越障小車運動控制系統(tǒng)設計

王 俊，盧 剛，張松松

(西北工業(yè)大學，陜西西安710072)

0引 言

越障小車是一種典型的機電一體化產品，綜合了機械、電子、計算機控制、車輛工程等諸多學科的研究成果，它能夠在極端惡劣的環(huán)境下工作，完成人類無法進行的任務，在航天探索、軍事、反恐防爆、抗震救災、核能等領域有著廣泛的應用［1-3］。本文設計的小車的越障功能是通過在四個驅動軸上安裝擺臂輪腿實現(xiàn)的，其結構如圖1所示。

圖1 越障小車的結構

當小車在平坦路面行駛時，輪腿上擺，四個驅動輪著地驅動其運行。當遇到障礙物時，驅動輪腿使驅動輪抬起實現(xiàn)越障功能，如圖2(a)所示。小車可以通過調節(jié)兩側輪腿使其形成一定角度差從而實現(xiàn)在斜坡上橫向平穩(wěn)運行，如圖2(b)所示。

圖2 輪腿組合式運動示意圖

1運動控制系統(tǒng)的整體設計

小車的4個驅動輪和4個輪腿全部使用獨立的伺服驅動系統(tǒng)，從而確保了被控對象具有很大的控制自由度和很強的適應性和機動性。設計了超聲波收發(fā)電路以獲取障礙物的距離和位置信息，在車體每組輪腿附近不同高度處分別安裝了兩個超聲波傳感器，采用這種不同高度位置的一對超聲波傳感器不但可以獲取障礙物距離和位置信息，而且可以計算出障礙物的高度和坡度信息，從而能夠判斷小車能否越過障礙物，如果障礙物尺寸過大，可采用繞行方式前進。為了使小車的運行更加準確可靠，采用速度和位置的閉環(huán)控制。控制系統(tǒng)的整體結構如圖3所示。

控制系統(tǒng)采用了多處理器分布式控制方式。采用這種上下位機分布式結構，上位機負責接收控制終端(PC)發(fā)來的指令信號，并進行相應處理，然后將計算結果發(fā)送給各下位機以驅動相應的運動單元，同時上位機還要監(jiān)視小車的各種運動參數(shù)并及時發(fā)送到控制終端;下位機由多個微控制器構成，每個微控制器負責控制一個運動關節(jié)的運動。

圖3 控制系統(tǒng)總體結構

2控制系統(tǒng)的硬件設計

本文使用了高效、控制性能優(yōu)越的無刷直流電動機作為各運動單元的伺服電動機，從而進一步提高了小車的驅動效果。各個伺服電動機通過獨立的伺服單元控制器控制運行。經(jīng)綜合比較，選用了微芯公司的高性能數(shù)字信號控制器dsPIC30f4011作為各伺服單元控制器及主控制器的控制芯片，該處理器采用了改進的哈佛架構，CPU內核集成了DSP引擎，具有豐富的外圍接口設備模塊和快速的中斷處理能力，速度高達30 MIPS［4］，完全滿足本設計的要求。功率驅動部分選用了六輸出IR2130驅動芯片，IR2130是IR公司推出的高壓集成驅動器，有六路輸入輸出信號且只需要一路控制電源［5］，由于選用的伺服電機是三相無刷直流電動機，這樣每個運動單元的伺服控制器只需要一片驅動芯片，從而硬件結構得到了簡化，系統(tǒng)的整體可靠性得到進一步提升。

通過軟件編程使控制器輸出一定頻率的方波信號提供給超聲波換能器，使用了74LS04對其進行功率放大以擴大測距范圍。選用集成芯片CX20106設計了具有較高增益和信噪比的超聲波接收電路，能夠有效地接收并識別超聲回波，CX20106是一款應用廣泛的紅外線檢波接收專用芯片，具有功能強、性能優(yōu)越、外圍接口簡單、成本低等優(yōu)點。

控制終端和車載主控制器之間使用串口UART通訊，主控制器和運動單元控制器之間通過可靠性高、抗干擾能力強的 CAN總線通訊。選用了PAC82C250收發(fā)器作為CAN控制器和CAN總線之間的接口，提高了對總線的差動收發(fā)能力。根據(jù)使用的無刷直流電動機的規(guī)格，選用了ST公司的MOSFET STP80NF10作為功率開關管，設計了三相橋式逆變器，并且設計了靜電吸收電路和RCD緩沖電路對功率開關管進行保護。控制系統(tǒng)的硬件框圖如圖4所示。

