激光雷達(dá)云臺(tái)開(kāi)發(fā)

曾加柱 洪鑫龍 王世龍 覃柏偉

（中國(guó)民航大學(xué)，天津300000）

云臺(tái)作為光電一體化設(shè)備的載體，可搭載激光雷達(dá)、監(jiān)控?cái)z像頭、探照燈等設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備自由度和工作空間的擴(kuò)展。大型云臺(tái)的應(yīng)用上有農(nóng)業(yè)機(jī)器人云臺(tái)、全海深水下云臺(tái)，農(nóng)業(yè)機(jī)器人云臺(tái)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有農(nóng)作物噴灑、園林監(jiān)控等作用，水下云臺(tái)技術(shù)常應(yīng)用于攝影拍攝、水下結(jié)構(gòu)監(jiān)控和水下機(jī)器人作業(yè)設(shè)備中。此款激光雷達(dá)云臺(tái)即是在便攜式云臺(tái)及較大型電動(dòng)云臺(tái)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行云臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的補(bǔ)缺與控制性能的增強(qiáng)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 云臺(tái)材料選擇

根據(jù)設(shè)計(jì)需求，本云臺(tái)應(yīng)具有5kg 的載重要求，所以云臺(tái)材料的選擇既要滿(mǎn)足載重情況下不發(fā)生形變的強(qiáng)度要求，也要降低云臺(tái)內(nèi)部轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能損耗。因此云臺(tái)的俯仰運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及用于安裝電機(jī)、傳動(dòng)軸、齒輪、軸承的水平轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用高強(qiáng)度鋁。云臺(tái)底座配合俯仰和水平運(yùn)動(dòng)，用于承載云臺(tái)整體自重且內(nèi)部無(wú)設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)部件，故采用強(qiáng)度更高、密度更大的鑄鐵材料。

圖1 激光雷達(dá)云臺(tái)結(jié)構(gòu)

1.2 俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

與激光雷達(dá)連接的俯仰運(yùn)動(dòng)板塊1，其尺寸為250*160 厚度為6，并在其上開(kāi)孔，用于云臺(tái)與雷達(dá)、載重物等兼容連接。平衡板塊用于俯仰運(yùn)動(dòng)板與俯仰運(yùn)動(dòng)軸連接。平衡板2 的尺寸為上部160 下部70 高度200，上部到下部逐漸縮短，此平衡板與俯仰運(yùn)動(dòng)板通過(guò)螺釘螺母配合連接。平衡板通過(guò)螺孔與固定法蘭軸座螺釘螺母連接，法蘭座與俯仰運(yùn)動(dòng)軸無(wú)頭內(nèi)六角螺絲連接，可以實(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動(dòng)軸帶動(dòng)平衡板轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)俯仰平臺(tái)和載重物做俯仰運(yùn)動(dòng)，如圖1。

1.3 水平轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

水平轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分為用于裝載電機(jī)、安裝轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、軸承的部分和用于承載云臺(tái)整體質(zhì)量的底座部分。為安放電機(jī)支架、軸承、軸及連接板材需在A、B、C、D 各板材上打光孔。為整體美觀(guān)又盡量減輕自重，在中部沒(méi)有承重板材覆蓋區(qū)域設(shè)計(jì)樹(shù)脂板3材進(jìn)行覆蓋。用于承載云臺(tái)整體重量的底座4 是通過(guò)板材焊接形成中空的五面立方體，其尺寸為150*150*100 厚度8mm。在此底座上部設(shè)計(jì)挖空槽并在槽內(nèi)打上螺紋孔用于放置固定水平轉(zhuǎn)動(dòng)作用軸的固定法蘭軸座。用螺釘螺母將云臺(tái)底座開(kāi)口一面與一塊鐵板5 連接封底，此鐵板尺寸為350*350*8。

2 機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)

2.1 俯仰運(yùn)動(dòng)

俯仰運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)設(shè)計(jì)，電機(jī)通過(guò)電機(jī)支架固定于水平轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的上方，軸向?yàn)樗椒较颉Ｍㄟ^(guò)一對(duì)齒數(shù)40 和80、模數(shù)為1的齒輪將步進(jìn)電機(jī)扭矩傳遞到俯仰運(yùn)動(dòng)軸上，通過(guò)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪的傳動(dòng)從而帶動(dòng)俯仰運(yùn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。俯仰運(yùn)動(dòng)軸為一根軸徑10mm 長(zhǎng)度250mm 的光桿軸，其轉(zhuǎn)動(dòng)即可以帶動(dòng)所設(shè)計(jì)的俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。

