防護(hù)工程風(fēng)管清掃機(jī)器人車載控制系統(tǒng)設(shè)計

茅靳豐，劉立瑤，張 虎，侯普民，鄧忠凱

(1. 解放軍理工大學(xué) 國防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007; 2. 后勤工程學(xué)院，重慶 401331)

防護(hù)工程風(fēng)管清掃機(jī)器人車載控制系統(tǒng)設(shè)計

茅靳豐1，劉立瑤1，張 虎2，侯普民1，鄧忠凱1

(1. 解放軍理工大學(xué) 國防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007; 2. 后勤工程學(xué)院，重慶 401331)

為提高防護(hù)工程內(nèi)部空氣環(huán)境質(zhì)量，針對平戰(zhàn)兩用風(fēng)管清掃機(jī)器人設(shè)計了一種控制系統(tǒng)。首先設(shè)計了清掃機(jī)器人的電氣控制方式，并繪制了機(jī)器人車載控制系統(tǒng)的電路框圖。對車載控制系統(tǒng)的五個主要部分進(jìn)行了設(shè)計，繪制了車載控制系統(tǒng)的框圖，并制作了車載控制系統(tǒng)PCB板。將該控制系統(tǒng)用于清掃機(jī)器人，進(jìn)行了樣機(jī)的設(shè)計制作，綜合性能良好。

風(fēng)管清掃；機(jī)器人；車載控制系統(tǒng)

Abstract: In order to improve the quality of the internal air environment of the protective engineering, a control system was designed for the flat-war dual-use duct cleaning robot. The electrical control mode of the cleaning robot is designed, and the circuit block diagram of the robot vehicle control system is drawn. The five main parts of the vehicle control system are designed, the block diagram of the vehicle control system is drawn, and the car control system PCB board is made. The control system was used to clean the robot and the prototype was designed, which shows a good comprehensive performance.

Key words:duct cleaning; robots; vehicle control system

0 引言

防護(hù)工程是戰(zhàn)時我方人員的主要活動場所，工程內(nèi)部的環(huán)境關(guān)系到人員的身體健康，必須采取有效措施完善工程內(nèi)部的空氣環(huán)境[1]。目前，大部分防護(hù)工程已經(jīng)進(jìn)入維護(hù)時期，由于風(fēng)管中具有適宜的溫度條件、濕度條件和足夠聚集區(qū)域的塵埃，就容易孽生或繁殖一些微生物，如細(xì)菌、病毒、螨蟲、真菌和昆蟲，這些都嚴(yán)重污染了工程內(nèi)部的空氣環(huán)境。在遭到核生化武器攻擊時，通風(fēng)口部會沾染嚴(yán)重的生化污染或放射性物質(zhì)(氯化氰和氰氫酸等)，這些成分在清潔通風(fēng)時，會對人員造成致命傷害，必須完全清除。因此，為各個使用和維護(hù)單位研制一種智能化且適合平戰(zhàn)兩用的風(fēng)管清掃機(jī)器人意義重大。

1 清掃機(jī)器人電氣控制方式

本文研究的風(fēng)管清掃機(jī)器人采用上、下位機(jī)通過RS485進(jìn)行串行通信的形式。上位機(jī)(PC)主要負(fù)責(zé)發(fā)送動作指令，接收超聲波傳感器的反饋信息。下位機(jī)主要負(fù)責(zé)采集超聲波傳感器的信息，控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。清掃機(jī)器人的電氣控制方式如圖1所示，從結(jié)構(gòu)上劃分，機(jī)器人電氣控制系統(tǒng)主要包含三個部分，即PC監(jiān)控系統(tǒng)(上位機(jī))、車載控制系統(tǒng)(下位機(jī))、視頻監(jiān)測系統(tǒng)。車載控制系統(tǒng)一方面直接控制機(jī)器人電機(jī)的動作，另一方面實時采集測距傳感器的數(shù)據(jù)。

圖1 清掃機(jī)器人電氣控制方式

2 機(jī)器人車載控制系統(tǒng)

機(jī)器人車載控制系統(tǒng)的電路框圖如圖2所示，主要包括Atmega16主控芯片、電機(jī)驅(qū)動電路、通信電路、超聲波傳感器信號收發(fā)電路和電源電路五個部分，下面對這五個主要部分進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖2 機(jī)器人車載控制系統(tǒng)電路框圖

2.1 Atmega16主控芯片

作為車載控制系統(tǒng)的核心器件，經(jīng)過比較，系統(tǒng)選用8位高性能的Atmega16微處理器，它是新一代基于哈佛結(jié)構(gòu)的高速精簡指令集計算機(jī)(Reduced Instruction Set Computer，RISC)微控制器，具有速度快、價格低、可靠性高、I/O口驅(qū)動能力強(qiáng)和片內(nèi)集成外設(shè)資源豐富等特點[2]。

