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1、摘要 火炮在發(fā)射后會在身管內(nèi)殘留大量的物質(zhì)，這些物質(zhì)受高溫、高壓的與管壁黏貼非常牢固極不易清除，會導(dǎo)致身管內(nèi)壁的腐蝕，進而影響炮的準(zhǔn)確性、可靠性并影響身管的使用壽命。這些殘留物主要依靠人工和機械的方法清除，設(shè)備笨重、智能化程度低，士兵勞動強度大，效率低，且清不高，不能滿足和適應(yīng)現(xiàn)代化高科技戰(zhàn)爭的作戰(zhàn)要求。 清洗機器人，該機器人與火炮身管構(gòu)成一個柔性統(tǒng)，可實現(xiàn)清洗的智能化及管內(nèi)狀況的可視化，不僅極大地減輕士兵的勞動而且可以有效提高火炮身管的維護保養(yǎng)水平和壽命，對提高部隊?wèi)?zhàn)斗力具的軍事和經(jīng)濟效益，具有廣闊的應(yīng)用前景。 關(guān)鍵詞：管道清洗 機器人 單片機 自動控制 Abstract

2、 Due to high temperature and pressure, the remaining substances in the bore after the gun is launched will adhere to the bore firmly and cant be removed easily, which will result in erosion of the bore and have an impact on the veracity and reliability of the gun launching as well as its operating

3、life. These substances are removed with manual and mechanical cleaning mainly, which cant meet and accommodate with the campaign need of modernization high-tech wars because of unwieldy equipment, low intelligentization, over laboring intension of soldiers, low efficiency and cleaning extent. Robot

4、 and bore achieves in intelligentization of cleaning and visualization of inner bore, which not only greatly lessens laboring tension of soldiers, but advances maintenance level and operating life of bore as well. It is of bright future in expansive application and of great military and economic

5、benefit in enhancing battle effectiveness of the army. Key words： bore cleaning； robot；single chip microcomputer；automation II 摘要 I Abstract II 第一章 緒論 1 1.1課題研究背景及關(guān)鍵技術(shù) 1 1.1.1課題的研究背景 1 1.1.2課題的關(guān)鍵技術(shù) 2 1.2國內(nèi)外管道機器人的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向 3 1.2.1管道機器人的研究現(xiàn)狀 3 1.2.2管道機器人的發(fā)展方向 5

6、1.3課題的研究意義 5 第二章 炮管擦洗機器人總體方案設(shè)計 7 2.1需求分析與設(shè)計思路 7 2.2移動功能模塊設(shè)計 8 2.2.1運動方式分析與選擇 8 2.2.2自適應(yīng)機構(gòu)設(shè)計 9 2.3擦洗功能模塊設(shè)計 11 2.3.1炮膛擦洗過程分析與研究 11 2.3.2軸向往復(fù)式擦洗頭設(shè)計 11 2.4控制功能模塊設(shè)計 13 2.4.1主控制系統(tǒng) 13 2.4.2傳感器 13 2.4.3驅(qū)動系統(tǒng) 13 第三章 管道清洗機器人詳細設(shè)計 15 3.1移動功能模塊設(shè)計與分析 15 3.1.1傳動機構(gòu)設(shè)計 15 3.1.2連接件設(shè)計 16 3.2擦洗功能模塊的設(shè)計

7、18 3.2.1旋轉(zhuǎn)式清洗頭設(shè)計 18 3.3控制系統(tǒng)的設(shè)計 18 3.3.1主控制芯片 19 3.3.2 ATmega128介紹 20 3.3.3電機控制技術(shù) 21 3.4最小系統(tǒng)電路設(shè)計 23 3.4.1時鐘/復(fù)位模塊設(shè)計 23 3.4.2電源模塊設(shè)計 23 3.5人機接口電路設(shè)計 24 3.5.1 LCD顯示模塊 24 3.5.2鍵盤電路 25 3.5.3蜂鳴器電路 25 3.5.4串口通信模塊 26 3.6電機控制電路設(shè)計 26 第四章　系統(tǒng)軟件設(shè)計 28 4.1系統(tǒng)軟件架構(gòu) 28 4.1.1 PWM調(diào)速程序設(shè)計 28 結(jié)論 31 5.1論文總結(jié)

8、31 5.2工作展望 31 參考文獻 32 致謝 33 附錄 34 IV 第一章 緒論 1.1課題研究背景及關(guān)鍵技術(shù) 1.1.1課題的研究背景 現(xiàn)代國防工業(yè)日新月異，武器裝備制造及維護的技術(shù)水平直接決定了國家的軍事實力?；鹋谑侵匾奈淦餮b備，身管是火炮的重要組成部分，身管依靠火藥在藥室內(nèi)劇烈燃燒而產(chǎn)生的高溫高壓氣體以一定方式一定速度發(fā)射彈丸，并賦予彈丸初速度、射向以及飛行時的穩(wěn)定性。它的工作條件是極為惡劣和苛刻的，它不僅要承受高溫高壓火藥氣體的作用，還要接受高速運動彈丸的作用?；鹋诘慕Y(jié)構(gòu)和性能很大程度上決定了火炮系統(tǒng)的戰(zhàn)斗性能，身管質(zhì)量直接影響著使用安全，射擊

9、效果和火炮壽命[l]?；鹋谠诎l(fā)射過程中不僅會在炮膛內(nèi)殘余大量的物質(zhì)，而且火炮炮彈帶與身管內(nèi)壁間亦會產(chǎn)生大量的粘附物，這些物質(zhì)受高溫、高壓的作用與管壁黏貼的非常牢固，尤其是線膛炮的“陰線”角落位置的殘留物，極不容易清除，對火炮身管壽命產(chǎn)生很大的影響，當(dāng)“積留”超過一定程度后，極易產(chǎn)生炸管等事故。 為了提高火炮的性能和使用壽命，大型火炮在啟封、發(fā)射炮彈后和封存時都需要進行一定的清洗工作。首先，啟封時需要清除防銹油，以保證火炮的正常工作。其次，在發(fā)射炮彈后需要進行炮膛清洗，因為彈丸運動脫落的殘余物(成分辦主要是銅、鋅、鉛、鋁、鋁氧化物等)以及膛內(nèi)火藥燃燒殘留物如煙灰等石墨殘余物會鉆附在火炮身管的內(nèi)

10、壁，這些殘余物容易導(dǎo)致火炮身管內(nèi)壁發(fā)生腐蝕，進而影響炮彈發(fā)射的準(zhǔn)確性、可靠性，影響火炮的使用壽命。最后，在火炮封存時需要清洗炮膛內(nèi)壁并涂抹防銹油，以防止封存后火炮炮膛內(nèi)壁腐蝕。因此，在火炮的啟封、發(fā)射后和封存時進行清洗工作是必不可少的。 在炮管生產(chǎn)廠或修復(fù)廠，目前采用的是一種拉桿式清洗機床，通過電機和連桿機構(gòu)帶動拉桿實現(xiàn)往復(fù)直線運動，拉桿與炮管等長，拉桿上安裝了清潔用的毛刷，該設(shè)備實現(xiàn)了火炮身管擦洗的自動化工作，但必須將炮管從坦克上拆下運至修復(fù)廠才能使用，設(shè)備占地面積大、重量大，移動不便，無法在部隊營地和野外使用。目前在部隊都是通過數(shù)名戰(zhàn)士推拉通條來進行炮膛擦洗工作，不僅耗費人力，效率低，且

