（电机与电器专业论文）移动型数控外立面清洁机及控制方法研究.pdf

河北科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h em o d e r nd e v e l e p m e n to fc i t y , t h ec l e a r i n go ft h eg l a s sw a l lo fk i n d so f h i 曲r i s eb u i l d i n gi sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t h i sh a sb e e nac o n c e r n i n gm a t t e r , b u ta v e r yo n e r o u sa n dd a n g e r o u st a s k t h ed e s i g no fn cc l e a n e rf o rb u i l d i n gb a s e do nm i c r o c h i pa n dw i r e l e s s d a t a t r a n s m i s s i o nm o d u l er e a l i z e st h ea p p e a r a n c eo ft h ec o m p u t e ri nc l e a r i n gt h eg l a s sw a l lo f t h eb u i l d i n g t h es y s t e mi n c l u d e st w op a r t s ：h a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n t h eh a r d w a r ed e s i g ni n c l u d e ss t a t i o n a r yp l a t f o r m ，m e c h a n i c a ld e s i g no ft h em o b i l e p l a t f o r ma n dt h ed e s i g no fe l e c t r i c a lc o n t r o lp a r t sf o re v e r yp a r t s ，a c c o r d i n gt ot h en a t i o n a l m e c h a n i c a ls t a n d a r d a n dw eh a v em a d eap r o t o t y p e t h ed e s i g ni sm a k et h ea t 8 9 c 5 2m i c r o c h i pa st h ec o r e ，d e s i g n i n gt h em a i nc o n t r o l p l a t f o r m ，s t a t i o n a r yp l a t f o r mc o n t r o l l e r , m o b i l ep l a t f o r m c o n t r o l l e ra n dt h ei n t e r f a c e c i r c u i t , a n di n t r o d u c e st h ee l e c t r i c a ld e s i g no fe v e r yp a r t si nd e t a i l i nt h ed e s i g no ft h es o f t w a r e ，t h em a i nc o n t r o l l i n gp l a t f o r ms o f t w a r e ，s t a t i o n a r y p l a t f o r ms o f t w a r ea n dm o b i l ep l a t f o r ms o f t w a r ea r ed e s i g n e d ，i n t r o d u c i n gt h eb l o c k d i a g r a mo fe v e r ys o f t w a r e i nt h ee n d ，t h ec o n t r o l l i n gs t y l ea n dt h ea l g r i t h mo ft h ec l e a r i n gs y s t e ma r ei n t r o d u c e d , m a i n l yi n c l u d i n gt h ec o n t r o l l i n ga l g r i t h mo ft h eh a n g i n gp a l t f o r mm o v i n gi nt h ex - y c o o r d i n a t ef r o mp i o n tt op o i n to ri na r c a n dt h ef o c u si s 也巴c k c l e - m o v i n gm g r i t h m b a s e o