翟國棟，　蘇一新，　高培源

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 機電與信息工程學(xué)院， 北京　100083)

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探測機器人電氣系統(tǒng)設(shè)計

翟國棟，蘇一新，高培源

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 機電與信息工程學(xué)院， 北京100083)

摘要：為了提高探測機器人的智能化，設(shè)計了一種以ARM架構(gòu)為核心的電氣系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用2.4 GHz無線通信、電動機閉環(huán)控制、多自由度機械臂控制以及多傳感器信息融合等技術(shù)，實現(xiàn)了避障、越障、定位、通信、傳感器測量等功能；利用光伏效應(yīng)和改進爬山法進行最大功率點追蹤，解決了探測機器人能耗問題。

關(guān)鍵詞：探測機器人； 電氣系統(tǒng)； 光伏發(fā)電； MPPT

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160705.1505.020.html

0引言

探測機器人是用于在危險區(qū)域與復(fù)雜地形執(zhí)行目標物及環(huán)境探測任務(wù)的地面移動平臺[1]，是現(xiàn)代傳感技術(shù)、檢測技術(shù)、人工智能、自動控制、機構(gòu)學(xué)、信息技術(shù)及計算機技術(shù)等多學(xué)科、高新技術(shù)的結(jié)晶，不僅在空間、軍事、消防、采礦、林業(yè)、勘探等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，而且與相關(guān)學(xué)科的發(fā)展也有很大關(guān)系，具有重要研究意義。

探測機器人主要依賴自身電氣硬件系統(tǒng)，配合相應(yīng)軟件實現(xiàn)避障、越障、定位、通信、傳感器測量等功能。筆者設(shè)計了一種探測機器人電氣系統(tǒng)，并完成了樣機制作。

1探測機器人機械系統(tǒng)

探測機器人的機械構(gòu)造決定了其運動性能的好壞，本文基于結(jié)構(gòu)力學(xué)和動力學(xué)的相關(guān)理論，針對復(fù)雜未知的地形，設(shè)計了一種六輪搖臂懸架行走機構(gòu)；經(jīng)運動學(xué)分析，推導(dǎo)出了探測機器人在任意運動位置時質(zhì)心域的計算公式；利用Matlab軟件進行了實體分析與優(yōu)化，用Adams進行了動力學(xué)建模與仿真分析，驗證了優(yōu)化結(jié)果。

探測機器人基本結(jié)構(gòu)由中心車體和兩側(cè)的搖臂懸架2個部分組成[2]，如圖1所示。機器人兩側(cè)的搖臂懸架能夠緊貼路面行走，運行平穩(wěn)。機器人采用六輪獨立閉環(huán)驅(qū)動，驅(qū)動能力強，輪胎采用特殊材料避免迅速老化，通過六輪差速控制算法實現(xiàn)機構(gòu)轉(zhuǎn)向。在機器人的正前方搭載了6自由度機械臂，以實現(xiàn)樣本采集工作，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中OR，D2，P2為機器人坐標系；l1—l5為各桿長；b為半個車體的寬度；β2為右搖臂繞車體轉(zhuǎn)動的角度；r為車輪半徑；α1，α2為D2的Z軸與前臂形成的2個夾角。

(a)Solidworks結(jié)構(gòu)(b)測試樣機

圖1探測機器人Solidworks結(jié)構(gòu)及測試樣機

圖2　探測機器人結(jié)構(gòu)

2探測機器人電氣系統(tǒng)

探測機器人電氣系統(tǒng)功能要求：為了安全和便于控制，要求機器人能夠精確閉環(huán)控制行進距離、行進速度，能準確自我定位和遠程實時通信；為了提高探測深度，要求機器人具備視覺采集、反饋控制與存儲，周圍環(huán)境信息采集存儲、樣本采集存儲等功能；為了有效行進與越障，要求機器人能提供較大的驅(qū)動電流；為了躲避無法逾越的障礙，要求機器人能夠具備CMOS圖像模式識別與紅外測距功能，以進行有效避障。

探測機器人電氣系統(tǒng)包括供電、核心控制、通信、驅(qū)動、測量傳感等子系統(tǒng),結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.1核心控制系統(tǒng)