11、清潔程度不高，不能滿足和適應(yīng)現(xiàn)代化高科技戰(zhàn)爭的作戰(zhàn)要求。 通過國內(nèi)外相關(guān)炮管清洗與管道清洗技術(shù)方面的專利與文獻的檢索，結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)有炮管擦拭設(shè)備的實際應(yīng)用調(diào)研，現(xiàn)有關(guān)于炮管擦拭的方法、裝置和專利，在實際應(yīng)用中均存在一定的不足。如專利號CN86207922便攜式擦炮設(shè)備，主要由少齒插銷軸式行星機構(gòu)卷揚筒組成，靠人力驅(qū)動卷揚筒和鋼絲繩來牽引專用擦炮塞子經(jīng)過整個炮膛進行擦拭，該辦法自動化程度低。申請?zhí)?00410024477.x專利自動擦炮機，包括驅(qū)動電機及控制器、擦拭體及驅(qū)動機構(gòu)等，驅(qū)動電機軸通過齒輪組連接的拉繩紋筒，通過兩個電機的轉(zhuǎn)向控制，拉繩拖拽著擦拭體在炮膛內(nèi)往返擦洗，該方法若電機控制不當(dāng)容

12、易導(dǎo)致拉繩脫鉤，另外需要兩臺直流電機導(dǎo)致設(shè)備重量較大。申請?zhí)?00710139419.5的專利“一種步進式擦炮機器人及其使用方法”，采用步進電機提供驅(qū)動力，螺桿和內(nèi)螺紋筒進行步伐式前進或后退，該方法機構(gòu)較復(fù)雜。因此，采用機器人來擦洗炮管。 1.1.2課題的關(guān)鍵技術(shù) 本課題關(guān)鍵技術(shù)包括機械設(shè)計技術(shù)、自動控制技術(shù)、機器視覺技術(shù)等。 （1）機械設(shè)計技術(shù) 機械設(shè)計技術(shù)是智能炮管清洗機器人設(shè)計的基礎(chǔ)，是其它技術(shù)應(yīng)用的前提，機械結(jié)構(gòu)、加工等的優(yōu)劣直接決定機器人的性能。經(jīng)典的機械技術(shù)借助于計算機輔助設(shè)計技術(shù)，以及在此基礎(chǔ)上同時采用人工智能與專家系統(tǒng)等，已經(jīng)形成新一代機械制造技術(shù)。當(dāng)前機械設(shè)計技術(shù)朝著

13、面向市場、面向生態(tài)與環(huán)境要求、面向制造和經(jīng)營管理需求的方向發(fā)展。在機械工程領(lǐng)域，往往根據(jù)機械設(shè)計理論、方法和標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等建立反映工程設(shè)計問題和符合數(shù)學(xué)規(guī)劃要求的數(shù)學(xué)模型，然后采用數(shù)學(xué)規(guī)劃方法和計算機技術(shù)自動優(yōu)化方案。 （2）自動控制技術(shù) 自動控制技術(shù)是指在無人直接參與的狀況下，利用附加裝置(自動控制裝置)使生產(chǎn)過程或生產(chǎn)機械(被控對象)自動地按照某種規(guī)律(控制目標(biāo))工作，使被控對象的一個或幾個物理量(如溫度、壓力、流量、位移和轉(zhuǎn)速等)或加工工藝按照預(yù)定要求變化的技術(shù)。它包含了自動控制系統(tǒng)中所有元器件的構(gòu)造原理和性能，以及控制對象或被控過程的特性等方面的知識;自動控制系統(tǒng)的分析與綜合;控制用

14、計算機(能作數(shù)字運算和邏輯運算的控制機)的構(gòu)造原理和實現(xiàn)方法。自動控制技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛。是自動化領(lǐng)域的重要組成部分。 （3）機器視覺技術(shù)[2]～[4] 機器視覺技術(shù)是近幾十年發(fā)展起來的一種智能技術(shù)，機器視覺是一門新興的學(xué)科，自上世紀(jì)八十年代以來，機器視覺的研究經(jīng)歷了從實驗室研究到實際應(yīng)用的發(fā)展階段。從簡單的二值圖像處理到高分辨率、多灰度的圖像處理，從普通的二維信息處理到三維視覺機理以及模型和算法的研究都取得了很大的進展。隨著半導(dǎo)體行業(yè)的自動化水平的飛速提升，不斷促進著機器視覺系統(tǒng)的實用化研究。機器視覺的定義是利用一個用以代替人眼的圖像傳感器，獲取目標(biāo)物體的圖像，然后將此圖像轉(zhuǎn)換為一個

15、數(shù)據(jù)矩陣，并利用一臺用于代替人腦的計算機來分析圖像并完成一個與視覺有關(guān)的任務(wù)。機器視覺系統(tǒng)一般采用CCD傳感器攝取檢測圖像并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，再利用先進的計算機硬件與軟件技術(shù)對數(shù)字圖像信號進行處理，從而得到所需要的各種目標(biāo)圖像的特征值，并由此實現(xiàn)模式識別等功能。然后再根據(jù)其結(jié)果顯示圖象，輸出數(shù)據(jù)，發(fā)出指令，配合執(zhí)行機構(gòu)完成位置調(diào)整，信息篩選，數(shù)據(jù)統(tǒng)計等自動化流程。與人工視覺相比較，機器視覺的最大優(yōu)點是精確、快速、可靠，以及數(shù)字化。 機器視覺涉及圖像處理技術(shù)、模式識別和人工智能技術(shù)、計算機技術(shù)等多個領(lǐng)域，這些領(lǐng)域的迅速發(fā)展有力的促進了機器視覺技術(shù)的進步。數(shù)字圖像處理技術(shù)和模式識別技術(shù)是機器視覺的

16、重要組成。自數(shù)字計算機問世以來，數(shù)字圖像處理技術(shù)和模式識別技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展和完善，得到了長足的進步和空前的發(fā)展，在工程應(yīng)用上引起了人們極大的重視。圖像處理技術(shù)包括圖像處理和圖像分析兩個方面。模式識別技術(shù)是指用計算機實現(xiàn)人的模式識別能力，其作用和目的是根據(jù)某一具體事件的特征，將其正確地歸入某一類別。 目前機器視覺技術(shù)在醫(yī)療診斷、各類自動檢測與控制、智能機器人等方面得到廣泛應(yīng)用，取得了巨大的經(jīng)濟和社會效益。 1.2國內(nèi)外管道機器人的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向 1.2.1管道機器人的研究現(xiàn)狀 當(dāng)前，管道的檢測和維護工作多采用管道機器人來完成。管道機器人是一種可沿管道內(nèi)壁行走的機械，它可以攜帶一種或

17、多種傳感器以及操作裝置(CCD傳感器、位置和姿態(tài)傳感器、超聲傳感器、渦流傳感器、管道清理裝置、管道裂紋及管道接口焊接裝置、防腐噴涂裝置、簡單的操作機械手等)，通過操作人員的控制來進行一系列的管道檢測和維修作業(yè)。一個完整的管道機器人系統(tǒng)，應(yīng)由移動載體(行走機構(gòu))、管道內(nèi)部環(huán)境識別檢測系統(tǒng)、信號傳遞和動力傳輸系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成，其中移動載體是管道檢測移動機器人的核心部分。管道檢測機器人的工作空間是復(fù)雜、封閉的各種管道，包括水平直管、各角度彎管、斜坡管、垂直管以及變徑管接口等，它的運行距離一般也較長[5]。 日本、美國、英國、德國等發(fā)達國家在管道機器人技術(shù)方面已做了大量的工作，取得了比較突出的成績

18、。其中，日本機器人的發(fā)展經(jīng)過了上世紀(jì)六十年代的搖籃期，七十年代的實用期，到八十年代進入普及提高期，并且開始在各個領(lǐng)域內(nèi)廣泛推廣使用機器人。日本管道機器人眾多，其中東京工業(yè)大學(xué)航空機械系ShigeoHirose和Hideta一kaohno等于1993年開始研究管道機器人，他們先后研制成功適用于50mm管道的Thes一I、Thes一H型管道機器人和適用于150~管道的Thes一Hl型管道機器人[6]。以下介紹幾種國內(nèi)外的管道機器人。 （1）無線貼壁螺旋式機器人 圖1-1為比利時布魯塞爾自由大學(xué)根據(jù)東京工業(yè)大學(xué)航空機械系的研究成果所研制的無線貼壁螺旋機器人。該機器人由前后兩部分組成，中間通過萬向