nt h ec o n t r o l l i n gs t y l eo fm o t o r ，t h em a t hm o d e li se s t a b l i s h e d ，a n dc h o o s i n go n e e f f i c i e n t ，e x a c ta l g r i t h m ，t h em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o na r ed o n ei nm a t l a b w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nr e a l i z e st h ec o n t a c tb e t w e e nt h eh a n g i n gp l a t f o r ma n dt h e m a i nc o n t r o l l i n gp a l t f o r m ，i m p r o v i n gt h ef l e x i b i l i t yo ft h es y s t e m ，a r ec o n v e n i e n tt o d e m o l i t i o n ，e a s yt ou p d a t ea n da l t e r t os u mu p ，t h ec l e a n e rh a sg r e a tu s ei nt h ef u t u r e k e yw o r d sc l e a r i n gs y s t e m ；w i r e l e s sd a t at r a n s m i t t i n gm o d u l e ；s t a t i o n a r yp l a t f o r m ； h a n g i n gp l a t f o r m ；c o n t r o l l i n ga l g o r i t h m 河北科技大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发 表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位敝储签名：穆捕乏 矿p 年莎月 一日 燧名觏可，盼 夕辟6 月) - 日 河北科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权河北科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 口保密，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 幺采保密。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名劣奇砘 年6 具厂e l 指导刻币签名：词西，嘭犷 _ ，、一 y 指导教师签名：l ( l ifc 7 ) 驴亏年6 其厂b 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 随着城市现代化的发展，各种造型新颖的高层和超高层建筑如雨后春笋般出现， 而具有鲜明的个性和美学特点的玻璃幕墙的大量运用使得这些建筑形成了一道多彩 而富于变化的城市景观。因而玻璃幕墙几乎成为现代建筑的标志之一，倍受设计者 的青睐，也被大家所接受。但随着时间的推移，这些漂亮的玻璃幕墙将会被蒙上一 层厚厚的城市灰尘，使得原本雄伟高大的建筑黯然失色，影响了城市的整体形象。 高层建筑玻璃幕墙的清洗已成为一个值得人们关注的问题，也是一项非常繁重 而且危险的任务。长期以来，人们所用的能够解决高楼大厦外墙壁清洗问题的方法， 就是“一个人、一桶水、一根绳、一块板 的危险高空作业方式。洗墙工人腰系一 根绳子，悠荡在高楼之间。这种传统的人工清洗方式不仅费用昂贵、清洗效率低， 而且极易出事故，可能会给家庭带来不幸，给社会带来很大损失。目前，有些国家 或地方已经立法禁止对四层以上的玻璃幕墙采用人工清洗方式。随着科学技术的发 展，人们为了解决这一难题研制出了许多清洗高层建筑玻璃幕墙的新方法l l 一。 近年来国内外已研制设计出一些智能机器人代替人工来擦洗幕墙玻璃：比如北 京航空航天大学机器人研究所的新型机器人，还有其他一些如面壁清洗机器人、负 压吸附爬壁机器人，爬壁机器人不仅成本高、操作复杂，更主要的是不能对局部和 边缘进行彻底的清洁。 目前，我国清洁机业刚刚起步，既无行业、亦无国家或专业标准。为了节省外 汇，促进我国建筑业早日跨人世界先进行列，研究、开发、生产我国自己的清洁机， 并制订自己的国家标准已势在必行，刻不容缓【3 j 。 本课题组总结了以往的各种清洁机的特点，根据我国城市建筑发展现状及现有 清洁机所存在的局限性设计出一款适合国内建筑发展状况的通用型清洁机一移动型 外立面数控清洁机。并对清洁机系统的控制部分做了具体的研究，在m a t i a b 环境 下实现系统的仿真。 