嵌入式助航燈具清洗機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(中國民航大學(xué) 機(jī)器人研究所，天津 300300)

嵌入式助航燈是機(jī)場助航燈光的重要組成部分，主要用于引導(dǎo)飛機(jī)進(jìn)近、著陸和滑行，對其發(fā)光強(qiáng)度有嚴(yán)格的要求[1-4]。由于機(jī)輪摩擦附著、灰塵污垢沉積等原因，燈具發(fā)光口總會(huì)受到污染，造成燈具發(fā)光強(qiáng)度下降，嚴(yán)重時(shí)給飛行員造成錯(cuò)覺，影響飛行安全，需要定期清洗助航燈具[5-6]。助航燈具清洗大多數(shù)選擇在夜間航班不繁忙時(shí)段進(jìn)行，燈具清洗的方式主要由人工手動(dòng)清洗和人加半自動(dòng)化設(shè)備清洗兩種方式[7-8]。目前，國內(nèi)大多數(shù)機(jī)場燈具的清洗主要是采用人工手動(dòng)清洗模式，但是其存在勞動(dòng)強(qiáng)度高、清洗效果不佳以及清洗效率低等問題。國外已有部分機(jī)場采用半自動(dòng)化燈具清洗設(shè)備[9]，但仍需要人工參與輔助完成，雖然在一定程度上降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，但清洗效果無法保證，清洗效率也沒有明顯提升[10]。

針對以上機(jī)場嵌入式助航燈具清洗問題，本文擬設(shè)計(jì)一種嵌入式助航燈具清洗機(jī)構(gòu)的總體控制系統(tǒng)方案?；谀K化設(shè)計(jì)思想，分別設(shè)計(jì)以LM629為核心的末端運(yùn)動(dòng)控制模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)末端位姿控制、以STM32為核心的燈具清洗控制單元模塊實(shí)現(xiàn)清洗工藝及流程控制、以工業(yè)相機(jī)為傳感器的視覺檢測模塊實(shí)現(xiàn)燈具定位及清洗效果檢測；面向?qū)ο笸瓿煽刂葡到y(tǒng)流程設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)軟件。并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行所設(shè)計(jì)清洗機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)的正確性和實(shí)用性驗(yàn)證。

1 控制系統(tǒng)功能需求分析

嵌入式助航燈具清洗機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)機(jī)場跑道嵌入式助航燈具發(fā)光口的清洗工作，該機(jī)構(gòu)基于四自由度Delta并聯(lián)機(jī)器人開發(fā)，高壓清洗噴頭安裝在并聯(lián)機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)上，具有三平動(dòng)一轉(zhuǎn)動(dòng)4個(gè)自由度。在完成燈具發(fā)光口的定位后，需控制并聯(lián)機(jī)構(gòu)末端，依次移動(dòng)到各個(gè)發(fā)光口相對位置進(jìn)行清洗。本文設(shè)計(jì)的清洗機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)需要滿足以下4個(gè)基本功能：

(1) 燈具發(fā)光口識(shí)別定位：根據(jù)燈具發(fā)光口發(fā)光特性，使用視覺傳感器采集發(fā)光口圖像信息并通過單目視覺定位方法獲得發(fā)光口三維坐標(biāo)信息。

(2) 末端運(yùn)動(dòng)控制：高壓清洗噴頭安裝在并聯(lián)機(jī)構(gòu)移動(dòng)平臺(tái)下方，通過控制移動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)清洗噴頭對正燈具發(fā)光口。

(3) 自動(dòng)清洗：清洗方式選擇高壓氣體與碳酸鹽混合噴射的方式來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)系統(tǒng)還需實(shí)現(xiàn)清洗壓力p、時(shí)間t、介質(zhì)含量ρ等參數(shù)的在線調(diào)節(jié)。