19、節(jié)連接。前部分為驅(qū)動單元，由三個互成120度的支撐腳組成，每個支撐腳上各有一個具有傾斜角的輪子。后部分為支撐部分，通過中間的電機驅(qū)動使前部分在管內(nèi) 旋轉(zhuǎn)，從而帶動機器人運動。前部分輪子的傾斜角可以隨著阻力大小的改變而改變.當(dāng)機器人的負載較大時，輪子的傾斜角將產(chǎn)生變化，從而減小行走速度，增加推進力。機器人的前端可以轉(zhuǎn)載清洗刷，實現(xiàn)對管道的清洗。 圖1-1無線貼壁螺旋式機器人 （2）電機驅(qū)動輪式機器人 圖1-2是韓國Soosung機械有限公司研發(fā)的炮管自動清洗機器人(韓國專利號:10-2006-0033030，歐洲專利號:EP1845330AI)。該機器人由80a和80b兩個緊貼管壁的

20、輪子旋轉(zhuǎn)驅(qū)動整體前進和后退，其中m為驅(qū)動電機，通過減速器100減速后驅(qū)動80a和80b，同時通過行星輪系驅(qū)動500繞著中心軸200旋轉(zhuǎn)，在500上裝有刷子，并由610提供清潔油實現(xiàn)對管內(nèi)壁的清洗 圖1-2電機驅(qū)動輪式機器人 國內(nèi)在管道機器人方面的研究起步較晚，而且多數(shù)停留在實驗室階段。 （3）管徑自適應(yīng)式管道機器人 圖1-3為上海交通大學(xué)研制的管徑自適應(yīng)管道機器人。該機器人由成120度三組平行四邊形輪腿機構(gòu)驅(qū)動[7]，該三組輪腿緊貼管壁，在實現(xiàn)驅(qū)動機器人運動的同時能根據(jù)管道內(nèi)徑變化進行自動調(diào)整，目前該機器人已用于煤氣管道的探測和維護。 圖1-3管徑自適應(yīng)式機器人 1.2.2

21、管道機器人的發(fā)展方向 隨著核工業(yè)、化工工業(yè)的不斷發(fā)展，迫使人們研究管道機器人來對這些惡劣環(huán)境下的管道、罐狀容器進行檢測和維修，在一定程度上刺激了管內(nèi)機器人技術(shù)的發(fā)展。從某種意義上講，一個國家機器人技術(shù)水平的高低直接反映了這個國家綜合科技實力的高低。管道機器人技術(shù)是傳感技術(shù)、控制技術(shù)、信息處理技術(shù)、機械加工技術(shù)、電子技術(shù)、計算機技術(shù)等多門技術(shù)的融合。因此管道機器人的發(fā)展也必然建立在這些技術(shù)的高速發(fā)展之上。 管道機器人技術(shù)的發(fā)展方向主要表現(xiàn)在以下幾個方面[8]： （l）微型和微小型技術(shù)這是一項由技術(shù)驅(qū)動的新領(lǐng)域，盡管微型、小型尺寸的機器人實用化還要等幾年，但是這個時代即將到來，從而適應(yīng)不同的

22、應(yīng)用環(huán)境。 （2）先進的傳感技術(shù)傳感器相當(dāng)于管道機器人的感覺器官，只有先進的傳感器技術(shù)才能有效的采集環(huán)境信息，從而提高機器人運動的效率和準(zhǔn)確性。 （3）高效的信息處理技術(shù)信息處理主要是指對于傳感器采集進來的信息進行處理，包括語音識別與理解技術(shù)，圖像處理與模式識別技術(shù)等，從而提高機器人的工作效率。 （4）網(wǎng)絡(luò)機器人技術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展完全能夠?qū)⒏鞣N機器人連接到計算機網(wǎng)絡(luò)上，并通過網(wǎng)絡(luò)對機器人進行有效的控制。這種技術(shù)包括網(wǎng)絡(luò)遙操作控制技術(shù)、眾多信息組的壓縮與擴展方法及傳輸技術(shù)等。 （5）多智能體協(xié)調(diào)控制技術(shù)用于實現(xiàn)決策和操作自治性的、由多智能體組成的群行為控制是一個具有挑戰(zhàn)性的關(guān)鍵技術(shù)，

23、這里包括任務(wù)的解釋和表達、學(xué)習(xí)、實時推理和廣義反應(yīng)能力、監(jiān)控和異況處理。 1.3課題的研究意義 現(xiàn)代武器及其彈藥技術(shù)大大增加了由炮膛內(nèi)污垢導(dǎo)致武器系統(tǒng)問題的可能性。本課題所研制的智能炮管清洗機器人具有快捷智能清除炮膛內(nèi)污垢的特點。即使是在戰(zhàn)場或野外條件下，該機器人也能迅速、有效的完成炮膛清洗的清洗工作?？梢酝ㄟ^不同程序選擇對炮膛的維護流程及清潔效果進行標(biāo)準(zhǔn)化控制，大大降低士兵的勞動強度，節(jié)省士兵的時間以用于完成其他任務(wù)。該機器人清潔效果比傳統(tǒng)方法有顯著的提高，而且可以有效提高火炮的維護保養(yǎng)水平和身管壽命，從而對提高我軍戰(zhàn)斗力具有較大的軍事和經(jīng)濟效益。 第二章 炮管擦洗機器人總體方

24、案設(shè)計 2.1需求分析與設(shè)計思路 火炮的擦拭保養(yǎng)對于延長身管壽命，提高射擊精度意義重大。炮管擦洗機器人是管道機器人的一個全新應(yīng)用方向，其任務(wù)是快速、高效對火炮內(nèi)膛進行擦洗保養(yǎng)炮膛維護保養(yǎng)在不同任務(wù)階段，有不同的擦洗要求：①戰(zhàn)場作戰(zhàn)過程中的身管維護。由于火炮連續(xù)射擊，一般要求在射擊20－100發(fā)后對炮膛進行擦洗，然后再進行射擊；②平時訓(xùn)練過程中的維護。由于射擊次數(shù)不多，但射擊間隔時間較長，則需要在射擊間隔時間里對炮膛進行簡單的擦洗、上油；③封存與使用狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的維護?；鹋趶姆獯鏍顟B(tài)到使用狀態(tài)的擦洗難度和工作量非常大；不同的擦洗要求，需要不同的擦洗模塊，本文考慮對炮管擦洗機器人采用模塊化設(shè)

25、計，以便適應(yīng)不同任務(wù)階段的火炮擦拭保養(yǎng)需求。 炮管擦洗機器人是一種特殊的管道清洗機器人，與其他管道清洗機器人相比有較大區(qū)別：①炮管是一種有著特殊內(nèi)表面的管道環(huán)境，膛線的存在給炮管擦洗機器人的管內(nèi)行走帶來了一定的困難，也對機器人的控制和運動方式提出了新的要求；②積炭多處于陰陽線交界處，難以清洗，必須要設(shè)計有針對性的擦洗模塊。本章將通過分析管道機器人管內(nèi)運動方式的運動機理和炮管清洗的特點，結(jié)合炮管對機器人運動方式和擦洗方式的要求，確定對炮管內(nèi)膛環(huán)境具有更好適應(yīng)性的運動方式和有效的擦洗方式，并以此為基礎(chǔ)，分析討論炮管擦洗機器人本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計。炮管擦洗機器人要完成火炮炮膛擦洗保養(yǎng)任務(wù)應(yīng)具備以下幾方面

