一种管道机器人结构与控制系统的设计.docx

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1、摘要在现代社会中，人们总要遇到各种各样的管道设施，而许多管道系统不是架设在空中就是深埋于地下，这样一来，通过人力对管道的内部进行检测就很不便利。本文研制的移动式管道机器人本身携带CCD摄像头，可以对确定口径的管道内壁进行检测，具有较高的好用价值。本文首先对国内外管道机器人技术的发展做了综述，给出了移动式管道机器人本体结构设计方案，详细介绍了机器人的驱动机构、云台系统等环节的结构。所探讨的机器人接受上下位机的限制模式，运用了目前在国内较为先进的光纤信来传送限制信号和来自CCD摄像机的图像信号。下位机以LPC2114为核心处理器，进行了移动式管道机器人行走电机的驱动限制设计、云台电机的驱动限制设计

2、、RS232串口通信电路以及限制系统外围电路的探讨。关键词：本体结构，限制系统，管道机器人。AbstractInmodemsociety,peoplealwaysencounteravarietyofpipelinefacilities,andmanyarenotsetupintheairpipingsystemisburiedunderground,sothat,throughhumantestingwithinthepipelineisveryinconvenient.ThispipemobilerobotdevelopedtocarryCCDcameraitself,youcancert

3、ainlydetectpipewalldiameter,hasahighpracticalvalue.Firstly,thedomesticandinternationalpipelinerobottechnologysummarizedinthispaper,giventhestructureofportablepipelinedesignoftherobotbody,detailing,therobotdrivemechanism,headsandotheraspectsofthesystemstructure.Robotdiscussedbyupperandlowercomputerco

4、ntrolmode,usingmoreadvancedinthedomesticfiberchanneltotransmitcontrolsignalsandimagesignalsfromtheCCDcamera.ThenextcrewtoLPC2114coreprocessorforthemobilepipelinerobotdrivemotorforcontroldesign,thedesignheadofthemotordrivecontrol,RS232serialcommunicationcircuitandcontrolsystemperipheralcircuitdiscuss

5、ion.Keyword：Bodystructure,Controlsystem,In-piperobot.一、绪论1二、管道机器人技术综述3（一）车轮式管道机器人3（二）履带式管道机器人5（三）其他类型的管道机人5三、移动式管道机器人的本体结构设计7（一）移动式管道机器人的结构参数和特点7（二）移动式管道机器人的总体结构组成7（三）机器人本体结构设计81、驱动机构82、机器人本体密封及防腐9（四）机器人云台系统9四、移动式管道机器人限制系统硬件设计H（一）管道机器人的常规限制形式11（二）限制系统硬件总体设计12（三）电机驱动器设计131、LPC2U4简介132、电机驱动器设计133、步进电机

6、驱动器设计15（四）外围电路设计161、电源电路162、复位电路173、统时钟电路174、S232电平转换电路17（五）供电及通信系统18五、移动式管道机器人限制系统软件设计19（一）直流电机限制的软件设计191 .转速计算及显示192 .电子换向的软件实现21（二）四串口通信程序设计22（三）上位机限制软件设计25结语26参考文献27致谢28一、绪论在现代，无论是水力、火力发电站，还是煤气、自来水、工业用水和供热系统等公共设施，以及石油、化工等工业生产系统，都有犬牙交织的管道。这些管道系统在输送各种液体和气体物质时.，由于受振动、热循环、腐蚀、超负荷等作用，加上管道本身可能隐藏的内在缺陷（如

7、裂纹、砂眼、接头处连接不良等）。寿命总是有限的。因此，许多管道系统难免在运行之中突然发生损坏而造成液体、气体物质的泄渗事故，不得不停工停产进行检修。这种事故有时造成的经济损失是巨大的。能不能在事故发生前就检查出潜在的有问题的管道而提前预防，是现代民用及工业企业中迫切须要解决的课题。由于管道系统或者埋在地下，或者架设在高空，或者管道内径很小，用人携带仪器检查特殊困难，有时甚至根本无法做到。此外，有些紧急和环境条件恶劣的工作场地。由人去检查会对人的健康带来严峻损害。因此，有必要开发一种能够深化管道的可移动管道检测仪器代替人去完成上述工作。在这种状况下，管道机器人作为一种先进的管道检测手段纳入了国内