(4) 清洗效果檢測：為達(dá)到所要求的清洗效果，在清洗一次完成后，對清洗效果進(jìn)行檢測，如果沒有達(dá)到要求，進(jìn)行第二次清洗。

2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

嵌入式助航燈具清洗機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，根據(jù)控制系統(tǒng)需求分析，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，將控制系統(tǒng)按照功能劃分為：末端運(yùn)動(dòng)控制模塊、清洗控制單元模塊、視覺檢測模塊以及電源模塊。上位機(jī)選用研華PCM9562工控主板，具備良好的運(yùn)算性能和豐富的接口；末端運(yùn)動(dòng)控制模塊以LM629為核心，實(shí)現(xiàn)嵌入式助航燈具清洗機(jī)構(gòu)伺服直流電機(jī)的位置和速度控制。為了保證多電機(jī)控制的實(shí)時(shí)性，選用PCI總線與PCM9562進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)傳輸速度快；清洗控制單元模塊以STM32為核心，實(shí)現(xiàn)燈具發(fā)光口的清洗及工藝流程控制；視覺檢測模塊實(shí)現(xiàn)發(fā)光口的位置檢測和清洗效果檢測功能，通過USB與工控主機(jī)相連；電源模塊由可充電鋰電池、24 V轉(zhuǎn)12 V電源模塊、12 V轉(zhuǎn)5 V電源模塊組成，為其他模塊提供穩(wěn)定可靠的電能。

3 控制系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì)

3.1 末端運(yùn)動(dòng)控制模塊設(shè)計(jì)

末端運(yùn)動(dòng)控制模塊的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，由于直流電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方式易實(shí)現(xiàn)，調(diào)速效果好等優(yōu)點(diǎn)，選用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)末端運(yùn)動(dòng)。通過4個(gè)伺服直流電機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)助航燈具清洗機(jī)構(gòu)末端三平動(dòng)一轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)，從而完成清洗噴頭對正燈具發(fā)光口的任務(wù)。電機(jī)控制器選用集成4個(gè)LM629微型運(yùn)動(dòng)控制芯片的運(yùn)動(dòng)控制卡，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)4路電機(jī)控制任務(wù)。每塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)卡使用開關(guān)電流超過60 A的MOSFET芯片集成兩路獨(dú)立的H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)，具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。通過對嵌入式助航燈具清洗機(jī)構(gòu)受力分析，以及清洗時(shí)間等需求條件分析，確定所需要的電機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速、力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)，綜合考慮之后，選用型號(hào)為3257G024CR的馮哈勃直流微電機(jī)并配備減速比66∶1的馮哈勃減速箱，同時(shí)為提高電機(jī)控制精度，選用線數(shù)512的IE2-512兩相光電式編碼器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋。

圖1 嵌入式助航燈具清洗機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 末端運(yùn)動(dòng)控制模塊結(jié)構(gòu)圖

3.2 清洗控制單元模塊設(shè)計(jì)

清洗階段是嵌入式助航燈具清洗機(jī)構(gòu)完成燈具清洗的最重要的一個(gè)步驟。燈具清洗過程中清洗壓力p、清洗時(shí)間t、清洗介質(zhì)含量ρ等參數(shù)會(huì)直接影響最后的清洗效果，為實(shí)現(xiàn)嵌入式助航燈具的高效清洗，選用STM32F405RG微控制器作為清洗單元模塊核心控制器，當(dāng)運(yùn)動(dòng)控制模塊控制攜帶清洗噴頭的末端到達(dá)燈具發(fā)光口相對位置后，安裝在清洗末端的HC-SR04超聲波傳感器檢測清洗噴頭與燈具發(fā)光口的距離d，根據(jù)燈具清洗工藝參數(shù)算法得到清洗時(shí)間t、清洗壓力p和清洗介質(zhì)含量ρ的目標(biāo)值。PWM電子開關(guān)控制器可以實(shí)現(xiàn)模擬量和開關(guān)量輸出控制，通過控制PWM電子開關(guān)控制器模擬量輸出實(shí)現(xiàn)電-空轉(zhuǎn)換器的電壓值輸入，從而實(shí)現(xiàn)清洗壓力p的在線調(diào)節(jié)。同時(shí)，壓力傳感器YD322-1實(shí)時(shí)檢測噴出的混合氣體壓力值，并上傳至清洗單元控制器從而實(shí)現(xiàn)壓力反饋閉環(huán)控制；通過PWM電子開關(guān)控制器的開關(guān)量控制，實(shí)現(xiàn)電磁閥的通斷，以達(dá)到清洗時(shí)間t的控制；清洗介質(zhì)選用碳酸鹽并存儲(chǔ)在改裝的存儲(chǔ)罐中，通過對步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角控制，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)罐開口大小調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)清洗介質(zhì)含量ρ的控制。清洗單元模塊結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，清洗單元電路連接圖如圖4所示。

