 年建成，1 3 年后悬索的断面锈蚀损失选删更 换旧索2 7 2 根，安装新索2 4 8 根。虎门太桥刚刚建成即发现悬索有锈蚀”“”。 传统上，悬索检测的作业任务基本上都由人工方式来实现。如：武祝长江二挢使用卷扬 机拖动小车，搭载检测传感器对断丝、磨损、锈斑等进行检测；国内外也常采用液压升降台 搭载丁作人员和设备对悬索进行检修，维修工人和捡测 殳备共重几百公斤，此重量作用在悬 索上，本身就是对其保护层的破坏：工人长期处在几百米高空做业，环境恶劣，效率低下， 维修成本也很高。随着更大跨度桥粱的不断出现人工检测悬索的周期将更长、危险性更商、 难度更太；随着机器人技术的进步- 开发用于桥梁钢索的小型、轻便、安全检测的机器人系 东南大学硕士学位论文 统，成为必然要求。 悬索机器人可以在斜拉桥承重悬索、高压供电电缆、旗杆等高空缆类物体上爬行，代替 人工自动完成缺陷检测、清洗、涂装等作业任务，与人工作业方式相比，不但极大地降低了 成本，而且也最大限度地保证了作业安全引。所以，悬索机器人的出现极大地解放了生产 力，是高技术产品的典型应用领域之一。但悬索机器人的研究在世界范围内来看，还处于初 期阶段旧1 。 1 1 2 机器人运动控制系统的特点 运动控制系统是一种通过电机驱动的执行机构对电机转矩、转速和转角进行控制以实现 预定运动轨迹目标的电气系统。典型的运动控制系统有机器人、数控机床、运输机械等。 运动控制技术是一门融计算机、电子、机械、控制和传感器等多门学科知识于一体的交叉技 术，广泛应用于工业、军事、航空航天、能源勘探和医疗等各个领域，它是自动化领域的一 项关键技术 运动控制系统技术的代表就是机器人技术。自2 0 世纪6 0 年代人类研究第一台机器人以 来，机器人技术就显示出强大的生命力，在4 0 年的时间里，机器人技术得到了迅速发展m 1 。 机器人研究的热点也是设计机器人要解决的关键技术。机器人系统主要由机械结构、传感器 系统、控制系统和信息处理等部分组成。因此机器人控制系统的研究也是重点之一，目前机 器人功能越来越复杂，因此对机器人控制系统的要求也越来越高。 机器人运动控制系统的核心是控制系统。控制系统包括硬件和软件，而硬件又包括模拟 和数字两个方面。硬件的核心器件是微处理器。微处理器可以是嵌入式微处理器、d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 、f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) ，也可以是p c 机 或p c i 0 4 。当一个微处理器无法完成特定功能时，往往选择多个微处理器通过网络、总线连 接起来，共同完成机器人的特定功能。机器人控制系统对软件有很高要求。选择合适的实时 操作系统平台( r t o s ) ，以及如何裁减r t 0 s 系统，r t o s 系统如何与机器人各个功能模块接口 相互传递信息，也是机器人控制系统要很好解决的关键问题。综合前面的分析可以得知，机 器人控制系统的发展趋势跟未来运动控制技术发展的趋势是一致的。 机器人控制系统一般具有如下特点： 1 ) 开放性：目前对机器人控制器的开放性还没有明确统一的定义，但可以从计算机方 面借鉴一下，即开放性包括： 易扩展性：指新的功能模块( 例如传感器或者执行器) 能够方便地加入到电路控制系统 中，并且很容易对现有模块进行改进。 可裁减性：指用户可以方便地将不需要的模块从系统中移出。 硬件独立性：指通过对硬件的抽象，开发者无需了解具体硬件细节即可方便地进行软件 开发 可移植性：指系统的软件能够顺利地移植到不同硬件平台上。 2 ) 计算实时性：机器人是一个非常复杂的系统，各个功能模块之间存在各种复杂的时 序关系，某些功能模块内部同样存在多种在时序上互相交错的任务。系统必须保证各个任务 能够在规定时间内完成计算。 3 ) 可靠性：机器人系统必须保证长时间稳定地工作，即使某些模块或部分电路出现问 题，也不影响系统的整体性能。 