（机械设计及理论专业论文）喷雾机器人控制系统研制.pdf

摘要 报据喷雾机器人在l i t 间完成全自动喷雾的作业要求，以单片机控制技术、传感器技术及电机 调速技术为核心，成功研制出了喷雾机器人的单片机测控系统。f 该系统包含人机接口、a d 转换、 电机驱动、传感器信号采集等功能模块。 、 选用单片机控制方案，具有结构紧凑、稳定性高的特点。4 针对喷雾机器人田间移动位置检测的准确性和可靠性要求较高的特点，选择磁传感方式，自 行研制了一种可以远距离检测磁标志的位置传感器。 ( 为使喷雾机器人结构紧凑，选择电动缸和减速电机作为驱动装置，提出了一种新的适合于低 精度直流调速的h 型p w m 变换器功率晶体管基极驱动方式，采用p w m 方式成功实现了对机器 人行走电机的速度控制。 惮片机系统设计过程中，为提高系统的可靠性，采用i ) c d ( ：隔离电源，所有输出均进行了 光电隔离；在硬件设计、电路板制作过程中均考虑了抗干扰的要求。 运行试验表明，系统工作稳定可靠，满足了喷雾机器人的功能要求，具有实用价值文 关键词：机器人，单片机? 脉宽调制，磁传感器；电动缸 a b s t r a c t b a s e do nt h ew o r k i n gr e q u i r e m e n t f o r s p r a y i n g r o b o tt o c o m p l e t e f i e l d s p r a y i n g t a s k a u t o m a t i c a l l yt o t a l l y , w es u c c e s s f u l l yd e v e l o p e das e to fs i n g l e - c h i pm e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m f o rt h es p r a y i n gr o b o t t h ec o n t r o l l i n gs y s t e mi n c l u d e sf u n c t i o nm o d u l e ss u c ha sm a r l m a c h i n ei n t e r f a c e ， a dc o n v e r s i o n ，e l e c t r o m o t o rd r i v i n g ，s e n s o rs i g n a lc o l l e c t i o na n ds oo n s i n g l e - c h i pc o n t r o l l i n gp r e c e p t m a k e st h ew h o l es y s t e mh a s t i g h ts t r u c t u r ea n dh i g hs t a b i l i t y t 0i n s u r et h e s p r a y i n gr o b o ta p p e r e e i v i n gp o s i t i o ns i g n si nf i e l dr e l i a b l ya n de x a c t l y w h i l em o v ei n f i e l d ，w es e l e c tm a g n e t i cs e n s i n gm o d e ，a n dd e v e l o pak i n do fp o s i t i o ns e n s o rt h a tc a t a p p e r c e i v e m a g n e t i s ms i g n sf r o ml o n gd i s t a n c e i no r d e rt om a k et h es p r a y i n gr o b o t ss t r u c t u r et i g h t ，w es e l e c tl i n e a ra c t u a t o ra n dd e c e l e r a t e d e l e c t r o m o t o ra st h ed r i v i n gd e v i c e w eb r i n gf o r w a r dan e wb a s e - p o l ld r i v i n gm e t h o df o rg i g a n t i c t r a n s i g o r si nh - t y p ep w mc o n v e r t e ra n d b ya d o p t i n gp w mm e t h o d ，s u c c e s s f u l l yc o m p l e t e r o t a t es p e e d c o n t r o l l i n gf o r t h e w a l k i n g e l e c t r o m o t o r d u r i n gt h ed e v e l o p m e n to fs i n g l e - c h i ps y s t e m f