！除銹爬壁機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計前言控制系統(tǒng)是船舶壁面除銹爬壁機器人的重要組成部分，其負責完成對除銹爬壁機器人的行走和轉(zhuǎn)向功能的控制，使機器人能夠按照預定的軌跡去工作，因此對除銹爬壁機器人控制系統(tǒng)提出如下基本要求:控制系統(tǒng)方便、可靠性高、操作靈活，便于操作人員使用;機器人在船體表面上的全方位移動;30米?？刂葡到y(tǒng)能實現(xiàn)除銹爬壁機器人的簡單作業(yè)，保證機器人在爬行過程中的除銹質(zhì)量。！除銹爬壁機器人控制系統(tǒng)的總體方案除銹爬壁機器人在船體表面上的行走和轉(zhuǎn)向是通過左右兩個交流伺服電機的驅(qū)動來實現(xiàn)的。當左右兩個伺服電機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向相同時，爬壁除銹機器人在船體表面上實現(xiàn)直線行走。電機正轉(zhuǎn)時，機器人前進;電機反轉(zhuǎn)時，機器人后退。當左右兩個伺服電機的轉(zhuǎn)向相反時，除銹爬壁機器人在船體表面上實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。采用上下位機二級分布式控制方式，以保證即使在無操作人員參與的情況下，下位機也可以按照上位機通過串口預先給定的指令和參數(shù)實現(xiàn)自主作業(yè)，從而使船舶壁面除銹爬壁機器人具有高效除銹、自動化水平高和減少操作人員操作強度的性能;操作人員也以通過觀測船體表面的實際銹蝕狀況，根據(jù)除銹爬壁機器人的實際作業(yè)情況，隨時切換到人工操作狀態(tài)，以提高機器人的實時性、實用性和高效性。AT89C51AT89C51RS接口構(gòu)成，其作用是通過各功能按鍵向下位機發(fā)送指令，以實現(xiàn)對爬壁機器人伺服電機的遠程控制。下位機控制器安裝于機器人本體的背面，控制器內(nèi)部裝有兩個伺服電機驅(qū)AT89C51單片機系統(tǒng)為核心，主要由AT89C5181551/0DRS485標準接口構(gòu)成，其作用是根據(jù)上位機傳送的初始化參數(shù)和動作指令進行動作，控制左右兩個伺服驅(qū)1為除銹爬壁機器人控制系統(tǒng)總體框圖。圖1除銹爬墻機器人控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖！除銹爬壁機器人控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計下位機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計下位機控制系統(tǒng)是爬壁機器人控制系統(tǒng)的核心部分，其主要功能是實現(xiàn)對左右伺服整個下位機控制硬件主要由兩個伺服電機驅(qū)動器和下位單片機控制電路板構(gòu)成。下位單片機控制電路板主要輸出模擬量電壓信號來控制左右兩個伺服驅(qū)動器，進而控制左右兩個伺服電機的運轉(zhuǎn)，從而達到控制除銹爬壁機器人行走與轉(zhuǎn)向的目的，同時它又擔負著和上位機控制器之間的通訊任務(wù)，將上位機傳送過來的控制指令處理后，再將相應(yīng)的電AT89C51單8155FOD/A轉(zhuǎn)換與運算放大單元、數(shù)字量輸入輸出接口電路、電源RS485標準接口電路構(gòu)成。交流伺服電機驅(qū)動器根據(jù)前面對伺服電機的選型可知，本課題選用的是調(diào)速范圍寬、響應(yīng)快、抗干擾性SGAMH04AAA21SGDM04AD:Pn300將速度指令電壓設(shè)定為10V1所示。表1速度指令壓電與電極轉(zhuǎn)速對應(yīng)關(guān)系正常工作時，伺服驅(qū)動器接受來自單片機控制系統(tǒng)的伺服準備信號，使伺服電機通V~RFD/A生的模擬指令電壓信號來控制電機的轉(zhuǎn)速，并且通過模擬指令電壓的正負來確定電機的正反轉(zhuǎn)，從而確定爬壁機器人在船體表面上的行走速度和運動方向，同時單片機控制系統(tǒng)通過電平轉(zhuǎn)換電路檢測伺服驅(qū)動器的伺服狀態(tài)輸出信號，并根據(jù)接收到的信號對伺服驅(qū)動器進行相應(yīng)的控制。