核心控制系統(tǒng)運行主算法程序，負責(zé)多傳感器信息融合[5]、遠程通信、圖像采集與處理、機械臂及行走機構(gòu)控制等。

CPU采用基于ARM7架構(gòu)的32位處理芯片LPC2138，其帶有512 kB的高速Flash存儲器、47個GPIO、2個10位8路ADC、10位DAC、PWM通道和多個32位定時器，以及9個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷。該芯片還具有實時仿真和嵌入式跟蹤功能，寬范圍的串行通信接口和片內(nèi)32 kB的SRAM,非常適用于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換等。

圖3　探測機器人電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2驅(qū)動系統(tǒng)

探測機器人采用六輪獨立閉環(huán)方式驅(qū)動，使用Faulhaber帶編碼器的空心杯減速直流電動機2342L012(額定電壓為12 V，輸出功率為17 W，輸出扭矩大，減速比為64∶1)，并設(shè)計了雙直流電動機閉環(huán)驅(qū)動集成電路板，其核心處理器及外圍電路可以采集光電編碼器反饋信息，并進行PID運算、PID參數(shù)優(yōu)化，可更準確地調(diào)整電動機轉(zhuǎn)動角度和轉(zhuǎn)速。

2.3測量傳感系統(tǒng)

探測機器人配有8個GP2D12紅外測距傳感器，同水平面均勻分布。該傳感器具有紅外信號發(fā)射端和接收端，發(fā)射端發(fā)射出紅外光線，光束傳播過程中遇到物體后被反射，回到傳感器接收端，利用發(fā)射與接收的時間差計算得到與物體的距離。其功耗小，體積小，抗干擾能力強，測量射程范圍為10～80 cm，可用于實現(xiàn)近距離物體的測距避障功能。

探測機器人配備了2個CMOS視覺模塊，搭配機械云臺進行全方位圖像采集與模式識別。雙目視覺技術(shù)模仿人雙目立體感知的方法[6]，用2部視覺傳感器同時采集同一場景的圖像，利用計算機進行圖像閾值化、圖像增強處理，以及連通域提取等流程，實現(xiàn)彩色圖像中的多個障礙物識別[1]，然后根據(jù)場景在不同攝像機成像中存在的視差，得到空間物體的深度信息，從而重建出場景的三維信息。

探測機器人還裝配了全球定位系統(tǒng)，用于采集緯度和經(jīng)度，同時也能室外定位。陀螺儀用于室內(nèi)位姿調(diào)整，BH1750FVI芯片的光照度傳感器、單總線DS18B20數(shù)字溫度傳感器、DHT11濕度傳感器等用于機器人周圍環(huán)境數(shù)據(jù)實時監(jiān)測及存儲，最后，通過無線通信系統(tǒng)將傳感器信息上傳到上位機。

2.4通信系統(tǒng)

探測機器人一方面可以根據(jù)自身硬件進行自主決策，實現(xiàn)一定程度的自主導(dǎo)航、定位與控制；另一方面，還可以接收上位機的遠程操作控制指令[7]。

通信系統(tǒng)是實現(xiàn)機器人信息流傳遞的關(guān)鍵，機器人采用無線通信技術(shù)與上位機進行實時雙向通信，上位機發(fā)送控制信息，同時接收機器人各模塊數(shù)據(jù)與圖像信息。通信系統(tǒng)具體實現(xiàn)：在2.4 GHz無線路由器中寫入OpenWrt系統(tǒng)，并在該系統(tǒng)上運行Serial2net程序，進行核心處理器串口與網(wǎng)口的信息交換。

3探測機器人光伏發(fā)電系統(tǒng)

3.1光伏發(fā)電系統(tǒng)組成

光伏發(fā)電是利用由半導(dǎo)體材料制成的PN結(jié)電池結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的光生伏特效應(yīng)[3]。太陽能電池是為了滿足各種供電系統(tǒng)所需，直接把光能轉(zhuǎn)換成電能，并通過串聯(lián)和封裝保護后形成的大面積太陽能電池板。

探測機器人配有3塊可折疊式薄膜太陽能電池板，其光電轉(zhuǎn)換效率高，聚光條件下也適用。配合使用具有功率控制功能的MPPT(Maximum Power Point Tracking，最大功率點跟蹤)控制器和儲能鋰電池組，便組成了整個光伏發(fā)電系統(tǒng)，如圖4所示，該系統(tǒng)不受地域制約，安全、環(huán)保，且性能可靠。