o rt h es a k e o fr e l i a b i l i t y , w e 诅k ead c d c c o n v e r t e ra si t sp o w e r s u p p l y a n da l lo u t p u ta r el i g h t - e l e c t r i c i t yi n s u l a t e d f i n a l l yt h eo p e r a t i n ge x p e r i m e n ti n d i c a t et h a tt h ec o n t r o l l i n gs y s t e mw o r k ss t a b l ya n dr e l i a b l y i t s a t i s f i e st h es p r a y i n gr o b o t sf u n c t i o nr e q u i r e m e n ta n dh a sp r a c t i c a lw o r t h i n e s s k e y w o r d s ：r o b o t , s i n g l e c h i p ，p w m ( p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ) ，m a g n e t i s ms e n s o b i i n e a ra c t u a t o r 2 独创性声明 本人声明所呈交的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，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学大学或其它教育 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 碥 时间：力缈年华月日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 一躲甲扫莴 时间：现妒b 年么月日 新签名：秒兹二姿 时间：年月日 1 1 引言 第一章绪论 在中国，自古以来农业一直是劳动强度大、劳动条件差的行业。农业机械化水平低，农业领 域的生产力处于较低水平。随着全社会生活水平的提高，农民对自己的劳动条件有了更高的要求， 机械化自动化生产代替手工劳动就是必然的趋势。 随着我国加入世贸组织( w t o ) ，农业也要参与国际竞争，农业生产的产业化和现代化势在 必行，只有提高我国农业机械化和自动化技术水平，才能提高农业生产的效率，在竞争中求生存 求发展。 1 2 设施农业的发展 设施农业又称为可控农业，它是用一定的设施和工程技术手段改变自然环境，在环境可控的 条什下，按照作物生长发育要求的最佳环境，以最少的资源投入进行生产的现代农业。温室大棚 农业是典型的设施农业，其具有高投入高产出、抗灾害能力强、科技含量高等特点，效率和效益 比传统的露地自然农业要提高几倍甚至几十倍。 我国的农业生产正逐渐由传统农业向现代农业转变。设施农业是现代农业的具体体现，是高 产优质高效农业的必然要求。进入2 0 世纪9 0 年代后，我国的设施农业发展迅速，特别是设施栽 培的发展给农业生产带来了无限生机。全国现有的温室大棚的面积已达到1 5 6 7 0 0 h m 2 ，位居世界 第一。但我国的设施栽培农业也存在一些问题，其中一个非常突出的问题就是：设备不配套，作 业主要依靠人力，缺乏设施栽培小型作业机具，除了在大棚内采用小型拖拉机进行耕整地作业外， 基本上是依靠人工作业，且作业环境十分恶劣，这不仅限制了劳动效率的提高和劳动条件的改善， 还阻碍了设施农业朝精准农业和工厂化农业的进一步发展。设施农业作为一种现代农业生产方 式，其进一步发展必然要求提高大棚作业的机械化自动化水平。 喷雾是设施栽培农业的重要环节，有着重要的作用：喷洒杀菌剂或杀虫剂防止作物病虫害： 喷洒除草剂消灭杂草；喷洒化学肥料：喷洒药剂对土壤消毒、灭菌；喷洒生长激素促进作物生长 等。但若采用手工方式，大棚喷雾作业将是种极其繁重和危险的劳动，所以一种高效、经济、 安全的喷雾机械急待研究。 1 3 农用喷雾机械的发展现状 目前，国内生产农用喷雾机械的企业有很多，一些新型的喷雾方式也被采用，从而大大提高 了喷雾质量和工作效率。但对喷雾机械的研制和改进大都集中和限制在对液压泵和喷头的研制和 改进上，而喷雾机械本身在田间的移动方式却一直很落后。若按移动方式分类，现有的产品主要 有以f f ) l 种： ( 1 )背负式全人工移动，效率低而劳动强度很大，且很不安全。 ( 2 )定点作业式依然靠人工移动，只是比背负式喷雾机有更大的作业功率和射程， 固定地点作业时效率较高。但在需要频繁移动的条件下，效率显著下降。 ( 3 )手推车式实现了牵引机械化，但须有人跟随手扶驾驶。 ( 4 )动力牵引式实现了行驶机械化，一次携带的药液量大。但需要配备额外的牵引 装置，总体作业成本较高。且需要专人驾驶，依然没有解除药液对人体的侵害。 这些类型的喷雾机械大部分都实现了泵液的机械化，很大程度上提高了喷雾作业的效率和减 轻了作业者的劳动强度。