圖4 硬件設計總體框圖

3控制系統(tǒng)的軟件設計

車載主控制器的任務是從串口接收控制終端的命令然后通過CAN總線發(fā)送給各個運動單元控制器。其軟件部分由主程序和CAN中斷服務程序組成。主程序中首先配置了處理器的相關寄存器，并對相關模塊進行了初始化，然后等待傳遞控制終端的命令和下位機發(fā)來的位置、速度等參數(shù)，主控制器程序流程圖如圖5所示。

圖5 主控制器程序流程圖

各個運動單元控制器接收主控制器的運動指令并調制PWM脈寬從而控制無刷直流電機運行。如圖6所示，主函數(shù)中首先配置端口輸入輸出方向，初始化全局變量，調用各模塊初始化函數(shù)，并使能模塊，然后進入死循環(huán)。死循環(huán)中不斷檢測是否需要解包數(shù)據(jù)，清看門狗并點亮LED指示工作狀態(tài)。

圖6 驅動輪控制器主程序流程圖

無刷直流電動機的閉環(huán)控制和換向工作是在PWM中斷程序中完成的。當PWM中斷被觸發(fā)時，根據(jù)本次和上次HALL信號值，控制各路PWM輸出的開關狀態(tài);根據(jù)目標值和反饋值之間的誤差，調用PID計算子函數(shù)計算控制輸出，進行占空比限幅，更新正在工作的兩路PWM占空比寄存器。程序流程圖如圖7所示。

圖7PWM1H、PWM1L的輸出波形

4實驗結果

(1)電機驅動信號測試。為了防止產生人耳可聽見的噪聲，功率器件斬波頻率設計在20 kHz，時基計數(shù)為向上向下模式。電機的PWM采用互補輸出模式，為防止逆變器中同一橋臂的兩個功率MOSFET同時導通造成短路的情況發(fā)生，需要在其間插入一個死區(qū)時間，確保開關安全，如圖8所示，驅動信號死區(qū)時間設置為2．5 ns。

(2)輪式運動測試。本文使用正弦信號指令進行對越障小車驅動輪電機測試，當驅動輪電機空載時，其速度閉環(huán)曲線如圖8所示。在低速運行，速度變化率很大，速度閉環(huán)誤差也比較大，在電機轉速比較高時，系統(tǒng)響應速度快，速度閉環(huán)效果比較好。

圖8 驅動輪運動實時曲線(速度閉環(huán))

(3)擺腿運動測試。本文通過爬越臺階試驗對小車的越障功能進行驗證。如圖9所示，當超聲波傳感器檢測到障礙物離驅動輪足夠近時，對應的擺腿旋轉一定角度，接觸到臺階，支撐車體，使小車前半部分抬高，前兩驅動輪懸空后，四個助動輪及后兩驅動輪與地面接觸，后兩驅動輪驅動小車繼續(xù)運動，小車前部跨上臺階。后輪爬越過程與前輪類似。試驗證明小車越障能力較好。

圖9 小車爬越臺階

5結 語

本文采用數(shù)字信號控制器dsPIC30f4011作為主從控制器設計的具有越障功能的小車，通過一個主控制器協(xié)調各伺服控制器輸出相應脈寬的PWM波形控制無刷直流電動機各相繞組電流，從而達到控制小車正常運行的目的。同時采用的四輪獨立驅動增加了小車的運動的靈活機動性。控制系統(tǒng)的硬件結構、簡單實時可靠性高，經(jīng)過反復測試，實驗結果證明了該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、動態(tài)特性良好，且具有較高的實用價值和良好的應用前景。

［1］ Lacagnina M，Muscato G，Sinatra R．Kinematics，dynamics and control of a hybrid robot Wheeleg［J］．Robotics and Autonomous Systems，2003，45(9):161-180．

［2］ Sreenivasan S V，Wilcox B H．Stability and traction control of an actively actuated micro-rover［J］．Journal of Robotic Systems，1994，11(6):487-502．

［3］ Brooks R．A robust layered control system for a mobile robot［J］．IEEE Journal of Robotics and Automation，1986:14-23．

［4］ Microchip Technology Inc．dsPIC30F系列參考手冊-高性能數(shù)字信號控制器［M］．Microchip Technology Inc，2005．

［5］ Saridis G N．Toward the realization of intelligent controls［J］．Proceedings of the IEEE，1979，67(8):1115-1133．