為一款小型全地形履帶車設(shè)計了控制系統(tǒng)，可以控制履帶車在全地形路況下載運(yùn)物品到達(dá)指定位置?？刂葡到y(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，通過人的遙控，主控制器控制電機(jī)驅(qū)動模塊通過利用調(diào)速控制和反饋調(diào)速的總信號調(diào)壓的方式改變向車兩側(cè)電機(jī)供給的電能來驅(qū)動履帶車，實現(xiàn)全地形載運(yùn)貨物的功能。

【關(guān)鍵詞】PID控制 雙電機(jī)驅(qū)動 DC轉(zhuǎn)DC 紅外線遙控

從2007年到2015年，我國快遞業(yè)呈現(xiàn)出強(qiáng)勁的增長態(tài)勢，快遞業(yè)務(wù)量年均增長 40%以上，2015年我國快遞業(yè)業(yè)務(wù)量達(dá)到了206億件，同比增長48%[1-2]。分揀站點作為快遞業(yè)務(wù)重要的一環(huán)，經(jīng)常因為貨物繁多而堆積如山，站點內(nèi)需要小型可操縱載運(yùn)物品的裝置來將分揀后的快件運(yùn)送到站內(nèi)相應(yīng)位置；另外，隨著我國社會步入老齡化，在家庭生活中，特別是對于老年人需要一種可在全地形環(huán)境下幫助人搬運(yùn)物品的輕便裝置。

針對這種情況，設(shè)計出一種小型遙控操縱的搬運(yùn)小型物品用全地形履帶車。履帶車設(shè)計為由人在不超過以20m為圓心的區(qū)域內(nèi)通過手持無線遙控器實時對車的運(yùn)動進(jìn)行遙控，實現(xiàn)其全地形（包括翻越小型障礙、上樓梯等）負(fù)重前進(jìn)、轉(zhuǎn)向、倒退進(jìn)行載運(yùn)，到達(dá)指定位置。整車采用雙電機(jī)驅(qū)動和履帶設(shè)計，自重約為15 kg，長925 mm、寬550 mm-750 mm（在此范圍內(nèi)可調(diào)）、高310 mm，可承載40 kg的貨物。整個車由機(jī)體部分、電機(jī)和傳動及行駛部分、電子控制部分等三部分組成。履帶車整體示意圖如圖1所示。

目前，搬運(yùn)物品的智能車控制系統(tǒng)多是小型循跡車控制系統(tǒng)，如王登貴的基于MCU的智能搬運(yùn)車控制系統(tǒng)設(shè)計與研究[3]與郭偉的自動尋跡搬運(yùn)車控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[4]，通過控控制系統(tǒng)控制模型車循跡運(yùn)動，但其設(shè)計無法滿足各種復(fù)雜路況下載運(yùn)偏重型物品；還有張培明的智能搬運(yùn)車控制系統(tǒng)研究[5]和董雷剛的復(fù)雜路況下的智能循跡小車方案設(shè)計[6]，這些設(shè)計解決了復(fù)雜都實現(xiàn)了搬運(yùn)車在復(fù)雜路況下沿指定路線載運(yùn)貨物的問題，但是不適用于控制搬運(yùn)車到達(dá)隨意指定位置。本文設(shè)計的是適用于全地形搬運(yùn)貨物至任意地點的小型履帶車的控制系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計

根據(jù)履帶車的要求，設(shè)計出遙控履帶車控制系統(tǒng)主要以89C52單片機(jī)為主控制器芯片，由紅外線通信模塊、主控制器模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、供電電源模塊四部分構(gòu)成。