26、的要求： （1）適應(yīng)性強，能進行一定口徑范圍內(nèi)炮管的作業(yè); （2）結(jié)構(gòu)緊湊，便于攜帶，符合戰(zhàn)地使用要求; （3）清潔速度快，效果好，能滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭快速反應(yīng)的要求; （4）通用性強，主要部分采用模塊化設(shè)計，便于拆卸和更換; （5）可擴展性強，可搭載諸如檢測和維護等設(shè)備，從而全面實現(xiàn)炮管的擦洗、檢測和維護等功能。 綜合考慮同類管道機器人的設(shè)計指標(biāo)以及炮管清洗的具體要求，對炮管擦洗機器人提出以下技術(shù)指標(biāo)要求: （l）可適應(yīng)炮管口徑范圍為中30mm一小75mm; （2）滿足管徑士5%的微觀變徑; （3）移動功能模塊拖動力大于等于400N； （4）行走速度0-7m/min （5）軸

27、向往復(fù)式擦洗摩擦力大于等于10N; （6）總重量小于2kg。 炮管擦洗機器人各部件按照功能的不同可分為三個模塊:移動功能模塊、擦洗功能模塊和控制功能模塊，其中移動功能模塊和擦洗功能模塊是管道擦洗機器人核心部分。圖2-1為炮管擦洗機器人總體布局。 圖2-1炮管擦洗機器人功能部分示意圖 移動功能模塊推動炮管擦洗機器人整體前進或后退;擦洗功能模塊作為炮管擦洗機器人功能執(zhí)行模塊，負責(zé)實現(xiàn)擦洗、上油作業(yè)，保證擦洗保養(yǎng)效果;控制功能模塊接收傳感器信號，主要實現(xiàn)對驅(qū)動電機的控制。移動功能模塊的運動和動力性能以及擦洗功能模塊擦洗效果是炮管擦洗機器人完成任務(wù)的關(guān)鍵。 2.2移動功能模塊設(shè)計 我國

28、目前裝備的火炮口徑范圍是20至400mm，且多數(shù)為線膛炮。根據(jù)火炮炮管內(nèi)壁的特點，需要對炮管擦洗機器人移動功能模塊的行走方式進行合理選擇，同時由于不同火炮，其口徑不一，為了增強炮管擦洗機器人移動功能模塊的通用性，需要對移動機構(gòu)采取自適應(yīng)設(shè)計。 2.2.1運動方式分析與選擇 炮管擦洗機器人移動機構(gòu)運動方式的設(shè)計與所作業(yè)的炮管內(nèi)部情況密切相關(guān)，炮管口徑的大小、截面形狀以及內(nèi)表面的特點都是需要考慮的設(shè)計因素。炮管口徑越大，對動力源和機械結(jié)構(gòu)的尺寸約束越小，移動機構(gòu)機械部分的設(shè)計也可以越復(fù)雜，實現(xiàn)的功能越多;炮管口徑越小，對驅(qū)動方式和機械結(jié)構(gòu)的空間尺寸約束條件越多，機械零部件越難以設(shè)計和加工。

29、由于管道是一個特殊的受限工作環(huán)境，研究適合在管道內(nèi)移動的各種運動方式己成為管道檢測機器人研究領(lǐng)域的一個熱點問題，目前，國內(nèi)外學(xué)者對機器人在管道內(nèi)的各種運動方式和運動機理進行了大量的研究和探索，并研制了相應(yīng)的管道機器人樣機。按照管道機器人在管道內(nèi)作業(yè)的動力源，可分為被動式和主動式，其中被動式是利用管道內(nèi)介質(zhì)的壓力差驅(qū)動，在管道內(nèi)只能單向運動，適應(yīng)單一的管道直徑，運動速度不易控制;主動運動方式的管道檢測機器人具備動力能源供給裝置，在管道內(nèi)具有自主行走能力，其運動速度可控。 根據(jù)運動機理和驅(qū)動方式的不同，主動運動方式主要包括輪式、履帶式、多足式和蠕動式等四種主要方式。各種行走方式都有其自身的優(yōu)越性

30、和局限性。 表2-1羅列了上述四種行走方式的運動機理和優(yōu)缺點 行走方式 運動機理 優(yōu)缺點 輪式 驅(qū)動輪緊壓在管道內(nèi)壁上，在封閉力的作用下，機器人的各驅(qū)動輪與管壁之間產(chǎn)生附著力，驅(qū)動機器人在管道內(nèi)前后運動 該運動方式具有機構(gòu)簡單、牽引力大、行走速度快、運動部件可靠性高、控制方便、成本低廉等優(yōu)點，適合大、中口徑的管道，是管道機器人實際工程應(yīng)用最多的一種的方式 履帶式 靠履帶卷繞時管道內(nèi)壁對履帶產(chǎn)生的反作用力推動機器人載體在管道內(nèi)運動的。 該運動方式有效的解決了驅(qū)動力－正壓力－附著力之間的矛盾，是一種在惡劣管道環(huán)境下有效的運動方式，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易小型化，轉(zhuǎn)彎性能差，應(yīng)此用用于

31、大管徑 多足式 模仿多足昆蟲的行走方式和行走步態(tài) 該行走方式有較好的動作靈活性，理論上可以適合各種形狀的管道，但其較復(fù)雜的運動學(xué)和動力學(xué)特征，使得機器人在步態(tài)規(guī)劃和關(guān)節(jié)間協(xié)調(diào)運動控制等方面存在一定難度，且牽引能力有限，不易攜帶檢測維護裝置，不適合長距離拖纜作業(yè) 蠕動式 模仿蚯蚓、尺蠖、毛蟲等蟲類的變形蠕動運動機理 該行走方式行走效率低，導(dǎo)致機器人行走不連續(xù)，而且更換支撐部分時易產(chǎn)生機身不穩(wěn)定現(xiàn)象，難以滿足管道工程中“迅速完成作業(yè)”的需要。 由表2-1可知，因線膛炮炮管口徑較小，不宜采用履帶式運動方式，且炮管擦洗機器人對移動機構(gòu)的拖動力有比較高的要求，故不宜采用多足式和蠕動式行走方

32、式，因此，炮管擦洗機器人采用輪式行走方式。 2.2.2自適應(yīng)機構(gòu)設(shè)計 為了適應(yīng)不同直徑炮管的擦洗，炮管擦洗機器人需要具備管徑適應(yīng)調(diào)整機構(gòu)，其主要作用有：①在不同直徑的管道中能張開或收縮，使機器人能在各種直徑的管道中行走作業(yè)；②可以提供附加正壓力增加機器人的驅(qū)動輪與管道內(nèi)壁間的壓力， 改善機器人的牽引性能。 能夠適應(yīng)不同管徑的預(yù)緊變徑機構(gòu)主要有彈簧預(yù)緊變徑機構(gòu)、蝸桿蝸輪預(yù)緊變徑機構(gòu)、升降機預(yù)緊變徑機構(gòu)和絲杠螺母副預(yù)緊變徑機構(gòu)四種，其結(jié)構(gòu)原理簡圖如圖2-2所示。下面對每種方式的優(yōu)缺點進行簡要的說明和分析。 a）蝸輪蝸桿預(yù)緊支撐機構(gòu)示意圖 b）升降機預(yù)緊支撐

33、機構(gòu)示意圖 c）絲桿螺母預(yù)緊支撐機構(gòu)示意圖 d） 彈簧預(yù)緊支撐機構(gòu)示意圖 圖2-2變徑機構(gòu)示意圖 （l）蝸輪蝸桿預(yù)緊變徑方式 連桿一端與蝸輪軸鉸接，另一端與驅(qū)動輪軸鉸接，通過電機驅(qū)動蝸桿，帶動蝸輪轉(zhuǎn)動，從而帶動驅(qū)動輪撐開或者放低，以達到適應(yīng)不同管徑的目的，如圖2.2a）所示。該方法可以實現(xiàn)較大范圍變徑，但所需驅(qū)動力較大，一般較少使用。 （2）升降機預(yù)緊變徑方式 其工作原理是利用平行連桿原理，通過在其中某個連桿的一端作用一定大小和方向的力使升降機機構(gòu)升起或者回落，從而使驅(qū)動輪也跟著升起或者回落，以達到適應(yīng)不同管徑的目的，如圖2.2

