【《某温室采摘机器人底盘控制电路设计案例》4700字】

某温室采摘机器人底盘控制电路设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u18451某温室采摘机器人底盘控制电路设计案例 1100661.1控制器整体架构 1297261.2主控制板电路设计 2208771.2.1最小系统电路 290831.2.2电源转换电路 335681.2.3IMU惯性测量电路 443561.2.4程序烧录电路 4222391.2.5CAN通信电路 553041.2.6主控制板PCB布局 7304321.3转接板电路设计 7244471.1.1电源管理电路 745561.1.2驱动电路 10107781.1.3转接板PCB布局 11144671.4控制线路连接 12底盘控制电路分为主控制板和转接板。根据采摘作业对底盘的具体需求，自主设计底盘主控制板与转接板。主控制板要满足运动控制需求，同时也考虑系统的通用性和扩展性，接口尽可能通用，方便功能扩展。主控制板基于STM32芯片设计，集成了IMU惯性传感器等元器件，并通过CAN总线与工控机通信；转接板搭载舵机驱动，电源管理模块等。该集成化设计减少了线路连接，便于底盘控制系统的开发。1.1控制器整体架构主控制板整体架构如图3-1所示，具体包括核心主控电路、电源转换电路、IMU惯性测量电路、程序烧录电路、CAN总线接口电路。晶振电路为STM32F103RCT6芯片提供8MHz稳定时钟源，VP230作为CAN信号接收器与芯片PB8、PB9端口相连，主控制板集成MPU6050模组来获取位姿，设计CH340G与USB接口实现程序烧录，并通过AMS1117稳压单元提供稳定的5V和1.3V电源电压，其他I/O连接转接板驱动底层，并获取里程信息。图3-1主控制板整体架构1.2主控制板电路设计1.2.1最小系统电路主控制板主控芯片选用STM32F103RCT6型微控制器，电路架构如图3-2所示。图3-3是STM3的最小系统原理图。本文主要采用串口烧录程序方案，实现烧录程序过程中启动芯片，为此对BOOT电路进行设计，如图3-4、3-5所示。BOOT0、BOOT1空闲时均通过10K电阻接地，为低电平状态；当通过串口烧录程序时，RST电平升高，PNP三极管导通，如图3-6示，此时B00T1处于1.3V高电平状态，实现程序烧录前启动芯片。STM32F103RCT6芯片具备8MHz晶振时钟，两个起振电容大小均为22pF，并联在晶振两侧，晶振信号通过PD0、PD1连接主控芯片，晶振电路如图3-7所示。图3-2核心主控电路架构图3-3STM32最小系统电路原理图3-4BOOT1启动电路图3-5BOOT0启动电路图3-6串口启动电路图3-7晶振电路复位电路设计如图3-8所示，当S2按键浮空时，NRST端接入3V3成为高电平，当按下S2按键后，NRST端接入GND变为低电平，主控芯片接收到电平变化复位，S2按键松开之后，电容C16充电，NRST端电平升高，芯片结束复位。图3-8复位电路1.2.2电源转换电路系统外接电源是12V的锂电池，而STM32芯片正常工作需有5V和1.3V电源，设计图3-9所示的电源转换电路架构，选择稳压器AMS1117为电源转换电路核心部件绘制图3-10所示的电源转换电路。其中，C14为输入滤波电容，C13为输出滤波电容，D2、D3二极管起稳压作用，极性电解电容C15、C12起低频滤波作用。图3-9电源转换电路架构图3-10电源转换电路1.2.3IMU惯性测量电路采用MPU6050设计惯性测量电路架构如图3-11所示。绘制MPU6050惯性测量电路如图3-12所示。主控系统通过这个IIC接口来控制MPU6050，左侧AUX_CL与AUX_DA为另一组IIC接口，该接口用于连接外部从设备，例如磁传感器，可组成九轴传感器。图3-11惯性测量电路架构图3-12MPU6050惯性测量电路1.2.4程序烧录电路应用CH340G芯片实现程序下载功能，芯片电路架构示意如图3-13所示。依据架构示意图设计程序烧录电路，绘制电路如图3-14所示。CH340G的TXD和RXD对应连接单片机的PA9和PA10，作为异步串口实现信息传输；CH340G芯片右侧RTS和DTR作为MODEM联络输出信，当USB连接CH340时，DTR上电，输出请求发送指令，且NPN三极管导通，使得RTS上拉为高电平，使得PNP三极管导通，BOOT0上电，启动单片机，开始程序下载。