系統(tǒng)的運(yùn)行流程大致分為四步：紅外線通訊、單片機(jī)處理、電機(jī)驅(qū)動和電機(jī)執(zhí)行，系統(tǒng)每次刷新時間是10 ms，完成上一次流程即刻進(jìn)入下一次循環(huán)。具體為：打開履帶車上的電源開關(guān)，單片機(jī)開始對包括紅外線通信、電機(jī)驅(qū)動和編碼器等接口進(jìn)行初始化，按下按鍵使遙控器發(fā)出的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎指令，經(jīng)紅外線發(fā)射接收模塊的調(diào)制和解調(diào)后，將運(yùn)動信號發(fā)送給單片機(jī)；單片機(jī)會對輸入信號進(jìn)行辨別運(yùn)算，發(fā)出履帶車做相應(yīng)運(yùn)動所需的不同信號；在單片機(jī)對接收到的信號進(jìn)行運(yùn)算處理之后，輸出信號會控制兩側(cè)電機(jī)驅(qū)動向電機(jī)電源的供給，進(jìn)而控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，最后實現(xiàn)控制履帶遙控車載運(yùn)的功能?？刂葡到y(tǒng)總框圖如圖2所示。

當(dāng)兩側(cè)電機(jī)驅(qū)動車運(yùn)動時，碼盤編碼器會將兩側(cè)運(yùn)動速度返回至主控制器，通過主控制器改變對電機(jī)驅(qū)動的指令消除轉(zhuǎn)速差。如果需要對履帶遙控車進(jìn)行調(diào)速，可按下遙控器上調(diào)速按鍵發(fā)出的高中低速信號至主控制器，通過主控制器的脈沖輸出控制電機(jī)驅(qū)動，最后實現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。前進(jìn)和后退的切換則可通過調(diào)節(jié)電機(jī)驅(qū)動模塊里的轉(zhuǎn)換開關(guān)實現(xiàn)。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 紅外線無線通訊模塊

紅外線無線通信模塊主要用作從遙控器發(fā)送控制指令至主控制器。

紅外線通信是一種利用紅外線來傳輸信號的通信方式。紅外通信是利用950 nm近紅外波段的紅外線作為傳遞信息的媒體，即通信信道。發(fā)送端將基帶二進(jìn)制信號調(diào)制為一系列的脈沖串信號，通過紅外發(fā)射管發(fā)射紅外信號。紅外線具有容量大，保密性強(qiáng)，抗電磁干擾性能好，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、價格低。

設(shè)計用到的一對紅外線通訊編碼/解碼芯片PT2262/PT2272，是一對帶地址、數(shù)據(jù)編碼功能的無線遙控發(fā)射/接收芯片。發(fā)射芯片PT2262將載波振蕩器、編碼器和發(fā)射單元集成與一身，使發(fā)射電路變得十分簡潔。接收芯片PT2272 M4，以四路非鎖定形式輸出，即當(dāng)發(fā)射信號消失時，其對應(yīng)輸出位即變?yōu)榈碗娖郊摧敵龅碾娖绞撬矔r的，且與發(fā)射端相對應(yīng)，可以實時電動控制。

從發(fā)射模塊可以進(jìn)行四路遙控，分別是前行、分級調(diào)速、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)。進(jìn)而控制接收模塊的九路輸出，與主控制器進(jìn)行通訊。紅外線無線通信模塊原理圖如圖3所示。

2.2 主控制器模塊

主控制器模塊主要用作對指令信號的接收與處理。

設(shè)計用到的控制器核心為STC89C52RC單片機(jī)，用于對輸入信號的處理和輸出控制信號，其最小系統(tǒng)是由以89C52單片機(jī)為主的，再加上復(fù)位電路、振蕩電路和5V電源等組成的控制模塊。復(fù)位電路包括自動上電復(fù)位和手動復(fù)位，可以使單片機(jī)的狀態(tài)還原成初始狀態(tài)；單片機(jī)上各個部件運(yùn)行都是以時鐘頻率為基準(zhǔn)，而晶振電路的作用就是為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的時鐘信號，設(shè)計使用的是11.0592 MHz的晶振作為振蕩源和50 pf的電容構(gòu)成振蕩電路。

STC89C52RC單片機(jī)共32位I/O接線口。在控制系統(tǒng)中，P0組用于公共端接線，P1組用于紅外線通訊端接線，P2組用于指令輸出端接線，P3組用于與編碼器通訊的接線。主控制器模塊原理圖如圖4所示。

