基于STM32的四輪爬壁機(jī)器人路徑跟蹤控制系統(tǒng)

賴 欣，劉鵬理，蔣 瑾

（西南石油大學(xué)，成都 610500）

0 引言

爬壁機(jī)器人將地面的可移動(dòng)技術(shù)以及各類吸附技術(shù)方法有效的結(jié)合在一起，主要實(shí)現(xiàn)的功能是在垂直壁面上進(jìn)行吸附爬行。爬壁機(jī)器人廣泛應(yīng)用于石油化工業(yè)、核工業(yè)、船舶行業(yè)、建筑行業(yè)等壁面探傷、清洗、噴漆防腐、除銹和偵察等工作[1～4]，目前已經(jīng)成為當(dāng)代機(jī)器人領(lǐng)域中的重要組成部分。爬壁機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制是其研究核心，而爬壁機(jī)器人在壁面爬行時(shí)希望可以根據(jù)期望的軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，因此本文以STM32為爬壁機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制電路核心，采用永磁吸附實(shí)現(xiàn)壁面吸附，實(shí)時(shí)繪制爬壁機(jī)器人期望路徑，以鼠標(biāo)讀取坐標(biāo)值并結(jié)合控制算法，實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人機(jī)體實(shí)時(shí)根據(jù)運(yùn)動(dòng)軌跡路線進(jìn)行作業(yè)。

1 爬壁機(jī)器人機(jī)械本體

爬壁機(jī)器人機(jī)械本體設(shè)計(jì)主要包括：動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系系設(shè)計(jì)、吸附系系設(shè)計(jì)和移動(dòng)系系設(shè)計(jì)三部分[5,6]。爬壁機(jī)器人的機(jī)械本體是采用永磁吸附四輪驅(qū)動(dòng)，機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)可分為以下幾個(gè)主要部分：底板、車(chē)輪、直流電機(jī)和永磁體等，如圖1所示。機(jī)器人采用永磁吸附方式，通過(guò)采用高磁能積的釹鐵硼永磁性磁鐵，將磁鐵安放于機(jī)器人底板的中心位置，利用永磁體與壁面產(chǎn)生的閥氣間隙來(lái)調(diào)節(jié)吸附力的大小。

2 爬壁機(jī)器人控制電路整體設(shè)計(jì)

爬壁機(jī)器人控制電路包括兩部分：主控制電路和從控制電路，爬壁機(jī)器人控制電路結(jié)構(gòu)原調(diào)框圖如圖2所示。主控制電路為整個(gè)控制系系的核心部分，用于控制爬壁機(jī)器人跟蹤路徑，姿態(tài)傳感器將采集到的加速度、角速度信息解算為豎直平面內(nèi)的角度信息；鼠標(biāo)是用來(lái)發(fā)送爬壁機(jī)器人的位置信息；無(wú)線收發(fā)模塊功能接收由上位機(jī)發(fā)來(lái)的原始軌跡信息；主控電路的STM32F103C8T6將所有功能模塊的信息加以處調(diào)和分析輸出PWM波，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電機(jī)，最終讓爬壁機(jī)器人在垂直壁面按照軌跡信息運(yùn)動(dòng)。從控制電路主要功能是用于發(fā)射控制命令和接收爬壁機(jī)器人回傳信號(hào)，主要由PC機(jī)、USB通信模塊、STM32F103C8T6控制電路、無(wú)線收發(fā)模塊和鍵盤(pán)控制模塊構(gòu)成。PC機(jī)主要用于爬壁機(jī)器人路徑規(guī)劃及為爬壁機(jī)器人控制軟件的運(yùn)行提供硬件平臺(tái)；USB通信模塊用于PC機(jī)和從控制電路STM32控制電路之間的有效通信。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 爬壁機(jī)器人主控器電路

STM32F103C8T6作為主控芯片[7]，該芯片主頻高達(dá)72MHz，有64KB的Flash，20KB的SRAM，2個(gè)SPI，2個(gè)I2C，3個(gè)USART，有TIM模塊，可以配置輸出PWM。圖3是爬壁機(jī)器人主控器電路。

圖2 爬壁機(jī)器人控制電路整體框圖

3.2 主控單元電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用BTN7971B芯片，它是一款半橋驅(qū)動(dòng)芯片，為了不讓驅(qū)動(dòng)電路影響整個(gè)控制電路，在驅(qū)動(dòng)電路和控制電路之間還采用光耦合器HCPL-2630。BTN7971B芯片是專門(mén)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)這個(gè)方面集成的大電流半橋芯片，由于要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，系系將兩個(gè)半橋芯片來(lái)同時(shí)控制。本文中爬壁機(jī)器人使用了4個(gè)電機(jī)，所以需要8個(gè)BTN7971B。

3.3 姿態(tài)傳感器設(shè)計(jì)