针对以上要求，机器人控制系统的研究应该从控制系统的软硬件以及体系结构两方面入 手，开放性、计算实时性、可靠性是控制系统的发展方向。 2 第一$ 绪论 1 2 国内外悬索检测机器人及其控制技术现状 目前在悬索机器人方面，国内只有上海交通大学的吕恬生教授等提出的i 号，号悬素 维护机器人。该机嚣人负重可选2 5 0 k g ，很好地解决了大桥悬索的喷椿等维护工作，已经在 徐浦天桥试验成功。i 号悬索维护机器人的控制方式主要是速度控制采用安川v s 6 1 6 变频 器一拖三并辅以机械同步环的速度控制方式。这种控制方式可以保证每个电机的频率一致， 转速基本相同，在机构的前端设置了机械同步环保证了3 个正压小车同步爬升”1 。 i i 号 悬索维护机器人采用了上体和下体的结构方式，可实现连续蠕动爬升，控制方式主要是控制 各个气动阎和各个气缸进气和放气的顺序动作，采用的是p l c 控制器。机器人在悬索上的爬 升和下降，是由地面上的控制器通过电缆遥控机器人的各电磁阀的通断而实现的。选用可编 程序控制器p l c ，其输入为由气缸磁性开关检测得到的电脉冲信号，其输出信号对备电磁换 向阀进行顺序控制。控制器设有通气、手动、上升、下降、维护等选择按钮及机器人爬升位 置的数码显示”1 。 哈工太也采用气动技术进行了相关研究。他们提出的方案与研制的机器人，自重和载重 都较大( 几百公斤) ，极易损坏钢索保护层，用于检测不甚合适。 相比之下，国外对与悬索机器人类似的爬杆机器人研究略多一些。2 0 0 2 年，a h m a d a h a d i mn 等提出i j t - p c r ( u t p o l ec l i m b i n gr o b o t ) ，依靠三对圆周均布的支臂抱紧圆杆，在 u tp c r 的每个支臂上装有一行走轮支撑于圆柱表面，并采用直流电机驱动每对支臂实现爬 升动作，l 卜p c r 的任务主要是完成高速公路路灯的清洗工作。具有体积小、重量轻、运行 平衡等优点，但由于采用有缆接电方式供电，使机器人的移动很不方便。且越障能力弱。 2 0 0 3 年ma l m o n a c i d 等提出了井联攀爬机器人( c i i m b i n gp a r a l l e lr o b o t ) ，此机 器 有六个自由度，由固定的两个六角平台及6 个直线电机组成“机器人本体结构简单， 运动方式较为灵活，可咀在弯曲的管道外壁和内壁爬行但在竖直的管道上运动速度较慢 可载负载能力较弱。 t 一妊盘 阒 ( a ) ( b ) 圈l _ 2 攀爬机g 人 ( a ) m p 0 1 e 攀爬机器人( b ) 并联攀爬机人 2 0 0 3 年，马德里理= r = 大学的a r a o i lr 研制出一种c p r 井联爬行机器人。它由上下两个 圆环组成每个圆环有若干支脚支撑于柱面。两环之问由六个空间布置线性执行机构联接。 机器人在运动时，两环的支脚交替夹紧，依靠线性执行机构驱动圆环运动，可沿并种形状管 道的内外侧爬行轻橙爬越管道结点，可沿折弯为任意角度的圆柱、方形杆爬行，也可适应 类似树干的复杂表面作业，但是在遇到紧急情况不能自动回收。且高辛作业能力差”1 。 美国卡内基一梅隆大学的s c h 翎p fh 等人研制的b o a 的管外机器人采用了同一圆周面上 均布三套夹紧装置来实现沿管道的蠕动运动其夹紧方式采片j 了简单的四连杆机构并且每 东南大学硕士学位论文 套夹紧装置都具有自动定心的功能，但其结构复杂且运动速度太慢，为每小时3 0 - 4 0 英尺， 用于悬索检测不合适。 日本在攀爬机器人上也有广泛的研究，三菱电机公司的通口峰夫研制的电线爬升机构采 用了履带和车轮相结合的移动结构形式，在电线上行走时采用车轮移动，当通过电线间的铁 塔时就改用履带移动。此机器人结构复杂，不适合用于悬索检测。另外，日本农业水产省研 究所研制的爬树机器人则采用了发动机带动橡胶轮绕树旋转上升的方法。 日本在电气化铁路输电线自动检测机器人系统研制方面，有较多研究，而这些都是低空 作业，爬升能力不强，回收、供电也较容易，难以用于高空，远距离的检测。 