2.3 電機(jī)驅(qū)動模塊

電機(jī)驅(qū)動模塊主要用作處理主控制器指令信號，為電機(jī)提供可調(diào)電源。

電機(jī)是一種將電能轉(zhuǎn)化為動能的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。電機(jī)驅(qū)動模塊接單片機(jī)輸出的一個某長度的脈沖信號，可以通過脈沖改變控數(shù)字電位器的阻值來控制電機(jī)驅(qū)動電路對24 V電源向電機(jī)提供不同固定值的電壓，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動。履帶車的左、右兩側(cè)履帶各自由一個電機(jī)驅(qū)動，兩個電機(jī)協(xié)同作業(yè)，從而達(dá)到控制履帶遙控車轉(zhuǎn)向、直行等運(yùn)動的目的。

2.3.1 電機(jī)及電池的選擇

根據(jù)整車設(shè)計，要求電機(jī)的功率為150W，轉(zhuǎn)速為200 rpm，選擇臺松DC2 V正反轉(zhuǎn)調(diào)速90型3-15 K 200 W直流齒輪減速電機(jī)。其基本參數(shù)如表1。

所選電機(jī)在150 w及以上功率的情況下工作，要求履帶車可以在這種情況下連續(xù)工作3小時以上，因此選擇了優(yōu)貝特24 V 20 ah定制式鋰電池。

2.3.2 電機(jī)驅(qū)動的設(shè)計

設(shè)計所用到的24 V直流齒輪減速電機(jī)，是一種直流大力矩調(diào)速正反轉(zhuǎn)減速電機(jī)。電機(jī)在調(diào)速時采用調(diào)壓調(diào)速，可以盡量減小噪音和履帶遙控車在負(fù)載運(yùn)行時的震動。減速電機(jī)的驅(qū)動電路是一塊由電位器改變電壓值的電源轉(zhuǎn)換模塊，主要由通用時基電路NE555P、N溝道P75NF75三極管、L7812CV三端穩(wěn)壓集成塊和數(shù)字電位器構(gòu)成。其中NE555P時基電路由數(shù)字電位器器完成特點振蕩延時作用；P75NF75三極管是導(dǎo)電方式增強(qiáng)型的三極管；L7812CV集成塊是DC 12-24 V的輸入輸出穩(wěn)壓管；數(shù)字電壓器是可調(diào)共100階100 kΩ的數(shù)字電阻。

通過各個原件的協(xié)同工作，保證了電機(jī)運(yùn)行。電機(jī)驅(qū)動電路原理圖如圖5所示。

2.3.3 車兩側(cè)電機(jī)同步的設(shè)計

由于履帶車左右履帶分別由兩側(cè)的電機(jī)驅(qū)動，為保證兩側(cè)電機(jī)同步。系統(tǒng)在兩個電機(jī)轉(zhuǎn)軸前端延長部分分別用聯(lián)軸器連上碼盤編碼器，讀取左右電機(jī)的不同瞬時轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，再經(jīng)過主控制器模擬PID運(yùn)算，輸出控制信號對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，實現(xiàn)同步功能。

編碼器是將信號或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設(shè)備。編碼器把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號，前者稱為碼盤，后者稱為碼尺。按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個位置對應(yīng)一個確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關(guān)，而與測量的中間過程無關(guān)。

根據(jù)系統(tǒng)同步設(shè)計的要求，選擇的編碼器是歐姆龍E6A2 CS5C 100 p/r脈沖光電增量式碼盤編碼器。編碼器軸徑4 mm，電壓12-24 V DC，分辨率100 p/r。編碼器實物圖如圖6所示。它將電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示電機(jī)轉(zhuǎn)動的圈數(shù)。