1 2 系统相关简介 ( 1 ) m a t l a b 与s i m u l i n km a t l a b 是由美国m a t h w o r k s 公司开发的一套软 件。m a t l a b 具有方便的矩阵处理能力，强大的数值符号运算功能，方便的绘图功 能；开放式的可扩展环境以及面向不同领域的工具箱，这些工具箱包括信号处理工 具箱( s i g n a lp r o c e s s i n gt o o l b o x ) 、优化工具箱( o p t i m i z a t i o nt o o l b o x ) 、控制系统工具箱 ( c o n t r o ls y s t e mt o ol b o x ) 、图像处理工具箱( i m a g ep r o c e s s i n gt o o l b o x ) 、通信工具箱 河北科技大学硕士学位论文 ( c o m m u n i c a t i o n st o o l b o x ) 系统辨识工具箱( s y s t e mi d e n t i f i c a t i o nt o o l b o x ) 和鲁棒控制 工具箱( r o b u s t c o n t r o lt o o l b o x ) 等；m a t l a b 提供的应用程序接口可以使它能够和其 他语言如c 语言、v b 等混合编程，实现与这些外部程序之间的相互调用和数据交换； 通过串行接口，m a t l a b 可以实现与外部设备的通信。另外，完整的帮助文档可以 方便地让用户使用m a t l a b 的强大功能1 4 j 。 s i m u l i n k 是m a t h w o r k s 公司为m a t l a b 设计提供的结构图与系统仿真的专用软 件包，可以对动态系统进行建模、仿真与分析。 s i m u l i n k 提供友好的图形用户界面，模型由模块组成的框图来表示，用户通过 点击和拖动鼠标的动作就能完成系统建模。s i m u l i n k 仿真环境下用户程序的外观就 是控制系统的结构图，操作就是依据结构图进行系统仿真。利用s i m u l i n k 提供的输 入信号( 信源模块) 对结构图所描述的系统施加激励，利用s i n l u l i n k 提供的输出信 号( 信宿模块) 获得系统的输出响应，即数据或者时间响应曲线，成为图形化、模 块化方式的控制系统仿真。s i m u l i n k 支持线性和非线性系统，连续时间系统、离散 时间系统及连续离散混合系统。 ( 2 ) 串行通信串行通信指使用一条数据线，将数据一位一位地依次传输，每 一位数据占据一个固定的时间长度。其只需要少数几条线就可以在系统间交换信息， 特别使用于计算机与计算机、计算机与外设之间的远距离通信。 串行通信可以分为同步通信和异步通信两类。同步通信是按照软件识别同步字 符来实现数据的发送和接收，异步通信是一种利用字符的再同步技术的通信方式。 同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式，一次通信只传送一帧信息。这 里的信息帧与异步通信中的字符帧不同，通常含有若干个数据字符。 它们均由同步字符、数据字符和校验字符( c r c ) 组成。其中同步字符位于帧 开头，用于确认数据字符的开始。数据字符在同步字符之后，个数没有限制，由所 需传输的数据块长度来决定；校验字符有1 到2 个，用于接收端对接收到的字符序 列进行正确性的校验。同步通信的缺点是要求发送和接收时钟保持严格的同步【5 1 。 在异步通行中有两个比较重要的指标：字符帧格式和波特率。数据通常以字符 或者字节为单位组成字符帧传送。字符帧由发送端逐帧发送，通过传输线被接收设 备逐帧接收。发送端和接收端可以由各自的时钟来控制数据的发送和接收，这两个 时钟源彼此独立，互不同步。接收端检测到传输线上发送过来的低电平逻辑“0 ( 即 字符帧起始位) 时，确定发送端已开始发送数据，每当接收端收到字符帧中的停止 位时，就知道一帧字符已经发送完毕。 我们国家在过去几年内，相继制定了一系列串行接口标准，如r s 2 3 2 、r s 4 2 2 和r s 4 8 5 等串行接口标准。但是在计算机与外设的连接中最常用的是r s 2 3 2 串行 接口标准。串行通信以一种连续的方式来发送和接收- - 黜, j 格式或文本格式的数据。 2 第1 章绪论 ( 3 )无线传输技术的发展无线传输技术的初步应用，可以追溯到第二次世界 大战期间，当时美国陆军采用无线传输技术做资料的传输。他们研发出了一套无线 传输技术，并且采用相当高强度的加密技术。这项技术迅速在盟军部队中推广开来， 同时该技术让许多学者得到了灵感。1 9 7 1 年，夏威夷大学( u n i v e r s i t yo f h a w a i i ) 的 研究员创造了第一个基于封包式技术的无线传输网络，这被称作6 h n e t 的网络， 可以算是相当早期的无线传输局域网络( w l a n ，w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) 。