8、外机器入探讨开发人员的眼中。管道机器人属于特种机器人的探讨范畴，它在管道这个特定的极限环境中作业，通常携带各种探测仪器和作业装置，在操作人员的遥控或者计算机的自动限制下完成管道的检测或者修理工作。从上个世纪五十年头起，为了满足管道运输、自动清理以及检测的须要，美、英、法、日等国相继绽开了管道机器人的探讨。最初的探讨成果就是一种无主动力的管内检测设备一PIG,该设备是依靠其首尾两端管内流体形成的压差为驱动力，使之随着管内流体的流淌向前运动。随着机械、电子以及自动限制理论的快速发展，管道机器人的探讨也在不断进步，人们从管道机器人的驱动结构、工作方式、限制系统等方面入手探讨出许多样式的机器入。总的说

9、来国外一些国家的管道机器人技术的发展已经比较成熟，基本上进入了运用化阶段。我国对管道机器人的探讨起先于上个世纪八十年头未期，哈尔滨工业高校、上海交通高校、广州工业高校以及上海高校等高校和科研院所都做了这方面的工作，在理论上和好用上取得了很大进步。虽然如此，我们的管道机器人技术还远远地落后于发达国家，存在机器人负载实力差，工作时间短，检测精度不够高，检测距离短，不利于商品化等缺陷。就排水管道而言，目前国内还没有比较先进的检测方式，大多数接受开挖的方法进行检测。在管道机器人的发展过程中，限制系统的设计是一个特殊重要的问题。传统限制策略应用于机器人的运动限制是最普遍的，如PlD限制。只要被控对象的数

10、学模型是比较精确的、变更不大的、近似于线性的，传统的PlD限制可以满足这种状况下管道内作业机器人的限制要求。目前，在计算机技术的发展和实际应用需求的激励下，各种新型的、先进的、智能的限制策略也应运而生，并快速在实际系统中得到应用、改进和发展，如自适应限制、鲁棒限制、预料限制、模糊限制、专家限制、神经网络限制等。在这些限制策略中，有的已经在机器人限制领域得到了实际应用，而有的仍处于不断丰富的探讨过程中。针对于我国管道机器人的探讨状况和背景，在查阅了大量国内外文献的基础上，结合大庆市科技局的一个科技攻关项目，本文提出了一个合理的移动式管道机器人的实现方案，在机器人的本体机构、检测方式、通信和限制系

11、统等方面都接受了当前国内先进的技术。主要探讨了对移动式管道机器人限制系统的设计和探讨，从软硬件角度介绍了移动式管道机器人的设计过程，完成了系统硬件的设计和调试,软件的编制和调试。在机器人的研制过程中接受了改进的积分分别PlD限制策略，通过样机的试验结果表明设计的合理性和有效性。同时，对自适应模糊限制方法进行了探讨，设计了无刷直流电机的自适应模糊限制器，通过仿真结果验证算法的可行性。移动式管道机器入作为一种新型的管道检测设备，正在被越来越多的人关注和探讨，它的应用前景将特殊广袤。二、管道机器人技术综述机器人技术属于自动化领域高科技范畴之一，研制机器人的主要目的之一就是要代替人在紧急的或者人无法到

12、达的环境下作业。现代机器人技术起源于遥控主从型机械手，它是在其次次世界大战期间为了应付放射性材料而发展起来的，为此，四十年头后期美国橡树岭和阿尔贡国家试验室起先研制遥控式机械手，用于搬运放射性材料。上个世纪五十年头，随着电子计算机的快速发展，使得机器人的发展步伐加快，这也使人们探讨能自主、重复操作的更加困难的机器人系统成为可能。随后，美国的Unimation公司于1962年制造了好用的机器人，并取名为UninIate。紧接着，欧洲的第一台程序限制一号操作工业机器人于1963年由瑞典一家公司推出，这标记着机器人在工业生产中应用的时代已经到来。进入八十年头,现代工业生产技术从大批量生产自动化时代进

13、入多品种自动化时代，于是,工业机器人在这个时代中起着越来越重要的作用。在上述非结构环境中作业的机器人统称为特种机器人。现代传统的机器人及特种机器人属于两个不同的应用范畴，由于在上述环境中作业的特种机器入的探讨开发的必要性显得越来越重要，许多国家把特种机器人的探讨列入国家和各国的合作支配，并赐予强有力的经济和技术支持，因此特种机器人的探讨和开发具有重要的战略意义。现代工农业及日常生活中运用着大量管道，石油、自然气、化工等领域也应用了大量管道，这些管道大多埋在地下或海底，输送距离近千里，它们的泄漏会造成严峻的环境污染甚至于引起火灾，多数管道安装环境人们不能干脆到达或人们无法干脆介入，因此，质量检测