該型號編碼器有3條引線，其中1條是A相脈沖輸出線，1條是COM端線，1條是電源線（OC門輸出型）。編碼器的電源直接接外接電源，如圖7所示。電源“-”端與編碼器的COM端連接，“+ ”與編碼器的電源端連接；編碼器的COM端與主控制器輸入COM端連接；A相脈沖輸出線直接與主控制器的輸入端連接，脈沖信號直接輸入給主控制器，利用主控制器的計數(shù)器對其脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，以獲得測量結(jié)果。

2.4 供電電源模塊

供電電源模塊主要用作對主控制器模塊和電機(jī)驅(qū)動模塊提供專用電源。

設(shè)計的供電電源模塊由三路專用的供電電源提供給履帶遙控車。一路24V電源由電池經(jīng)DC24/12-DC5降壓模塊降壓之后，為其提供穩(wěn)定可靠的5V專用電源，所用到的降壓模塊主要由高效率大電流降壓芯片TPS40057、TPCA8016-H MOSFET N通道構(gòu)成，被降電壓經(jīng)過N通道的邏輯電平門最后通過大電流降壓芯片TPS40057（TPS40057原理圖如圖8所示）進(jìn)行降壓，為主控制器提供電源；另一路直接連接24V電源正負(fù)極至電機(jī)驅(qū)動模塊正負(fù)端子，由電機(jī)驅(qū)動模塊控制對電機(jī)供電；最后一路直接向編碼器供電。

3 軟件設(shè)計

設(shè)計采用Keil μVision4進(jìn)行編程實現(xiàn)。設(shè)計中系統(tǒng)軟件包括主函數(shù)和電機(jī)驅(qū)動函數(shù)函數(shù)。對單片機(jī)和一些外圍器件需要進(jìn)行初始化才能正常使用的器件進(jìn)行初始化和重新賦值一些變量，初始化完后進(jìn)去死循環(huán)，如果不進(jìn)入死循環(huán)程序運(yùn)行一次就會退出，如果加入死循環(huán)程序就會不斷地進(jìn)行循環(huán)達(dá)到實時檢測執(zhí)行的目的。

程序主要完成系統(tǒng)、遙控模塊初始化和控制電機(jī)運(yùn)作等功能。

系統(tǒng)初始化由定時器10 ms的定時，對單片機(jī)和遙控模塊等進(jìn)行初始化和重新賦值。初始化完后進(jìn)入主程序。首先檢查是否接收到遙控信號，如有信號，由單片機(jī)對其進(jìn)行處理。由于電機(jī)驅(qū)動采用數(shù)字電位器調(diào)壓的方式，單片機(jī)I/O口段時間發(fā)送一段脈沖信號對應(yīng)電位器的某一阻值，從而改變電機(jī)驅(qū)動模塊對電機(jī)提供電源的電壓值達(dá)到控制電機(jī)的目的。履帶車兩側(cè)編碼器會在車不同運(yùn)行狀態(tài)下返回兩側(cè)不同速度數(shù)據(jù)，經(jīng)主控制器對該階段反饋的速度數(shù)據(jù)進(jìn)行pid運(yùn)算比較，對數(shù)字電位器進(jìn)行微調(diào)，實現(xiàn)對兩電機(jī)同步的要求。程序流程圖見圖9。

4 結(jié)論

為一小型全地形履帶車設(shè)計了其控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)應(yīng)用到履帶車上，在額定載重、全地形工況下，履帶車載運(yùn)貨物行進(jìn)、轉(zhuǎn)向和變速的操控性能良好，能夠在穩(wěn)定的跨越草地、石子路、樓梯等障礙的同時保持車兩側(cè)履帶速度同步，保持了履帶車的設(shè)計運(yùn)載能力。所設(shè)計的控制系統(tǒng)完全滿足履帶車運(yùn)行控制的要求。

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作者簡介

龐根蒂（1995-），男，四川省德陽市人。大學(xué)本科學(xué)歷。2013級自動化專業(yè)學(xué)生。

作者單位

1.沈陽理工大學(xué) 遼寧省沈陽市 110159

2.沈陽理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院 遼寧省沈陽市 110159