但由于作业的全过程仍然得有人工的参与，这样使得操作者摆脱不了受 有毒药剂侵害的危险，而且也限制了劳动效率的进一步提高。例如，使用背负式喷雾机，一人一 犬只能作业2 3 亩左右。而比较大型的动力牵引式和车载式喷雾机又需要配备专门的牵引机械， 总体成本比较高，也不适合我国分散小块经营的现状。 至于国外的情况，欧美和日本在喷雾机械的发展上形成了不同的风格。欧美等国发展了大型 的喷雾机械，最典型也最先进的是用于大棚作业的固定轨道式喷雾机。这种喷雾机采用计算机控 制，自动化程度和作业效率都很高。但其成本也很高，就我国引进的机型来看，价格在1 0 万元， 套以上，主要用在高档高产值的温室大棚内，而我国的温室大棚大多是土法上马的，其本身的造 价和产值还比较低，所以这种喷雾机不适合我国的国情。 而日本研制的全自动化的小型喷雾机械，不需在田间安装固定轨道，成本低；全自动运行， i 一作效率高，完全不需要人工的干预，其使人远离有毒药剂，是一种清洁健康的产品。我们认为， 这样的喷雾机械是比较适合我国国情的。 i 4 课题研究的内容和意义 从喷雾机械的发展现状看，我国现有的喷雾机械的自动化水平普遍很低，有的甚至根本没有 半点自动化的成分，这是造成各种不足和限制喷雾机械进一步发展的主要原因。 随着计算机控制技术的发展，各种自动化的产品纷纷出现。而将计算机控制技术引入到喷雾 机械的设计和生产，是进一步提高作业效率和改善劳动条件的关键，也是设施农业和精准农业发 展的要求。本课题也就是在这样的背景下产生的。 1 9 9 7 年，我国农业部启动了国际引进项目( “9 4 8 ”项目) 。本课题作为农业部“9 4 8 ”项目“植 保机械农药防护技术及关键器械引进”的子课题，主要负责引进农药喷雾机器人控制系统的国产 化研制工作。本课题所要研制的喷雾机器人即是在借鉴日本经验的情况下产生的。 2 颂上学位论文第一章绪论 与现有的喷雾机械相比，自动作业的喷雾机器人具备如下优点： ( 1 ) 全自动化作业，不需人工干预，改善劳动条件。 ( 2 ) 体积小，重量轻，成本较低。 ( 3 ) 田间各处的喷雾量更均匀，喷雾质量好。 ( 4 ) 作业效率高，适合大面积的大棚作业。 ( 5 ) 易实现智能化。 可以预见，随着对农业投入力度的加大，我国现代化的农机具将会有一个较大的发展。田间 自动喷雾机器人将大大提高生产率和保护操作者的健康。 此项研究第一次将自动化的概念引进到喷雾机械的研制中来，填补了国内空白，对此类研究 具有一定的指导意义。 3 第二章系统总体方案设计 2 1 喷雾机器人的作业环境 在进行喷雾机器人自身的设计之前，必须对机器人的作业环境有一个清楚的认识。我们本着 ：厂化精细农业的宗旨对田间环境进行规范化处理，在作物问开辟出一些供机器人行驶的行道。 行道的分布大致有如下图所示的四种情形： f 图2 1 田间行道 ：主行道从中央直穿整个地块，在主行道的左右两旁均分布有横向行道。这种划分方式 适合于较大的地块。 ( 多：只在主行道的右边分布有横向行道。 ( d ：只在主行道的左边分布有横向行道。 ( d ：没有任何的横向行道，机器人在作业时不用拐弯，这种划分方式只适合于比较小的地 块。 由丁其它地块划分方式都可以认为是第一种方式的特例，所以接下来主要以第一种方式讨论 喷雾机器人的工作过程。 2 2 喷雾机器人的作业过程和整体功能 喷雾机器人的具体工作过程和在田间的行走路线如图2 - 2 所示。 喷雾机器人配套动力喷雾机( 泵) 一起完成喷雾作业。动力喷雾机加压，喷雾机器人携带喷 头及管子一起顺着田间行道行走，并随时释放( 往) 和卷紧( 返) 喷管。在动力喷雾机附近和每 行作物的行始端安装有导管器。如图中箭头所指示，喷雾机器人从田间入口处进入，沿着主行道 前进。遇到首行标志后，拐弯( 9 0 度) 走向主行道两边的横向行道，遇到行尾标志机器人反向行 驶。在横向行道行驶过程中，机器人按设定的方式喷雾( 往喷或返喷) 。完成一横向行作业后， 4 沿主行道返回，检测行头标志，依次进行以下各行的喷雾作业。最后喷雾机器人从入口处退出 遇到作业终止标志后停止工作，作业完成。 图2 - 2 田间作业过程 为了完成上述自动喷雾作业的任务，考虑到田间作业的其他因素，该喷雾机器人应具备如 f 功能： 内藏有几种传感器，能检测放置于田间的首行、行头、行尾、作业终止标志，完 成自动转向和启停。 装备有升降和拐弯装置。以上升- - 拐弯( 9 0 度) - - 下降的方式拐弯，这样 不仅可以保证拐弯角度的准确，而且减小了机器人的拐弯半径，从而减小田间行 道的宽度，充分利用耕地面积。 保持一定的行走速度，尽量提高机器人的作业效率。具有几种速度可调。具体速 度在0 5 米，秒0 1 7 米，秒之间。 前进散布( 喷雾) 、后退散布和前进后退散布方式可选，不散布时自动以高速返回， 以提高工作效率。 适应图2 - 1 中的4 种地块划分方式的作业，工作方式可以分别通过控制面板设定为 左右拐弯、右拐弯、左拐弯、不拐弯。 由于田间的地形不可避免地会有起伏，机器人走偏时有可能翻到。所以应有倾倒 检测装置，机器人翻倒一定角度时，给出警告，并由系统做出相应的处理。 具备手动操作的功能，能完全由手工操作完成整个的田问作业。 ) ) ) ) ) ) ) “ 汜 o ( 8 )能对控制系统自身的状态进行监测，以l e d 和蜂鸣器予以指示。 ( 9 ) 有自动卷管机构，保证停止制动时卷管部分不滑动。 2 3 总体设计方案 2 3 1 组成与结构 从上述机器人应具备的功能可以看出，其主要的组成部分应有行走机构、升降机构、转向机 构、卷管机构、喷雾机构、传感器和控制系统。图2 - 3 为机器人总体结构的侧面示意图。 卜一扶手 6 一链条 1 l 一前轮 2 一操作面板 一卷管轮 1 2 一电瓶 3 一控制箱4 一喷管 8 一托板 卜喷头 1 3 - - 行走电机 图2 - 3 喷雾机器人结构示意图 5 后轮 1 卜传动箱 升降、转向用的电动机和机械传动机构安装在传动箱内，在图中没有画出。 行走电机和卷管轮之间采用一级棘轮传动。机器人后退时，行走电机通过链条带动卷管轮顺 时针方向旋转，收卷喷雾管：而机器人前进时卷管轮依靠喷雾管的自然拉力逆时针旋转，释放喷 雾管。托板8 在升降电机的驱动下可相对机器人车身做上下运动，从而实现车身相对地面的升降 运动。机器人升起后，整个车身都依靠托板8 支撑，这时转向电机驱动车身相对于托板8 左右转， 也就完成了机器入相对地面的左右转动。 2 3 2 执行部件的选取 常用执行机构的驱动形式有液压驱动、气动和电动三种。液压和气动驱动都需要配备液压泵 或气泵，整个机构的体积比较大，成本高。而且一般气动驱动的输出力矩小，液压驱动虽然输出 的力矩可以很大，但在输出较大力矩时对汽缸的密封性能要求提高，使成本进一步增加。而电动 6 驱动的执行机构( 也就是电动机) 则体积小，采用电瓶供电比较方便，相对来说成本低得多。 电动机可分为交流电动机和直流电动机两大类，分别采用交流和直流电源供电。喷雾机器人 用丁二户外田间作业，只能选用直流供电的形式。而直流电动机又可分为励磁式和他励式两种，在 一般的麻用场合，大多采用他励式直流电机，这种电动机只需改变电枢电压，便可实现恒转矩调 速，而且其机械特性较硬，调速范围较广，完全可以满足机器人行走的要求。所以我们选用它励 式直流电动机作为机器人的行走动力，电机功率4 5 w ，额定电压2 4 伏。电机内部包含减速器， 其速比为2 5 ：1 ，这样电机的输出轮可直接和机器人驱动轮以链条相连，简化了机械传动部分的 设计，使机器人的体积和重量大大减小。 至于转向和升降用的电动机，考虑到简化机器人的机械结构，我们采用输出为直线运动的直 流线性马达( 电动缸) 。电动缸主要由电动机、减速装置、保护装置、丝杠镙杆机构及杠壳组成， l 卜习瀹 图2 - 4 电动缸外形图 其外形如图2 - 4 所示。随着电动机的正反转，推杆顺着缸套做往复运动。保护装置限定推杆行程 防止发生过冲事故，其工作原理如图2 - 5 所示： ab 图2 - 5 电动缸保护电路 图中k 1 、k 2 为常闭的行程开关。当凸台位于k i 、k 2 之间时，k i 、k 2 都闭合，随着a 、b 两点间电压方向的不同，电机正转或反转，从而带动推杆相对缸套做往复运动。在图2 - 5 中，我 们假设a 接电源正极，b 接电源负极时推杆向右运动，反之则推杆向左运动。当推杆向右运动到 极限位置时，固定于推杆上的凸台碰到行程开关k 2 ，使k 2 断开，电流被切断，电机停止。此时 可以将a 、b 间的电压反向，电流通过二极管i ) 2 ，电动机反转，推杆向左运动。运动到左极限 位置后，凸台碰到开关k l ，电动机线圈电流又被切断。使推杆上的凸台不可能超出k l 、k 2 这 两个位置，从而起到限定行程和保护电动机的作用。 2 3 3 传动方案 行走电动机内部配备有减速器，所以在电机和驱动轮之间采用简单的链条传动，在此不予祥 述。以下只对升降机构和转向机构进行阐述。 7 ( 1 ) 升降机构 采用一个四连杆机构以实现机器人的升降运动，如f 图所示： 图2 - 6 升降机构示意图 导槽固定于机器人车身上，销子l 和销子2 可以在导槽中滑动。电动缸推杆和销子2 紧固在 一起，缸套则固定在车身上。电动缸推杆向外伸出时，托板相对车身向下运动，依靠地面的反推 力迫使机器人升起，反之则机器人下降。 ( 2 ) 转向机构 图2 7 转向机构示意图 图中轴和电动缸缸套固定在机器人车身上，推杆通过销子和套筒连接在一起，而套筒则紧固 在图2 - 6 所示的托板上。当电动缸推杆向外伸出时，车身相对于托板旋转。若此时机器人已经升 起，则托板相对地面不动，机器人车身相对于托板的旋转运动也就是机器人的左右转运动。适当 调节电动缸行程的长度，就可以使机器人每次转动的角度为9 0 度。 2 3 4 行走电机速度调节方式 2 3 4 1 直流电机的调速原理 直流电动机的转速和各参量的关系可用下式表示 1 1 2 ( u i r ) ( k c 中) 式中，n 为转速，单位是r p m ( 转9 - 钟) ； u 为电枢电压，单位是v ( 伏) 8 中为励磁磁通，单位是w b ： r 为电枢电路电阻，单位为o ； i 为电枢电流，单位是a ( 安) ： k e 为由电机结构决定的电动势常数。 由上式可以看出，要想改变直流电机的转速，可有三种不同的方式：调节电枢供电电压u ， 改变电枢回路电阻r ，调节励磁磁通中。 