从上述国内外研究现状可以看出，国外在攀爬机器人方面研究还是比较深入的，可供研 究的科研成果较为丰富。国内在悬索机器人的本体结构方面也做了许多研究，但是在控制系 统上面的研究还不多，上海交通大学研究的主要侧重在机器人的机械结构设计方面，在控制 系统上采用p l c 下位机+ 1 - 控机上位机这种主从式系统控制，机器人的自主性能较差，而且 控制系统较为笨重，不能够方便的安装在悬索机器人上。因此设计一个功能完善并且轻巧的 悬索检测机器人控制系统是非常必要的，不仅可以减轻机器人检测时对悬索的伤害甚至做到 无伤害，而且可以留出更大的空间用于后续辅助功能扩展。 1 3 本课题的任务及所要解决的主要问题 功耗低、体积小、专用性强、可靠性的控制系统一直是我们追求的目标。 本课题在国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) ( 2 0 0 6 a a 0 4 2 2 3 4 ) 的资助下，根据目前悬 索机器人控制系统研究的现状和本实验室的研究条件，提出了以下研究内容：在悬索检测机 器人这种特殊的移动平台下，单片机在运动控制系统中的应用。该运动控制系统应符合开放 性、实时性、可靠性的标准，根据了上述的原则，拟定了设计目标如下： 1 ) 运动控制器提供标准的接口，能方便的与p c 机进行连接。 2 ) 运动控制器可以远距离从硬件上支持电机正转和反转的速度、位置控制。 3 ) 可以迅速、便捷的建立高层运用程序与运动控制器的数据交换。 4 ) 用户可以修改运动控制器的运动控制算法，能够对运动控制器的功能进行选配和重 新配置，以满足后续开发要求。 整个控制平台的运动控制系统硬件上主要分为运动控制核心和电机驱动控制两部分。运 动控制核心主要由c 8 0 5 1 f 0 2 l 单片机构成，被控对象则是悬索检测机器人上的驱动电机，在 本课题中采用的是中小功率直流电机，通过光电式编码器和电压检测等手段分别测得被控系 统中转速( 速度、位移) 和电压( 电源是否充足) 等信号，并通过核心控制板及无线收发单元 将检测数据从高空中传至上位机中进行分析。 1 4 本文结构 从内容结构上归纳而言，本文论述结构如下： 第一章绪论 对论文课题背景进行相关研究，悬索检测机器人技术，机器人运动控制特点等，指出了 机器人控制的未来发展趋势。 第二章悬索检测机器人控制系统总体设计 在现有的悬索检测机器人平台上，介绍其主要结构，分析其受力关系，比较多种系统设 计方案，给出本课题研究的机器人运动控制系统的总体设计方案。 4 第一章绪论 第三章基于c 8 0 5 1 f 单片机的运动控制系统的硬件设计 在介绍c 8 0 5 1 f 0 2 1 芯片的基础上，设计了运动控制系统的硬件电路及电机驱动电路，并 分析了各功能模块的设计。 第四章基于c 8 0 5 1 f 单片机的运动控制系统的软件设计 介绍了运动控制系统的软件设计、程序流程图及各模块的软件实现。 第五章运动控制系统的调试 介绍了运动控制系统调试工作。 第六章总结与展望 进行全文总结，总结本课题及论文的工作内容，并针对论文不足提出课题展望。 1 5 本章小节 本章详细论述了课题研究的背景以及研究意义，并对悬索检测机器人及其控制技术现状 进行了总结论述。根据已有的研究成果，总结了本课题需要面临和解决的问题难点，初步拟 定了本文的大纲。 5 东南太学硕士学位论文 第二章悬索检测机器人控制系统总体设计 悬索检测机器人由机槭系统和控制系统两部分组成通过控制系统来使机械系统达到预 期的运动。运动控制系统的研究与应用，将为机电设备运动控制提供良好的硬件平台和软件 平台，在这基础上，用户能方便、快速地建立自己的运动控制系统。课鹿的总体方案设计也 是针对这一目标展开的。通过对机器人机械本体结构的分析，比较多种控制系统设计方案， 并且考虑到项目中的一些专用的要求，理清课题的整体思路，从而完成系统控制方案的设计。 2 1 悬索检测机器人系统组成 如图2 1 所示本文研究的机嚣人系统在此可以分为三十部分，机器 本体、车载运动 控制系统、上位机及其它功鸵设备。