2.2 水平運(yùn)動(dòng)

水平運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)設(shè)計(jì)電機(jī)通過(guò)電機(jī)支架固定在水平轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)，軸向?yàn)樨Q直方向。通過(guò)一對(duì)齒數(shù)40 和80、模數(shù)為1 的齒輪將步進(jìn)電機(jī)軸產(chǎn)生的扭矩傳遞到水平轉(zhuǎn)動(dòng)作用軸。水平轉(zhuǎn)動(dòng)作用軸為一根外徑16mm 內(nèi)徑10mm 長(zhǎng)度200mm 的空心軸，此軸底部用固定法蘭軸座與底座固定連接，這根軸的上部通過(guò)軸承與水平轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)部連接。與俯仰運(yùn)動(dòng)不同，所設(shè)計(jì)的水平轉(zhuǎn)動(dòng)是水平轉(zhuǎn)動(dòng)作用軸和固定在這根軸上的齒輪相對(duì)地面不轉(zhuǎn)動(dòng)，而是與電機(jī)軸相連接的齒輪繞水平作用軸做圓周運(yùn)動(dòng)。

圖2 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)框圖

3 控制電路設(shè)計(jì)

控制電路使用51 單片機(jī)，遠(yuǎn)程控制部分采用HC-05 藍(lán)牙模塊。控制電路如圖2 所示。

3.1 單片機(jī)

單片機(jī)選用51 單片機(jī)，作為基礎(chǔ)入門(mén)的單片機(jī)，其雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但能夠很好的完成對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的基本控制。控制芯片選用STC89C516，其是STC 推出的新一代超強(qiáng)抗干擾/高速/ 低功耗的51 單片機(jī)，它是采用8051 核的ISP（In System Programming）在系統(tǒng)可編程芯片，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051 單片機(jī)。

3.2 步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)位移的開(kāi)環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。云臺(tái)使用的電機(jī)為57 步進(jìn)電機(jī)，其為兩相四線(xiàn)制步進(jìn)電機(jī)，主要特點(diǎn)是低噪音、大力矩、運(yùn)行穩(wěn)定。電機(jī)四線(xiàn)為A+、A-、B+、B-，當(dāng)按照A+、A-、B+、B- 的順序輸送脈沖時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)按照A-、A+、B-、B+的順序輸送脈沖時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。

3.3 步進(jìn)電機(jī)控制器

步進(jìn)電機(jī)控制器選用的是DM524 低熱量數(shù)字驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)器的供電電壓可達(dá)48V（DC），輸出的電流峰值可達(dá)4.2A，電氣隔離采用了光隔離，輸入可以共陰、共陽(yáng)、差分信號(hào)，脈沖最高響應(yīng)頻率200KHz。驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)為低速零震動(dòng)，且噪音及小，以及抗干擾能力強(qiáng)，在電網(wǎng)惡劣的環(huán)境里，可以實(shí)現(xiàn)高精度定位。其廣泛應(yīng)用于自動(dòng)包裝機(jī)、點(diǎn)膠機(jī)、雕刻機(jī)等自動(dòng)化設(shè)備，對(duì)于以前用到有震動(dòng)和噪音較大的用戶(hù)有明顯改善。驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用范圍為所有法蘭盤(pán)為42、57 步進(jìn)電機(jī)以及86 電機(jī)機(jī)身長(zhǎng)度在80毫米以下所有電機(jī)。

DM524 有三個(gè)接口，分別為信號(hào)接口、電機(jī)接口、電源接口。信號(hào)接口的PUL＋和PUL－為控制脈沖信號(hào)正端和負(fù)端；DIR＋和DIR－為方向信號(hào)正端和負(fù)端；ENA＋和ENA－為使能信號(hào)的正端和負(fù)端。電機(jī)接口的A＋和A－接步進(jìn)電機(jī)A 相繞組的正負(fù)端；B＋和B－接步進(jìn)電機(jī)B 相繞組的正負(fù)端。當(dāng)A、B 兩相繞組調(diào)換時(shí)，可使電機(jī)方向反向。電源接口采用直流電源供電，工作電壓范圍為20－50VDC，電源功率大于100W。