最 早的w l a n 包括了7 台计算机，它们采用双向星型拓扑( b i d i r e c t i o n a ls t a rt o p o l o g y ) ， 横跨四座夏威夷的岛屿，中心计算机放置在瓦胡岛( o a h ui s l a n d ) 上。从这时开始， 无线传输技术可说是正式诞生了，虽然目前几乎所有的局域网络( l a n ) 都仍旧是 有线的架构，不过近年来无线传输技术的应用却日渐增加，主要应用在学术界( 如 大学校园) 、医疗界、制造业和仓储业等，而且相关的技术也一直在进步【6 】。 工业应用中，现阶段基本上都是以有线的方式进行连接，实现各种控制功能。 各种总线技术，局域网技术等有线网络的使用的确给人们的生产和生活带来了便利， 改变了我们的生活，对社会的发展起到了极大的推动作用。有线网络速度快，数据 流量大，可靠性强，对于基本固定的设备来说无疑是比较理想的选择，的确在实际 应用中也达到了比较满意的效果。但随着无线通信功能的实现越来越容易，数据传 输速度也越来越快，并且逐渐达到可以和有线网络相媲美的水平。而同时有线网络 布线麻烦，线路故障难以检查，设备重新布局就要重新布线，且不能随意移动等缺 点越发突出。于是，人们把目光转向了无线传输方式，将无线传输方式应用于一些 机动性要求较强的设备，或应用在人们不方便随时到达现场的环境中。无线智能家 居、无线抄表、无线点菜、无线数据采集、无线设备管理和监控、汽车仪表数据的 无线读取是无线通信的典型应用。在一定范围内红外技术，蓝牙技术，微功率短距 离无线通信等技术都可以实现无线通信网。 1 3 外立面清洁机系统简介 按照清洁标准，清洁机可分为：屋面轨道式( 简称轨道式) 、轮载式、悬挂轨道 式( 简称悬挂式) 、滑车式、插杆式和滑梯式1 8 】。 ( 1 ) 轨道式清洁机轨道式清洁机使用最为广泛。这种型式的清洁机可沿固定 轨道电动行走。它具有行走平稳、就位准确、安全装置齐全、使用安全可靠、自动 化程度高等特点。安装轨道式清洁机必须满足楼面结构承载要求，预留出清洁机的 行走通道等。 ( 2 ) 轮载式清洁机该机型为小型清洁机设备，适用于楼顶布置花园平台、观 光平台的场合，不影响楼顶布置的整体美观。 ( 3 ) 滑车式、插杆式清洁机该机型为小型清洁机设备，由滑车( 或插杆) 、电 动帛船组成。该电动吊船与轨道式吊船不同，它自身配置有升降的提升机、安全锁、 3 河北科技大学硕士学位论文 收缆器等。该清洁机就位操作麻烦，常布置于裙房和楼顶的局部位置。但其价格便 宜，业主以造价为首选条件时，常采用此方案。 ( 4 )悬挂式清洁机此机型为小型清洁机设备，由高强铝合金轨道、爬轨器、 电动吊船等组成。该电动吊船与插杆式相同，它自身配置有升降的提升机、安全锁、 收缆器等。适用于楼顶层面较多或空间较小、建筑造型复杂、其它清洁机不易安装 的场合。 ( 5 )滑梯式清洁机此机型主要由电动行走机构、铝合金或钢结构滑梯等组成。 用于清洗内外弧形、水平、倾斜的玻璃天幕等。 现有各类型的清洁机最大的特点是非标准性机电设备。它是针对应用它的特定 的建筑设计的，建筑物的高度、外观、立面结构形式、楼顶空间尺寸都不相同，因 此也很难找n - - 台一样的清洁机。目前清洁机可称为一种建筑机械，与建筑联系紧 密，需在建筑体内设置预埋件，这样一来耗费了大量的人力物力，增加了建筑的费 用，还有可能因为清洁机的安装影响了建筑的外观。 1 4 国内外研究现状及发展趋势 1 4 1 国内外现状 1 4 1 1 国外清洁机的发展 国外清洁机产品已有很长的发展史，如德国、日本、比利时、挪威等国家，相 继从6 0 年代初就逐步形成了自己的产品系列。发展到现在，清洁机己不局限于此了， 它可说是一种对整个建筑外墙进行维护的机械设备。它不仅可以对玻璃幕墙进行清 洗，还可对整个外墙进行清洁，包括对破损的外墙进行修补及更换损坏的玻璃幕墙。 工作平台可在玻璃幕墙外的空间上作上下或左右移动，以便操作人员能到达整个玻 璃幕墙的任何点，从而能进行完善的清洗处理。 目前，人们所用的清洁机一般是从起重机械发展而来的。部分清洁机实际是门 座式起重机的小型化，但它又结合了其他许多实际运用中的机械设备，使其成为一 个建筑机械。它同建筑紧密相联系，与电梯一样也需要在建筑内做许多预埋件。因 而清洁机的设计不仅是机械的设计，而应是充分考虑建筑特点下的机械设计，只有 把机械设计和建筑特点完美地结合在一起，才能充分发挥清洁的作用【9 1 。 国外的高层建筑一般在设计之初都考虑到清洁机的安装，根据建筑物结构和清 洁机型号在建筑物的内部做了相应的预埋件，为大厦以后外墙的清洗和维护等作业 打下了良好的基础。 1 4 1 2 国内清洁机发展 国内清洁机业起步较晚。除了在8 0 - 9 0 年代新建的一批由国外建筑师设计高层 高档建筑，在建筑设计时已考虑了清洁机的安装以外，由于国内建筑师设计的建筑 4 第1 章绪论 高大巍峨、雄伟，但却没有采取相应的清洁措施，没有考虑清洁机的配套设计，无 法安装清洁机设备。 直到1 9 9 5 年前后，国内开始进入兴建高层建筑热潮，国内专业清洁机公司也相 继发展起来。目前，清洁机产品在我国已得到迅速发展，且已成为一种高新技术含 量的机电一体化设备。2 0 0 3 年，我国颁布了g b l 9 1 5 4 2 0 0 3 擦窗机国家标准1 1 0 】。 