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

茅靳豐，劉立瑤，張 虎，侯普民，鄧忠凱

(1. 解放軍理工大學(xué) 國(guó)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(chē)載控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(guó)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(duì)平戰(zhàn)兩用風(fēng)管清掃機(jī)器人設(shè)計(jì)了一種控制系統(tǒng)。首先設(shè)計(jì)了清掃機(jī)器人的電氣控制方式，并繪制了機(jī)器人車(chē)載控制系統(tǒng)的電路框圖。對(duì)車(chē)載控制系統(tǒng)的五個(gè)主要部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)，繪制了車(chē)載控制系統(tǒng)的框圖，并制作了車(chē)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(jì)制作，綜合性能良好。

風(fēng)管清掃；機(jī)器人；車(chē)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(shí)我方人員的主要活動(dòng)場(chǎng)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(shí)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(chóng)、真菌和昆蟲(chóng)，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(shí)，通風(fēng)口部會(huì)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(shí)，會(huì)對(duì)人員造成致命傷害，必須完全清除。因此，為各個(gè)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(guò)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(dòng)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(gè)部分，即PC監(jiān)控系統(tǒng)(上位機(jī))、車(chē)載控制系統(tǒng)(下位機(jī))、視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。車(chē)載控制系統(tǒng)一方面直接控制機(jī)器人電機(jī)的動(dòng)作，另一方面實(shí)時(shí)采集測(cè)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(chē)載控制系統(tǒng)

機(jī)器人車(chē)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(dòng)電路、通信電路、超聲波傳感器信號(hào)收發(fā)電路和電源電路五個(gè)部分，下面對(duì)這五個(gè)主要部分進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖2 機(jī)器人車(chē)載控制系統(tǒng)電路框圖

2.1 Atmega16主控芯片

作為車(chē)載控制系統(tǒng)的核心器件，經(jīng)過(guò)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(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)(Reduced Instruction Set Computer，RISC)微控制器，具有速度快、價(jià)格低、可靠性高、I/O口驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)和片內(nèi)集成外設(shè)資源豐富等特點(diǎn)[2]。

2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(lái)完成電機(jī)工作狀態(tài)控制，單片機(jī)信號(hào)通過(guò)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(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器觸點(diǎn)通斷的控制。其中D2為反向保護(hù)二極管，可在繼電器斷開(kāi)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(dòng)繼電器動(dòng)作；DS2為工作指示燈，當(dāng)繼電器吸合時(shí)燈亮，其中R5為限流電阻。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

單片機(jī)外接的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主要包括：機(jī)器人底盤(pán)電機(jī)2個(gè)(左右)、左側(cè)刷電機(jī)2個(gè)(上下)、右側(cè)刷電機(jī)2個(gè)(上下)、地刷電機(jī)2個(gè)(左右)、吸塵器電機(jī)1個(gè)。由于地刷同時(shí)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(hào)。所以，控制電路板上要有6路電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。由于毛刷電機(jī)和底盤(pán)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(hào)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(dòng)將超聲波發(fā)射出去，所以發(fā)射驅(qū)動(dòng)實(shí)際上就是一個(gè)信號(hào)的放大電路，選用74LS04芯片進(jìn)行信號(hào)放大，超聲波發(fā)射電路如圖4所示。工作時(shí)，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(hào)，再經(jīng)74LS04放大電路放大后，驅(qū)動(dòng)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(guò)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(hào)就會(huì)比較微弱，因此需要對(duì)接收到的信號(hào)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(duì)超聲波信號(hào)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(huì)輸出一個(gè)低電平到單片機(jī)去請(qǐng)求中斷，當(dāng)單片機(jī)停止計(jì)數(shù)時(shí)，開(kāi)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(shí)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(guò)控制器對(duì)風(fēng)管中作業(yè)的機(jī)器人進(jìn)行各項(xiàng)動(dòng)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(shí)時(shí)性要求。另外，RS485總線具有可靠性高、成本低、開(kāi)發(fā)時(shí)間短等優(yōu)勢(shì)，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(shí)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(shí)，RS485處于發(fā)送狀態(tài)，當(dāng)PD1為低電平時(shí)，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(duì)5 V電壓源的需求，采用集成穩(wěn)壓電源LM7805實(shí)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?yàn)檩敵鲭娏餍∮? 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(guò)流、過(guò)熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，性能可靠、使用簡(jiǎn)便，并且具有較高的性價(jià)比[3]。

圖7 電源電路原理圖

3 車(chē)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(chē)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(gè)超聲波傳感器。由于Atmega16主控芯片具有32個(gè)高驅(qū)動(dòng)能力可編程I/O端口，如何分配I/O端口對(duì)電路板的可靠性和程序的編寫(xiě)至關(guān)重要。本項(xiàng)目車(chē)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(chē)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(gè)8位I/O端口。作為最小系統(tǒng)板，需要將這4個(gè)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(lái)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(lái)采集傳感器測(cè)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(chē)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(chē)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(chē)載控制系統(tǒng)的主控制板。在研制主控制板時(shí)，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(chē)載控制系統(tǒng)的PCB印刷電路板以及電路板性能可靠。通過(guò)實(shí)地測(cè)試，該清掃機(jī)器人綜合性能良好。

4 結(jié)論

本文針對(duì)平戰(zhàn)兩用風(fēng)管清掃機(jī)器人設(shè)計(jì)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(guò)RS485進(jìn)行串行通信的形式，并繪制了機(jī)器人車(chē)載控制系統(tǒng)的電路框圖。對(duì)車(chē)載控制系統(tǒng)的五個(gè)主要部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)，主要包括Atmega16主控芯片、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、通信電路、超聲波傳感器信號(hào)收發(fā)電路和電源電路。繪制了車(chē)載控制系統(tǒng)的框圖，并制作了車(chē)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(jì)，經(jīng)實(shí)地測(cè)試性能良好。

[1] 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)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(huì)鴿.基于機(jī)器視覺(jué)的中央空調(diào)風(fēng)管清潔機(jī)器人測(cè)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(jì)技術(shù)與實(shí)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(chē)載控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[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。