圖3 清洗控制單元模塊結(jié)構(gòu)圖

圖4 清洗控制單元模塊硬件電路圖

3.3 視覺檢測模塊設(shè)計(jì)

視覺檢測模塊實(shí)現(xiàn)發(fā)光口定位和清洗效果檢測兩部分功能。視覺傳感器安裝在移動(dòng)平臺(tái)上，在移動(dòng)過程中對燈具發(fā)光口圖像采集時(shí)會(huì)出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象，嚴(yán)重影響發(fā)光口的定位精度，因此選擇具有幀曝光模式的邁德威視MV-U3B130GC/M工業(yè)相機(jī)作為視覺傳感器，有效像素122萬，最大分辨率1280×960，通過USB與上位機(jī)通信。在燈具定位過程中，嵌入式助航燈具一直處于打開狀態(tài)，此時(shí)，嵌入式助航燈具呈現(xiàn)類圓形特征。根據(jù)此特征，采用隨機(jī)HOUGH變換圓檢測方法提取燈具圓心在圖像中的位置，然后根據(jù)相機(jī)安裝角度和高度信息，利用平面幾何約束條件完成單目測距，進(jìn)而解算出燈具的三維坐標(biāo)信息。清洗效果的檢測對于整個(gè)清洗過程至關(guān)重要，為有效防止清洗不合格的現(xiàn)象，在清洗控制單元模塊工作結(jié)束后進(jìn)行清洗效果的檢測，根據(jù)工業(yè)相機(jī)采集清洗后的燈具發(fā)光口圖像信息，選用發(fā)光口灰度值檢測方法，通過對比清洗前后灰度值變化情況實(shí)現(xiàn)清洗效果檢測。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)嵌入式助航燈具清洗機(jī)構(gòu)功能模塊2設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)軟件程序主要包括主程序、末端運(yùn)動(dòng)控制模塊子程序、清洗控制單元模塊子程序和視覺檢測模塊子程序。主程序基于C++語言開發(fā)，主要包括系統(tǒng)初始化以及各模塊子程序的調(diào)用，系統(tǒng)初始化主要包括輸入輸出設(shè)備的初始化和系統(tǒng)參數(shù)的初始化，初始化完成之后等待上位機(jī)的清洗指令。當(dāng)接收到相應(yīng)指令后，根據(jù)燈具清洗流程，完成初始化后，首先調(diào)用視覺檢測模塊，實(shí)現(xiàn)燈具位置檢測，然后通過末端運(yùn)動(dòng)控制模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)對正燈具發(fā)光口的任務(wù)，并在清洗噴頭完全對正燈具發(fā)光口時(shí)，發(fā)送清洗指令到STM32；當(dāng)STM32接收到清洗指令后調(diào)用清洗控制單元模塊程序，實(shí)現(xiàn)燈具清洗；清洗結(jié)束后發(fā)送清洗效果檢測指令至上位機(jī)，上位機(jī)調(diào)用視覺檢測模塊子程序?qū)崿F(xiàn)清洗效果檢測，判斷清洗效果。主程序流程如圖5示。

圖5 主程序流程圖

末端運(yùn)動(dòng)控制模塊子程序基于C++語言開發(fā)，主要完成清洗機(jī)構(gòu)末端三平動(dòng)一轉(zhuǎn)動(dòng)4個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)控制，從而實(shí)現(xiàn)清洗噴頭對正燈具發(fā)光口任務(wù)。首先，運(yùn)動(dòng)控制子程序接收視覺定位算法解算后的目標(biāo)位置，通過運(yùn)動(dòng)學(xué)解算得到各個(gè)電機(jī)所需轉(zhuǎn)動(dòng)角度，產(chǎn)生四軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)到達(dá)目標(biāo)位置，同時(shí)接收編碼器反饋數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和位置雙閉環(huán)控制，提高控制精度。運(yùn)動(dòng)控制模塊程序流程圖如圖6所示。