2.2電機(jī)驅(qū)動電路

電機(jī)驅(qū)動電路如圖3所示，為了保證更高的可靠性，采用傳統(tǒng)型繼電器來完成電機(jī)工作狀態(tài)控制，單片機(jī)信號通過三極管進(jìn)行功率放大，即可由端口直接控制繼電器線圈的通電和斷電，實現(xiàn)對繼電器觸點通斷的控制。其中D2為反向保護(hù)二極管，可在繼電器斷開瞬間防止出現(xiàn)較大的感應(yīng)電壓擊穿三極管；Q2為三極管，作用是放大功率，驅(qū)動繼電器動作；DS2為工作指示燈，當(dāng)繼電器吸合時燈亮，其中R5為限流電阻。

圖3 電機(jī)驅(qū)動電路

單片機(jī)外接的電機(jī)驅(qū)動電路主要包括：機(jī)器人底盤電機(jī)2個(左右)、左側(cè)刷電機(jī)2個(上下)、右側(cè)刷電機(jī)2個(上下)、地刷電機(jī)2個(左右)、吸塵器電機(jī)1個。由于地刷同時工作，因此只需一路控制電路。由于機(jī)器人采用單邊清掃，因此左側(cè)刷和右側(cè)刷各需一路控制信號。所以，控制電路板上要有6路電機(jī)驅(qū)動電路。由于毛刷電機(jī)和底盤電機(jī)均采用24 V供電，因此選用24 V繼電器進(jìn)行控制。吸塵器采用220 V供電，所以要選用220 V繼電器。

2.3超聲波傳感器收發(fā)電路

(1)超聲波發(fā)送電路

超聲波發(fā)射電路由超聲波探頭和超聲波放大器組成。超聲波探頭將電信號轉(zhuǎn)換為機(jī)械波發(fā)射出去，而單片機(jī)所產(chǎn)生的40 kHz的方波脈沖需要進(jìn)行放大才能將超聲波探頭驅(qū)動將超聲波發(fā)射出去，所以發(fā)射驅(qū)動實際上就是一個信號的放大電路，選用74LS04芯片進(jìn)行信號放大，超聲波發(fā)射電路如圖4所示。工作時，由單片機(jī)產(chǎn)生40 kHz的脈沖從P0.1口向超聲波的發(fā)射電路部分發(fā)出信號，再經(jīng)74LS04放大電路放大后，驅(qū)動超聲波探頭將超聲波發(fā)射出去。

圖4 超聲波發(fā)射電路

(2)超聲波接收電路

由于超聲波在空氣中傳播的過程中是有衰減的，如果距離較遠(yuǎn)，那么超聲波接收電路所接收到的超聲波信號就會比較微弱，因此需要對接收到的信號進(jìn)行放大而且放大的倍數(shù)也要比較大。超聲波接收電路主要是由集成電路CX20106A芯片電路構(gòu)成的，CX20106A芯片電路可以對超聲波信號進(jìn)行放大、限幅、帶通濾波、峰值檢波、整形、比較等操作，之后超聲波接收電路會輸出一個低電平到單片機(jī)去請求中斷，當(dāng)單片機(jī)停止計數(shù)時，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。超聲波接收電路如圖5所示。

圖5 超聲波接收電路

2.4通信電路

通信電路的作用是實現(xiàn)風(fēng)管清掃機(jī)器人與PC之間的通信，使工作人員能夠通過控制器對風(fēng)管中作業(yè)的機(jī)器人進(jìn)行各項動作控制。根據(jù)風(fēng)管清掃機(jī)器人的研制要求，機(jī)器人在風(fēng)管內(nèi)作業(yè)的最大距離有30 m，RS485總線最大傳輸距離為1.2 km，最大速率可達(dá)10 Mb/s，完全可以滿足風(fēng)管清掃機(jī)器人的距離要求，也能夠滿足通信的實時性要求。另外，RS485總線具有可靠性高、成本低、開發(fā)時間短等優(yōu)勢，所以本系統(tǒng)選擇采用RS485通信技術(shù)。

通信電路原理如圖6所示，選用MAX485作為RS485接口器件，MAX485為低功耗的半雙工RS485收發(fā)器件，其波特率可高達(dá)2.5 Mb/s，DC 5 V電壓供電，其輸出和輸入ESD保護(hù)電壓可達(dá)15 kV，MAX485芯片引腳1接Atmega16的PD0(RXD)，即USART的數(shù)據(jù)接收引腳，MAX485芯片引腳4接Atmega16的PD1(TXD)，即USART的數(shù)據(jù)發(fā)送引腳，同時將MAX485芯片引腳2(接收輸出使能，低電平有效)和MAX485芯片引腳3(發(fā)送輸出使能，高電平有效)接在PD2引腳上，當(dāng)PD2為高電平時，RS485處于發(fā)送狀態(tài)，當(dāng)PD1為低電平時，RS485處于接收狀態(tài)。C5、C7、C8均為0.1 μF電容，起電路濾波作用；R17、R22、R23、R24、R25為高阻值電阻，起限流作用。

