作者：李 輝，郭文成，陳浩

引言

    隨著人工成本的不斷升高，用機器人代替人力去做一些重復(fù)性的高強度的勞動是現(xiàn)代機器人研究的一個重要方向。搬運機器人在導(dǎo)航尋跡中，需要后輪驅(qū)動電機和前輪舵機的協(xié)調(diào)工作。搬運機器人電機驅(qū)動有其特殊的應(yīng)用要求，對電機的動態(tài)性能要求較高，能在任意時刻到達控制需要的指定位置并且使舵機停止在任意角度；電機驅(qū)動的轉(zhuǎn)矩變化范圍大，既有空載平整路面行使的高速度、低轉(zhuǎn)矩工作環(huán)境，也有滿負載爬坡的運行工況，同時還要求保持較高的運行效率。根據(jù)以上的技術(shù)要求，本文選用了控制技術(shù)成熟，易于平滑調(diào)速的直流電機作為搬運機器人的執(zhí)行饑構(gòu)。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

1．1 機器人電機控制器硬件結(jié)構(gòu)

    主控制器采用Cortex-M3內(nèi)核的STM32F107?？刂破鲀?nèi)部共有8個定時器，其中TIM1_CH1和TIM8_CH1為高級控制定時器引腳，TIM1_CH1用于電機編碼器計數(shù)。TLM8_CH1用于舵機控制基準時間。通用定時器引腳TIM2 CH1、TIM3 CH1、TIM4_CH1、TIM5_CH1分別用于電機和舵機驅(qū)動電路上下橋壁PWM的產(chǎn)生。

    觸發(fā)EXIT0中斷的PA0口和PB0口分別用于電機和舵機的過流中斷保護。觸發(fā)EXIT1中斷的PA1口和PB1口用于舵機兩側(cè)限位保護。電機驅(qū)動電路采用自舉升壓芯片IR2103和MOSFET管75N75，后輪電機和舵機的相電流采集是通過康銅絲轉(zhuǎn)換成電壓，通過放大濾波處理，分別送至STM3 2F107的A／D采樣引腳ADC12_IN1實現(xiàn)過電流保護。通過上位機串口通信或STM32F107內(nèi)部程序速度給定，控制電機的正反轉(zhuǎn)、速度及舵機的轉(zhuǎn)向。搬運機器人電機控制硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1．2 模塊的選擇與設(shè)計

1．2．1 功率驅(qū)動的設(shè)計

    電機的供電電源是由24 V的蓄電池提供，額定功率為240W，由4個75N75組成橋式電路來實現(xiàn)。75N75是MOSFET功率管，其最高耐壓75V，最高耐流75 A，電機驅(qū)動電路如圖2所示。


    Q1、Q4和Q2、Q3分別組成兩個橋路，分別控制電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。高端驅(qū)動的MOS管導(dǎo)通時源極電壓和漏極電壓相同且都等于供電電樂VCC，所以要實現(xiàn)MOS管正常的驅(qū)動，柵極電壓要比VCC大，這就需要專門的升壓芯片IR2103?？刂破鳟a(chǎn)生的PWM信號輸入HIN引腳，控制器I／O口輸出的EN1、EN2作為使能信號。輸出端HO就可得到比VCC要高的電壓，且高出的電壓值正好是充在電容兩端的電壓。二極管提高導(dǎo)通速度，使得75N75的導(dǎo)通電阻更小，降低了開關(guān)管的損失。同時IR2103的兩個輸出口HO、LO具有互鎖功能，防止由于軟件或硬件錯誤造成的電機上下橋臂直通造成短路。

1．2．2 過流保護的設(shè)計

    在電機控制系統(tǒng)中安裝過流保護有兩方面的意義：一是防止在電機正常運行時，電機出現(xiàn)超載或堵轉(zhuǎn)而使得電樞繞組電流過大損害電機甚至引發(fā)火災(zāi)；另一方面是由于電機肩動時啟動電流很大，往往不能直接啟動，既需要等勵磁繞組逐漸建立磁場后再正常運行，又希望電機以盡量快的速度肩動起來。有了過流保護對電流進行斬波，可以使電機安全快速地啟動。過流保護原理圖如圖3所示。