圖6 末端運(yùn)動(dòng)控制模塊子程序流程圖

清洗單元模塊程序基于C語言開發(fā)，主要包括超聲波距離檢測子程序、清洗參數(shù)確定算法子程序、清洗控制子程序以及與上位機(jī)通信子程序。單片機(jī)初始化包括系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、GPIO引腳初始化、定時(shí)器初始化、串口通信初始化和優(yōu)先級(jí)初始化等，初始化完成后等待上位機(jī)清洗指令，當(dāng)接收到清洗指令后，通過超聲波距離檢測程序檢測清洗噴頭和發(fā)光口距離d并解析相關(guān)清洗工藝參數(shù)，通過對步進(jìn)電機(jī)、點(diǎn)空轉(zhuǎn)換器、電磁閥的控制實(shí)現(xiàn)清洗介質(zhì)含量ρ、清洗壓力p、清洗時(shí)間t的控制要求，執(zhí)行完清洗動(dòng)作后，發(fā)送等待效果檢測指令至上位機(jī)，并等待下一個(gè)指令。清洗控制單元模塊子程序流程如圖7所示。

圖7 清洗控制單元模塊程序流程圖

5 平臺(tái)搭建與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案完成的嵌入式助航燈具清洗機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)平臺(tái)搭建如圖8所示，并針對具有不同發(fā)光口數(shù)量的嵌入式助航燈具進(jìn)行自動(dòng)清洗試驗(yàn)。

圖8 清洗機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)

在實(shí)驗(yàn)室地面放置具有不同發(fā)光口個(gè)數(shù)的滑行道停止排燈和跑道中線燈，模擬機(jī)場滑行道和跑道環(huán)境進(jìn)行燈具清洗實(shí)驗(yàn)，如圖9和圖10所示，清洗機(jī)構(gòu)從初始位置,對正燈具發(fā)光口并進(jìn)行清洗。

圖9 清洗單發(fā)光口燈具

圖10 清洗多發(fā)光口燈具

針對單個(gè)燈具發(fā)光口清洗任務(wù)時(shí)，通過視覺檢測得到目標(biāo)燈具發(fā)光口在清洗機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(150 0,200)，單位為cm，通過機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解得到3個(gè)主動(dòng)臂關(guān)節(jié)的理論轉(zhuǎn)角分別為0.503 rad，0.767 rad，0.989 rad。

圖11為各關(guān)節(jié)實(shí)際位置轉(zhuǎn)角隨時(shí)間變化曲線。

圖11 清洗機(jī)構(gòu)各關(guān)節(jié)位置變化曲線

通過實(shí)際測量數(shù)據(jù)與理論計(jì)算數(shù)據(jù)相比較計(jì)算可知，關(guān)節(jié)1的相對誤差為0.39%，關(guān)節(jié)2的誤差為0.26%，關(guān)節(jié)3的誤差為0.4%，以上誤差均在允許范圍內(nèi)。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種機(jī)場嵌入式助航燈具清洗機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了以LM629為核心的末端運(yùn)動(dòng)控制模塊，實(shí)現(xiàn)燈具發(fā)光口準(zhǔn)確對正；以STM32為主控芯片的清洗控制單元模塊，實(shí)現(xiàn)清洗工藝參數(shù)的在線控制；以工業(yè)相機(jī)為傳感器的視覺檢測模塊，實(shí)現(xiàn)嵌入式助航燈具發(fā)光口定位及效果檢測。完成系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)及編程，在搭建的清洗機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)平臺(tái)上進(jìn)行燈具清洗實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)系統(tǒng)穩(wěn)定、效率高，完全滿足燈具自動(dòng)清洗要求，具有顯著的推廣價(jià)值。