基于直流電機驅動電路的移動式采摘機器人設計

張戰(zhàn)杰

(洛陽職業(yè)技術學院，河南 洛陽 471003)

0 引言

隨著機器學習、機械自動化及智能控制等技術的發(fā)展，智能化正在向各個領域延伸。近年來，農業(yè)智能化程度越來越高，擠奶機器人、放牧機器人、施肥機器人、除草機器人、葡萄園機器人、育苗機器人、種植機器人、分揀果實機器人、蜜蜂機器人及采摘機器人等相繼問世并得到了實際應用。本文基于直流電機驅動策略，設計了采摘機器人大功率電機驅動調速控制系統(tǒng)，對直流電機在農業(yè)機器人上的應用具有一定的實際意義。

1 采摘機器人移動平臺

采摘機器人一般由控制系統(tǒng)、移動裝置、末端執(zhí)行器、機械手、電源、傳感器接口、視覺系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和驅動系統(tǒng)組成，如圖1所示。移動平臺是采摘機器人正常行駛的核心，是其能否靈活移動的核心。

圖1 采摘機器人整體系統(tǒng)結構框圖Fig.1 The block diagram of overall system structure for picking robot

采摘機器人包括機械和電氣控制兩部分：機械部分主要包括履帶底盤、大小臂、夾持器和動力臂轉動裝置等；電氣控制部分包括傳感器模塊、障礙物檢測模塊、主控制板、電源、攝像頭和驅動馬達等。采摘機器人整體結構如圖2所示。

圖2 采摘機器人整體結構Fig.2 The overall structure of the picking robot

圖2中，機械部分是整機的硬件框架，為機器人運動和采摘作業(yè)提供了支撐，其各部件作用各不相同，組合起來實現整個系統(tǒng)的自主控制。移動平臺是機器人的基礎，是搭建其他機械部件的載體，采摘機器人的機械手、大小臂、主控制系統(tǒng)、電源模塊都是搭載在移動平臺之上的。電氣部分的功能是采用智能控制的方式驅動整個機械部分，使機器人正常移動和作業(yè)。

2 采摘機器人運動控制系統(tǒng)設計

采摘機器人的主要工作是實現對目標果實的順利采摘，運動控制系統(tǒng)的作用無需像特種機器人處理復雜的實時突發(fā)狀況。為了保證采摘機器人運動系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性，避免能源消耗嚴重和最小限度地降低開發(fā)成本，設計了如圖3所示的運動系統(tǒng)框架圖。

圖3 采摘機器人運動控制系統(tǒng)的框架圖Fig.3 The frame diagram of the motion control system for the picking robot

本文設計的采摘機器人采用履帶行進的方式，前部負責控制車體的前行方向，后部控制車體的前后運動。前部采用一種位置伺服驅動的舵機，根據控制器指令控制機器人的轉向；后部采用直流電機驅動，控制機器人的前進后退。采摘機器人車體結構示意如圖4所示。

圖4 采摘機器人車體結構示意圖Fig.4 The schematic diagram of the body structure of the picking robot

3 直流電機選型及驅動系統(tǒng)設計

3.1 直流電機選型

采摘機器人主動輪采用電機驅動的方式。由于系統(tǒng)采用36V鋰電池供電，因此選用直接電機驅動。直流電機的轉動慣量相對較小，容易控制，能夠最大程度地提高采摘機器人運動靈敏性，一般由電動機、轉子、位置傳感器和開關器組成。直流電機原理框架如圖5所示。

圖5 直流電機原理框架Fig.5 Dc motor principle frame

本文采用日本PANASONIC公司的55-110型號直流電機。該電機有兩個極數；額定功率為30～1 200W；額定電壓為6～110V，具有寬電壓輸入特性；額定轉速為150～6 500r/min。該電機應用系統(tǒng)構成示例圖如圖6所示。

圖6 電機應用系統(tǒng)構成示例Fig.6 The example of the structure of the motor application system

3.2 PWM脈寬調速原理

控制電機轉速一般是采用PWM脈寬控制的方法。該方法通過改變電機電樞電壓的接通與斷開的時間比來控制電機轉速的方法，實現調節(jié)電機轉速的目的。PWM脈寬調速原理如圖7所示。

圖7 PWM調速原理Fig.7 The principle of PWM speed regulation

從圖7(b)可以看出：Vd與占空比D并不是完全的線性關系。當系統(tǒng)允許的時候，可以近似看作為線性關系。因此，可以看作Ua與占空比D成正比，改變占空比的大小可達到調節(jié)電機轉速的目的。

3.3 直流電機驅動系統(tǒng)設計

本文設計的采摘機器人驅動系統(tǒng)采用直流電機驅動。直流電機驅動系統(tǒng)主要由左右電機、NMOS驅動控制電路、光耦隔離器、DC/DC電壓隔離及H橋驅動電路組成，如圖8所示。