14、、故障诊断的课题特殊迫切地摆在我们面前。管道检测技术始于上个世纪50年头，由于当时自然气等大口径管道的发展激励人们去探讨一种管内检测设备，这就是我们通常历说的一种无动力的管内清理检测设备一PiG，该设备简洁、好用，在确定程度上解决了自然气管道的检测问题。到了70年头末，随着检测技术的发展，PlG技术已经成熟。现在英、日、美、德、法等国大公司的PlG产品已经好用化、商品化。PIG的特点是好用性好、行走距离远，可达300公里左右，而且不拖线作业，但是PIG类检测设备无自动行走实力，移动速度及检测区均不易限制，严格说来它不能算做是机器人。管道机器人的快速发展时期还是始于上个世纪80年头，它属于特种机

15、器人的探讨范畴咒能够在管道这个特定的极限环境中作业，通常携带各种探测仪器和作业装置，在操作人员的遥控或者计算机的自动限制下完成管道的检测和修理工作，检测作业项目包括防腐状况、对接管道焊缝质量、管道内腐蚀程度、防腐层厚度、管壁缺陷等；修理项目包括清扫、补口、焊接等。实践已经证明随着管道机器人技术的发展，其应用将会越来越广泛。目前日本、美国、英国、德国、法国等发达国家在管道机器人技术方面做了大量工作保甸，尤其是日本，在管道机器人的探讨及开发中取得了领先的地位。（一）车轮式管道机器人由于轮式行走具有结构简洁、行走连续平稳、速度快、牢靠性高、行走效率高等优点，在实际生产中应用比较广泛。轮式移动机器人的

16、驱动轮要靠车体自重、弹簧力，液压或气动力，磁性力压紧在管道内壁上以支撑机器人本体并产生确定的正压力，这样移动机器人就具备了行走的基本条件，我们将使机器人行走轮压紧在管壁上的力叫做封闭力，驱动其中一个或几个轮子转动，由驱动轮及管壁之间的附着力产朝气器人向前行走的驱动力，以实现机器入的移动，这是轮式管内移动机器入行走的基本原理。轮式机器人的行走方式有两种，假如驱动轮轴线不及管道轴线垂直，驱动轮事实上沿着管道中某一螺旋线行走，机器人一边向前移动，一边绕管道轴线转动，螺旋运动沿轴线上的速度重量即是机器人本体的移动速度，这就是轮式螺旋运动式管内移动式机器人的行走过程。其特点是用降低速度来提高驱动力。除此

17、以外，轮式管道机器人还可以开发出在弯道内行走的功能。就管内行走机构而言，我们希望牵引力大、定心性好，行走速度快、牢靠性高，还希望它具有弯管通过功能，轮式管内移动机器人大部分应用于大口径管道，这是因为：一方面，大口径管道通常是输送水、自然气、煤气或柔性物质的主干线,它们的破坏会给国民经济造成巨大的损失，而且这些管道成本高，铺设困难，所以，应尽量维护好它们；另一方面，从管道机器人研制的角度考虑，大口径管道管内移动空间大，管道轴心线的曲率半径大，有更大的空间来布置驱动装置和作业装置，从而机器人自身的几何尺寸可以相对放宽，机器人的设计及制造都比较简洁。这种机器人能在直管或者大曲率半径的管道内行走，以满

18、足管道实际工程中的须要。现仅举几个例子进行说明。如图2.1所示为日本东京理科高校福田敏男等研制的可以通过90度弯管的管内移动机器人的样机，机人由可相对回转的头部和本体组成，当机器人沿直管行走时，本体上的电机Ml通过减速装置将动力传给本体上的驱动轮，当机器人沿弯管行走时，电机M2驱动头部做姿态调整，并驱动头部履带引导机器人通过弯管。该机器人可作管内裂纹探测，其详细技术指标为：适应管径：m50mm；行走速度：O0.48m/mira转弯性能：可通过90度直弯管；机器入重量：2409；机器人长度：76mmo该机器人成功地通过了“L”型弯图2-1通过90度弯管的管内移动机器人如图2.2所示大阪燃气株式会

19、社研制的内置磁铁轮式煤气管道机器人。该机器人可沿直管和弯管行走，接受光缆通讯，但由于携带的蓄电池电能的限制,还不能实现较远的行走，其详细技术指标为：适应管径：13566Oram:行走速度：5mmino图2-2轮式煤气管道机器人从以上例子可以看出，人们在研制多种形式的轮式管内移动机器人方面作出了很大努力，并取得了确定的成果。但仍存在不少的缺点，如管内行程不够大，力的提高受封闭力的限制，探讨还有待近一半的完善和成熟，研制可适用于小管径、大管径和不同管径的深行程管内移动机器人有着广袤的发展前景(二)履带式管道机器人车轮式机器人的封闭力，即整压力一摩擦力驱动力之间的冲突使其越障性能在确定程度上受到了影