因为改变电阻调速会在电阻上消耗较多的电能，使电机的工作效率不商：而调节磁通范围很 小，不然将造成飞车事故，所以直流电机以变压调速为主。 变压的方式也有多种。目前广泛采用的是利用晶闸管的可控整流器和采用全控型电力电子器 件组成的直流斩波器或脉冲宽度调制( p y & i ) 变换器。p 腓变换器一般具有能耗小，效率高的特点。 2 3 4 2p w m 赢流调速 p w m ( 脉宽调制) 调速的原理如图2 8 所示： 当开关s w 接通时电源e 加在电动机上；当开关关断时，直流电源与电动机断开，电动机经 二极管续流，电机两端电压近似为零。如此反复循环，电机两端的电压波形如图2 - 8b 所示。而 当开关频率足够高时，电动机两端将得到几乎连续稳定的平均电压，该平均电压为： v a = t 0 。e t = 6e 式中，t 为开关元件的开关周期；t o n 为开通时问；6 = t o n t 为开通占空比。 改变开通占空比，平均电压也随之改变，如果将该电压加在直流电动机的电枢两端，就可以 控制电动机的转速。这就是通过改变开关的导通时间来控制平均输出电压大小的脉冲宽度调制方 法( p i l l ) 。 e a vj = 喜丹。 e 1 一 ot o t r ， t b 图2 - 8p 删调速原理 p w m 调速系统与可控整流式调速系统相比由下列优点：由于p w m 调速系统的开关频率较 高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得平稳的直流电流，低速特性好；开关器件只工作在开关 状态，主电路损耗小，装置效率高。而且，随着电子技术的发展，出现了新一代的电力电子器件。 这样的电力电子器件成本低，控制方便，大大促进了p w m 调速系统在工程上的应用。 本系统中的行走电机对调速精度要求不高( 2 0 ) ，只要求有几种速度可选。考虑到p w m 调速的上述优点，我们采用开环形式的p w m 调速。 另外，由于在本系统中采用的控制器为单片机，完全可以以软硬件相结合的方式来实现p w m 凋速，减小硬件电路的复杂程度，降低成本。 9 2 3 5 田间标志检测方式的确定 机器人要完成自动拐弯、启停等操作，首先必须识辨田间的位置标志，所以选择合适的田间 标志检测方式很重要，这也就是一个传感器的选择问题。 传感器的种类很多可分为接触式的和非接触式的。而非接触式式传感器又有光传感器、电 感式传感器和磁传感器等多种。 首先，由于机器人的移动工作，要求检测方式是非接触的。为了可靠地检测到田间标志，要 求检测距离要求大于1 5 倍的车轮半径( 1 0 0 m 以上) 。 可以考虑选取红外传感器，但由于田间的作业环境比较复杂，容易对红外传感器造成干扰。 磁传感器的工作只受铁磁质物质的影响，而不会被田间的杂物所干扰。 所以选用磁传感器是一个好的方案。如图2 - 9 所示，传感器安装于机器人上。而磁标志( 磁 块) 放置于田间。首行标志、作业终止标志、行头标志都由同一种传感器检测，其区别是对应的 传感器安装的位置不同首行传感器置于机器人的前方，朝前；行头和行尾的传感器置于机器 人的下方，朝下；作业终止传感器置于机器人的后方，朝后。 2 5 控制系统总体方案 2 5 1 控制系统的功能 图2 - 9 传感器安装与检测示意图 因为控制系统是喷雾机器人的关键部分，以上机器人整体功能的实现很大程度上都依赖于控 制系统的功能，所以明确机器人控制系统的功能非常重要。以下便是机器人控制系统应具备的具 体功能： ( 1 ) 控制机器人整机的升，降，启，停，转向，行走，喷雾阀的启闭，让机器人的各个运动 部件协调地工作。且有一定的保护措施。防止各运动部件之间的干涉。 ( 2 ) 能对机器人的行走速度进行调节，有几种速度可选。采取一定的措施保证行走速度稳 定在额定速度的2 0 。 ( 3 ) 安装合适的磁标志传感器，能检知田间的位置标志，控制机器人按预定的工作方式和 1 0 行走路线作业。 ( 4 ) 对喷雾机器人所用的电源电压进行检测，在面板上予以显示。电压低于一定值时应给 出警告，提示充电。 ( 5 ) 选用合适的倾倒传感器，采集倾倒传感器的信号，喷雾机器人倾倒时给出警告及做停 机等处理，以防事故的发生。 ( 6 )提供用户操作接口( 按键和显示) ，能让用户方便地了解系统状态和设定喷雾机器人 的工作方式。 ( 7 ) 应具备较强的抗干扰能力，适应各种气候的田间作业。 2 5 2 控制系统的总体结构 从喷雾机器人控制系统拟实现的功能可以看出，该系统应具有前向通道( 传感器) 、后向通 道( 电机及喷雾阀等的控制) 和逻辑运算部分( 决定控制时机和方式) 及人机界面，是一个典型 的测控系统。由于单片机系统的测控功能强，可靠性高，体积小，有专门的开发平台，调试方便， 且成本低，所以优先考虑用单片机来实现该系统。 以单片机为中心，则该控制系统的控制过程如下： 设定工作模式采集传感器信号接受键盘输入 逻辑运算 控制和状态 信号输出。这样，整个控制系统也就可以划分为单片机系统、执行机构驱动电路、传感器、电源、 和控制面板几部分。以下便是控制系统的总体结构框图： 图2 1 0 控制系统原理框图 2 5 3 人机界面的设计 人机界面分为两部分：键盘和显示。