34、b）所示。采用升降機預(yù)緊支撐機構(gòu)最大的優(yōu)點是在軸向和徑向結(jié)構(gòu)比較緊湊，使機器人的空間尺寸大大縮小，其缺點是當(dāng)管道直徑較大時所需的推動力較大，對機構(gòu)強度的要求較高。 （3）絲杠螺母預(yù)緊變徑方式 其工作原理是通過電機驅(qū)動絲杠轉(zhuǎn)動，支撐桿一端和驅(qū)動輪軸鉸接，另一端鉸接在固定支點處，推桿一端與支撐桿鉸接，另一端鉸接在螺母上，滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動將帶動絲杠螺母沿軸線方向在滾珠絲杠上來回滑動，從而帶動推桿運動，進而推動支撐桿繞固定支點轉(zhuǎn)動，使驅(qū)動輪撐開或者緊縮以達到適應(yīng)不同的管徑的目的，如圖2-2c）所示。該方法空間布置結(jié)構(gòu)簡單，所需驅(qū)動力較小，但缺點是不緊湊。 （4）彈簧預(yù)緊變徑方式 其工作原理是通過

35、改變彈簧預(yù)緊力來調(diào)節(jié)支撐輪的徑向距離，達到適應(yīng)不同管徑的目的，如圖2.2d）所示。這種方法最大的優(yōu)點是不需要外加動力源，在小范圍內(nèi)具有自適應(yīng)能力。 根據(jù)以上分析，本機構(gòu)已采用彈簧預(yù)緊機構(gòu)來實現(xiàn)其自適應(yīng)結(jié)構(gòu)，且采用單電機全驅(qū)動、可調(diào)節(jié)、自適應(yīng)輪式移動機構(gòu)，且在不同管徑可產(chǎn)生恒定拖動力的特點。 2.3擦洗功能模塊設(shè)計 2.3.1炮膛擦洗過程分析與研究 不同的擦洗任務(wù)階段，需要不同的擦拭技術(shù)，不同的擦拭技術(shù)，需要不同的擦拭功能模塊。根據(jù)擦洗任務(wù)的不同，擦洗功能模塊分為三個組件：高速旋轉(zhuǎn)式清洗頭、普通擦洗頭和軸向往復(fù)式擦洗頭。當(dāng)炮膛需要較大擦洗力時，將普通擦洗頭和移動機構(gòu)直接相連，由移動機構(gòu)帶

36、動擦洗頭在炮管內(nèi)往復(fù)擦洗；當(dāng)需要較小擦洗力對炮膛進行清理或上油時，采用移動機構(gòu)帶動軸向往復(fù)式擦洗頭，快速對炮膛進行清理、上油。 普通擦洗頭可直接采用現(xiàn)在部隊使用的擦洗頭，不需要另外設(shè)計。同時，機器人在對炮膛進行清理或上油時，需要較快的速度完成任務(wù)，而且所需的擦洗摩擦力較小所以軸向往復(fù)式擦洗頭所需提供的摩擦力只需大于10N即可。 2.3.2軸向往復(fù)式擦洗頭設(shè)計 可實現(xiàn)往復(fù)式擦洗功能的機構(gòu)主要有電磁-彈簧機構(gòu)、絲杠螺母機構(gòu)、和曲柄滑塊機構(gòu)三種，其結(jié)構(gòu)原理簡圖如圖2-3所示。每種方式都有自己的優(yōu)缺點，下面進行簡要的說明和分析。 a）電磁－彈簧式

37、 b） 絲桿－螺母式 c）曲柄滑塊式 圖2-3三種軸向往復(fù)式機構(gòu)示意圖 （1）電磁－彈簧往復(fù)式機構(gòu)，其示意圖如圖2-3a）所示。電磁鐵通電，使磁鐵靠近電磁鐵，彈簧拉長;電磁鐵斷電，磁鐵在彈簧拉力下遠離電磁鐵或者電磁鐵通電，排斥磁鐵遠離電磁鐵，彈簧壓縮;電磁鐵斷電，磁鐵在彈簧的彈力下靠近電磁鐵。此方法的優(yōu)點是易于控制，缺點是當(dāng)外部所需摩擦力較大時，電磁鐵和磁鐵體積較大，而且電磁力為非線性力，有效作用距離較短。 （2）絲杠－螺母往復(fù)式機構(gòu)，其示意圖如圖2-3b）所示。工作原理如下:電機旋轉(zhuǎn)，帶動絲杠轉(zhuǎn)動，螺母在絲杠上做往復(fù)式直線運動。該機構(gòu)的優(yōu)點是運動平穩(wěn)，機構(gòu)簡單，便于分析和

38、設(shè)計，缺點是絲杠過長，剛度變差，易產(chǎn)生變形。 （3）曲柄滑塊機構(gòu)，其示意圖如圖2-3c）所示。作為四桿機構(gòu)的一個重要分支，曲柄滑塊機構(gòu)在各種直線運動機構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用。通過調(diào)整曲柄滑塊機構(gòu)各構(gòu)件的長度，可以改變滑塊的位移、運動速度和加速度，對于有特殊運動要求的場合還可以按照一定的方法進行優(yōu)化設(shè)計，其優(yōu)點是機構(gòu)簡單、緊湊，運動平穩(wěn)，缺點是設(shè)計過程較為復(fù)雜。在對炮管擦洗機器人軸向往復(fù)式擦洗機構(gòu)進行設(shè)計時，一方面需要考慮對擦洗距離和擦洗摩擦力的要求，另一方面又要考慮炮管口徑機構(gòu)各零件尺寸上帶來的限制。根據(jù)對以上三種往復(fù)式機構(gòu)的分析，本文選用曲柄滑塊機構(gòu)來實現(xiàn)軸向往復(fù)式擦洗功能，示意圖如圖2-4

39、所示。 圖2-4軸向往復(fù)擦洗頭示意圖 2.4控制功能模塊設(shè)計 通過前面兩節(jié)的分析，初步完成了炮管擦洗機器人移動功能模塊和擦洗功能塊的設(shè)計，為了使各功能部件互相配合，形成有機的整體，炮管擦洗機器人必須有相應(yīng)的控制系統(tǒng)。 2.4.1主控制系統(tǒng) 目前使用較多的控制器是可編程邏輯控制器（簡稱PLC）和單片機，PLC它是20世紀(jì)70年代以來以微處理器為核心，綜合計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種新型工業(yè)控制裝置。由于它具有功能強、可靠性高、配置靈活、使用方便以及體積小、重量輕等優(yōu)點，被廣泛用于自動化控制的各個領(lǐng)域。單片機是以一個大規(guī)模集成電路為主組成的微型計算機，面向控制領(lǐng)

40、域，而且價格便宜。隨著近年來單片機技術(shù)得到迅速發(fā)展，出現(xiàn)了一批新型高性能單片機AVR就是其典型代表。而其中的ATMEGA128就是其中的高端產(chǎn)品。 2.4.2傳感器 傳感器是機器人系統(tǒng)的重要組成部分，一般可分為內(nèi)部和外部兩類傳感器。所謂內(nèi)部傳感器是完成機器人運動控制所必須的那些傳感器，如位置、速度傳感器等，它們是構(gòu)成機器人不可缺少的基本元件。外部傳感器取決于機器人所要完成的任務(wù)，如檢測、維修等就需要有觸覺傳感器;為了在狹窄空間作業(yè)，又不能碰撞外界其他物體，就需要接近傳感器等。通常的外部傳感器有力傳感器、觸覺傳感器、視覺傳感器等。 炮管擦洗機器人在戰(zhàn)地使用時，由于要求擦洗時間短，因此不需要