20、响，而且在管壁摩擦力小时会使其驱动力降低，因此，为了提高机器人的牵引力，提高其在管内的越障实力，为了实现在油污、泥泞等恶劣条件下的管道内移动，国外学者又在行走方式上研制了履带式管道机器人。日本日挥公司1986年研制的履带式管道机器人，该机器人的驱动机构由两条夹角可以随管径变更的履带构成，用于水平管道内行走，其详细技术指标为：适应管径：400600mm：行走速度：5m/min；转弯性能：可通过900水平圆弯管。履带式管道机器人附着性能好，在管内存在油污、泥泞以及确定的障碍物的状况下，也能较为良好地行走，但是这种移动形式的机器人结构上要比车轮式机器人困难，不易于限制和实现智能化。（三）其他类型的管

21、道机器人有了车轮式和履带式管道机器人之后，人们在管内行走方式上接着探究新颖的机构形式，通过对蚯蚓、毛虫等穴居动物的视察，发觉它们是靠身体的伸缩运动的，首先是用尾部支撑地面，身体伸长带动头部向前运动；然后再由头部支撑地面，身体收缩，带动尾部向前运动，如此循环下去，实现了在洞窟内行走。专家们利用及之相像的原理制造出了蠕动式管道机器人。蠕动式管道机器人的蠕动须要支撑、缩回，这些运动都是直线的，不如转动简洁实现，而且运动是间歇的，受驱动部件起伏频率的限制，蠕动式管道机器人的移动速度一般比轮式、履带式机器入慢。蠕动式的行走要有前后支撑部分的帮助运动，这些运动对于行走来说都是“无效”的运动，因此蠕动式管道

22、机器人行走效率低，而且更换支撑部位时会产朝气身不稳定现象，机器人行走也不连续，因而难以满足工程中“快速完成作业”的须要。因此，实际中应用较少。但弹性毛蠕动式管道机器人有两个优点：（1）密封性好；（2）机器人的横截面积小。这两个优点有利于管道机器人的在线检测作业。还有一种步行式管道机器人，它通过左右两侧脚锁死和前后腿的机构变更实现机器人在管道内壁的行进。该种管道机器人机构较困难，而且限制起来特殊繁琐，目前好用性不强。在综合分析了各种类型的管道机器人技术之后，我们可以看到：一方面，随着核工业、化工工业的发展.迫使人们探讨管道机器人来对这些恶劣环境下的管道、罐状容器进行检测修理，在确定程度上刺激了管

23、道机器人的发展；另一方面,计算机、传感技术、检测技术、现代限制理论技术的发展，为管道机器人的探讨应用供应了技术保证，使应用管道机器人进行检测、修理的手段成为现实，因此对管道机器人的探讨和研制是必要和可行的。三、移动式管道机器人的本体结构设计管道机器人要在管道这样的极限环境内完成检测、修理等作业任务，其移动载体的性能是关键。为满足对管道的检测、修理等作业任务的要求，所探讨的移动式管道机器人要具有良好的自定心性、较高的越障实力、良好的通过性、大的驱动力输出特性和较高的驱动效率等特性，这样才能保证移动式管道机器人在管道这样的极限环境下圆满的完成预期的作业任务。本章探讨的轮式全时驱动拖缆机器人的总体结

24、构及系统组成。（一）移动式管道机器人的结构参数和特点外形尺寸：220（宽）mmx190（高）mmx700（长）mm（不含云台）行走速度：O12m/min无级可调适应管道：25050Omm行走距离：220Om（二）移动式管道机器人的总体结构组成移动式管道机器人的总体结构主要由机器人移动本体、自由度云台及云台起升架等组成。机器人移动本体用来实现机器人在管道内部稳定行走，将检测装置送入待检测的管道内部。要求管道机器人有较强的越障实力，能在泥泞、杂物积累、确定曲率及坡度的管道内部顺当通过，此外，还要求机器人本体应具有很强的负载、牵引实力，保证机器人在管内行走距离大于200m；二自由度云台主要是为视像检

25、测供应一个平台，云台上可以安装有一台微型摄像机，通过云台的俯仰和摇摆扫描，全方位地检查管内状况，实时记录行走路途及其方位，以便为管内故障的精确定位供应牢靠依据。机器人的总体结构如图3.1所示。图3-1管道机器人总体结构（三）机器人本体结构设计在综合考虑了管道机器人的管内工作环境，紧密结合被检测、修理管道的实际状况下，充分分析和借鉴已有管道机器人以及其它行业特种机器人的成熟技术，确定接受六轮全时驱动(6WD)的机器人本体移动方式，该移动方式具有结构简洁、行走连续平稳、速度快、行走效率高、易于限制、简洁小型化等诸多优点。并且由于接受了全时驱动技术，任何一个轮子在随意时刻都为驱动轮，避开了从动轮阻力