图3-13程序烧录电路架构示意图3-14程序下载电路1.2.5CAN通信电路（1）CAN总线通信方案番茄采摘机器人多执行机构对通信任务发布的实时性、快速性、稳定性提出了更多要求。传统采摘机器人多以现场控制的方式进行，不具备远程通信能力，这给实际作业带来极大不便。因此，设计网络化通信对于采摘机器人具有重要意义。该部分电路也需考虑采摘机器人网络节点数目的变更需要，方便添加或减少节点数量，使采摘机器人具有更好的拓展性。图3-15CAN总线通信架构CAN（ControllerAreaNetwork，控制器局域网）总线通信是一种能够实现分布式控制的串行通信网络，在同类串行通信网络中具有明显的稳定性和速度优势，其数据传输速度可达1Mbps，在此速度下可实现40m精准通信。本小节将CAN总线应用于番茄采摘机器人底盘控制中，只需两根线即可实现对多节点的控制，使得采摘机器人具有良好的拓展性，便于远距离在线控制与管理，实现底盘智能化。根据番茄采摘机器人研究需要，设计场总线通讯架构如图3-15所示。为消除总线终端的信号反射以及确保总线获得正确的直流电平，ISO11898CAN总线需要端接，并在各端点连接120Ω的电阻。图3-16为CAN网络不同链路层的基本关系。数据链路层所对应的CAN控制器采用了STM32F103RCT6芯片，该芯片内置一组CAN总线接口。物理层对应的CAN收发器采用了TEXAS公司生产的SN65HVD230芯片，该收发器为PCA82C250封装，具有最高连接120个工作节点和1Mbps数据传输速率等优势，且包括各种保护特性来提供维持CAN网络的稳定性。图3-16CAN总线标准及各个链路层的关系（2）CAN通信协议规范CAN有两个通用的标准，本文选用了高速的ISO11898CAN高速标准，其特征如图3-17所示。图3-17ISO11898高速CAN电平如图3-17所示，信号在总线上以差分电压的形式进行传送，两种电压形式分别被称为“CAN_H”和“CAN_L”，当电平都是2.5V左右时，是逻辑“1”状态，称为“隐性”电平。当CAN_H的电平比CAN_L的电平高时，此时的状态表示为逻辑“0”，称为“显性”电平，此时CAN_H通常的电平为1.5V，CAN_L的电平为1.5V。（3）CAN收发电路设计采摘机器人底盘控制系统所使用的CAN通信距离较短，数据传输较快，故采用高速设计电阻并联方式更加符合要求，实际电路设计如图3-18所示。图3-18集成在分级机器人控制器的CAN通信电路1.2.6主控制板PCB布局结合前5小节设计要求，根据原理图进行主控制板PCB布局设计。（1）该主控制板作为下位机负责底层驱动与上层通信功能，需承受4-20mA的电流信号，且布线时不同层信号线之间需尽量垂直分布，以减少并行信号干扰问题。（2）该主控制板必须具备现场总线通信功能，可实现底盘与升降平台及机械臂的信息交互与控制。（3）该主控制板需具备长时间工作能力，电流电压较大处要增大铺铜面积以增强负载能力，且不可出现电路故障。图3-19主控制板PCB布局主控制板采用两层PCB布局形式，PCB布局如图3-19所示，该主控制板尺寸为50mm×100mm，STM32F103RCT6芯片位于PCB板正中心，两侧设置有与转接板通信的排针，两路独立按键轻触开关，CAN通信接口电路，三个LED信号指示灯以及1.3V和5V稳压接口等电路。1.3转接板电路设计1.1.1电源管理电路动力电源供电与控制系统供电分开，避免相互之间干扰。驱动器与24V动力电源直接相连，避免大的启动电流对控制系统供电产生影响，同时保证了电机的供电效率。下位机供电系统框图如图3-20所示。图3-20供电系统框图（1）24V转5V电路该底盘控制系统采用24V电源电压供电，而底盘控制主控制板的工作环境为5V，需在转接板中实现电压转换，本文选用稳压性能较好的RT8289芯片。该芯片的电流与电压关系如图3-21所示，在36V输入情况下输出电压变化幅度随电流变化较大，而24V输入情况下具有较稳定的5V降压效果。图3-21RT8289电流与电压关系图该芯片内部自带功率MOSFET降压调节器，对输入电压实现降压滤波处理，且其输出电压范围可在1.222V到26V间调节调节，且采用了常用的8-SOP-EP八引脚封装模式，芯片电路连接示意如图3-22所示。