41、添加任何傳感器，僅將該型號火炮的擦洗方案固化到主控系統(tǒng)中，當(dāng)機器人啟動后，按照預(yù)先設(shè)定的程序?qū)崿F(xiàn)炮管的快速擦洗。但是在基地保養(yǎng)擦洗時，可以增加攝像頭或其他檢測元件，對炮膛內(nèi)部進行檢測，及時發(fā)現(xiàn)問題并予以解決。 2.4.3驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)是機器人系統(tǒng)的動力來源，現(xiàn)代機器人的驅(qū)動方式主要有氣動驅(qū)動、液壓驅(qū)動和電動驅(qū)動三種。 氣動驅(qū)動系統(tǒng)以壓縮空氣為動力源，具有氣源方便，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，運動快速活，不污染環(huán)境，適合在惡劣工況條件下工作等特點。但是由于氣體具有可壓縮氣動驅(qū)動系統(tǒng)的平穩(wěn)性差，高速時還需緩沖或制動裝置，低速時不易控制，速度、置控制難于達到精確值。 液壓驅(qū)動系統(tǒng)具有重量輕、慣量小、傳

42、動平穩(wěn)、控制環(huán)節(jié)簡單等特點。但是液壓驅(qū)動系統(tǒng)的液壓油容易泄漏，污染環(huán)境并影響機器性能，它需要單獨的油源，所占空間較大，主要適用于中、大型機器人。 電動驅(qū)動系統(tǒng)具有傳動平穩(wěn)、靈活、速度快、控制簡單精確、無污染、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、無管路系統(tǒng)、維護方便等特點，適用于中、小型機器人。 采用電動驅(qū)動系統(tǒng)是現(xiàn)代機器人技術(shù)的發(fā)展趨勢之一，負荷IO00N以內(nèi)的中、小型機器人，絕大部分采用了電動驅(qū)動系統(tǒng)。在參考了國內(nèi)外大量管道機器人實例，以及炮管擦洗機器人實際使用環(huán)境后，炮管擦洗機器人采用電動方式進行驅(qū)動。 第三章 管道清洗機器人詳細設(shè)計 在前兩章對清洗機器人進行方案設(shè)計與參數(shù)化設(shè)計的基礎(chǔ)上，本章主

43、要對個部分機構(gòu)進行詳細設(shè)計，具體包括：移動功能模塊的機械設(shè)計與分析和擦洗功能模塊的機械設(shè)計。通過本章對炮管清洗機器人機械結(jié)構(gòu)的詳細設(shè)計?？蛇M一步明確此炮管清洗機器人的結(jié)構(gòu)和功能，為機器人加工制作打下基礎(chǔ)。 3.1移動功能模塊設(shè)計與分析 移動機構(gòu)的設(shè)計主要分為三個部分：傳動機構(gòu),預(yù)緊機構(gòu)和連接件。傳動機構(gòu)的設(shè)計主要包括蝸輪蝸桿，傳動齒輪系和行走輪的設(shè)計：預(yù)緊機構(gòu)的設(shè)計主要包括彈簧，滾珠絲桿副，調(diào)節(jié)大齒輪和調(diào)節(jié)小齒輪的設(shè)計。 3.1.1傳動機構(gòu)設(shè)計 電機的動力經(jīng)蝸桿傳遞到三個渦輪上，渦輪通過傳動齒輪最終將動力傳遞驅(qū)動輪上，在動力的整個傳動過程中，蝸輪蝸桿是最關(guān)鍵的零件。 （1）蝸輪蝸桿設(shè)

44、計 　根據(jù)分析選擇電機maxon25mm的石墨電刷dc電機 （2）傳動比的選定 此設(shè)計在機器人有較大速度的前提下進行，因此先預(yù)計最終速度在50mm/s。初選車輪直徑d=12mm,則此時車輪的角速度及減速后最終的角速度為：ω= 60 v/ (πd)＝79.6r/min. （3-1） 因為電機的初速度為5050r/min,由傳動比公式： i = 5050/ω得ｉ＝5050/79.6,=63.44r/min,i=63.5。因為蝸桿蝸輪能獲得較大的單級傳動比,故結(jié)構(gòu)緊湊。在傳遞動力時,傳動比一般為8～100 ,常

45、用范圍為15～50 。用于分度機構(gòu)中,傳動比可達幾百,甚至到1 000 。因此傳動比完全由蝸桿蝸輪來實現(xiàn),即取蝸桿蝸輪的傳動比i= 20 ,由于空間尺寸受很大的限制,本設(shè)計采用3 個參數(shù)完全一樣的齒輪來傳遞運動。 故最終實現(xiàn)了傳動比的傳遞,而且解決了受空間限制的問題。 選擇蝸桿傳動類型ZI蝸桿， 選擇材料蝸桿45鋼 按齒面接觸疲勞強度進行設(shè)計，確定作用在輪上的轉(zhuǎn)矩T2 按Z1=2,估取效率0.8則T2=1.81e6NM 確實載荷系數(shù)k 因為工作載荷較穩(wěn)定，故取載荷分布不均勻系數(shù)k＝1.27 確定彈性影響系數(shù)z=160mpa 確定接觸系數(shù)2.9 確定接觸用力268mpa 應(yīng)

46、力循環(huán)次數(shù)N=6.06e7 壽命系數(shù)khn＝0.8則應(yīng)力214mpa 計算中心矩a＝22.108 取中心矩ａ＝20mm因為i＝60 m=0.4,壓力角20蝸桿直徑系數(shù)q＝17.5 蝸桿的分度圓直徑的＝7mm，r＝6，i＝60 ｚ＝1計算ｄ2＝12。 （3）傳動齒輪設(shè)計 根據(jù)分析，傳動齒輪系的3個齒輪參數(shù)一樣，考慮到齒輪所傳遞的扭矩大小，設(shè)計結(jié)果如下齒輪材料用35crmo，調(diào)制處理，硬度255～286HBS。 齒數(shù)ｚ＝18，模數(shù)ｍ＝0.5mm，齒寬2mm，中心距Ａ＝48mm,分度圓直徑ｄ1＝48mm。校核彎曲疲勞強度均可滿足要求。 （4）驅(qū)動輪設(shè)計 為了使驅(qū)動輪與管壁能夠產(chǎn)

47、生足夠的摩擦力，采用橡膠作為驅(qū)動輪的材料，橡膠與鋼的靜摩擦系數(shù)為0.45~0.6,在無潤滑條件下的動摩擦系數(shù)為0.8。在對驅(qū)動輪半徑進行選擇時，由于要求機器人恩能夠擦洗得炮管直徑為50~100，由于連桿與軸線夾角的計算公式可知，渦輪蝸桿的中心矩和驅(qū)動輪半徑之和所應(yīng)小于所能適應(yīng)的炮管半徑的最小值，蝸桿渦輪的中心矩為9.5，則驅(qū)動輪半徑應(yīng)小于12，又因為傳動齒輪的齒頂圓直徑為9mm，所以驅(qū)動輪直徑小于20大于10，才能保證傳動齒輪不會與管壁接觸，再根據(jù)移動機構(gòu)行走速度要要求，該行走機構(gòu)的速度是0~9m/min，綜合以上分析，驅(qū)動輪的半徑選為6mm。 3.1.2連接件設(shè)計 （1）支架的設(shè)計 由