26、大的缺点诃，提高了机器人的越障实力，可以将电机的功率最大效率地发挥出来。1 .驱动机构本文所探讨的移动式管道机器人的驱动机构主要分成两个方面，一是对机器人本体行走的驱动，二是对云台系统的驱动。对于移动式机器人行走，常用的驱动方式有液压驱动、气动驱动、电动驱动和机械式驱动四种。这里我们选择运用电动驱动方式，也就是将电机的旋转运动通过机械结构转化为机器人本体的直线运动。常用的驱动电机主要有步进电机、直流伺服电机和沟通伺服电机。考虑到机器人作业环境的特殊性、操作的便利性以及尺寸要求的严格性等方面，机器人的电机驱动系统要具有高转矩重量比、宽调速范围、高牢靠性，同时电机的转矩一转速特性受电源功率的影响，

27、要求驱动具有尽可能宽的高效率区。基于这些原则，我们接受一个大功率无刷直流电机图3-2作为机器人行走电机。图3-2驱动系统原理方框图本文选用了瑞士MAXON公司的无刷直流电机EC40作为机器人的行走电机，并配以GP42的减速器，在电机以佳转速运行时候，可以实现大约10mmin的机器人行进速度，完全满足了我们设计的要求我们选用的MAXON电机的外形尺寸，下面是它的技术参数。(1)标称功率：120W(2)额定电压：48V(3)堵转转矩：726mNm(4)空载电流：98mA(5)空载转速：5900rpm(6)最大连续电流(500OrPm).1.6A(7)最大连续转矩(500OrPm).108.4mNm

28、(8)最大效率：81%(9)重量：39Og2 .机器人本体密封及防腐从移动式管道机器人的工作环境及工作要求来看，该机器人应满足可以在水下工作的要求，也属于水下机器人的范畴。机器人内部装有大量的电子元件及导线，保持内部电子元件良好的工作环境是机器入正常工作的前提，为此要作好机器入本体的密封工作，以防止外部的水、灰尘等杂质进入到本体内部影响机器人的正常工作。机器人箱体接受的是组合结构，即通过分散加工各箱体盖图，然后通过螺栓紧固连接成为一个整箱体图3.3,各箱盖之间接受连接O形圈进行密封,可以满足密封要求。轴伸出端接受轴用齿形组合密封,对旋转轴的密封效果良好。齿形组合密封是一种组合旋转密封，接受0形

29、圈和聚四氟乙烯环组合，依靠O形圈的弹性变形力，将聚四氟乙烯环压紧在旋转轴的圆周，起到很好的密封作用。同时因为聚四氟乙烯材料本身的自润滑性和耐磨性，减小了接触面的摩擦力，提高了密封件的运用寿命，同时也减小了轴转动的阻力，提高了工作效率。旋转轴齿形组合密封图3-3轴端密封由于移动式管道机器人所在的管道内的工作环境比较特殊，可能含有水、泥沙、油污以及腐蚀性气体、液体等对机器人有腐蚀破坏性影响的物质存在，因此要求机器人具有耐腐蚀、耐碰撞等特性，除了在形态结构上予以考虑解决以外，还要从本体材料的选择上着手，在综合考虑上述问题的状况下，选择超硬铝合金(7A04)作为本体的材料，它可以满足这种工作要求。(四

30、)机器人云台系统本文探讨的移动式管道机器人前端安装了视像检测装置一CCD摄像机，作为机器人的检测工具，当机器人在管道内行走时，利用CCD摄像机视察管道的内壁状况，再通过限制系统把图像信号传回地面。为了详细清晰的反映管内的形貌，发挥出摄像机作检测工具应有的功能，我们设计了一套具有2个自由度的云台系统。该云台系统具有能够适应管道内径大小的CCD摄像机中心位置调整功能，图3.4PWM中断模块具有能够实现CCD视角调整的旋转和摇摆功能，云台中心位雹调整系统总体结构。我们接受了两个步进电机做为云台系统的驱动源，一个电机限制云台的俯仰,另一个电机限制云台的摇摆，再协作以CCD摄像机的自动调焦，能够将摄像机

