嵌入式助航燈具清洗機構控制系統(tǒng)設計

(中國民航大學 機器人研究所，天津 300300)

嵌入式助航燈是機場助航燈光的重要組成部分，主要用于引導飛機進近、著陸和滑行，對其發(fā)光強度有嚴格的要求[1-4]。由于機輪摩擦附著、灰塵污垢沉積等原因，燈具發(fā)光口總會受到污染，造成燈具發(fā)光強度下降，嚴重時給飛行員造成錯覺，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段進行，燈具清洗的方式主要由人工手動清洗和人加半自動化設備清洗兩種方式[7-8]。目前，國內大多數(shù)機場燈具的清洗主要是采用人工手動清洗模式，但是其存在勞動強度高、清洗效果不佳以及清洗效率低等問題。國外已有部分機場采用半自動化燈具清洗設備[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強度，但清洗效果無法保證，清洗效率也沒有明顯提升[10]。

針對以上機場嵌入式助航燈具清洗問題，本文擬設計一種嵌入式助航燈具清洗機構的總體控制系統(tǒng)方案。基于模塊化設計思想，分別設計以LM629為核心的末端運動控制模塊實現(xiàn)機構末端位姿控制、以STM32為核心的燈具清洗控制單元模塊實現(xiàn)清洗工藝及流程控制、以工業(yè)相機為傳感器的視覺檢測模塊實現(xiàn)燈具定位及清洗效果檢測；面向對象完成控制系統(tǒng)流程設計，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)軟件。并通過實驗進行所設計清洗機構的控制系統(tǒng)的正確性和實用性驗證。

1 控制系統(tǒng)功能需求分析

嵌入式助航燈具清洗機構主要實現(xiàn)機場跑道嵌入式助航燈具發(fā)光口的清洗工作，該機構基于四自由度Delta并聯(lián)機器人開發(fā)，高壓清洗噴頭安裝在并聯(lián)機器人移動平臺上，具有三平動一轉動4個自由度。在完成燈具發(fā)光口的定位后，需控制并聯(lián)機構末端，依次移動到各個發(fā)光口相對位置進行清洗。本文設計的清洗機構控制系統(tǒng)需要滿足以下4個基本功能：

(1) 燈具發(fā)光口識別定位：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)光口三維坐標信息。

(2) 末端運動控制：高壓清洗噴頭安裝在并聯(lián)機構移動平臺下方，通過控制移動平臺運動，實現(xiàn)清洗噴頭對正燈具發(fā)光口。

(3) 自動清洗：清洗方式選擇高壓氣體與碳酸鹽混合噴射的方式來實現(xiàn)，同時系統(tǒng)還需實現(xiàn)清洗壓力p、時間t、介質含量ρ等參數(shù)的在線調節(jié)。

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

2 控制系統(tǒng)總體設計

嵌入式助航燈具清洗機構控制系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，根據(jù)控制系統(tǒng)需求分析，采用模塊化設計方法，將控制系統(tǒng)按照功能劃分為：末端運動控制模塊、清洗控制單元模塊、視覺檢測模塊以及電源模塊。上位機選用研華PCM9562工控主板，具備良好的運算性能和豐富的接口；末端運動控制模塊以LM629為核心，實現(xiàn)嵌入式助航燈具清洗機構伺服直流電機的位置和速度控制。為了保證多電機控制的實時性，選用PCI總線與PCM9562進行數(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與工控主機相連；電源模塊由可充電鋰電池、24 V轉12 V電源模塊、12 V轉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)各模塊設計

3.1 末端運動控制模塊設計

末端運動控制模塊的結構圖如圖2所示，由于直流電機具有結構簡單、控制方式易實現(xiàn)，調速效果好等優(yōu)點，選用直流電機驅動機構末端運動。通過4個伺服直流電機的控制，實現(xiàn)助航燈具清洗機構末端三平動一轉動的運動，從而完成清洗噴頭對正燈具發(fā)光口的任務。電機控制器選用集成4個LM629微型運動控制芯片的運動控制卡，可同時實現(xiàn)4路電機控制任務。每塊電機驅動卡使用開關電流超過60 A的MOSFET芯片集成兩路獨立的H橋電機驅動電路，可以同時驅動兩個電機，具有較強的驅動能力。通過對嵌入式助航燈具清洗機構受力分析，以及清洗時間等需求條件分析，確定所需要的電機的功率、轉速、力矩和轉動慣量等參數(shù)，綜合考慮之后，選用型號為3257G024CR的馮哈勃直流微電機并配備減速比66∶1的馮哈勃減速箱，同時為提高電機控制精度，選用線數(shù)512的IE2-512兩相光電式編碼器實現(xiàn)閉環(huán)反饋。