北京、上海、广州等大城市中的高档建筑，大部分都安装了清洁机设备。 高层建筑物安装了清洁机后，清洁外立面非常方便，但对于绝大多数未安装清 洁机设备的建筑，其清洁基本都采用大绳吊板人工清洗方式，其工作量大，危险系 数高，给人们带来了一系列的麻烦。 1 4 2 清洁机发展趋势 随着自动控制技术的发展，开发“具有开放式结构的模块化、标准化清洁机 是当前清洁机的一个发展方向。现代清洁机控制系统要求做到具有开放性结构，合 理的模块化设计，有效的任务划分，实时性、多任务，基本的网络通讯功能和形象 直观的人机接口。因此清洁机应该是以控制模块为核心构造一个开放性的清洁机控 制系统。清洁机的功能也不再是擦洗窗户的机器，它应该是对整个建筑外墙面进行 维护的机械设备，不仅可对玻璃幕墙进行清洗，还可以对整个外墙进行清洗，包括 对破损的外墙进行修补及更换损坏的玻璃1 1 1 】。 1 5 论文要完成的主要内容 本课题来源于横向课题。系统设计分两部分：硬件部分和软件部分。 1 5 1硬件部分 硬件部分包括固定平台、悬挂平台机械部分设计，电气控制部分的芯片选型和 电路设计。 1 )依照国家机械行业标准设计固定平台、悬挂平台的机械部分，利用 s o l i d w o r k s 完成固定平台各部分机械模型的设计，并且完成机械图纸的设计。按照图 纸，我们制造出固定平台和悬挂平台。 劲以a t 8 9 c 5 2 单片机为核心，设计主控制平台( 上位机) 、固定平台控制器( 下 位机) 、悬挂平台控制器( 下位机) 及其接口电路，完成电气部分的设计。 3 ) 把固定平台和悬挂平台组成清洗系统，完成系统的试车。 1 5 2 软件部分 软件部分包括根据不同的协议编写各功能模块的程序： 1 ) 编写主控制平台( 上位机) 模块程序； 2 、编写固定平台( 下位机) 、移动平台( 下位机) 控制模块程序； 5 河北科技大学硕士学位论文 3 1 制定串行通信协议，并编写用于通信的程序； 4 ) 在m a t环境下完成整个系统的动态建模、仿真。 1 6 本论文的结构 本论文共分7 章： 第1 章是绪论，主要介绍课题的背景及其意义、系统的相关简介、国内外研究 现状及发展趋势。 第2 章是清洁机系统控制算法分析，在本章中，介绍了系统的控制算法，主要 介绍了双固定平台运动下，物体在x y 平面做点到点及弧线运动的控制算法。重点 介绍了做圆周运动的算法。 第3 章是外立面清洁机系统电机控制分析，针对本系统的特点，介绍了清洁机 系统固定平台和悬挂平台所采用的电机控制方式。 第4 章是系统的总体设计，从系统角度，对系统设计依据、设计原理、遵循规 范、系统基本概念进行了介绍，概述了系统的功能并对系统各个组成部分进行了介 绍。 第5 章是清洁机系统硬件设计，主要分析和设计了系统的机械部分和各个功能 模块，其中包括：固定平台的结构及组成，移动平台的结构及组成。各个模块如主 控制平台模块、固定平台控制模块、移动平台控制模块、无线数传模块、无线图像 传输模块等的设计。 第6 章是清洁机系统软件设计，本章主要介绍固定平台控制系统软件设计的算 法以及框图，悬挂平台控制系统软件设计的框图。 第7 章是清洁机系统的数学模型分析，在s i m u l i n k 环境建立清洁机系统的模型， 并选择一种具有有效、准确的控制算法，在m a t 环境下完成整个系统的仿真。 6 第2 章清洁机系统控制算法分析 第2 章清洁机系统控制算法分析 本系统要求擦洗部件在设定范围内作自行设定的运动，轨迹可以是点到点的直 线运动，也可以是曲线运动，也可以做圆弧运动。系统仿真是悬挂物体在x y 平面 内做圆周运动，这样既包含了曲线运动，也包含了圆弧运动。 双线悬挂物体在x y 平面内做圆周运动的算法很多，主要是插补原理和多边形 逼近。我们从编程难易、误差分析等角度考虑，采用的是多边形逼近法【1 2 】。 2 1 插补原理 插补原理就是控制系统根据输入的基本数据，( 如直线的终点坐标值，圆弧起点、 圆心、终点坐标值、进给速度等) 。通过计算将曲线的形状描述出来，边计算边根据 计算结果向各坐标发出进给指令【1 3 1 。曲线耦合中常用的方法包括逐点比较插值计算 法( 简称逐点比较法) 、数字积分插值计算法( 简称数字积分法) 。 2 1 1比较插值计算法 丑( 五，砭) 图2 1 偏差计算不慈图 f i g 2 i d e v i a t i o nc a l c u l a t i o nd i a g r a m ( 1 ) 偏差计算公式我们以第一象限逆圆为例讨论偏差计算公式。如图2 - 1 所 示，设圆弧的圆心在坐标原点，圆弧的起点为舣x o ，y o ) ，终点为b ( x c ，y c ) ，圆弧 半径为r 。令瞬时点为m ( x 皿，y m ) ，它与圆心的距离为r m 。比较r m 和r 来反映耦 合的偏差。 