31、所在范围内的管内形貌刚好精确的反映出来。图3-4PWM中断模块本章介绍了移动式管道机器人的总体结构和机器人的结构参数，介绍了机器人的驱动行走方式、云台的基本功能、本体的密封以及防腐等功能的实现，给出了所选电机的理论依据和基本参数，并对机器人轴端旋转密封做了详细介绍。四、移动式管道机器人限制系统硬件设计由于管道机器人的工作环境具有特殊性，它要在操作人员看不到的管道内行走作业。为了提高工作效率和工作质量，要依据管道的实际状况的不同，不断地进行加速和减速运动，并对承载CCD摄像头的云台的位置进行调整。从好用、稳定、牢靠性的角度来看，限制系统相当于管道机器人的心脏，管道机器人的一切行为都在它的统一指挥

32、下完成。本机器人要求限制系统必需做到以下几点：1 .要求实现机器人的行走速度在O12m/min之间无级可调；2 .要求可以限制机器人正反两个方向行走；3 .要求可以对云台在两个自由度内进行位置调整；4 .要求对机器人接受遥控作业，遥控距离在200m以上；5 .要求主控界面便于操作、运用。（一）管道机器人的常规限制形式通常状况下，管道机器人限制系统都接受上下位机限制形式，要解决的关键问题有两个：一个是管内外远程通信的牢靠性，另一个是下位机限制器的稳定性。由于管道机器人在管线内部作业，环境恶劣不允许出现管内失控的重大事故，因此除了对机器人的能源动力系统等强电部分提出严格的要求之外,还对机器人的限制

33、单元提出了极高的运行牢靠性要求，以保证限制单元不受环境影像，在有效的限制策略下起到稳定的限制作用。目前，管道机器人的常规限制形式有以下几种：1. PLCPLC限制系统该系统中，上位机和下位机都接受PLC,构成由PLC为限制核心，的主从二级制系统。管外限制部分作为主限制系统，管内限制部分作为从限制系统，两个限制器间通过专用的PLC扩展通信单元进行通信联络。PLC系统本身牢靠性很高，可维护性好，开发周期短，操作简洁，对于一些逻辑运算功能显著，不过它也有一些缺点，比如运算速度慢、价格贵等。2. Pc一单片机限制系统该系统中，上位机接受PC机，下位机接受单片机。目前探讨的管道机器人大多数接受这种限制形

34、式，例如由文献1中，王卓军、张晓华等人研制的基于视觉的管内作业机器人的限制系统就是用的这种形式。作为上位机的PC机主要完成参数设置、视觉处理、限制叮嘱的输出及限制状态的显示等工作，而单片机负责接收限制叮嘱、应用速度和位置闭环限制算法及限制号输出、现场数据的采集等工作。PC一单片机限制系统运算速度快，限制精度高，利于小型化和智能话，但是单片机系统的开发周期长，牢靠性要不断改进。3. PC一单片机+DSP限制系统在有些系统中，把一些计算量比较大的工作（例如图像处理）交给下位机来完成，这时候须要下位机有确定的计算和存储实力，往往可以由单片机+DSP构成双机限制系统，其中单片机负责限制部分，DSP负责

35、对数据的运算和处理。这种限制系统可以完成更为困难的工作，不过在设计周期上有了确定的限制。（二）限制系统硬件总体设计本限制系统也是接受上下位机的限制形式，上位机负责图像处理和发送限制指令，下位机要负责底层的限制和机器人行走速度信号的反馈，包括对行走电机的限制，对云台电机的限制。反馈机器人的速度信息，由于对图像的处理部分在上位机进行，运算量主要集中在上位机，所以运用的是PC一单片机限制系统。图4-1限制系统的总体结构限制系统的整体结构如图4-1所示，Pe机和单片机之间通过光纤进行通信，CCD摄像头拍摄的图像信号干脆通过光纤传送给PC机，PC机一方面要采集CCD的图像信号，并保存，一方面利用一个限制

36、台程序向下位机发送限制指令来实时地调整机器人的行走速度和云台的姿态，同时接收下位机反馈回来的速度信号，显示实时速度以及行走距离。下位机接受的是PhiIiPS公司的ARM7单片机LPC2114o下位机接收上位机的限制令并译码，相应地限制各个电机，并通过对编码器反馈回来的行走电机转速信号进行处理并发送给上位机。为了便利试验,在初期设计中我们运用一组八位的LED数码管来显示反馈回来的电机转速。（三）电机驱动器设计由于管道机器人的行走电机选用的是无刷直流电机，而限制云台位姿的电机选用的是步进电机，所以电机驱动器的设计分解为两个方面，即直流电机驱动器设计和步进电机驱动器设计。.LPC2114简介【1.P