奉文着重研究机器人本体上的车载运动控制系统的设计。 + 一一一一一一一一一一一一、 ，上位机功能设各、 车载运女控制系统j 2 11 悬索检测机器人本体 ! 里 圈2i 悬索检测机器 系统组成 奉课题所研究的控制对象为磁吸附式悬索检测机器 及轮式悬索检测机器人，如图22 所示。轮式悬索检测机器人由一台主动小车和一台从动小车组成，主动小车和从动小车上分 别装有图像采集卡，摄像头，电源，运动控制卡等。破吸跗式悬索检测机器人主要有一台主 动小车和几个支撑杆件组成，主动小车上装有磁吸附机构电源，运动控制卡等。 第= 章悬索齄铡机人控制系统总体设* 辫痨 ( a )0 ) 圈22 悬索检测机墨 将两台小车连成圆桶形并相对布于悬索两侧。直流电机直接驱动主动小车的 上行走轮使机构爬行上升，从动小车只起平衡作用，咀防止机器 在运动过程中产生倒滑。 当机器人到达悬索顶端，控制电机反转从高空返回地面；或者采用反屯动势理论“。1 1 ，使 机器人断电下滑 爷 7 曩：， ， 虬二。 龋， q 靠 式 口 詈 ，以 0m 鎏 女_ 繇 弋卜 辋j 愁彩7 ( a ) 图23 轮式悬蜜机嚣 受力分析 ( a ) 轮式悬素机嚣 受力分析田一主观( h ) 轮式器索机器 受力分析一精程 如图23 ( b ) 所示- 肌。、肌2 衰示悬索作用于“v ”形轮f 两面的正压力，虮表示悬索 对轮i 的支撑力，则有： 札“s h p ，2 + ：s i n ，2 ( 21 ) ，h ：分别为作用于轮两表面的滚动摩攘阻力。 移啄 东南大学硕士学位论文 b - ： j 1 l z f - p o 一1 ) i 一易+ 易2 一川- 肠+ m 2 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 咏表示悬索对轮f 的总摩擦力，所有外力如图2 3 所示， 假设机构在爬升过程中与悬索表 面接触完好。可得平衡方程： 在露面内： x l + 一2 一3 0 ( 2 4 ) z = 乃。一尥一乃。一：一， ( 2 5 ) m 。，( ，) 一f + 尥f 1 + m 。( 川) + m 。( 易) - r + m g l l + _ 【n 2 m 一3 ( 厶+ l 4 + 厅) + n 4 ( 厶+ 厶) 】+ 1 ，+ 2 r + 3 厂一，4 r 】一0 此处，f 为驱动电机输出转矩： p 为机构重心位置； ，为悬索半径， m ，刀为上下从动轮偏离距离。 从动轮2 受力分析如图2 4 ( a ) 所示： f e s i n 岛- c + 册。2 9 + 2 i e c o s em u 2 鼠为上摆臂摆角； m 衍g 为轮i 重力； e 为弹簧拉力； e 为摆臂对轮f 支撑力； 朗为滚动摩擦系数。 镇：露 ( b ) 图2 4 机器人轮子受力分析 ( a ) 从动轮 ( b ) 轮3( c ) 驱动轮 8 ( c ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 第二章悬索检测机器人控制系统总体设计 根据式2 1 ，2 3 ，2 7 中可推导出： f , + m 2 g + f ：2 喀屹 轮3 受力分析如图2 4 ( b ) 所示， f ei l l l e s i n 以+ ，34 - 1 。，g i ec o s 岛- 3 根据式2 1 ，2 3 ，2 9 中可推导出： n 4 1 - n 4 2 - 瓦( f 忑t + m 瓦w 4 i g ) 而t g r 驱动轮受力分析如图2 4 ( c ) 所示， f - 巧n 五索面作用于主动轮支撑力：i 1 为主动轮半径。 根据式2 2 ，2 3 ，2 5 推导得： 巧1 2 r ：n - m g + 2 n z t p l + 2 n 3 1 p 14 - 2 a r 4 1 p l 根据式2 7 ，2 1 l ，2 1 2 推导得： n 3 1 - m g ( 1 1 - r 1 - r c o s l 5 * ) - 2 n 2 1 b + 2 n 4 1 c 这里，a - ( ，l + r c o s l 5 。) + c o s l 5 。