    電機的相電流通過康銅絲轉(zhuǎn)換成電壓信號Vtext，經(jīng)過運算放大器放大后的模擬量AD1送至控制器A／D轉(zhuǎn)換模塊，同時將經(jīng)過電壓比較器比較后的數(shù)字量EVA送至控制器的外部中斷口。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2．1 μC／OS-II的體系結(jié)構(gòu)

    μC／OS-II是一種可移植的、可植入ROM的、可裁剪的、搶占式的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實時性能優(yōu)良和可擴展性強等特點，最小內(nèi)核可編譯至2 KB。μC／OS-II是用C語言和匯編語言編寫的，其中絕大部分代碼郜是用C語言編寫的，只有極少部分與處理器密切相關(guān)的代碼是用匯編語言編寫。μC／OS-II僅僅包含了任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、時間管理、內(nèi)存管理、任務(wù)間的通信和同步等基本功能。
2．2 μC／OS-II系統(tǒng)下任務(wù)的分配

    成功地將μC／OS-Ⅱ系統(tǒng)移植到STM32F107后，基于μC／OS-II的程序設(shè)計是將一個大的應(yīng)用程序分成相對獨立的多個任務(wù)來完成。定義好每個任務(wù)的優(yōu)先級，μC／OS-II內(nèi)核對這些任務(wù)進行調(diào)度和管理。

    軟件設(shè)計思路是根據(jù)機器人實際運行的需要由上位機通過串口對電機轉(zhuǎn)速和舵機轉(zhuǎn)動位置進行給定。電機的轉(zhuǎn)速是由設(shè)定的速度值和由增量式編碼器的采集值相比較，經(jīng)過速度PID算法實現(xiàn)閉環(huán)控制。舵機的位置主要是由絕對值式編碼器反饋現(xiàn)在位置，根據(jù)動作時間要求調(diào)節(jié)舵機轉(zhuǎn)動的速度。本搬運機器人電機控制系統(tǒng)軟件要實現(xiàn)的功能如下：

    ◆上位機給定電機轉(zhuǎn)速、舵機轉(zhuǎn)動角度和動作時間；

    ◆要求電機轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)并且具有良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速沒計采用PI算法調(diào)節(jié)；

    ◆要求舵機快速到達指定角度，有位置反饋作為舵機給定轉(zhuǎn)速的調(diào)整；

    ◆具有一定的故障保護功能。當電機出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)、電流過大以及舵機觸動限位開關(guān)時，要求停止驅(qū)動模塊工作。

    針對以上要實現(xiàn)的功能，可以將應(yīng)用程序設(shè)計分為以下幾個任務(wù)：

    ①啟動任務(wù)。對系統(tǒng)進行初始化，創(chuàng)建初始電機狀態(tài)，然后自我刪除，啟動任務(wù)進入睡眠狀態(tài)。

    ②電機和舵機保護任務(wù)。用于在過流或限位開關(guān)動作時響應(yīng)外部中斷，進入中斷狀態(tài)通過發(fā)任務(wù)信號量，任務(wù)程序檢測信號量有效并響應(yīng)該任務(wù)，停止輸出。任務(wù)優(yōu)先級設(shè)為0級。

    ③上位機給定任務(wù)。用于上位機控制電機和舵機，任務(wù)優(yōu)先級設(shè)為1級。上位機數(shù)據(jù)輸入寄存器時將產(chǎn)生一個中斷，該中斷將收到的字節(jié)送入緩沖區(qū)并釋放上位機給定任務(wù)的信號量；任務(wù)中檢測到信號量有效便開始執(zhí)行，將對應(yīng)的字節(jié)信息解析成對應(yīng)的電機轉(zhuǎn)速和舵機轉(zhuǎn)角位置信息給相應(yīng)變量賦值。