37、C2114是基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7.TDMI.SCPU,并带有128kB嵌入的高速FlaSh存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格限制的应用可运用16位ThUmb模式将代码规模降低超过30%,而性能的损失却很小。由于LPC2114/2124特殊小的64脚封装、极低的功耗、多个32位定时器、4路IO位ADC、6路PWM输出、46个GPlO以及多达9个外部中断使它们特殊适用于工业限制、医疗系统、访问限制和电子收款机、机器人限制等领域。由于内置了宽范围的串行通信接口，它们也特殊适合于通信网关、协议转换器、嵌入式

38、软件调制解调器以及其它各种类型的应用。1 .直流电机驱动器设计行走电机接受maxon公司的稀土永磁无刷直流电动机，额定功率为120W,配带霍尔传感器和500线的数字编码器。稀土永磁无刷直流电动机作为一种新型电动机，具有结构简洁、运行效率高、调速性能好、牢靠性高等优点，同时由于不受机械换向的限制，易于做到大容量、高转速。近年来，随着大功率开关器件、集成电路及高性能的磁性材料的快速发展，无刷直流电动机(BLDCM)在航空航天、机器人、数控机床、医疗及试验室设备、家电等领域得到了广泛的应用)。基于LPC2114的无刷直流电动机限制系统主要由限制电路、驱动电路、检测电路和显示电路组成，其系统组成如图4

39、.2所示。位于地面的上位机通过串行通信经过光纤向位于管道中的下位机限制系统传送限制指令，下位机限制系统接受限制指令并译码。依据相应的限制策略，实现对无刷直流电机的限制。功率驱动部分接受三相全桥驱动方式，功率MOSFET管用IRF620,其前置驱动器用IR2131,它是一个高电压、高速度的MoSFET和IGBT驱动器，具有独立的三个高电平和三个低电平参考输出通道，LPC2114的六路PwM输出及IR2131的六路输入干脆相连，IR2131的输出通过电阻及功率MOSFET管的输入相连。(2)检测电路检测电路分为三个部分，即转予位置检测，速度检测和电流检测。转子位置检测接受霍尔传感器，如图4.3所示

40、，无刷直流电机的霍尔传感器产生ABC-路信号，通常凹凸电平相互覆盖，两相输出之间的相位差丫9120闾。依据霍尔传感器三路输出信号的每次跳变，对电机驱动桥路进行限制，当检测到霍尔传感器输出信号发生跳变时，限制器进入中断处理，以变更六路PwM输出的状态。通过LPC2114的CAPO.O-CAPO.3捕获霍尔传感器三路输出信号的跳变，每次跳变将引发一次中断，变更PWM输出序列，来限制驱动桥路的导通依次。0120240360480600720图4-3霍尔传感器的输出信号为了提高测速精度，速度检测接受500线的数字编码器，编码器输出三路差分信号，经过RS422线驱动器和线接收器送给限制器LPC2114,

41、限制器对输入脉冲进行计数，应用软件计算出电机的转速并推断电机的旋转方向。在桥式整流电路的低压端和地之间接一个采样电阻，用来检测主回路的电流,当电路板电流达到最大允许值时，采样电阻能激活IR213I内置的过流爱惜电路。采样电阻上的电压经过放大送至rJLPC2114的ADC模块进行模数转换，作为电流环限制的反馈。确定要在新的PWM产生之前装入电流检测值，及给定的参考值一起限制PWM的宽度。(3)显示电路1.PC2U4把计算出来的电机转速通过12C传给SAAIo64,SAAIO64是带有12C接13的四位LED驱动器,如。通过两片5AA1064动态地驱动8位LED,显示电机的转速(4)限制电路限制电

42、路主要是以LPC2114为核心处理器，利用它的一些模块，如定时器、ADC模块、PWM、12C、ADC以及一些外围电路协作相应的软件程序来实现限制逻辑。2 .步进电机驱动器设计由于云台的运动须要的电机功率并不大，所以接受步进电机，两个步进电机分别限制云台的旋转动作和俯仰动作，步进电机运用的是北京和利时公司的两相电机42BYG250C。步进电机接收数字限制信号，并转换成及之相对应的角位移或直线位移，它本身就是一个完成数字/模拟转换的执行元件。而且它可以实现开环位嚣限制，输入一个脉冲信号就得到一个规定的位置增量，这样的增量位置限制系统及传统的直流伺服系统相比，其成本明显降低，几乎不必进行系统调整，因

