基于搜救機器人的DC—DC電源設計

摘 要：搜救機器人，為救援而采取先進科學技術研制的機器人，近些年由于各種災害的頻繁發生，搜救機器人在救援過程中起到了至關重要的作用，但是由于機器人電源的缺陷，給搜救工作帶來了一些不利影響。本文研究搜救機器人的DC-DC電源，從硬件電路設計、控制算法、軟件設計三個方面詳細具體的闡述了電源的設計過程，以STM32為控制核心，從硬件和軟件兩方面提高電路精確度，改善搜救機器人因為電壓不足或者缺少漏電保護造成搜救無法完成的嚴重后果。

關鍵詞： 搜救機器人 DC-DC電源 PDI控制 穩壓

中圖分類號：TM44 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）01（A）-0000-00

由于自然災害、恐怖活動等原因，災難經常發生。搜救機器人的研究給搜救工作帶來很大的方便。特別是在災難發生后，搜救機器人能夠提高搜救效率，減少人員傷亡，失蹤等不幸事故，更好的為社會服務。但是搜救機器人經常由于電池問題造成無法完成搜救任務。本設計是一個智能DC-DC電源，大大改善了搜救機器人的電源問題，提高了搜救機器人的搜救功能。

1 硬件電路設計

總體硬件電路如圖1所示。當搜救機器人的電源電壓在5.5～25V變化時，經過智能直流穩壓電源調整模塊后穩壓輸出5V或者機器人所需要電壓。整個過程為電壓提升、放大和穩壓調整電路，使輸出電流1A。帶負載的過程中輸出電壓變化<1%。這樣智能電源為搜救機器人工作提供了保障。

采樣調后的模擬電壓，經過A/D模數轉換后由微控制器進行分析，處理的結果再通過D/A數模轉換反饋給放大電路去比較，顯示模塊實時顯示各項參數。當發現漏電流大于30mA，漏電保護動作，切斷工作電路，等排除漏電故障后，電路重新開始工作。

圖1總體框圖

本設計采用的CPU是Cortex‐M3，它是一個32位處理器內核。內部的數據路徑是32位的，寄存器是32位的，存儲器接口也是32位的。CM3 采用了哈佛結構，擁有獨立的指令總線和數據總線，可以讓取指與數據訪問并行不悖。這樣一來數據訪問不再占用指令總線，從而提升了性能。為實現這個特性，CM3內部含有好幾條總線接口，每條都為自己的應用場合優化過，并且它們可以并行工作。但是另一方面，指令總線和數據總線共享同一個存儲器空間（一個統一的存儲器系統）。

2 控制算法

在設計中，采用了（比例、積分、微分）PID調節控制。它以結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。本設計被控對象的結構和參數不能完全掌握，得不到精確的數學模型，應用PID控制技術最為方便，本系統根據系統的誤差，利用比例計算出控制量進行控制。

△U（k）=Ae（k）-Be（k-1）+Ce（k-2） ；

A=Kp（1+T/Ti+Td/T） ；

B=Kp（1+2Td/T） ；

C=KpTd/T。

T采樣周期，Td微分時間，Ti積分時間，用上面的算法可以構造本設計的PID算法： U（K）=U（K-1）+△U（K）。

電源穩壓過程是一個閉環控制系統，特點是系統被控電壓的輸出會反送回來影響微控制器的電壓輸出，形成負反饋控制系統，本設計中控制器的輸出電壓與輸入電壓誤差成比例關系。PID控制比例參數KP =0.02，穩壓調整后電壓為5V，所以STM32輸出到LM324電路的電壓計算公式為：

式中U測量為系統被控采樣負載電壓，U輸出為控制器輸出電壓。

在軟件設計中采用PID比例調節、八階平均值濾波和一階滯后濾波，有效的濾去了采樣數據的脈沖干擾，提高了系統的精度，硬件電路采用成熟簡單的電路，盡量減小漏電保護裝置的接入功耗。一般平均值濾波法，把干擾“平均”到計算結果中去，故平均值法不易消除由于脈沖干擾而引起的采樣值偏差。八階平均值濾波法先對N個數據進行比較，去掉其中的最大值和最小值，然后計算余下的N-2個數據的算術平均值， 計算中我們取N=8，計算公式

一階滯后濾波器計算公式

濾波系數Q=T/（T+τ） ，其中T為采樣周期，τ為數字濾波器的時間常數，我們在程序設計中采用八階平均值濾波和一階滯后濾波較好地實現了對采樣數據干擾的濾除。

3 軟件設計

本設計用keilc51編程。采用了PID控制算法，并對采樣后的信號進行分析，每部分完成兩路模數轉換控制，以及轉換后數字信號的處理，測量出系統參數并實時顯示功率、電壓、電流。DAC輸出是微控制器處理后的數據再經過內部D/A轉換輸入到LM324放大電路進行同相比較的電壓信號，通過PID調整[4]確保穩壓輸出供電。將檢測到的電壓反饋信號與設定的標準電壓AD值比較， 求出偏離AD值的偏差信號與偏差信號的變化率。保證機器人正常工作電壓和電流。程序流程圖設計如圖2所示。

圖2部分程序流程設計

4 結論

本系統以STM32控制電路為核心，精確設計電路板，盡量做到減小電磁干擾；充分利用軟件編程，并采用軟件補償，彌補元器件精度不足。本設計模擬電路處理和微控制器軟件處理并重，得到了精度較高的各項參數，設計靈活較容易實現。

參考文獻

[1] 倪志蓮，單片機系統設計與制作[M]，機械工業出版社，2012-09；

[2] 朱世強，王宣銀，機器人技術及應用[M]，浙江大學出版社，2001-07；

[3] John Williams， Neil Bergmann. Embedded Linux as a platform for dynamically self reconfiguring systems on chip [A]. In： Pro-ceedings Engineering of Reconfigurable Systems and Algorithms（ERSA 2004） [C]. Las Vegas， Nevada，USA.2004.