此外通過伺服電機的編碼器反饋，可以獲得伺服電機實際工作！2示意圖。圖2交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)控制接線示意圖AT89C51單片機及系統(tǒng)時鐘與復位電路AT89C51是美國ATMELCOMOSS4KB128個字節(jié)的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造。兼容標準MCS518位中央處理器(CPU)FlashFP]ROM允許在線編程或采AT89C518cPuFPEROM案，具有較高的性能價格比。AT89csl:MCS51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容。4KBFlash閃速擦寫存儲存儲器可循環(huán)寫入/1000。10年。寬工作電壓范圍:VCC2.7V6V。時鐘頻率范圍:OHz24MHz。3級加密保護。128x8BRAM。321/0接口線。216位定時/計數(shù)器。52個優(yōu)先級。UART通道。！空閑狀態(tài)維持低功耗和掉電狀態(tài)保存存儲內(nèi)容。圖3時鐘電路 圖4復位電路AT89C51RST為其提供了初始化手段，通過該引腳可以使程序從指O000HAT89C51RST1Oms以上的高電平時，單片機內(nèi)部則開始復位。RST保持高電平，則AT89C51RST由高電平變低電平以后，AT89C510000H34AT89C51電路。12M30pF122F的電容、IKIN4148二極管組成10FIOK22FIK的電阻，其好處是在滿足單片機可靠復位的前提下降低了復位引腳的對地阻抗，可以顯著增強單片機復位電路的抗干擾IN4148二極管的作用是起到快速泄放電容電量的功能，實現(xiàn)短時間內(nèi)多次復位。3.1.338155擴展1/0接口電路在爬壁機器人下位機控制系統(tǒng)中，兩個伺服驅(qū)動器正常工作所需單片機的輸入輸出信號較多，需占用AT89C51單片機大量的輸入輸出口線，而Pl8FOP3口的某些位線可作為輸16條，因此，為滿足系統(tǒng)需求，AT89C51單片機需要外擴輸入輸出(FO)接口芯片。AT89C51I/ORAM64KRAMFO！RAM存儲單元，CPURAM進行讀、寫操作。Iniel815SHFO256個字節(jié)RAM8PAPB6位并行口PC14/計數(shù)器?？梢詾閱纹瑱C提供22256字RAM8155H單片機接口，不需要增加任何硬件邏輯。因而其靈活方便，可作為單片機與多種外圍設(shè)備相連時的接口芯片。8155H40個引腳，采用雙列直插式封裝。AT89C511/081H5.58155HAT89C51P2.7口提供，即只有當P2.78155H芯片工作。8155HRAM1/010/麗PZ.O10/麗=0ADOAD78155HRAMRAM工作;10/麗=1AD78155HJ/O口的地址，選擇8155H的FO8155H1/0口，因此系統(tǒng)工作時應(yīng)使AT89C51P2.08155HFO口工作。8155H的讀選通信AT89C51單片機的而和麗口提供。當瓦=0，10/麗=1，而端為低電平時，8155HFOADOAD7供單片機讀入;當瓦=0，IO/麗=1，麗端為低電平時，8155HADO~AD78155HUO口。8155HALEAT89C51ALE端相連，其為高電平有效，當ALE=1ADOAD7上地址鎖存到“地址鎖存器”;否則，地址鎖存器處于封鎖狀態(tài)。8155HAT89C51單片機的復位端相連，都接到AT89C51的復位電路上，兩者共用一個復位電路。！圖5AT89C引單片機與8155H的接口電路原理在爬壁機器人的下位單片機控制系統(tǒng)中，伺服驅(qū)動器的伺服準備輸入信號和伺服狀AT89C518155H、PBPC口輸出和讀入的。AT89C518155HPBPC1/05.2所示。