43、此，随着运动限制系统数字化到来，步进电机的应用日益广泛，例如在计算机外围设备、现代办公室设备、仪器设备、数控机床、机器人等中获得大量应用。它具有以下优点：1 .通常不须要反馈就可以对位置和速度进行限制2 .及数字设备兼容3 .位置误差不会积累(1)步进电机限制原理步迸电机有磁阻式、混合式和永磁式三种，它们必需及相应的电子驱动电路配套运用，而其工作性能很大程度上取决于所设计的驱动电路。尽管步进电机各相绕组之间、定转子之间存在强耦合，电磁关系存在较严峻的非线性，但从驱动电路角度来看，对一台步进电机的限制，就是按确定依次向多相线圈通电，对各相电流的限制以产生必要的转矩的问题。因此，就步进电机限制而言

44、，各相通电依次的产生和电流波形的限制是主要的问题，其次要解决的是一些爱惜问题。图4-4给出了典型的步进电机限制系统框图。由运动限制器给出的输入指令是输入时钟和方向信号，他们在脉冲支配器中经过逻辑组合转换成各相通断的时序逻辑信号，导通程序逻辑信号送至功率驱动级，转换成其内部功率开关的基极(或栅极)驱动信号。功率驱动级除包括功率开关及其驱动电路外，可能还包括一些电流反馈限制和限流、限压、过酷爱惜等帮助电路部分。按步进电机相绕组流过的电流是单向的还是双向的，其驱动方式可分为单极性驱动和双极性驱动。通常三相、四相步进电动机接受单极性驱动，而两相步进电动机必需接受双极性驱动,从步进电机绕组利用率来讲，双

45、极性比单极性利用率要高。从功率驱动级电路结构来看，可区分为电压驱动和电流驱动两种驱动方式。电压驱动方式包括串联驱。图4-4步进电机限制系统框图(2)步进电机驱动电路本文步进电机驱动电路图图4.5所示，基于LPC2114,MICROELECTRONICS公司出产的集成芯片1297、L298实现对步进电机的限制，对于云台的两个步进电机，其限制电路大致相同。1.297是单片步进电机限制器集成电路，适用于双极性两相步进电机或者单极性四相步进电机的限制,接受模拟/数字电路兼容的12L工艺,20脚DIP塑料封装,以+5V供电，全部信号线都是ITUCMOS兼容的。图4-5步进电机驱动电路（四）外围电路设计由

46、于LPC2114本身集成了许多常用的外围部件，如12C、PWM、ADC等，而且具有128KFlaSh无需扩展存储器，所以给外围电路的设计供应了便利。主要有电源电路、时钟电路、复位以及RS232电平转换电路。.电源电路1.PC2114的供电电源电路。由于LPC2114运用两组电源，I/O供电电源3.3V,内核及片内外设供电电源为L8v,为了保持系统供电的稳定性，接受两级稳压的供电方式。首先由外部输入12V的直流电源，二极管Dl防止电源反接，经过电容Cl和C2滤波，通过7805稳压至5V,这个5v电一方面作为其他电路的逻辑电源,一方面接着稳压给CPlJ供电。运用LDO芯片（低压差电源芯片）稳压输出

47、3.3v和1.8v电压：留电容C3和C4用来改善瞬态响应和稳定性。LDo芯片接受了LMIn7.3.3和LMnr7-1.8。LMln7系列LDo芯片输出电流可达800mA,输出电压精度在1%以内，具有电流限制和酷爱惜功能，稳定性高。1 .复位电路由于ARM芯片的高速、低功耗、低工作电压导致其噪声容限低，对电源的纹波、瞬态响应性能、时钟源的稳定性、电源监控牢靠性等诸多方面也提出了更高的要求，本文的复位电路运用了专用微处理器电源监控芯片MAX708SD,提高系统的牢靠性。复位电路如图4.6所示。由于在进行JTAG调试时，nRSTnTRST是可以由JTAG仿真器限制复位的，所以运用了三态缓冲门74HC

48、I25进行驱动。信号nRST连接到LPC2114的复位脚REST,信号nTRST连接到LPC2114芯片内部JTAG接口电路复位脚TRST。当复位按键RST按下时，MAX708SD立刻输出复位信号，其引脚RST输出低电平导致74HCI25C、74HCI25D导通。信号nRST、nTRST将输出低电平使系统复位。平常MAX708SD的RST脚输出高电平74HCI25C.74HC125D截止，由上拉电阻R3、R4将信号nRST、nTRST上拉为高电平，系统可以正常运行或者通过JTAG接口进行仿真调试。3 V3 V图4-6复位电路.系统时钟电路1.PC2114可运用外部晶振或者外部时钟，内部PLL电路可以调整系统时钟，使系统运行速度更快（LPC2114的最大操作时钟是60MHz）。假如不运用片内PLL功能及ISP下载功能，则外部晶振频率范围是IoMHZ-25MHz。本文运用了外部11.0592MHZ晶振，因为这个晶振可以使串口波特率更精确,同时能够支