圖4　探測機器人光伏發(fā)電系統(tǒng)

根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)實際工作狀態(tài)，設(shè)計了3種工作模式：光照充足時，完全由光伏電池給負載供電，鋰電池只有儲能作用，鋰電池充滿時，應(yīng)斷開充電線路，防止鋰電池過充；光照不足時，由光伏電池和鋰電池同時給負載提供電能；無光條件下，由鋰電池單獨供電，此時太陽能電池續(xù)航能力較弱。

3.2最大功率點跟蹤算法

光伏方陣的最優(yōu)工作點稱為最大功率點，其值主要取決于電池板的工作溫度和當(dāng)時的光照水平[4]。最大功率點跟蹤算法是指太陽能電池的最大功率點追蹤方法，在快速變化的天氣條件下，控制電池板盡量在最大功率點工作。MPPT控制器能夠?qū)崿F(xiàn)電路中電壓、電流的監(jiān)測，以及鋰電池的充、放電控制，不僅可防止鋰電池過充，延長鋰電池的壽命，還可根據(jù)負載需求，實現(xiàn)太陽能電池組件的主動控制及鋰電池的電能輸出。鋰電池充電時，太陽能電池的輸出電壓應(yīng)大于鋰電池當(dāng)前電壓，否則無法充電。

圖5　改進爬山法跟蹤原理

為了避免誤動作，加入對ω3的判斷作為輔助決策條件。當(dāng)Δp′>0時，假設(shè)ω2<ω3，則證明功率變化是由光強影響的，應(yīng)該繼續(xù)維持一開始工作狀態(tài)時的電壓值不變，否則，證明電池板在最大功率點的左側(cè)工作，需增加工作時的電壓；同理，當(dāng)Δp′<0時，假設(shè)ω2>ω3，則應(yīng)繼續(xù)保持原來的工作電壓不變，否則，有必要降低工作時的電壓。改進爬山法有效減少了爬山法跟蹤的誤動作，并能更好地跟蹤光照強度的快速變化，提高最大功率跟蹤效率，使跟蹤匹配因數(shù)更接近于1。跟蹤匹配因數(shù)越接近1，說明MPPT控制算法效果越好[4]。改進爬山法流程如圖6所示。

圖6　改進爬山法流程

4結(jié)語

探測機器人電氣系統(tǒng)以ARM7架構(gòu)處理器為核心，并運用GPS、紅外傳感器、陀螺儀、視覺傳感器、環(huán)境探測傳感器等進行多傳感器信息融合，進而控制行走機構(gòu)與機械臂等執(zhí)行機構(gòu)；選用改進的爬山法進行最大功率點追蹤，有效降低了爬山法跟蹤的誤動作，能更好地跟蹤光強的迅速變化，提升最大功率跟蹤的效率，解決了探測機器人的能耗問題。

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Design of electrical system for exploration robot

ZHAI Guodong，SU Yixin，GAO Peiyuan

(School of Mechanical Electronic and Information Engineering,China University of Mining and Technology (Beijing), Beijing 100083, China)

Abstract:In order to improve intelligence of exploration robot, an electrical system taking ARM architecture as core was designed. The system adopts techniques including 2.4 GHz wireless communication, closed-loop control of motors, control of multi degree of freedom mechanical arm and multi sensor information fusion to achieve functions of obstacle avoidance, obstacle crossing, positioning, communication and sensor measurement. It uses photovoltaic effect and improved hill climbing method to realize maximum power point tracking, and solves energy consumption problem of exploration robot.

Key words:exploration robot; electrical system; photovoltaic power generation; MPPT

文章編號：1671-251X(2016)07-0079-04

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.07.020

收稿日期：2016-01-25；修回日期：2016-05-16；責(zé)任編輯：胡嫻。

基金項目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(2014YJ02)。

作者簡介：翟國棟(1973-)，男，河北高碑店人,高級工程師，博士，主要從事機電專業(yè)的教學(xué)、科研工作，E-mail:zgd@cumtb.edu.cn。

中圖分類號：TD67

文獻標志碼：A網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-07-05 15:05

翟國棟，蘇一新，高培源.探測機器人電氣系統(tǒng)設(shè)計[J].工礦自動化，2016,42(7)：79-82.