圖1 嵌入式助航燈具清洗機構控制系統(tǒng)結構圖

圖2 末端運動控制模塊結構圖

3.2 清洗控制單元模塊設計

清洗階段是嵌入式助航燈具清洗機構完成燈具清洗的最重要的一個步驟。燈具清洗過程中清洗壓力p、清洗時間t、清洗介質含量ρ等參數(shù)會直接影響最后的清洗效果，為實現(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，當運動控制模塊控制攜帶清洗噴頭的末端到達燈具發(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)算法得到清洗時間t、清洗壓力p和清洗介質含量ρ的目標值。PWM電子開關控制器可以實現(xiàn)模擬量和開關量輸出控制，通過控制PWM電子開關控制器模擬量輸出實現(xiàn)電-空轉換器的電壓值輸入，從而實現(xiàn)清洗壓力p的在線調節(jié)。同時，壓力傳感器YD322-1實時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現(xiàn)壓力反饋閉環(huán)控制；通過PWM電子開關控制器的開關量控制，實現(xiàn)電磁閥的通斷，以達到清洗時間t的控制；清洗介質選用碳酸鹽并存儲在改裝的存儲罐中，通過對步進電機的轉角控制，實現(xiàn)存儲罐開口大小調節(jié)，從而實現(xiàn)清洗介質含量ρ的控制。清洗單元模塊結構圖如圖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構圖

圖4 清洗控制單元模塊硬件電路圖

3.3 視覺檢測模塊設計

視覺檢測模塊實現(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平臺上，在移動過程中對燈具發(fā)光口圖像采集時會出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象，嚴重影響發(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，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，進而解算出燈具的三維坐標信息。清洗效果的檢測對于整個清洗過程至關重要，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束后進行清洗效果的檢測，根據(jù)工業(yè)相機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現(xiàn)清洗效果檢測。

4 控制系統(tǒng)軟件設計

根據(jù)嵌入式助航燈具清洗機構功能模塊2設計，控制系統(tǒng)軟件程序主要包括主程序、末端運動控制模塊子程序、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用，系統(tǒng)初始化主要包括輸入輸出設備的初始化和系統(tǒng)參數(shù)的初始化，初始化完成之后等待上位機的清洗指令。當接收到相應指令后，根據(jù)燈具清洗流程，完成初始化后，首先調用視覺檢測模塊，實現(xiàn)燈具位置檢測，然后通過末端運動控制模塊實現(xiàn)機構對正燈具發(fā)光口的任務，并在清洗噴頭完全對正燈具發(fā)光口時，發(fā)送清洗指令到STM32；當STM32接收到清洗指令后調用清洗控制單元模塊程序，實現(xiàn)燈具清洗；清洗結束后發(fā)送清洗效果檢測指令至上位機，上位機調用視覺檢測模塊子程序實現(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

末端運動控制模塊子程序基于C++語言開發(fā)，主要完成清洗機構末端三平動一轉動4個自由度的運動控制，從而實現(xiàn)清洗噴頭對正燈具發(fā)光口任務。首先，運動控制子程序接收視覺定位算法解算后的目標位置，通過運動學解算得到各個電機所需轉動角度，產(chǎn)生四軸電機驅動信號，驅動電機到達目標位置，同時接收編碼器反饋數(shù)據(jù)，實現(xiàn)電機轉速和位置雙閉環(huán)控制，提高控制精度。運動控制模塊程序流程圖如圖6所示。

圖6 末端運動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通信子程序。單片機初始化包括系統(tǒng)時鐘初始化、GPIO引腳初始化、定時器初始化、串口通信初始化和優(yōu)先級初始化等，初始化完成后等待上位機清洗指令，當接收到清洗指令后，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并解析相關清洗工藝參數(shù)，通過對步進電機、點空轉換器、電磁閥的控制實現(xiàn)清洗介質含量ρ、清洗壓力p、清洗時間t的控制要求，執(zhí)行完清洗動作后，發(fā)送等待效果檢測指令至上位機，并等待下一個指令。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 平臺搭建與實驗驗證

根據(jù)以上設計方案完成的嵌入式助航燈具清洗機構控制系統(tǒng)平臺搭建如圖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行自動清洗試驗。

圖8 清洗機構控制系統(tǒng)

在實驗室地面放置具有不同發(fā)光口個數(shù)的滑行道停止排燈和跑道中線燈，模擬機場滑行道和跑道環(huán)境進行燈具清洗實驗，如圖9和圖10所示，清洗機構從初始位置,對正燈具發(fā)光口并進行清洗。

圖9 清洗單發(fā)光口燈具

圖10 清洗多發(fā)光口燈具

針對單個燈具發(fā)光口清洗任務時，通過視覺檢測得到目標燈具發(fā)光口在清洗機構坐標系中的坐標為(150 0,200)，單位為cm，通過機構運動學逆解得到3個主動臂關節(jié)的理論轉角分別為0.503 rad，0.767 rad，0.989 rad。

圖11為各關節(jié)實際位置轉角隨時間變化曲線。

圖11 清洗機構各關節(jié)位置變化曲線

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

6 結束語

本文設計并實現(xiàn)了一種機場嵌入式助航燈具清洗機構控制系統(tǒng)，采用模塊化設計方法設計了以LM629為核心的末端運動控制模塊，實現(xiàn)燈具發(fā)光口準確對正；以STM32為主控芯片的清洗控制單元模塊，實現(xiàn)清洗工藝參數(shù)的在線控制；以工業(yè)相機為傳感器的視覺檢測模塊，實現(xiàn)嵌入式助航燈具發(fā)光口定位及效果檢測。完成系統(tǒng)軟件流程設計及編程，在搭建的清洗機構控制系統(tǒng)平臺上進行燈具清洗實驗，實驗結果表明所設計系統(tǒng)穩(wěn)定、效率高，完全滿足燈具自動清洗要求，具有顯著的推廣價值。