r 肌2 - - - x , , 2 手k 2 ，r 7 - - - x 0 74 - y d 2 因此，根据圆弧偏差判别式如下：厶- - i t , , 7 _ r 2 i k 7 手k 2 _ 萨，若 f m = d ，表明点m 在圆弧上； 厶珈，表明点m 在圆弧外； 7 河北科技大学硕士学位论文 厶如，表明点m 在圆弧内； 设瞬间点正处在m ( x m ，y m ) 点，其判别式为f m 瑚m 2 - - r 7 i 2 手k 2 _ 酽，若厶 加或r = d ，对于第一象限的逆圆，为了逼近圆弧，应沿x 方向进给一步，到m + l 点，其坐标值为+ j 气- - 1 ，+ j = 。新点的偏差为： r ，+ ji + j 2 手+ j 。_ m ，1 l j( 2 1 ) 若r 3 0 0 q 输出短路电流 一i o0 0 0 h ( z 巧，20 0 0 印m ) 安装尺寸： 型号扩展序号0 3 ，安装螺孔巾3 0 ( 巾2 8 ) - - 3 m 3 ； 5 ) 编码器信号调理电路参数设计，a 、五脉冲的时间宽度t 由下式决定： fs 士( s ) 旭匠s 尸一编码器一圈( 全行程) 的a ( b ) 脉冲数。 m “一系统中编码器的最大转速，压 由t 可算得图5 1 7 ( a ) 电路中的尺和c 值【3 4 1 。 ttkx rxc x 1 0 曲( 其中k = o 3 7 ，r 单位k 口，c 单位，t 单s ) 所选编码器p = 1 2 0 0 ，眦堋。唧m 等r p s t l o o r p s ， 所以，t s 三一s 一8 3 3 x 1 0 - 6 s 1 2 0 0 1 0 0 即 k x r c x l 0 9 。0 3 7 x r c x l 0 9s 兰一s 1 2 0 0 1 0 0 得 r cs2 2 5 2 2 5 k q p f 取 r = 2 0 k 9 2 ，c l o o o p f 此时t 的取值为：tt7 4 x 1 0 “s 8 3 3 x 1 0 “s 编码器信号调理电路见图5 1 8 。 图5 1 8 编码器信号调理电路 f i g 5 - 1 8 e n e o d e rs i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r e t t i t ( 2 ) 脉冲计数电路采用单片机的计数处理电路，如图5 1 9 所示，用计数器t d 记录正向运动的脉冲数，计数器t 2 记录反向运动的脉冲数。t o 计数溢出时向单片 机申请一次中断，单片机记录溢出的次数，同样，t 2 计满溢出产生中断，单片机记 录中断次数。单片机通过t o 、t 2 溢出的次数阳、，计数常数m 和当前计数值 n o 、n 1 即可以求得位置或速度值【3 5 3 6 】。 在本系统中，t o 、t 2 的溢出次数可能非常大，在软件设计当中采用保留 4 5 河北科技大学硕士学位论文 a v 一- v o - v 1 的递推算法。 f r 图5 1 9 单片机计数电路 f i g 5 - 1 9c o u n t i n gc i r c u i to fs c m 递推公式为： a v ( o ) t0 m 1 ) - 嬲二莲搿导 由上述结果可求得位置值( 相对于零位) ：s a v m + n o n 1 ( 3 )同步电流信号接收电路电路如图5 2 0 所示，主控平台发出电流同步信 号，固定平台的同步电流信号接收电路接收到信号送固定平台单片机的外部中断0 ( i n t 0 ) ，产生中断从而使两固定平台达到同步。 图5 2 0 同步电流信号接收电路 f i g 5 2 0r e c e i v e i n gc i r c u i to fs y n c h m n 伽sc u r r e n ts i g l l a l ( 4 ) 八路开关量的输出控制电路固定平台上，单片机驱动的设备均为大功率 设备，不能直接用单片机驱动，单片机只作为一个控制信号控制继电器的通断，来 控制相应的设备。 但是继电器可能会对单片机系统造成一些不可预料的干扰。所以本设计中采用 光耦合器t i l l l 7 作为隔离器件，继电器采用的型号为9 5 4 1 a 1 2 d m p 1 。如图5 2 1 所示。 固固定平台电源电路本平台用电设备种类较多，对电源电压要求也不同。 其中，单片机系统为5 v 供电电源，编码器需1 5 v 供电电源，电机及其他设备需2 4 v 电源，继电器用1 2 v 电源。所以本平台电源电路有四路输出2 4 v 、1 5 v 、1 2 v 和5 v ， 如图5 2 2 所示。 5 2 2 2 悬挂平台电气系统设计 悬挂平台的设备主要有：悬挂平台单片机控制系统、键盘及显示模块、无线通 讯模块、摄像头及无线视频传输模块、轴流风机、各种清洁设备等。其中，摄像头、 4 6 第5 章外立面清洁机系统硬件设计 图5 2 1 固定平台八路开关量输出控制电路强电部分 f i g 5 - 2 1s t r o n ge l e c t r i c i t ) ，o ff i x e dp l a t f o r me i g h t - w a ys w i t c ho u t p u tc o n t r o lc i r c u i t 霄ni 押 图5 2 2 固定平台电源电路 f i g 5 - 2 2p o w e rc i r c u i to ff i x e dp l a t f o r m 流风机、各种清洁设备靠开关量控制，只要输出几路开关量就可以对它们进行控制。 ( 1 ) 悬挂平台单片机及串行通讯系统电路悬挂平台单片机与主控制平台通讯 采用无线通信方式，单片机与无线模块之间采用r s 2 3 2 电平转换电路将信号转换为 2 3 2 电平，然后由无线模块与主控制平台进行通讯。 p 2 0 p 2 2 为无线模块的控制口，通过控制这几个串口的输出来选择无线模块的 工作模式。p 2 5 p 2 7 为键盘及显示模块的接口。电路图如图5 2 3 所示。 ( 2 ) 随机键盘模块本设计中，采用h d 7 2 7 9 a 管理键盘和l e d 显示器专用智 能控制芯片。它能对8 位共阴极l e d 显示器或6 4 个l e d 发光管进行管理和驱动， 同时能对多达8 8 的键盘矩阵的按键情况进行监视，具有自动消除键抖动并识别按 4 7 河北科技大学硕士学位论文 1 k 匪i 1s c l 骂卜面肖f r s tp s e n x r a l lx 础 e aa l e p 0 7 1 a d 7p 37 r d p 0 6 1 a d 6p 36 忍r p o 5 a d 5p 35 ，r 1 p 0 4 1 a d 日p 3 4 们 【p 03 a d 3p 33 h t p o w a d 2p 32 p o i a d 】p 3 1 ， p 00 a d 0p 3o 月r x d p 10p 2 7 a 1 5 p 11p 26 a 4 | p 1 2p 25 值1 3 【p 1 3p 2 4 a 1 2 p 14p 2 3 a 1 1 【p 15p 22 a 1 0 p 16 p 2l a 9 【p 17p 20 a s 【一 盯c 5 1 a q a ( 4 0 ) 图5 2 3 悬挂平台单片机及串行通讯系统电路 f i g 5 - 2 3s i n g l e - c h i pc o m p u t e ro ff l y i n gp l a t f o r ma n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e mc i r c u i t 键代码的功能，从而可以提高c p u 工作的效率。h d 7 2 7 9 a 和微处理器之间采用串行 接口，其接口电路和外围电路简单，占用口线少，加之它具有较高的性能价格比， 因此，在微型控制器、智能仪表、控制面板和家用电器等领域中日益获得广泛的应 用。 h d 7 2 7 9 a 的硬件电路如图5 2 4 所示，它共有2 8 个引脚。r c 引脚用于连接 h d 7 2 7 9 a 的外接振荡元件，其典型值为r = i 5 k o ? c = 1 5 p f 。r e s e t 为复位端。该 端由低电平变成高电平并保持2 5 m s 虽1 复位结束。通常，该端接+ 5 v 即可。d i g 0 d i g 7 分别为8 个l e d 管的位驱动输出端。s a - s g 分别为l e d 数码管的a 段g 段的输出端。 d p 为小数点的驱动输出端。皿7 2 7 9 a 片内具有驱动电路，它可以直接驱动1 英时及 以下的l e d 数码管，使外围电路变得简单可靠。d i g o d i g 7 和s a s g 同时还分别是 6 4 键盘的列线和行线端口，完成对键盘的监视、译码和键盘编码的识别。在8 x 8 阵列 ( 本设计中仅用4 x 4 阵列) 中每个键的键码是用十六进制表示的，可用读键盘数据指 令读出，其范围是0 0 h 一3 f h 。h d 7 2 7 9 与微处理器仅需4 条接口线，其中c s 为片选信 号( 低电平有效) 。当微处理器访问h d 7 2 7 9 a ( 读键号或写指令) 时，应将片选端置 为低电平。d a t a 为串行数据端，当向h d 7 2 7 9 a 发送数据时，d a t a 为输入端；当 皿7 2 7 9 a 输出键盘代码时，d a t a 为输出端。c u ( 为数据串行传送的同步时钟输入端， 时钟的上升沿表示数据有效。k e y 为按键信号输出端，在无键按下时为高电平；而 有键按下时此引脚变为低电平并且一直保持到键释放为止。 4 8 捞一他一如一n一埔一巧一m一协一地一二=一加一勰一一拍一笛一拍一组 邕噻毒要趟蹯豢而 跹 t 甘 一 w i 患 辩j 1 强 第5 章外立面清洁机系统硬件设计 图5 2 4键盘及显示电路 f i g 5 2 4k e y b o a r da n ds h o wc i r c u i t ( 3 )八路开关量输出电路悬挂平台上，单片机驱动的设备同固定平台一样为 大功率设备，不能直接用单片机驱动，单片机只作为一个控制信号控制继电器的通 断，来控制相应的设备。因而悬挂平台上开关量输出电路与固定平台上的完全一样， 不再重复叙述。 ( 4 ) 悬挂平台电源设计本平台采用2 2 0 v 电源，电源电路输出为2 4 v 、1 2 v 、 5 v 。单片机系统和无线数传模块供电电源为5 v ，摄像头及无线视频传输模块电源为 1 2 v ，清洁设备为1 2 v 或2 4 v ，轴流风机为交流2 2 0 v 。悬挂平台电源电路如图5 2 5 所示。 