圖8 直流電機驅動系統(tǒng)設計結構圖Fig.8 The design structure diagram of DC motor drive system

直流電機驅動系統(tǒng)采用4路PWM信號控制，控制信號采用TTL信號輸入。為了保證電機控制器的可靠性，避免電機高壓部分影響微處理器的穩(wěn)定性，采用光電隔離電路，將微處理器與電機驅動電路進行光電隔離。4路PWM電路經過光電隔離電路直接控制NMOS驅動控制電路，然后產生4路非共態(tài)的PWM信號，控制H橋驅動橋驅動電路，以脈寬調制的方式，控制電機的轉速。

3.4 直流電機驅動部分電路設計

1)微處理器最小系統(tǒng)的設計。根據直流電機驅動控制的特點，了解到控制器主要是處理多種數據、控制算法、直流電機驅動和人機交互等，本文選擇ST公司的32位STM32F103C8T6微處理器。該處理器包含一個支持JTAG仿真的Cortex-M3處理器、與片內的存儲控制器接口的局部總線、與中斷控制器的高性能總線AHB和連接片內外設功能的VLSI外設總線VPB，包括指令I-bus、數據D-bus、系統(tǒng)S-bus、內外部專用外設等5個驅動總線。該處理器具有運算能力強、編程簡單、功耗低、體積小等優(yōu)點。控制單元最小系統(tǒng)如圖9所示。

2)光耦隔離電路設計。光耦輸入阻抗較小，一般為幾百歐姆，驅動電流一般在2～20mA，而干擾源阻抗較大，因此輸入端的干擾信號會被抑制掉；另外，光耦的輸入與輸出兩端無電氣聯(lián)系，也不會共地，不會產生共阻抗耦合干擾信號。因此，光電耦合隔離是一種有效將不停電壓控制回路充分進行隔離的方式。為了保證采摘機器人控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少電機驅動電路模塊對控制部分微處理器造成干擾，提高驅動電路的可靠性，本文采用光耦器件進行電氣隔離設計。光耦隔離電路設計如圖10所示。

圖9 控制單元最小系統(tǒng)Fig.9 The minimum system of control unit

圖10 光耦隔離電路原理圖Fig.10 The schematic diagram of optocoupler isolation circuit

3)電機驅動電路設計。采摘機器人電機不僅只有單向轉動需求，更是需要雙向轉動功能。為了實現采摘機器人的四象限驅動(即滿足機器人正常的暫定、前進和后退等運動)，本文采用H橋驅動方案。H橋電機驅動電路設計如圖11所示。

圖11 H橋電機驅動電路原理圖Fig.11 The schematic diagram of H bridge motor drive circuit

圖11中，4個Nmos晶體管組成H的4條腿，直流電機則為H中間的“-”。系統(tǒng)想讓電機正常工作起來，則需處理器給定的PWM信號讓H橋電路中對角的兩個Nmos管導通。在H橋電機驅動中，不同的晶體管導通電機的旋轉方向會不一樣，這樣就能確保電機是前行還是后退。H橋電路工作的3種模式分別為：①暫停。即四路PWM信號全為低電平，4個Nmos晶體管工作狀態(tài)為截止，電機不轉動。②前進。當PWML1_OUT和PWMR2_OUT有高電平產生時，電源正極經Q1從左至右穿過電機，然后再經Q4回到電源負極，電機會正向轉動，機器人前行。③后退。當PWMR1_OUT和PWML2_OUT有高電平產生時，電源正極經Q2從右至左穿過電機，再經Q3回到電源負極，電機會反向轉動，機器人后退。

4 實驗與結果分析

為了驗證該采摘機器人行走系統(tǒng)的可靠性，進行了實驗驗證。實驗包括直行測試和轉彎測試：前5次進行直行試驗，行走距離為2、5、8、10、15m；后5次進行轉彎試驗，轉彎角度為30°、60°、90°、150°和180°。行走距離如表1所示，轉彎測試如表2所示。

表1 行走距離測試結果Table 1 The test results of walking distance m

表2 轉彎測試結果Table 2 The turn test result (°)

從表1和表2可以看出：在直行測試中，控制系統(tǒng)保證開環(huán)控制電機相同的速度，行走誤差較小，在0.38m以內；轉彎誤差測試中，轉彎誤差與轉彎角度關系不大，角度誤差在4.2°以內，直行和轉彎測試均滿足設計要求。

5 結論

以采摘機器人移動行走為研究對象，搭建了采摘機器人移動平臺，設計了運動系統(tǒng)控制方案、H橋功率驅動電路及PWM脈寬調速策略，可以實現采摘機器人大功率驅動調速控制。實驗結果表明：該采摘機器人在行走和轉彎測試中誤差較小，能夠滿足設計要求，對直流電機在其場合的驅動控制具有一定的參考價值。