驅(qū)動(dòng)器有紅綠兩個(gè)指示燈。其中綠燈為電源指示燈，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器上電后綠燈閃爍；紅燈為故障指示燈，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)壓、過(guò)流故障時(shí)，故障燈常亮。故障清除后，紅燈滅。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器出現(xiàn)故障時(shí)，只有重新上電和重新使能才能清除故障。

驅(qū)動(dòng)器可以改變其細(xì)分程度來(lái)調(diào)整步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的精度，當(dāng)控制器細(xì)分精度為3200 步/ 轉(zhuǎn)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)每步轉(zhuǎn)動(dòng)360/3200=0.1125°，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)需要轉(zhuǎn)動(dòng)90°時(shí)，步進(jìn)電機(jī)走過(guò)的步數(shù)，即控制器接受到的脈沖為90/0.1125=800。

3.4 藍(lán)牙模塊

遠(yuǎn)程控制初步的方案分為WiFi 控制、紅外控制及藍(lán)牙控制。WiFi 控制受限于網(wǎng)絡(luò)的波動(dòng)，不能滿(mǎn)足激光雷達(dá)對(duì)于精度的要求。而紅外控制的距離相較于藍(lán)牙控制較短，所以遠(yuǎn)程控制最終選用藍(lán)牙控制。上位機(jī)藍(lán)牙連接單片機(jī)藍(lán)牙模塊，對(duì)單片機(jī)的串口發(fā)送信息，單片機(jī)接受到信息后，對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出相應(yīng)的指令，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度。

藍(lán)牙模塊選用HC-05，其是一款高性能的主從一體藍(lán)牙串口模塊，可以同各種帶藍(lán)牙功能的電腦、藍(lán)牙主機(jī)、手機(jī)、PDA、PSP 等智能終端配對(duì)，該模塊支持非常寬的波特率范圍：4800～1382400，并且兼容5V 或3.3V 單片機(jī)系統(tǒng)。

3.5 電源

云臺(tái)由220V 轉(zhuǎn)24V 的直流開(kāi)關(guān)電源供電。開(kāi)關(guān)電源是通過(guò)控制電力電子器件周期性的開(kāi)通和關(guān)斷，對(duì)輸入的電壓進(jìn)行脈寬的調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓和自動(dòng)穩(wěn)壓的功能。開(kāi)關(guān)電源具有小型、輕量化、高效率的特點(diǎn)。開(kāi)關(guān)電源的效率比線(xiàn)性電源高，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)電源工作時(shí)，晶體管多在飽和區(qū)與截至區(qū)切換，耗散較低。而線(xiàn)性電源工作時(shí)，晶體管工作在放大區(qū)，本身消耗電能。開(kāi)關(guān)電源耗散低從而產(chǎn)生的熱量小，不會(huì)影響激光雷達(dá)的正常工作。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)云臺(tái)外型結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)并利用仿真軟件進(jìn)行模擬，驗(yàn)證了云臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的可靠性。選用57 型步進(jìn)電機(jī)能夠滿(mǎn)足云臺(tái)載重5kg 的要求，選用51 單片機(jī)系統(tǒng)加裝藍(lán)牙模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于云臺(tái)的遠(yuǎn)程控制。該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了加裝了控制器的步進(jìn)電機(jī)有良好的閉環(huán)控制性能，而51 單片機(jī)系統(tǒng)可以通過(guò)簡(jiǎn)便穩(wěn)定的控制完成對(duì)于云臺(tái)旋轉(zhuǎn)的精細(xì)操作。

結(jié)束語(yǔ)

激光雷達(dá)云臺(tái)是一種二自由度云臺(tái)，可以協(xié)助激光雷達(dá)高效、快速的實(shí)現(xiàn)工作任務(wù)。本文介紹了關(guān)于激光雷達(dá)云臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及控制電路的設(shè)計(jì)，通過(guò)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)云臺(tái)水平以及垂直方向的旋轉(zhuǎn)，控制電路加裝藍(lán)牙模塊，可以通過(guò)遠(yuǎn)程控制信號(hào)操控云臺(tái)，調(diào)整激光雷達(dá)的掃描區(qū)域。電機(jī)選用了帶控制器的步進(jìn)電機(jī)，在兼具一定閉環(huán)控制能力的同時(shí)，又降低了云臺(tái)的成本。此款雷達(dá)云臺(tái)在航空航天、戶(hù)外設(shè)備及特種設(shè)備等領(lǐng)域都有著很好的應(yīng)用場(chǎng)景。