表28155H的I\O口編址5AT89C518155H芯片的連接方式以.28155HFO口編址，可知在該系統(tǒng)中，8155HA口、B口、C7F0lH、7F02H7FO3H7FOOH，但命令寄存器只能寫入不能讀出，狀態(tài)寄存器只能讀出不能寫入。A口、BC口的工8155H84位來定義的，具體命令控制字的格式如圖616218155HAc口工作方式后，可通過單片機編程將相應(yīng)8155H1/0在預定的方式下工作。在本控定義為輸出方式，允A16H。！圖6 8155命令控制字格式D/A轉(zhuǎn)換與運算放大電路由于在本控制系統(tǒng)中，爬壁除銹機器人的伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)采用的是模擬電壓控制，伺服電機的轉(zhuǎn)速與電壓成正比關(guān)系。而單片機只能輸出數(shù)字量，因此要獲得模擬量電壓必須對單片機輸出的數(shù)字量進行D/A轉(zhuǎn)換，進而通過模擬量電壓來控制伺服電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。本控制系統(tǒng)中要對兩個伺服電機實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的同步控制，因此需要兩路同步工作的D/A轉(zhuǎn)換與運算放大電路。由于兩個伺服電機完全相同，所以進行D/A轉(zhuǎn)換和運算放大的兩路電路也相同。下面就單路D/A轉(zhuǎn)換與運算放人電路作詳細介紹。D/ADAC08320P07運7控制。圖7D\A轉(zhuǎn)換與運算放大電路！DACO8328DAC20引腳雙列直88DAC8D/A性有8位分辨率;電流輸出，穩(wěn)定時間為1娜;可單緩沖、雙緩沖或直接數(shù)字輸入;只需在滿量程下調(diào)整其線性度;單一電源供電(+SV一+15V);DAC0832AT89C51單片F(xiàn)ODAC0832控制伺服電機所需要的是電壓信號，因此我們通過運算放大器OP(7DACO832的電流信號轉(zhuǎn)換成模擬量電壓信號。采用兩級運放電路的目的是為了獲得雙極性輸出電7中，RlR2R3為反饋電阻，變阻器R4為運算放大器的調(diào)零電阻，ClDAC0832的雙極性電壓輸出電路作進一步介紹。圖8 DACO832的雙極性電壓輸出電路如圖5.8所示為下位機控制電路板中DAC0832的雙極性電壓輸出電路圖。圖中，式中：根據(jù)基爾霍夫電流定律，任一瞬時，G點上電流的代數(shù)和恒等于零，則有:！由上式可得：由式(5.6)00H少<80HvREF相反電壓;當80H<BFFHVRE:相同，為正電壓;B80H時，OB模擬量輸出CNIVREFDAC0832D/A轉(zhuǎn)換和運算放大后產(chǎn)生相應(yīng)的模擬量電壓，從而使伺服電機在相應(yīng)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向下運行。圖9 兩片DAC0832與AT89C51單片機的雙緩沖方式接口電路D/A轉(zhuǎn)換和運算放大D/A轉(zhuǎn)換和運算放大產(chǎn)生的模擬量電壓的DAC0832工作于雙緩沖器方式時可保證這兩路模擬量電壓同步輸出，此時DACO832DAC9DAC0832AT89C51單片機的雙緩沖方式接口電路圖，該電路可得！到兩路同步輸出的模擬量電壓。由圖9可知，l#DAC0832的瓦與AT89C51單片機的PZ.l相連，2#DAC0832的AT89C51P2.2相連，l#2#DACO832AT89C51單片機的P2.31#DACO832FDFFH，2#DAC0832的輸入寄存器FBFFH，1#2#DAC0832DACF7FFH。正常工作時，AT89C51FDFFHFBFFHl#2#DAC08328F7FFH把輸入寄存器中的數(shù)8DACD/A路，便可以得到兩路同步輸出的模擬量電壓。數(shù)字量輸入輸出接口電路伺服驅(qū)動器除了需要模擬量電壓輸入來控制伺服電機運行外，其正常工作還需要有相應(yīng)的數(shù)字量輸入作為伺服控制信號，而且伺服驅(qū)動器的運行狀態(tài)信號也是通過數(shù)字量輸出的，因此，采用AT89C51單片機對伺服驅(qū)動器進行控制時，還需要設(shè)計相應(yīng)的數(shù)字量輸入輸出接口電路。