键盘用于完成电源的开关、系统工作方式设定、手动操 作和自动操作的启停；显示部分采用l e d 指示，用于指示用户设定的系统工作方式、当前的 系统状态等信息。 由于田问作业环境的雨水较多，控制面板被没计成密封的防水安装形式。 以下是控制面板的外观图( 不按比例) ： 图2 1 1 控制面板外观图 面板中各按键的含义与功能如下； “开”：按下后打开电源，并指示各种初始状态： “关”：按下则关闭电源。 “左右”：循环设定与地块划分方式有关的机器人左右旋转方式( 右转 左转一 左右 转 不转一 右转) ，停车时有效。 “往返”：循环设定机器人往返喷雾方式( 往返喷雾一 往喷一 返喷一 不喷雾一 往返喷) ，停车时有效。 “当前位置”：设定和指示机器人的当前方位和行走方向，停车时可设定。 “行走速度”：循环设定机器人的行走速度( 高一 低一 高) 。 “运转”：停车时，按下此键即开始自动运转；机器人正在执行手动操作且手动操作中停( 机 器人已经升起) 时，按下此键则继续未完的手动操作，否则不予反应。 “停止”：机器人正自动运转时，按下此键则停止自动运转，此时可以进行手动操作；当机 器人正在进行手动操作时，按下此键则暂停正在进行的手动操作；机器人已经停止时按下此键则 显示电瓶电压的满度，释放后又恢复为速度指示。 “左转”：机器人处于升起状态时。按一次机器人左转9 0 度，然后停止转动；若机器人没有 升到顶端，则先升起再左转9 0 度，下降，最后停止：机器人不能左转时( 正自动运转或已经在 1 2 左边了) 该按键无效，按下时蜂鸣器响。 “右转”：机器人处于升起状态时，按一次机器人右转9 0 度，然后停止转动；若机器人没有 升到顶端，则先升起再右转9 0 度，下降，最后停止；机器人不能右转时( 正自动运转或已经在 右边了) 该按键无效，按下时蜂鸣器响。 “上升”：按机器人开始上升，上升到顶端后停止。机器人不能上升时( 正自动运转或已经 在顶端了) 该按键无效，按下时蜂鸣器响。 “下降”：按机器人开始下降，下降到底端后停止。机器人不能下降时( 正自动运转或已经 在底端了) 该按键无效，按下时蜂鸣器响。 “前进”：点动按键，按下时机器人前进，松开后制动( 停车且非手动操作时有效) 。 “后退”：点动按键，按下时机器人后退，松开后制动( 停车且非手动操作时有效) 。 “喷雾”：手动键按下打开喷雾阀再次按下关闭喷雾阀。 面板中的各指示灯的含义如下： “电源”指示灯：位于“开”按键上方。系统接通电源时亮，切断电源时熄灭；当电瓶需要 充电时在蜂呜器发出“嘀”、“嘀”声的同时电源指示灯闪烁。 系统“状态”指示灯：位于“关”按键上方。当系统正常时，系统指示点亮，否则熄灭。 速度电压指示灯：六个，位于“关”按键和“左右”按键中间。平时指示机器人的行走速 度；在机器人停止( 包括手动操作中停) 的状态下按下“停止”按键时指示电瓶电压的满度， 释放按键后又恢复为行走速度指示。行走速度或电瓶电压满度由小到大时，对应依次从下到上点 亮不同的指示灯。 左右拐弯设定指示灯：两个，位于“左右”按键上方。机器人设定为左( 右) 拐弯时，左 ( 右) 边指示灯亮，右( 左) 边指示灯灭；机器人设定为左右拐弯时，两个指示灯都亮；机器人 设定为不拐弯时，两个指示灯都熄灭。 往返喷雾指示灯：两个，位于“往返”按键上方。机器人设定为往( 返) 喷时，左( 右) 边指示灯亮，右( 左) 边指示灯灭；机器人设定为往返喷雾时，两个指示灯都亮；机器人设定为 不喷雾时，两个指示灯都熄灭。 “当前位置”指示灯：四个，位于“当前位置”按键上方。上方指示灯点亮时表示机器人的 当前位置在主工作道上前进；下方指示灯点亮时表示机器人的起始位置在主工作道上返回；右 边指示灯点亮表示机器人的当前位簧在横向行道上前进；左边指示灯点亮表示机器人的当前位置 在横向行道上返回。 运转指示灯：机器人自动运转或手动运转时点亮，停车时熄灭。机器人运转过程中倾倒时闪 烁( 同时蜂鸣器发出“嘀”、“嘀”声) 。 人机界面中还包括蜂鸣器，当出现以下种情况时，蜂鸣器发声，给出警告或提示 ( 1 ) 按键无效。 ( 2 ) 机器人倾倒。 ( 3 ) 电瓶电压严重不足，需要充电。 另外，用户每次按下按键时，蜂鸣器发出短促的嘀嗒声，给出提示。 第三章控制系统硬件设计 根据功能划分，整个控制系统可以分为三个部分：单片机系统主板电路、外设驱动电路、传 感器电路以下就分这三个方面分别予以介绍。 3 1 单片机系统主板电路 3 1 1 输入输出信号 任何一个系统的设计首先得搞清楚它与外界的关系，而单片机系统主板电路与外界的关系无 非是若干路输入输出信号。