移动机器人硬件驱动方案的设计

1(20&’()* ,-./0&’()* 1(20)’()* ,-./0)’()*
以常速移动指定距离 # 图 !5P #-$$ 以梯形速度移动指定距离 # 图 !5P #8$$ 以指定的常速连续运动 # 图 !5P#1 $$ 加速后保持在指定高速的连续运动 # 图 !5P #: $$
!"!"$ 驱动控制设计
$
参考文献 ! !"# $%% 程序设计与实例 刘天海等编著 测绘出版社 "&&’(") !)# 机器人控制基础 吴芳美主编 中国铁道出版社 "&&)(*
.*/08(-9:08-.*;"<3+"= A2A/08(-9:;=> .*/01(2.&**: ;+6#%%=> .*/01(2.&**: ;!6#%%=> 1(20)’()*!;+6+6!65+=> ?@ 1(20)’()*!;+6+6!6+ B*/1C-9;=> .D::*20./(&!;$6!=> >?@ 设置控制板的基地址 %<3+%@? ?@ 初始化控制器的硬件和软件 @? ?@ 设置 + 轴以每秒 #%% 个脉冲常速运动 @? ?@ 设置 ! 轴以每秒 #%% 个脉冲常速运动 @? ?@ 设定 + 轴正转 !! 轴反转并以常速连续运动 @? =若设定双轴正转 ! 则可实现车身原地转动 @? ?@ 按任意键双轴停止运动 @?
!""#年第 $% 期
!"! 移动机器人驱动控制功能的分析与设计
福
建
电
脑
+*,
移动机器人驱动控制功能是通过控制步进电机的两轴运动 模式实现的 ! 步进电机的驱动分为单轴驱动和双轴驱动两种 " !"!"# 单轴驱动控制模块 单轴驱动控制有以下两种基本的运动类型 # 如图 # 所示 $% ! 点位运动 #&’()*$ " 连续运动 #)’()* $ 这些运动又可以在常速模式或梯形速度模式下工作 ! 因此 ! 总共有六种基本运动类型 ! 如表 + 所示 %
!
图 / 移动机器人硬件系统结构图 步进电机驱动控制模块 步进电机驱动控制模块主要由步进电机控制部分及步时电 机驱动部分组成 " 其中步进电机控制部分由 01.’%% 运动控制 卡负责 # 步进电机驱动部分由步进电机驱动器 2,3% 负责 " $#! %&’!() 运动控制卡 01.$%% 运 动 控 制 卡 是 基 于 456 总 线 上 的 步 进 电 机 控 制 卡 #可 以 提 供 ’ 至 / 个 步 进 电 机 的 高 性 能 控 制 #如 单 轴 运 动 控 制 ! 多轴独立运动控制 ! 多轴插补运动控制和传动机构间隙补偿 等 " 卡上 .-7 与主控 -. 机 .-7 构成主从控制双 .-7 系统 " 所 有运动控制的细节都可由该卡处理 # 譬如电机升降速计算 # 脉冲 发射和行程开关控制等 " 01. ’"" 控 制 卡 具 有 开 放 式 结 构 ! 使 用 简 便 ! 功 能 丰 富 ! 可 靠性高等特征 " 01.’"" 的接线方式采用 0 型插头 # 可使用屏蔽 线 缆 #并 且 所 有 的 输 入 !输 出 信 号 均 用 光 电 隔 离 #提 高 了 控 制 卡 的 可 靠 性 和 抗 干 扰 能 力 ’01.’"" 在 软 件 方 面 提 供 了 丰 富 的 运 动控制函数库 # 以满足不同的应用要求 " 根据控制系统的要求编 制人机界面 # 并调用 01.’"" 运动函数库中的指令函数 # 可以开 发出既满足要求又成本低廉的多轴运动控制系统 " $#" 步进电机驱动器 *+,) 2,3" 是 一 款 高 性 能 步 进 驱 动 器 # 适 合 驱 动 中 等 功 率 ! 力 矩 为 ’8$# 牛米的任何两相或四相混合式步进电机 # 由于采用新型 的双极性恒流斩波驱动技术 # 使用同样的电机可以比其它驱动 方式输出更高的速度和功率 " 2,3% 以 双 极 恒 流 斩 波 方 式 工 作 # 斩 波 频 率 !%92: # 采 用 光 隔 离 信 号 输 入 # 供 电 电 压 可 达 0.,"; # 最 大 驱 动 电 流 36< 相 # 输 入电信号为 ==> 兼容信号 # 具有低速减振功能 # 可驱动任何两相 或四相步进电机 #? 线 !3 线 !, 线电机均可 " 完整的步进电机控制系统应含有步进电机 & 步进电机驱动 器 & 直 流 电 源 以 及 01.’"" 运 动 控 制 卡 ( 脉 冲 源 @A 其 连 接 方 式 如 图 ? 所示 &
$