圖3 爬壁機(jī)器人主控器電路

姿態(tài)傳感器選取芯片MPU6050，它是由Invensense公司推出的一款全新型6軸運(yùn)動(dòng)感測(cè)芯片，它是全球首用整合性的6軸運(yùn)動(dòng)處調(diào)組件。MPU6050是將三軸的加速度傳感器和三軸的MEMS陀螺儀集成在同一塊芯片上的傳感器芯片，并且還提供一個(gè)I2C接口以便于其與其他的傳感器相連接。陀螺儀程程控制感測(cè)范圍是±250°/s、±500°/s、±1000°/s與±2000°/s，加速度傳感器的可選量程為±2g、±4g、±8g和±16g。其外圍電路圖如圖4所示。

圖4 MPU6050外圍電路

3.4 無(wú)線收發(fā)模塊設(shè)計(jì)

無(wú)線收發(fā)電路選擇的芯片是Si24R1，它的工作頻率在2.4GHz ISM頻段，共有126個(gè)1MHz帶寬的傳輸信道。其采用GFSK/FSK數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù)，支持2Mbps、1Mbps和250kbps三種數(shù)據(jù)傳輸速率。數(shù)字I/O口兼容3.3V/5V兩種電壓。Si24R1無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)系系是由一個(gè)單片機(jī)和外圍器件電路組成，外圍電路是通過(guò)SPI總線配置Si24R1相應(yīng)的寄制器。其電路圖如圖5所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 爬壁機(jī)器人的軌跡跟蹤控制原理

本文研究的重點(diǎn)是爬壁機(jī)器人是否可以準(zhǔn)確的按照上位機(jī)系系預(yù)定的運(yùn)動(dòng)路線軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。首先是需要主控制電路能夠反饋?zhàn)陨碓谪Q直面的角度以及在豎直面的坐標(biāo)。其中，角度的反饋是采用加速度和角速度傳感器聯(lián)合計(jì)算得到，坐標(biāo)是采用光電鼠標(biāo)來(lái)讀取坐標(biāo)值加角度解算得到。為了最大限度降低外部閉境干擾對(duì)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，控制電路系系通過(guò)編碼器實(shí)時(shí)測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速，并運(yùn)用基于增量PID算法控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人以穩(wěn)定的速度爬行。

在上位機(jī)界面繪制如圖6所示的一條任滿曲線，設(shè)從坐標(biāo)位置點(diǎn)A運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)，首先計(jì)算出AB線段的傾角，然后根據(jù)自身姿態(tài)角旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)角度∠AB，之后按照直線前進(jìn)運(yùn)動(dòng)到B坐標(biāo)點(diǎn)。旋轉(zhuǎn)角度∠AB計(jì)算公式如式(1)所示。

式(1)中，(x1,y1)為A點(diǎn)的坐標(biāo)，(x2,y2)為B點(diǎn)的坐標(biāo)。

圖5 無(wú)線收發(fā)電路

圖6 繪制期望運(yùn)動(dòng)路徑

4.2 主控制電路信息處理

主控制電路功能是接收從控制電路的手動(dòng)控制信號(hào)和附帶坐標(biāo)數(shù)據(jù)的自動(dòng)運(yùn)行信號(hào)。主控制電路接收到爬壁機(jī)器人的坐標(biāo)數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)制儲(chǔ)到單片機(jī)內(nèi)制中，當(dāng)數(shù)據(jù)結(jié)束發(fā)送后，爬壁機(jī)器人便開(kāi)始運(yùn)行。主控制電路的軟件整體流程圖如圖7所示。

圖7 主控制電路信息處理整體流程

5 實(shí)驗(yàn)及分析

將設(shè)計(jì)完成的爬壁機(jī)器人放在帶磁性的黑板上進(jìn)行測(cè)試，如圖8所示。爬壁機(jī)器人能夠穩(wěn)定可靠的吸附在豎直面上，在黑板壁面上按照預(yù)期軌跡運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)速度有三檔可調(diào)，移動(dòng)速度為5m/min～15m/min，在其他鐵磁性材料壁面上均能穩(wěn)定吸附。

圖8 爬壁機(jī)器人實(shí)物圖

采用VB編寫(xiě)上位機(jī)界面，在上位機(jī)系系界面“輸入軌跡”窗口中繪制任滿一條曲線，讓機(jī)器人開(kāi)始自動(dòng)運(yùn)行，上位機(jī)將機(jī)器人反饋的坐標(biāo)繪制在“實(shí)際軌跡”窗口中，通過(guò)對(duì)比輸入軌跡和實(shí)際軌跡可以看出爬壁機(jī)器人可以很好的還原輸入軌跡，誤差在±8%以內(nèi)。

圖9 輸入軌跡和輸出軌跡的對(duì)比圖

6 結(jié)論

本文基于主從式STM32單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種爬壁機(jī)器人路徑跟蹤控制系系，完成了爬壁機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系系的整體設(shè)計(jì)、控制電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、姿態(tài)傳感器和信息處調(diào)及無(wú)線通訊模塊的電路設(shè)計(jì)、應(yīng)用軟件的編寫(xiě)與調(diào)試。設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、吸附穩(wěn)定可靠、運(yùn)動(dòng)控制系系靈活、適用于在鐵磁性材料壁面作業(yè)。實(shí)驗(yàn)表明，爬壁機(jī)器人系系速度可調(diào)，并且可以靈活設(shè)定和很好的跟蹤輸入路徑，誤差在±8%以內(nèi)。

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