由控制系统总体设计可知，该主板电路的输入输出信号如下表所示 表3 - 1 单片机系统输入输出信号： 名称方向形式i o 数量隔离备注 首行传感器信号 入正脉冲l否脉冲上升沿有效 行头传感器信号入正脉冲 l 否脉冲上升沿有效 作业终止传感器信号 入正脉冲l否 脉冲上升沿有效 转向行程开关信号入开关量 2 否分别表示左右两个位置 升降行程开关信号入开关量 2否 分别表示上下两个位置 倾倒传感器入开关量 1 否高电平表示机器人倾倒 行走电机p w m 信号出开关量 2 是脉冲信号 转向电机启停信号出开关量 l 是高电平启动，低电平停止 转向电机方向信号出开关量 1 是商电平左转，低电平右转 升降电机启停信号出开关量 1 是高电平启动，低电平停止 升降电机方向信号出开关量 1 是高电平上升，低电平下降 喷雾阀开关信号出开关量 l 是高电平打开，低电平关闭 转向设定指示出开关量 2 否左( 1 0 ) 、右( 0 1 ) 、左右( 1 1 ) 、 不转( o o ) 往返喷雾设定指示出开关量 2否 往( 0 1 ) 、返( 1 0 ) 、往返( 1 1 ) 、 不喷( o o ) 行走速度、电源电压出开关量3否 译码后完成六种速度和六 指示 种电源电压的指示 当前位置设置指示出开关量2否 蜂鸣器信号出开关量l是高电平有效( 呜叫) 系统状态指示信号出开关量l否低电平表示系统正常 运转指示信号出开关量1否 - 1 4 - 合计占用i o 口线2 7 根。其中输入口线8 根，输出口线1 9 根；需要电气隔离的输入口线0 根，需要电气隔离的输出口线8 根。 3 1 2 单片机系统主板电路总体结构 从表3 - 1 可以看出，该单片机系统主板电路的输入输出信号主要分为以下几类： ( 1 )传感器( 包括升降、转向行程开关和磁传感器及倾倒传感器) 输入信号； ( 2 )需要隔离的外设( 电机、喷雾阀、蜂鸣器等) 驱动信号； ( 3 )面板指示( l e d ) 信号： ( 4 )电瓶电压信号。 对不同种类的信号采用相应得外围电路予以处理，可得出该单片机系统得原理框图如下 图3 - l 主板电路原理框图 3 1 3 主要元器件的选择和电路的实现 ( 1 ) 单片机：该单片机系统主要涉及开关量的输入输出及逻辑运算，对实时性的要求不高。 而8 0 3 1 单片机，具备两个外部中断、两个定时器和2 5 6 字节的内部数据存储器，经扩展后资源 方面完全可以满足本系统的要求。而且该芯片成本低，技术成熟，是本系统的最好选择。 ( 2 ) 程序存储器：单片机的程序量比较小，考虑系统的可扩展性，采用8 k 字节的可擦写程 序存储器2 7 6 4 。 ( 3 ) i 0 口扩展；采用具有2 4 路输入输出口线的i 0 芯片8 2 5 5 ，再加上单片机本身具有的 一些i 0 口线，完全可以满足表3 - i 的i 0 口数量要求。p a 口作为传感器信号输入口，p b 口为 外设驱动信号输出口，p c 口为面板指示信号输出口。用第1 5 根地址线作为其片选线，则8 2 5 5 - 1 5 - 控制状态口地址为l * o b f f f i t ，各i 0 口地址为：p a 口，# o b f f c h ；p b 口，# o b f f i ) l t ；p c 口，g o b f f e g 。 ( 4 ) 键盘管理：扩展一片8 2 7 9 键盘显示控制芯片，用于键盘管理。8 2 7 9 命令口地址# o d f f f t l ， 数据口地址为# o d f f e h 。 8 2 7 9 是一种通用的可编程的键盘、显示接口器件，能完成按键的识别和消抖，比用户自行开 发键盘管理电路来得方便。但在本控制系统中，点动键“前进”、“后退”要求能够识别按键释放 的动作( 按下时前进或后退，释放时停止) ，这是8 2 7 9 所不能完成的，笔者设计了一附加电路以 实现该功能。以下便是该电路的工作原理： 图3 2 按键释放识别电路原理 如图3 2 所示，s l o s l 3 为8 2 7 9 的扫描线，r l o - r l 3 为8 2 7 9 的回复线( 8 2 7 9 有8 根回复线， 这里只画出了其中的4 根) 。 8 2 7 9 以编码方式扫描键盘时，按照一定的频率依次在扫描线s l o s l 3 上输出低电平。当某键 被按下时，该键所处的行线( 回复线) 上的电平将与其所处的列线( 扫描线) 上的电平保持一致， 这样就会在该行线上产生与8 2 7 9 扫描频率同步的脉冲信号。而按键释放后由于上拉电阻的存在， 行线将恢复为高电平。例如，按下s l o 和r l o 交汇处的键l 时，回复线r l o 上就会随s l o 的电平 变化而产生如图3 3 所示的脉冲，图中t 即为8 2 7 9 的扫描周期： 图3 - 3 按键释放识别电路输出脉冲 如果将所有的回复线接到一个与门的输入端，则只要有键按下，与门就会输出图3 - 3 所示的 脉冲信号，所有按键释放后，其输出才又恢复为恒定的高电平。这样，要实现对按键释放动作的 识别，只需对与门输出的脉冲信号予以识别。 笔者采用了软硬件相结合的方式来识别该脉冲信号。将与门的输出引入到单片机8 0 3 1 的外 - 1 6 部中断0 ，则在按键被按下期间，将连续产生若干次中断请求。在中断服务程序中，只需反复地 将一标志位( 标志着脉冲信号的存在) 置1 。在等待按键释放的程序中，首先清除该标志位，延 迟一段时间后再检查该标志位，若标志位变为1 则认为仍有键按下( 在延迟期间有外部中断0 产 生) ，清除标志位重复以前的步骤：如果标志位仍然为0 则认为按键已经释放( 在延迟期间没有 外部中断0 产生) 。