48、于移動機構(gòu)的直徑較小，而結(jié)構(gòu)有比較復(fù)雜，零件較多，各零件在徑向尺寸上容易產(chǎn)生干涉，所以渦輪軸的固定部分采取支架式設(shè)計，盡量避免產(chǎn)生干涉。又因為移動功能模塊中間是預(yù)緊機構(gòu)的調(diào)節(jié)齒輪系，考慮到裝配問題，設(shè)計了兩個結(jié)構(gòu)類似的前支架和后支架，前后支架的兩端分別是兩個圓盤，其中一端用來固定電機，另一端用來實現(xiàn)預(yù)緊機構(gòu)調(diào)節(jié)齒輪系的安裝和固定。移動機構(gòu)在裝配時，前支架三維示意圖3-1所示 圖3-1移動支架示意圖 （2）移動部分的設(shè)計 [9] 由于炮管清洗機器人在作業(yè)中需要前進和后退，而機器人前進的動力均來自移動機構(gòu)，所以移動模塊的設(shè)計如圖3-2所示 圖3-2移動功能模塊三維裝配體示意圖

49、 3.2擦洗功能模塊的設(shè)計 擦洗模塊分為高速旋轉(zhuǎn)式清洗頭、普通擦洗頭和軸向往復(fù)式擦洗頭。旋轉(zhuǎn)式清洗頭通過電機的高速旋轉(zhuǎn)，帶動鋼刷高速旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對積炭的“粗洗”；普通擦洗頭在移動機構(gòu)的直接帶動下，沿軸向往復(fù)運動實現(xiàn)對積炭的“精洗”；軸向往復(fù)式擦洗頭對炮膛進行快速清理和上油。普通擦洗頭采用部隊目前使用的擦洗頭，故不需要對其進行設(shè)計，只需對高速旋轉(zhuǎn)式清洗頭和軸向往復(fù)式擦洗頭進行設(shè)計。而本章主要進行旋轉(zhuǎn)式清洗頭進行詳細設(shè)計。 3.2.1旋轉(zhuǎn)式清洗頭設(shè)計 旋轉(zhuǎn)式清洗頭的設(shè)計，采用微型電機帶動刷頭轉(zhuǎn)動，電機固定在電機座上，用螺母校緊，電機的輸出軸與鋼刷所在的軸用聯(lián)軸器連接，通過齒輪減速，使刷頭運動流

50、暢,其結(jié)構(gòu)如圖3-4所示。 圖3-4清洗頭功能模塊 3.3控制系統(tǒng)的設(shè)計 炮管清潔機器人控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)的任務(wù)在炮管內(nèi)，控制行走電動機的恒轉(zhuǎn)速輸出，這是保持恒定拖動力的必要條件。否則，造成拖動力輸出不均勻，清潔效果不均，應(yīng)對其實現(xiàn)閉環(huán)控制；控制清洗電機恒轉(zhuǎn)矩輸出，實現(xiàn)炮管清洗，同樣也是閉環(huán)控制；控制攝像頭的圖像數(shù)據(jù)的采集、接收、編碼、壓縮、存儲等。完成對管壁厚度、腐蝕情況、清潔情況的檢測，作為后期維修保養(yǎng)的參考依據(jù)。本機器人要求控制系統(tǒng)滿足： 調(diào)速快、方便； 控制機器人的清潔電動機輸出轉(zhuǎn)矩；換向轉(zhuǎn)矩波動控制在士5%； 控制系統(tǒng)具有一定的先進性； 控制系統(tǒng)易操作，便于使用。

51、該控制器主要包括： （1）主控制器：機器人的控制核心； （2）PC機的接口模塊：PC機接口模塊包括JTAG調(diào)試接口和串口通訊接口，JTAG調(diào)試接口負責(zé)硬件控制器的程序下載和軟件調(diào)試，串口通訊是PC機和控制器的數(shù)據(jù)交互接口； 圖3-5主控制圖示意圖 （3）電機控制模塊：控制驅(qū)動電機，以進行機器人的運動控制； （4）傳感器模塊：傳感器模塊主要包括電機測速，電機測負責(zé)檢測電機的速度，根據(jù)電機測速模塊的數(shù)據(jù)可以得到機器人的位置信息和速度信息。 （5）人機接口模塊：人機接口模塊包括LCD顯示、按鍵和蜂鳴器。它是人機交互的重要工具，通過這些接口可以給機器人下達命令，機器人也可以在運行出錯時

52、報警，同時它在控制板軟硬件調(diào)試過程中作用重大。 下面小節(jié)將對控制系統(tǒng)整體框圖中的主控制芯片和傳感器的選型和特點進行簡單的分述。 3.3.1主控制芯片 根據(jù)控制系統(tǒng)整體框圖所示，本系統(tǒng)設(shè)計機器人控制系統(tǒng)主芯片要完成的任務(wù)有： (1）產(chǎn)生兩路PWM波驅(qū)動三個電機，檢測兩路電機光電碼盤信號輸入，運行測速程序以實時獲知電機轉(zhuǎn)速； (2）調(diào)試接口用來下載和調(diào)試程序，通過串口和計算機進行通訊； (3）外部中斷處理鍵盤事件； (4）LCD顯示； 根據(jù)以上任務(wù)，機器人控制系統(tǒng)主芯片必須有的資源包括： (1）至少兩路獨立的硬件PWM發(fā)生器。 (2）定時器/計數(shù)器，豐富的外部接口，如UART

53、、JTAG或ISP、串口以及較多的外部中斷。 此外為了簡化電路，要求主控制芯片要有較大的內(nèi)部程序存儲空間，這樣就可以為系統(tǒng)省去存儲電路，降低成本。 目前市面上的微控制芯片有多種，常見的包括8位單片機51、AVR、16位的TIDSP以及32位的ARM等。51單片機由于其功能簡單，IO口較少，一般用于簡單的控制模塊當(dāng)中，對于需要控制的部件較多的機器人來說顯然是不夠用的，TIDSP以及ARM控制器的速度較快，資源豐富，能夠勝任機器人應(yīng)用的多個場合，但是成本較高。因此本系統(tǒng)機器人采用AVR單片機ATmega128作為主控制芯ATmega128單片機是AVR中的高性能8位單片機，采用先進的RISC結(jié)

54、構(gòu)，具有48個可編程IO口，并且接口功能豐富，完全能適合本機器人的應(yīng)用。 ATmega128是ATMRL公司產(chǎn)品，ATMEL公司是世界上著名的生產(chǎn)高性能、低功耗、非易失性存儲器和各種數(shù)字模擬IC芯片的半導(dǎo)體制造公司。1997年ATMEL發(fā)揮其Flash存儲器技術(shù)特長，研發(fā)出增強型內(nèi)置Flash程序存儲器的精簡指令集CPU(Reduced Instruction Set CPU，RISC)高速8位單片機AVR。AVR單片機可以廣泛應(yīng)用于計算機外部設(shè)備、工業(yè)實時控制、儀器儀表、通信設(shè)備、家用機器等各個領(lǐng)域。 AVR單片機廢除了機器周期，拋棄復(fù)雜指令集CPU(Complex Instructio

55、n Set CPU，CISC)追求指令完備的做法，采用精簡指令集CPU(RISC)，以字作為指令長度單位，將內(nèi)容豐富的操作數(shù)與操作碼安排在一字之中（指令集中占大多數(shù)的單周期指令都是如此），取指周期短，又可預(yù)取指令，實現(xiàn)流水作業(yè)，故可高速執(zhí)行指令，并具有較高的可靠性。AVR單片機的內(nèi)核將32個工作寄存器和豐富的指令集聯(lián)結(jié)在一起，所有的工作寄存器都與ALU（算術(shù)邏輯單元）直接相連，實現(xiàn)了在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行的一個指令可以同時訪問兩個獨立的寄存器。這個結(jié)構(gòu)提高了代碼效率，使AVR的運行速度比普通CISC單片機高出10倍。 3.3.2 ATmega128介紹 ATmega128單片機[10]-[1