    ④電機轉(zhuǎn)速控制任務(wù)。用于電機的閉環(huán)調(diào)速，任務(wù)優(yōu)先級設(shè)為2級。

    ⑤舵機控制任務(wù)。用于控制舵機在規(guī)定時間內(nèi)到達指定位置，任務(wù)優(yōu)先級設(shè)為3級。

2．3 啟動任務(wù)

    主程序中，在調(diào)用μC／OS-II的其他任務(wù)之前，首先調(diào)用系統(tǒng)初始化函數(shù)OSInit()，初始化μC／OS-II所有的變量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；同時，建立空閑任務(wù)OS_TaskIdle()，這個任務(wù)總是處于就緒態(tài)；調(diào)用OSTaskCreate()函數(shù)建立啟動任務(wù)；調(diào)用OSStart()，將控制權(quán)交給μC／OS-II內(nèi)核，開始運行多任務(wù)。

    啟動任務(wù)是在主程序中創(chuàng)建的，它主要有3個功能：

    ①用于系統(tǒng)初始化(PWM輸出模塊、串口、ADC模塊、輸入電平中斷功能、定時器)。

    ②建立系統(tǒng)所要用到的信號量。

    ③建立系統(tǒng)的其他任務(wù)。

    最后調(diào)用OSTaskDel(OS_PRIO_SELF)進行自我刪除，啟動任務(wù)進入睡眠狀態(tài)。主程序任務(wù)流程如圖4所示。



2．4 電機轉(zhuǎn)速控制任務(wù)

    增量式編碼器每次產(chǎn)生外部中斷，在中斷狀態(tài)中發(fā)出任務(wù)信號量，任務(wù)程序檢測信號量有效并響應(yīng)該任務(wù)，任務(wù)中通過測得電機當前轉(zhuǎn)速和給定速度對比實現(xiàn)閉環(huán)控制。電機轉(zhuǎn)速控制任務(wù)流程如圖5所示。

2．5 舵機控制任務(wù)

    舵機控制由一個定時器產(chǎn)生基準時間，每隔固定時間發(fā)送信號量，任務(wù)都將執(zhí)行一次。舵機控制任務(wù)將對絕對值編碼器測出的位置和給定的位置進行比較，根據(jù)剩余時間調(diào)整舵機的轉(zhuǎn)速。舵機控制任務(wù)流程如圖6所示。


3 系統(tǒng)機電接口

    機器人的舵機由直流電機外連一個30：1的減速機組成。絕對式位置編碼器同舵機相連，將舵機的角度信號送到驅(qū)動器控制板中。機器人前輪的兩個軸由傳動桿相連，其中一個軸由傳動帶與舵機相連，這樣在舵機轉(zhuǎn)動時，傳動帶帶動傳動桿，保證兩個前輪能夠同步轉(zhuǎn)動。后輪驅(qū)動電機為直流電機，直接與增量式編碼器相連，經(jīng)減速比為25：1減速機減速后，經(jīng)機械差速器驅(qū)動后輪轉(zhuǎn)動。增量式編碼器的信號同樣送到驅(qū)動器控制板中。機電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。


結(jié)語

    本文實現(xiàn)了搬運機器人的電機和舵機控制器硬件的設(shè)計，成功地在STM32F107上嵌入了實時操作系統(tǒng)μC／OS-II，完成了電機和舵機的轉(zhuǎn)速閉環(huán)實驗。利用Cortex-M3內(nèi)核控制器和μC／OS-II系統(tǒng)多任務(wù)實時性的特點，為后續(xù)的機器人圖像視頻采集和導(dǎo)航尋跡提供了軟硬件基礎(chǔ)。如果對現(xiàn)有PI算法進行改進，并且能夠?qū)崿F(xiàn)電機速度和電流雙閉環(huán)控制，則機器人電機的特性將會更好，搬運機器人的應(yīng)用前景將更加廣闊。