具体的中断服务程序和等待按键释放程序如下： 中断服务程序： i n t o ： s e t b k e y _ y e t 1 ) o w n f l a g r e t i 等待按键释放程序： w n it _ f o r k e y u p ： c l r k e y y e t d o w n f l a g s e t be t 0 l c a l l d e l a y j b k e y _ y e t d o w n f l a g ，w a i t _ f o rk e y _ u p 在这里，最重要的是选择好等待按键释放程序中的延迟时间，太长了释放动作得不到及时得 响应，而太短( 小于中断0 的周期) 了又会在按键没有释放时误认为已经释放。经过计算和实验 测定8 2 7 9 的扫描周期大概为2 m s 左右，所以在等待按键释放程序中设定延迟时间为4 m s 完全可 以满足要求。 ( 5 ) 电源电压a d 转换：对电源电压的检测采用8 位的a d 转化芯片a d c 0 8 0 9 ，其读写地址 为# 7 f f f 。外加放大电路( 由通用运放白搭建的测量放大器) 将电源电压转换为a d c 0 8 0 9 量程( 0 5 v ) 内的电压值。a d c 0 8 0 9 的输入时钟频率由8 0 3 1 的a l e 信号经d 触发器4 分频后得到。单片 机晶振频率为1 2 m l z ，那么a l e 脉冲频率为2 m h z ，而0 8 0 9 的输入时钟频率为5 0 0 k h z 。 ( 6 ) 单片机电源模块：在单片机应用系统的设计中，为了防止各种电磁干扰对系统的损害， 提高系统工作可靠性，常采用隔离技术，将系统输入单元、输出单元以及与系统互联的单元隔离 开来。从技术角度来分析，通过电源引入干扰是造成系统受损或工作不可靠的主要因素，因此， 在系统设计时，要使容易相互干扰的各个部分具有独立的隔离电源进行供电，以切断从电源串入 的各种干扰。机器人控制系统中兼有强电和弱电电路，在公用一个电源( 电瓶) 的情况下单片机 很容易受到电动机等感性或容性强电电路的干扰，所以应该将单片机所用电源与电动机等具有强 电磁干扰的电路隔离开来。另外，在本系统中电瓶电压为2 4 v ，而单片机所需电压为5 v ，我们 要求电源隔离电路还具有电压转换的功能。这通常采用具有直流隔离功能的d c i ) c 变换器来实现。 图3 - 4 双路输出d c d c 变换器 - 1 7 - v + c o m v 双路输出( 正负电压输出) 的d c d c 变换器外引线如图3 - 4 所示。 不同的d c d c 变换器，其输入电压和输出电压各不相同，或驱动负载的能力不同。选择合 适的d c d c 变换器，也就是要选择好以下三个指标：输入电压；输出电压：输出电流( 负 载能力) 。本系统中其输出电压已经确定为5 v ；根据单片机系统的功耗，我们选择d c d c 变换 器的输出电流为2 a ，双路平分后，每路输出可得l a 的电流：输入电压也就是电瓶电压，额定值 为2 4 v ，但在使用过程中电瓶电压会有所变换，这就要求d c d c 变换器在输入电压在一定范围内 变化时输出电压稳定，最后我们选择d c d c 变换器的输入电压变化范围为1 8 3 6 v 。 ( 7 ) i o 口线的电气隔离：通过使用带直流隔离的d c d c 电源模块，单片机系统解除了受电 源干扰的影响，但强电部分的干扰还会从单片机的输入输出口线引入。而且在本系统中，经d c d c 做转换后，弱电部分和强电部分的电位是不一致的，若不采取隔离措施将会造成严重的地电位差 干扰。所以，需要对驱动电机、电磁阀的口线实行电气隔离。 目前常用的电气隔离器件大都采用光电隔离的方式。也就是光电偶合器。光电偶合器不仅使 信息发出端( 一次侧) 和信息输出端( 二次侧) 是电绝缘的，从而对地电位差干扰有很强的抑制 能力，而且有很强的抑制电磁干扰的能力。 光电偶合器的种类很多，转换速度、电压等级、电流大小都各不一样。4 n 2 5 和t p l 5 2 1 是常 用的两种光电偶合器，它们的性能参数如表3 2 所示： 表3 - 2 光电偶合器参数 极限参数工作特性 一次侧二次侧全体一次侧二次侧一次一 二次 型号i fv rv c ei o lb vv ft t h a x t p d m a x m a xm a xm a xm a xm a x m a x i fu s ( m a )( v )( v ) ( m a )( k v )( v m a ) t p l 5 2 l 7 0 5 0 53 05 02 5 1 3 1 0 62 5 4 n 2 58 033 04 01 1 5 5 0 40 8 表中i f 为一次侧电流；v r 为一次侧电压；v c 为二次侧电压；i o l 为= 次侧电流 b v 为一次侧和二次侧的绝缘等级；i t m a x 为二次侧电流建立时间： t p d m a x 为一次侧到二次侧的延时。 从电压和电流等级看，t p l 5 2 1 和4 n 2 5 都可以用t t l 电平驱动，而且二次侧电流足够驱动中 小功率的晶体管。t p l 5 2 1 的转换速度不高，但其有4 路封装的形式t p l 5 2 1 - 4 ，需多路隔离时使 用方便，相对4 n 2 5 来说价格也低