o - t l r ) ； bll “1 ( r 1 + r c o s l 5 。) + c e s l 5 。( d + p l r ) ； c - e o s l 5 。( 工+ d m r ) 一鲍( ，1 + ，c o s l 5 * ) 。 从而得出驱动转矩为： f - f ，l ，l - ( m s + 2 n 2 1 h _ + 2 n 5 1 地+ 2 n 4 1 t 嘶) r l 以悬索直径为妒1 3 9m m 为例，驱动轮的材料是铝制轮毂，外边覆盖了硬质橡胶，从动 轮的材料为m c 尼龙，d - 1 7m m ，l - 1 7n l i l l 其他参数如表2 1 所示。 表2 1 悬索检测机器人参数表 符号 名称数值 m 1 机构总重7 7 k g r l 一，4 行走轮半径 1 7 6 9 n u n 如吼 从动轮摆杆初始角度 6 0 。 m 玎从动轮偏离尺寸 3 0 m m d悬索直径loomm 卢行走轮“v ”形轮面角 1 5 0 0 d重心偏离悬索中心线尺寸 1 7 m m l上下摆臂支点距离 2 2 8 m m 根据式2 4 ，2 8 ，2 1 0 ，2 1 2 ，2 1 3 中，可知： n 2 】= 9 9 2 5n ，n 4 l - 9 2 7 n ，n 3 l - 7 5 3 5n ，1 1 1 1 6 6 n ，l - 1 1 8 7 3 n 。 最大静摩擦力为2 n l l ，1 2 - 1 8 6 5 6 n 。 9 ) ) j 0 e ” 蚴 m 埘 脚 川 仫 亿 亿 伍 亿 亿 q 东南大学硕士学位论文 令2 1 ，： 弓，此时机构满足向上爬升的条件，根据式2 1 4 ，我们可以得出f 一4 1 3 n m 。 选用m a x o n 直流电机( p - 9 0 w ) 作为驱动电机。 2 2 控制系统方案总体设计 2 2 1 几种运动控制方案的比较 下面几种比较典型的运动控制技术的实现方法及其优缺点n 3 1 ： 1 、以模拟电路硬接线方式建立的运动控制系统 早期的运动控制技术的实现方法一般采用运算放大器等分立元件以硬接线的方式构成。 该系统的优点：可实现系统的高速控制，控制器的精度较高。但相对于数字系统，其缺陷也 很明显：由于所需要元器件较多，系统可靠性不高，而且系统设计采用硬接线，升级或功能 修改几乎是不可能的。 2 、以微控制器( m c u ) 为核心的运动控制系统 这里的微控制器是指以m c s 一5 1 ，m c s 一9 6 等为代表的8 位或1 6 位单片机。利用微控制器取 代模拟电路作为电动机的控制器，所构成的系统具有简单，灵活性适应性强等优点，在一些 性能要求不是很高的场合，现在普遍使用单片机作为电动机的控制器。但由于微控制器的速 度有限，处理能力也有限，因此先进的控制算法难以实现。 3 、在通用计算机上用软件实现的运动控制系统 在通用计算机上，利用高级语言编制相关的控制软件，配合驱动电路板、与计算机进行 信号交换的接口板，就可以构成一个运动控制系统。这种实现方法可实现高性能、高精度、 复杂的控制算法；同时控制软件的修改也很方便。但缺点是系统体积过大，难以应用于工业 现场，而且难以实现实时性要求高的信号处理算法，不能保证同步性。 4 、利用专用运动控制芯片实现的运动控制系统 专用运动控制芯片具有响应速度快、系统集成度高、使用元器件少、可靠性好等优点， 而且其价格便宜，可进一步降低系统的成本。但受专用控制芯片本身的限制，其扩展能力差， 系统升级困难，难以用于高性能高精度的应用场合。 5 、以可编程d s p 控制器为核心构成的运动控制系统 基于d s p 控制器构成的运动控制系统可靠性高，升级容易，扩展性、维护性好，可满足 对系统性能和精度要求高的场合的需要。 6 、用f p g w c p l d 等可编程逻辑器件实现的运动控制系统 利用可编程逻辑器件实现的运动控制系统，系统的主要功能都可在单片f p g a c p l d 器 件中实现，减少了所需的元器件数，缩小了系统体积。