5 3 本章小结 本章介绍了清洁机系统的硬件构成。详细介绍了清洁机系统固定平台、悬挂平 台的机械部分及组成，介绍了各个平台的三维模型。主控制平台的组成及电路结构， 设计了单片机串口复用电路，串口通讯调理电路；固定平台控制模块的组成及电路 结构，编码器信号调理电路，八路开关输出电路；悬挂平台控制模块的组成及结构 设计了单片机串行通讯电路，键盘及显示电路。又详细介绍了各部分的电源电路。 4 9 河北科技大学硕士学位论文 图5 2 5 悬挂平台电源电路 f i g 5 - 2 5 p o w e rc i r c u i to ff l y i n gp l a t f o r m 第6 章外立面清洁机系统软件设计 第6 章外立面清洁机系统软件设计 6 1 固定平台部分软件设计 固定平台系统以单片机为核心，在固定平台上安装一个光电编码器，用于检测 电机的转速和转向，并把电机转速转换成脉冲数，经计数器送入单片机a t 8 9 c 5 2 进 行数据处理。单片机经运算后与设定的脉冲数进行比较，得出偏差值，再经p i d 调节 得出控制参数，由4 8 5 总线送入变频器中，调整变频器的输出频率，改变卷扬机电机 转速和转向，这样悬挂平台就到达设定的位置【3 7 3 9 1 。系统框图如图6 1 所示。 图6 _ 1固定平台电机控制系统框图 f i g 6 1 m o t o rc o ，n t r o 1s y s t e mb l o c kd i a g r a mo ff i x e dp l a t f o r m 本控制系统硬件以单片机a t 8 9 c 5 2 为核心，如图6 2 所示，a t 8 9 ( 2 5 2 本身有4 k e p r o m ，所以不用外扩e p r o m ，系统的显示部分采用4 片7 4 l s l 6 4 驱动l e d ，l e d 显示方式为静态显示方式。使用a t 8 9 c 5 2 的串行通讯口t x d 、r x d ，串行口工作于 方式o ，即移位寄存器方式。9 3 c 4 6 为串行e e p r o m ，用于保存开机设定时的原始 参数，这样当系统掉电时，设定的数据能永久保存，再开机上电时无需再重新设定 参数，即可以运行于掉电前的状态。采用n e 5 5 5 组成硬件定时复位电路，可以有效 防止程序死机现象，提高了系统抗干扰性能。复位电路每1 s 向a t 8 9 c 5 2 的r e s e t 端 发出复位信号。根据程序的需要，通过a t 8 9 c 5 2 的p 0 4 可以随时控制复位电路的 起动和停止，当p 0 4 = 0 时，n e 5 5 5 的2 引脚为低电平，停止复位；当p 0 4 = 1 时， n e 5 5 5 的2 引脚为高电平，起动复位。7 4 i 5 2 7 3 用于对继电器输出状态硬件锁存， 以防止输出状态被干扰。u l n 2 0 0 3 为反向驱动芯片，同时在7 4 l s 2 7 3 的c l e a r 管 脚，外接了r c 电路，用于开机上电时清零7 4 l s 2 7 3 的输出端，可以防止继电器误 5 1 河北科技大学硕士学位论文 图6 - 2 固定平台电机控制系统硬件结构图 f i g 6 - 2 h a r d w a r es t r u c t u r eo ff i x e dp l a t f o r m se l e c t r i c a ls y s t e m 动作，对变频器起到保护作用，同时在报警输入端与c p u 之间采用光耦隔离，以消 除外部干扰。由于系统要求的响应速度并不快，因此，编码器输出的脉冲信号经计 数器送入单片机，由单片机与上位机发出的信号比较运算，根据运算结果发出指令， 指令通过4 8 5 总线传送给变频器，控制变频器的输出频率，改变电机的转速和转向， 悬挂系统就能按照设定的路线到达指定位置【即2 】。 6 1 1固定平台部分控制算法 固定平台电机控制系统的控制器软件包括主程序、控制量计算子程序、继电器 控制子程序、延时子程序、中断显示子程序和频率输出子程序等。其中控制量采用 p i t ) 算法。 在模拟调节系统中，p i d 模拟控制算法表达式为： u ( t ) 制e ( t ) + 去扣) d t + t 。訾】 ( 6 1 ) 式中： u ( t ) 为调节器的输出信号；e ( t ) 为偏差信号，它等于给定量与输出量之 差；k 为比例系数；t i 为积分时间常数；t d 为微分时间常数。离散化后可得到离散 的p i d 表达式： u ( t ) = k p e ( k ) + i g e ( j ) + k d e ( k ) e ( 1 【1 ) 】( 6 - 2 ) 又 u ( 1 【一1 ) = k p e ( k - 1 ) + e - 1e ( j ) + 【e ( 1 【- 1 ) - e ( 1 ( 一2 ) 】 ( 6 - 3 ) 则： 呱p 篓茹：e n ( k - 1 ) 】郴【e ( k ) - 2 e ( k - 1 ) + e ( k 2 ) 】 ( 6 - 4 ) = l ( p 【e ( k ) - 1 ) 】- l 乙e ( k ) + k b 【e ( k ) 一- 1 ) +