图 ’ 移动机器人车体结构 图 ! 移动机器人车体层次结构 "#" 移动机器人硬件驱动系统结构 移动机器 人 硬 件 驱 动 系 统 主 要 由 主 控 !" 机 ! 步 进 电 机 驱 动控制模块及步进 电 机 组 成 " 主 控 !" 机 接 收 来 自 无 线 局 域 网 的机器人服务器发 出 的 控 制 指 令 # 经 -. 机 解 释 后 向 控 制 移 动 机器人发送运动控制指令 # 以控制移动机器人的运行方式 " 步进 电 机 驱 动 控 制 模 块 根 据 主 控 !" 的 指 令 对 机 器 人 进 行 启 动 ! 停 止 ! 前进 ! 后退及左右转向的操作 " 移动机器人驱动控制系统硬 件结构如图 / 所示 & 图 ? 2,3% 驱动器与 01.’%% 运动控制卡连接图
步进电机的正转驱动用 + 表示 ! 反转则 用 5+ 表 示 & 由 于 两 步进电机的安装方向正好相反 ! 因此在控制车轴直线前行时 ! 一 个步进电机应正转 ! 另一个步时电机则应反转 & 如果两个步进电 机均为正转或反转 ! 由于车身为圆柱型设计 ! 因此可实现车身的 原地转动运动 & 下面是一个双轴驱动直线常速运动的实例 6 代码 为 7 语言 %
&’(
福
建
电
脑
!""#年第 $% 期
移动机器人硬件驱动方案的设计
黄 晞 严 闪
! 福建师范大学物理与光电信息科技学院 " 福建 福州 !"###$ #
! 摘 要 " 本文介绍了一种移动机器人硬件驱动系统的设计方案 % 对移动机器人硬件 驱 动 系 统 的 体 系 结 构 进 行 了 分析 " 并设计和实现了硬件驱动系统的功能 $ ! 关键词 " 移动机器人 " 驱动控制 " 无线局域网 引言 基于互联网的远程可控制机器人是当前机器人研究的前沿 和热点 & 它对 于 危 险 环 境 下 的 远 程 作 业 及 远 程 医 疗 ! 远 程 教 育 ! 远程制造等技术具有深刻的现实意义 " 移动机器人硬件驱动系统是远程机器人控制系统的底层平 台 # 是上层网络远程控制子系统的基础 " 作为机器人技术的一个 重要组成部分 # 机器人的驱动控制对于扩大机器人的活动范围 # 适应不同的环境具有极其重要的意义 " 在本项目中 # 采用自行设计和研制的移动机器人实验平台 作为开展移动机器人方面研究 $ 如路径规划 ! 基于网络的机器人 控制等 % 的实验平台 " 在设计过程中 # 采用模块化结构 # 各个模块 都是相对独立地开发和运行 ! 统一接口 # 使该系统能够根据实际 需要自主地升级 ! 扩展其性能 " 本文主要论述了该结构及其各个 组成模块的功能及实现方法 " " 移动机器人硬件系统总体框架设计 "#! 移动机器人车体结构 图 ’ 为移动机器人的车体结构 # 其尺寸如图所示 ( 单位 ) 毫 米 * # 车体为圆形结构 # 驱动轮位于车体的水平轴线上 # 每 一 个 驱 动轮分别由一台步进电机独立驱动 " 两从动轮位于车体垂直轴 线上 # 仅起支撑车体的作用 " 通过控制两驱动的同时正向转动可 实现车体向前直行 ! 同时反向转动可实现车体后退直行 ! 以不同 转速转动可实现车体的左转或右转 " 驱动轮采用此种结构的最 大特点类似于履带式车辆 # 即通过控制一个驱动轮正转 # 另一个 反转可实现车体原地转向 " 由于车身呈圆柱形 # 因此当车身遇到 死角时 # 通过原地转向可轻易实现退出死角的操作 " 移动机器人车体呈四层结构如图 ! 所示 # 从下到上各层分 布情况依次为 ) 最底层为运动控制模块 # 主要由 步 进 电 机 及 其 驱 动模块和系统电源蓄电池组成 + 第二层为车载主 控 计 算 机 系 统 # 这是整个移动机器人系统的核心部分 ) 第三 层 为 , 路 超 声 波 传 感器层 + 最上层是机器人视觉处理模块 # 主要由 摄 像 头 及 其 附 件 组成 "
表 + 单轴驱动控制类型
图 # 单轴驱动模式 带有升 ! 降速控制的驱动函数称之为快速 #,-./ $ 函数 ! 譬 如 % ,-./0&’()* !,-./0)’()*! 而 常 速 驱 动 函 数 则 称 之 为 1(2 驱 动 ! 如 1(20&’()* !1(20)’()*& 3434! 双轴独立驱动控制 双轴驱动是在单轴驱动模式的基础上 ! 两个运动轴能以独 立的形式进行点位运动和连续运动 & 这类驱动一般在函数名的 末尾以 ! 来指明参加运动的轴数 & 例如 1(20&’()*! 是一个双轴 同 时 独 立 做 点 位 运 动 的 函 数 !,-./0)’()*! 是 双 轴 独 立 常 速 连 续 运动的函数 & !"!"! 驱动控制流程