其扩展性和可维护性好，系统升级容 易。但是如要实现复杂的控制算法，内部所需的逻辑门数增多，则价格昂贵。 总之，可以针对系统的需要选择合适的方法，而且多种实现方法互相配合使用，可以达 到更好的效果和更高的性价比。 一般情况下，采用操作系统的运动控制系统的总体结构方框图如图2 5 所示。 1 0 第二章悬索检测机器人控制系统总体设计 还明猝制j 运动控制系统匹配软件软件层 o s 系统调用接口 层 内存任务设备 通讯 管理管理管理接口 运动控制系统软件 统 图2 5 采用操作系统的运动控制系统的结构方框图 2 2 2 悬索检测机器人控制系统的基本要求 对系统的主要功能要求有： ( 1 ) 可以控制主动电机进行正反转； ( 2 ) 可以在运动中随时改变速度； ( 3 ) 脉冲输出方式可用单脉冲( 脉冲+ 方向) 或双脉冲( 脉冲十脉冲) 方式； ( 4 ) 位置管理采用加减计数器，一个用于内部管理驱动脉冲输出的逻辑位置数器，一个用 于接收外部的输入，输入信号可以是a b 相输入的编码器或光栅尺，也可是上下脉冲的输入 信号，外部输入也可用于手轮输入，作为普通的计数。 ( 5 ) 提供伺服接口信号，如编码器信号，到位信号，报警信号等； ( 6 ) 为防止悬索检测机器人在运行过程中碰到悬索的裂痕等，使其越不过去或打滑，要对 其进行实时监测，如果摄像头观测到悬索上有伤痕，此时要急停； ( 7 ) 能够判断检测完一根悬索，并反转返回； ( 8 ) 能够讲传感器采集的数据通过无线传输同上位机； ( 9 ) 运动中可以实时读出逻辑位置、实际位置、驱动速度等； ( 1 0 ) 可编程中断，可以由多种原因产生中断。 对系统的主要技术要求有： ( 1 ) 可靠性高 由于数据处理的计算机一旦发生故障，一般带来的是不便，而控制系统的故障则可能造 成重大损失，因此可靠性对于控制系统是至关重要的。而且由于检测过程时间较长，相应的 控制系统也要不停地运转，这就要求控制系统具有较长的平均无故障时间。 ( 2 ) 适应现场工作环境 控制系统的工作现场，各种车辆和电气设备产生的电磁波干扰，风力使悬索产生振动， 都会对控制系统的正常运行产生一定的影响，因此控制系统必须具有较强的抗干扰能力。 ( 3 ) 具有完善的输入输出通道和实时处理能力 为了对悬索进行检测，必须传送数据和各种类型的信号，要求系统具有比较完备的模拟 量和数字量输入、输出通道。 ( 4 ) 宜于操作和维护 控制系统的使用者一般不是专业的计算机人员，信号控制系统应简单明了，便于现场操 作，一旦发生故障，能及时查明原因，迅速予以排除。 2 2 3 核心控制器的选型及介绍控制系统方案总体设计 设计控制系统，控制芯片的正确芯片的正确选择是非常重要的一个环节。只有选定了芯 东南大学硕士学位论文 片才能进一步设计其它外围电路。总的来说，芯片的选择应根据实际的应用系统需要而确定。 不同的应用场合应用目的，对芯片的选择也不同。一般来说，选择芯片时考虑如下诸多因素。 ( 1 ) 运动速度：运算速度是芯片的一个最重要的性能指标，也是选择芯片时所需要考虑 的一个主要因素。 ( 2 ) 价格：根据实际系统的应用情况，确定一个价格适中的芯片，通常在开发阶段选用 某种价格稍贵的芯片。其原因是：系统开发完毕后，选用芯片的价格可能已经大幅度下降。 ( 3 ) 硬件资源：不同的芯片所提供的硬件资源是不相同的，如片内删、r o m 的数 量，外部可扩展的程序和数据空间，总线接口，i o 接口等。丰富的硬件资源可大大简化系 统的硬件设计，并提高系统的集成度和可靠性。 ( 4 ) 开发工具：在控制系统的开发过程中，开发工具是必不可少的。如果没有开发工具 的支持，要想开发一个复杂的控制系统几乎是不可能的。如果有功能强大的开发工具的支持， 如c 语言支持，则开发的时间就会大大缩短。因此，在选择芯片的同时，必须注意其开发 工具的支持情况。 ( 5 ) 功耗：在某些应用场合，功耗也是一个需要特别注意的问题。如便携式的设备、手 持设备、野外应用的设备等都对功耗有特殊的要求。