除锈爬壁机器人控制系统的设计

除锈爬壁机器人控制系统的设计

1前言

控制系统是船舶壁面除锈爬壁机器人的重要组成部分，其负责完成对除锈爬壁机器人的行走和转向功能的控制，使机器人能够按照预定的轨迹去工作，因此对除锈爬壁机器人控制系统提出如下基本要求:

(1)控制系统方便、可靠性高、操作灵活，便于操作人员使用;

(2)通过功能按键可以设定机器人的多极移动速度，并可实时调整运动方向和运动速度，实现

机器人在船体表面上的全方位移动;

(3)由于船舶除锈现场环境恶劣，除锈爬壁机器人的工作环境制约了其控制方式，

本系统采用简单实用、可靠性高的有线遥控，其控制距离需大于30米。

(4)控制系统能实现除锈爬壁机器人的简单作业，保证机器人在爬行过程中的除锈质量。

除锈爬壁机器人在船体表面上的行走和转向是通过左右两个交流伺服电机的驱动来实现的。当左右两个伺服电机的转速与转向相同时，爬壁除锈机器人在船体表面上实现直线行走。电机正转时，机器人前进;电机反转时，机器人后退。当左右两个伺服电机的转向相反时，除锈爬壁机器人在船体表面上实现转向。

综合考虑各种控制形式的优缺点，结合船舶除锈的实际情况，爬壁机器人的控制系统采用上下位机二级分布式控制方式，以保证即使在无操作人员参与的情况下，下位机

也可以按照上位机通过串口预先给定的指令和参数实现自主作业，从而使船舶壁面除锈爬壁机器人具有高效除锈、自动化水平高和减少操作人员操作强度的性能;操作人员也

以通过观测船体表面的实际锈蚀状况，根据除锈爬壁机器人的实际作业情况，随时切换到人工操作状态，以提高机器人的实时性、实用性和高效性。

在本控制系统中，上位机和下位机都是基于单片机而设计的。上位机是以AT89C51单片机系统为核心的控制系统，主要由AT89C51单片机、矩阵键盘以及标准的RS一485接口构成，其作用是通过各功能按键向下位机发送指令，以实现对爬壁机器人伺服电机的远程控制。下位机控制器安装于机器人本体的背面，控制器内部装有两个伺服电机驱动器、直流电源模块、和控制电路板。下位机控制电路板也是以AT89C51单片机系统

为核心，主要由AT89C51单片机、8155扩展1/0接口电路、D尽、转换与运算放大电路、数字量输入输出接口电路、电源转换电路以及与上位机进行通讯的RS一485标准接口构成，其作用是根据上位机传送的初始化参数和动作指令进行动作，控制左右两个伺服驱动器，驱动左右两个交流伺服电机运动，从而控制除锈爬壁机器人的行走和转向。图1 为除锈爬壁机器人控制系统总体框图。

图1除锈爬墙机器人控制系统总体结构框图

3.1下位机控制系统的硬件设计

下位机控制系统是爬壁机器人控制系统的核心部分，其主要功能是实现对左右伺服电机的运动控制以及与上位单片机控制系统之间进行通讯，以完成对机器人作业的控制。

整个下位机控制硬件主要由两个伺服电机驱动器和下位单片机控制电路板构成。下位单片机控制电路板主要输出模拟量电压信号来控制左右两个伺服驱动器，进而控制左右两个伺服电机的运转，从而达到控制除锈爬壁机器人行走与转向的目的，同时它又担负着和上位机控制器之间的通讯任务，将上位机传送过来的控制指令处理后，再将相应的电压信号传递给伺服驱动器，从而实现遥控操作的功能。整个下位机电路板由AT89C51单片机、8155FO口扩展电路、D/A转换与运算放大单元、数字量输入输出接口电路、电源转换电路以及与上位机进行通讯的RS一485标准接口电路构成。

3.1.1交流伺服电机驱动器

根据前面对伺服电机的选型可知，本课题选用的是调速范围宽、响应快、抗干扰性强的安川SGAMH一04AAA21型交流伺服电机，与之相匹配的伺服驱动器型号为SGDM 一04AD。该伺服驱动器有三种控制模式:速度控制模式、转矩控制模式和位置控制模式。

本系统采用速度控制模式，可通过伺服驱动器的用户参数Pn300将速度指令电压设定为士10V，其电机转速与指令电压成线性关系，速度指令电压与电机转速对应关系如表1所示[1]。

表1速度指令压电与电极转速对应关系

正常工作时，伺服驱动器接受来自单片机控制系统的伺服准备信号，使伺服电机通电，处于运行状态，然后根据加在V~R卫F端口上的由单片机控制系统D/A转换电路产生的模拟指令电压信号来控制电机的转速，并且通过模拟指令电压的正负来确定电机的正反转，从而确定爬壁机器人在船体表面上的行走速度和运动方向，同时单片机控制系统通过电平转换电路检测伺服驱动器的伺服状态输出信号，并根据接收到的信号对伺服驱动器进行相应的控制。此外通过伺服电机的编码器反馈，可以获得伺服电机实际工作

时转子的位置和电机的转速。如图2所示为爬壁机器人单侧交流伺服驱动系统控制接线示意图。

图2交流伺服驱动系统控制接线示意图

3.1.2AT89C51单片机及系统时钟与复位电路

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能COMOSS位单片机，片内含4KB 的可反复擦写的程序存储器和128个字节的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用

ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造。兼容标准MCS一51指令系统，片内配置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元。芯片上的FP]三ROM允许在线编程或采用通用的非易失存储编程器对程序存储器重复编程。AT89C51将具有多种功能的8位cPu 和FPEROM结合在一个芯片上，为很多嵌入式控制应用提供了非常灵活而又价格适宜方案，具有较高的性能价格比[2]。AT89csl单片机的主要性能如下:

1.与MCS一51产品指令系统完全兼容。

2.片内有4KB可在线重复编程的Flash闪速擦写存储

3.存储器可循环写入/擦除1000。

4.存储数据保存时间为10年。

5.宽工作电压范围:VCC可为2.7V一6V。

6.时钟频率范围:OHz一24MHz。

7.程序存储器具有3级加密保护。

8.128x8B内部RAM。

9.32个可编程1/0接口线。

10.2个16位定时/计数器。

11.中断结构具有5个中断源和2个优先级。

12.可编程全双工串行UART通道。