图3-22RT8289电路连接示意图图3-23电压输出调控原理其中VIN作为电源电压输入端连接供电接口，可输入5.5V到32V之间的直流电压。BOOT为高侧门驱动自举输入默认连接10nF电容使其从SW启动电源输出开关。SW为稳压输出端，连接LC滤波器使5V电压从SW端口到输出负载。FB为电压感知端，可测的当前输出电压。电压输出调控原理图如图3-23所示，该芯片最终电压输出值由外阻分压器，即R1，R2阻值决定，计算公式如3-1：(3-1)图3-2424V转5V电路实际电路其中为1.222V反馈参考电压，R1阻值默认为10K，为得到稳定输出5V电压，可得R2阻值为1.16K。实际转接板5V供电电路设计如图3-24所示。其中J1为24V供电输入端口，连入VIN电源输入电路，C29，C33起输入滤波作用。经RT8289GSP降压后从SW端口输出稳定5V电压，同理C30，C31起输出稳压滤波作用。（2）USB及Type-C供电电路图3-25USB5V供电电路该USB及Type-C供电电路旨在为除转接板集成器件的其他外部器件提供稳定5V电源，其电源输入端连入VIN24V供电网络，同样应用RT8289GSP电源转换芯片，SW端输出稳定电压，并设计USB电源供电接口与Type-C供电接口，电路原理图分别如图3-25和图3-26所示。图3-26Type-C5V供电电路1.1.2驱动电路（1）舵机驱动接口该底盘转型系统采用连杆转向方式，使用舵机驱动，为此在转接板上设计4个舵机驱动接口，实际电路如图3-27所示，PB6、PB7、PB8、PB9分别连接STM32对应定时器引脚，用于输出舵机PWM控制信号，设置C7330u电容进行5V舵机供电电路稳压。图3-27舵机接口电路（2）电机驱动电路轮毂电机驱动器包含VCC、GND、PWMx、INAx与INBx五个接口，VCC与GND端口为驱动器电源口，PWMx端为脉冲输入端，用以控制轮毂电机旋转角度与转速，三相逻辑转换电路在驱动器内部集成，INAx与INBx两端口为电机正反转控制口。图3-28驱动器接口电路为对应驱动器上的5个控制接口，同样在转接板上设计驱动器接口电路，由于一个驱动器可控制两路电机，为此在转接板上应用BOOMELE的2×5的排针座，信号输入端连接主控制板对应STM32芯片引脚，信号输出端通过连接驱动器，同时设计相同的排针座用作为备用驱动接口。接口电路如图3-28所示。图中，PC9、PC8、PC7、PC6用于输出波形，其余引脚用于转向控制。（3）编码器接口与使能开关图3-29编码器接口电路为测得电机转动时位置与速度信息，实现反馈控制，设计四个与驱动接口对应的编码器接口，每个接口的3、4端连接主控制板STM32对应引脚，用于光电码盘电机位置信号读取，接口电路设计如图3-29所示。为保护作业时人员安全，设计如图3-30所示电机使能开关，PA12为STM32芯片定时器8的引脚控制端，定时器8用于控制电机的输出波形信号，当单刀双掷开关拨向3关断位置时，PA12处于高电平状态，阻断定时器8工作，当开关拨向1导通接地位置时，PA12引脚处于低电平状态，定时器正常工作，由此实现电机的使能与否。图3-30电机使能开关电路1.1.3转接板PCB布局结合前两小节设计要求，根据原理图进行转接板PCB布局设计。（1）该转接板作为主控制板与底层硬件连接的通道，需承受24V电压与5A以下的电流，布线时一样需考虑不同层信号线之间垂直分布，以减少并行信号干扰问题。（2）该转接板需具备长时间工作能力，电流电压较大处要增大铺铜面积以增强负载能力，同样不可出现电路故障。图3-31转接板PCB布局转接板采用两层PCB布局形式，PCB布局如图3-31所示，该主控制板尺寸为80mm×100mm。四列排针座位于PCB中心偏右位置，内侧排针座相距50mm，对应主控制板排针间距。左侧与下方布置了24V电源输入接口以及USB与Type-C类型的5V电源输出接口，USB信号通信接口同样位于下方，编码器接口与舵机驱动接口位于上方。1.4控制线路连接要想实现底盘的控制，首先需要明确系统各外设与控制器之间的线路连接关系，根据连接关系，进而定义和配置相关的IO。具体IO分配如表3-1所示。表3-1底盘控制器IO分配表硬件IO引脚名称功能备注PA12普通IO使能开关/急停开关停止电机控制P