AT89C511/08155H芯片擴展FOBC信號，AAT89C51Pl口的部分口線作為數(shù)字量輸入口，用來采集伺服驅(qū)動器的運行狀態(tài)信號。伺服驅(qū)動器的輸出(A2532線)8155H8155H采集該類信號，就需要在它們之間外加轉(zhuǎn)換電路。圖10IN可直接8155HPA口。圖10 伺服驅(qū)動器輸出轉(zhuǎn)換電路24V8155HSV，它TLP521！8155H11所示為單路伺服驅(qū)動器的數(shù)字量輸入轉(zhuǎn)換電路圖，輸入到伺服驅(qū)AT89C518155HPBPC口輸出。圖11 伺服驅(qū)動器的數(shù)字量輸入轉(zhuǎn)換電整個控制電路板的數(shù)字量輸入輸出接口電路如圖12所示。圖12 數(shù)字量輸入輸出接口電路485通訊接口電路由于除銹爬壁機器人在工作過程中要求其下位機控制系統(tǒng)與上位機控制系統(tǒng)之間30TTL1.5mRS485標準串行通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸。RS485是美國電氣工業(yè)聯(lián)合會(EIA)1.2km;Rs485！32最大傳輸速IOMbit/s。RS485協(xié)議是針對遠距離、高靈敏度、多點通訊制定的標準。RS485采用的是差分信號，與單片機的TTL電平不兼容，因此兩者接口時需MAX485RS485MAX485MaximRS芯片，采用單一電源+SV300A，采用半雙工通訊方式，它完成將TTLRS48513所示。圖13 MAx485芯片引腳結(jié)構(gòu)圖從圖13中可以看出，MAX485芯片的結(jié)構(gòu)和引腳都非常簡單，內(nèi)部含有一個驅(qū)動器和接收器。RO和Dl端分別為接收器的輸出端和驅(qū)動器的輸入端，麗和DE端分別0時，芯片處于接收狀態(tài);DE1時，芯MAX485工作于半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機的一個管腳控DE這兩個引腳即可。ABDE=1，1時，A引腳輸出高電平，B引腳輸出低電平;當發(fā)送的數(shù)據(jù)為邏0時，Ap輸出低電平，B引腳輸出高電平;OAB0.2VR輸出高電平;AB0.2VR輸出低電平。MAX485RODlTXD相連，麗端和DEFOMAX48514MAX485MAX485AB1200的電阻。！圖14 MAx485的通訊接口電路系統(tǒng)電源解決方案在本控制系統(tǒng)的設(shè)計中用到了多種電壓信號。除銹爬壁機器人的交流伺服電機、伺220V，開關(guān)電源可為下位機控制系統(tǒng)提供+24VSV和+SV等幾種直流電源。另外DACO832D/A轉(zhuǎn)換時還需要+lOV的參考基DC/DC轉(zhuǎn)換電路。在+1OVDC/DCMaximMX581作為轉(zhuǎn)換芯片，該芯片可814DA轉(zhuǎn)換器提供高精度的+lOV參考基準電源。MX581具有三個引腳，分別為電源輸入端+VSGND+VS輸入+12.5v一+3ovGND就能得到一個精度較高的+lOV元器件本身不可避免地會存在著一些偏差。為了確保其輸出的+1OV電壓具有更高的精MX58115所示。圖中的+lSV15V電壓可與開關(guān)電源的+1SV15VRR=220時，vouT120時，vouTR=3.95mV。圖15 +10V參考電壓DC/DC轉(zhuǎn)換電路！上位機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計圖16上下位機控制系統(tǒng)通訊接口電路連接原理圖AT89C51RS485RS485發(fā)送給下位機控制系統(tǒng)，使下位機產(chǎn)生相應(yīng)的動作控制左右伺服電機運動。在本控制系統(tǒng)中，上位機控制系統(tǒng)與下位機控制系統(tǒng)采用的單片機相同，都為RS485通訊電路與下位機控制系統(tǒng)中的也相同，都是采用MAX485芯片，兩控MAX485AB16避免傳輸?shù)男盘柺д?/p>