上述诸多因素中，有些指标是相互矛盾 的，这就要本着简单适用的原则，在满足系统需求、降低系统设计难度的前提下，选择简单 经济的芯片。对于设计工作者来说，既要了解具体产品的设计要求，又要对各种芯片的性能 和特点有比较全面的了解。 考虑到以上的因素及系统所需的功能，本系统主要实现各种检测及过程控制，功能比较 单一，不要求较高的通用性，因此，不选用d s p 这种较为高级的芯片，也不选用f p 咪p l d 等可编程逻辑器件，本课题选用c 8 0 5 1 f 0 2 1 单片机为控制核心，基本能够满足功能和性能上 的需求。 c 8 0 5 1 f 单片机是完全集成的混合信号系统级芯片( s o c ) ，使用s i l i c o nl a b s 的专利c i p 5 1 微控制器内核邮h 1 5 “。与m c s 5 1 指令集完全兼容。除了具有标准8 0 5 1 的数字外设部件之外， 片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件。这些外设 或功能部件包括模拟多路选择器、可编程增益放大器、a d c 、d a c 、电压比较器、温度传 感器、s m b u s 、1 2 c 、u a r t 、s p i 、定时器、可编程计数器、定时器阵列( p c a ) 、数字i o 端口、电源监视器、看门狗定时器( w d t ) 和时钟振荡器等。所有器件都有内置的f l a s h 程 序存储器和2 5 6 字节的内部r a m ，有些器件还有位于外部数据存储器空间的r a m ，即x r a m 【1 6 】n 7 】 a c 8 0 5 1 f 0 2 1 单片机属于c 8 0 5 1 f 系列中的f 0 2 0 子系列，其性价比在目前应用领域极具竞争 力。c 8 0 5 1 f 0 2 1 器件是完全兼容的混合信号系统级m c u 芯片，具有3 2 个数字i 0 引脚。其 主要特性如下“： ( 1 ) 高速、流水线结构的8 0 5 1 兼容的c i p - 5 1 内核何达2 5 m i p s ) ，指令运行速度比常规 的8 0 c 5 1 系列单片机提高了越1 0 倍； ( 2 ) 片内具有模数( a d ) 和数模( d a ) 转换及温度传感器，其中包括真正1 2 位 ( c 8 0 5 1 f 0 2 0 1 ) 、1 0 0k s p s 的8 通i 也气d c ，带p g a 和模拟多路开关和真正8 位，5 0 0 k s p s 的a d c ， 全速、非侵入式的在系统调试接口( 片内) ，两个1 2 位d a c ，具有可编程数据更新方式； ( 3 ) 硬件实现的s p i 、s m b u s ，2 c 和两个u a r t 串行接口； ( 4 ) i 0 端口的配置由同定方式改变为软件设定方式，增加了交叉开关，可将片内资源 分配到i o 端口； ( 5 ) 具有多复位源、多中断源方式； ( 6 ) 每个m c u 都可在工业温度范围( - 4 5 c n + 8 5 c ) 0 日用2 7 v 3 6 v 的电压工作。端口i 0 、r s t 和j t a g ；j i 脚都容许5 v 的输入信号电压。进一步降低了能耗； 1 2 第二章悬索检测机器人控制系统总体设计 ( 7 ) 具有片内v d d 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的c 8 0 5 1 f 0 2 1 是真正能独立工 作的片上系统。所有模拟和数字外设均可由用户固件使能禁止和配置。f l a s h 存储器还 具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8 0 5 1 固件。具有更加 完善的时钟系统，时钟振荡器可编程并具有多个时钟源； ( 8 ) 存储器组织丰富，包括6 4 k 字节可在系统编程的f l a s h 存储器，4 3 5 2 ( 4 0 9 6 + 2 5 6 ) 字节的片内r a m ，可寻址