圖6 通信電路原理圖

2.5電源電路

為了滿足微處理器電路對5 V電壓源的需求，采用集成穩(wěn)壓電源LM7805實現(xiàn)DC 12 V電壓到DC 5 V電壓的轉(zhuǎn)換，電源電路原理如圖7所示，C1和C2為鋁電解電容，因為輸出電流小于5 A，且交流電網(wǎng)干擾中大部分是高次諧波，故采用100 μF濾除50 Hz以上的高次諧波；C3和C4為高頻陶瓷電容或聚酯電容，選用0.1 μF/63 V，濾除電源中的高頻諧波。LM7805三端穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，性能可靠、使用簡便，并且具有較高的性價比[3]。

圖7 電源電路原理圖

3 車載控制系統(tǒng)PCB板的制作

3.1單片機(jī)端口的分配

由前面分析可知車載控制系統(tǒng)電路板的外接電路主要包括：電源模塊、通信模塊、電機(jī)模塊、傳感器模塊。其中電機(jī)模塊包括：地刷電機(jī)、側(cè)刷電機(jī)(左、右)、左輪電機(jī)、右輪電機(jī)、吸塵器電機(jī)。傳感器模塊包括：左前、右前、左后、右后四個超聲波傳感器。由于Atmega16主控芯片具有32個高驅(qū)動能力可編程I/O端口，如何分配I/O端口對電路板的可靠性和程序的編寫至關(guān)重要。本項目車載控制系統(tǒng)采用了以Atmega16主控芯片為系統(tǒng)核心部件的集散控制，車載控制系統(tǒng)的框圖如圖8所示。

Atmega16單片機(jī)共有PA、PB、PC、PD 4個8位I/O端口。作為最小系統(tǒng)板，需要將這4個I/O端口進(jìn)行合理的分配。根據(jù)需求分析， PA、PB主要作為輸出端口，用來控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，主要包括頂刷電機(jī)、地刷電機(jī)、側(cè)刷電機(jī)、左輪電機(jī)、右輪電機(jī)、吸塵器電機(jī)。PC主要作為輸入端口，用來采集傳感器測得的距離。PD口主要作為第二功能端口，主要包括通信端口、JTAG仿真接口電路。具體的分配情況如表1所示。

圖8 車載控制系統(tǒng)框圖

端口PA0PA1PA2PA3PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7PC1?PC7PA7PD5?PD7PD0?PD2功能右輪電機(jī)左輪電機(jī)左側(cè)刷電機(jī)右側(cè)刷電機(jī)地刷電機(jī)吸塵器電機(jī)超聲波傳感器狀態(tài)指示燈ISP在線編程口通信接口

3.2 PCB電路板

根據(jù)車載控制系統(tǒng)各組成部件的電路設(shè)置以及單片機(jī)的端口分配情況，研制了車載控制系統(tǒng)的主控制板。在研制主控制板時，充分考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，嚴(yán)格按照文獻(xiàn)[4]所列舉的研制原則進(jìn)行。本文研究的車載控制系統(tǒng)的PCB印刷電路板以及電路板性能可靠。通過實地測試，該清掃機(jī)器人綜合性能良好。

4 結(jié)論

本文針對平戰(zhàn)兩用風(fēng)管清掃機(jī)器人設(shè)計了一種控制系統(tǒng)，清掃機(jī)器人的電氣控制方式采用上、下位機(jī)通過RS485進(jìn)行串行通信的形式，并繪制了機(jī)器人車載控制系統(tǒng)的電路框圖。對車載控制系統(tǒng)的五個主要部分進(jìn)行了設(shè)計，主要包括Atmega16主控芯片、電機(jī)驅(qū)動電路、通信電路、超聲波傳感器信號收發(fā)電路和電源電路。繪制了車載控制系統(tǒng)的框圖，并制作了車載控制系統(tǒng)PCB板。將該控制系統(tǒng)用于清掃機(jī)器人，進(jìn)行了樣機(jī)的設(shè)計，經(jīng)實地測試性能良好。

[1] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局GB 19210—2003空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)清洗規(guī)范[S].2003.

[2] 陳會鴿.基于機(jī)器視覺的中央空調(diào)風(fēng)管清潔機(jī)器人測控系統(tǒng)研究[D].鄭州：河南工業(yè)大學(xué)，2010.

[3] 章霄，董艷雪，趙文娟，等.數(shù)字圖像處理技術(shù)[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，2005.

[4] 黃智偉.印制電路板(PCB)設(shè)計技術(shù)與實踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

Design of vehicle control system for duct cleaning robot of protective engineering

Mao Jinfeng1, Liu Liyao1, Zhang Hu2, Hou Pumin1, Deng Zhongkai1

(1. College of Defense Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China; 2. Logistic Engineering University of PLA,Chongqing 401331)

TP242.3

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.18.011

茅靳豐，劉立瑤，張虎，等.防護(hù)工程風(fēng)管清掃機(jī)器人車載控制系統(tǒng)設(shè)計[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(18)：36-38,42.

2017-03-17)

茅靳豐(1962-)，男，博士，教授，主要研究方向：防護(hù)工程內(nèi)部設(shè)備及系統(tǒng)。

劉立瑤(1993-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：防護(hù)工程內(nèi)部設(shè)備及系統(tǒng)。E-mail:lly19930317@126.com。