56、2]是AVR單片機家族中的高性能單片機，它的主要性能特點如下 （1）高性能、低功耗的8位微處理器 AVR單片機工作電壓范圍寬，工作電壓寬，在1.8~6V之間，電源的抗干擾能力強；低功耗，AVR單片機具有6種休眠功能：空閑模式、ADC噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby模式以及擴展的Standby模式，并且能夠從低功耗模式中迅速喚醒。 （2）先進的RISC結(jié)構(gòu) 大多數(shù)指令可以在一個時鐘周期內(nèi)完成。32K8bit通用工作寄存器和外設(shè)控制寄存器。全靜態(tài)工作于16MHz時，性能高達16MIPS。 （3）非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲器 128KB的系統(tǒng)可編程，F(xiàn)lash存儲器壽命為1

57、0000次寫/擦除周期。4KB的EEPROM，壽命為100000次寫/擦除周期。4KB的內(nèi)部SRAM，多達64KB的優(yōu)化的外部存儲器空間。可以通過SPI實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程。 （4）JTAG接口（與IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)兼容） 遵循JTAG標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能。支持擴展的片內(nèi)調(diào)試。通過JTAG接口實現(xiàn)對Flash存儲器、EEPROM、熔絲位和鎖存器的編程。 （5）外設(shè)特點 2個獨立的帶有預(yù)分頻器和比較模式的8位定時器/計數(shù)器；2路8位PWM；6路分辨率可編程（2~16位）的PWM；端口有較強的負載能力，可以直接驅(qū)動LED；內(nèi)置看門狗定時器，可防止程序跑飛，提高產(chǎn)品的抗干擾能力；內(nèi)置電源上電

58、復(fù)位和電源掉電檢測，可高了單片機的可靠性，不用外加復(fù)位延時電路；有豐富的中斷向量，34個中斷源，不同中斷向量的入口地址不一樣，可以快速響應(yīng)；8路10位ADC；面向字節(jié)的兩線接口；2個可編程的串行USART。 3.3.3電機控制技術(shù) 直流電動機是最早出現(xiàn)的電動機，也是最早能實現(xiàn)調(diào)速的電動機。近年來，直流電動機的結(jié)構(gòu)和控制方式都發(fā)生了很大的變化。隨著計算機進入控制領(lǐng)域，以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現(xiàn)，使采用全控型的開關(guān)功率元件進行脈寬調(diào)制控制方式已成為絕對主流。 （1）電機調(diào)速原理 直流電動機轉(zhuǎn)速n的表達式為： (3-2) 其中，U為電樞端電壓

59、；I為電樞電流；R為電樞電路總電阻；Φ為每極磁通量；K為電動機結(jié)構(gòu)參數(shù)。 由式(3-1)可知直流電動機的轉(zhuǎn)速控制方法可分為兩類：對勵磁磁通進行控制的勵磁控制法和對電樞電壓進行控制的電樞控制法。其中勵磁控制法在低速時受磁極飽和的限制，在高速時受換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強度的限制，并且勵磁線圈電感較大，動態(tài)響應(yīng)較差，所以這種控制方法用得很少?，F(xiàn)在，大多數(shù)應(yīng)用場合都使用電樞控制法。絕大多數(shù)直流電機采用開關(guān)驅(qū)動方式。開關(guān)驅(qū)動方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制PWM來控制電動機電樞電壓，實現(xiàn)調(diào)速。 圖3-6 PWM調(diào)速原理電壓波形圖 圖3-6是利用開關(guān)管對直流電動機進行PWM調(diào)速控

60、制的原理圖和輸入輸出電壓波形。圖中，當(dāng)開關(guān)管MOSFET的柵極輸入高電平時，開關(guān)管導(dǎo)通，直流電動機電樞繞組兩端有電壓Us。t1秒后，柵極輸入變?yōu)榈碗娖?，開關(guān)管截止，電動機電樞兩端電壓為0。t2秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖?，開關(guān)管的動作重復(fù)前面的過程。這樣，對應(yīng)著輸入的電平高低，直流電動機電樞繞組兩端的電壓波形如圖中所示。電動機的電樞繞組兩端的電壓平均值U0 為 Uo＝ (3-3) 占空比a表示了在一個周期T里，開關(guān)管導(dǎo)通的時間與周期的比值。a的變化范圍為0〈a〈1。由此式可知，當(dāng)電源電壓US不變的情

61、況下，電樞的端電壓的平均值U0取決于占空比a的大小，改變a值就可以改變端電壓的平均值，從而達到調(diào)速的目的，這就是PWM調(diào)速原理。 （2）電機調(diào)速方法 在PWM調(diào)速時，a占空比是一個重要參數(shù)。以下3種方法都可以改變占空比的值： a)定寬調(diào)頻法：這種方法是保持t1不變，只改變t2，這樣使周期T(或頻率)也隨之改變。 b)調(diào)寬調(diào)頻法：這種方法是保持t2不變，只改變t1，這樣使周期T(或頻率)也隨之改變。 c)定頻調(diào)寬法：這種方法是使周期T(或頻率)保持不變，而改變t1和t2。 前兩種方法由于在調(diào)速時改變了控制脈沖的周期(或頻率)，當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時，將會引起震蕩，因此

62、這兩種方法用得很少。本文電機調(diào)速采用的是定頻調(diào)寬法。 3.4最小系統(tǒng)電路設(shè)計 3.4.1時鐘/復(fù)位模塊設(shè)計 （1)時鐘電路 ATmega128單片機的工作以時鐘為基準(zhǔn)，時鐘質(zhì)量的好壞直接關(guān)乎到系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，本系統(tǒng)的時鐘電路如圖3-7所示。 圖3-7時鐘電路示意圖 系統(tǒng)時鐘電路有兩種實現(xiàn)方式，無源晶振方式和有源晶振方式，無源晶振方式采用外部晶振和內(nèi)部振蕩器生成系統(tǒng)時鐘，有源晶振方式由外部有源的晶振產(chǎn)生振蕩直接產(chǎn)生時鐘，不需要內(nèi)部振蕩器，且他生成的時鐘質(zhì)量比無源晶振要高，為獲得高質(zhì)量、高頻率的時鐘源，本系統(tǒng)采用16M的有源時鐘晶振HO2B-16，HO2B-16的時鐘通過X

63、TAL1輸出給單片機，另一個時鐘角XTAL2懸空。 (2)復(fù)位電路 ATmega128采用低電平復(fù)位，復(fù)位電路如圖3-8所示。 圖3-8復(fù)位電路圖 為了調(diào)試方便，系統(tǒng)設(shè)計了手動復(fù)位按鍵，發(fā)光二極管D2為復(fù)位指示燈，R37為指示燈的限流電阻，當(dāng)復(fù)位按鈕按下，復(fù)位腳RESET被拉低，系統(tǒng)進入復(fù)位中斷，D2負端被拉低導(dǎo)通發(fā)光。 3.4.2電源模塊設(shè)計 本系統(tǒng)中電源模塊主要應(yīng)用在兩個部分：一部分是給電機部分供電，另一部分給單片機其外圍電路供電。穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動、負載和溫度變化時，維持輸出直流電壓穩(wěn)定。用LM7805構(gòu)成5V穩(wěn)壓電路作為電源電路，如圖3-9所示。 圖3

64、-9電源電路圖 系統(tǒng)有兩種供電方式，9V電池供電方式和采用變壓器將電網(wǎng)220V電壓變?yōu)?V電壓的供電方式。輸入的9V電壓分為兩路，一路直接給電機供電；另一路送入LM7805的輸入端。電容C36和C37用來實現(xiàn)高頻濾波，防止穩(wěn)壓芯片LM7805產(chǎn)生高頻自激和抑制電路引入的高頻干擾，C35和C38是電解電容，以減少穩(wěn)壓電壓輸出端由輸入電源引入的低頻干擾，D11為電源指示燈。另外，變壓器將電網(wǎng)220V電壓變?yōu)?V，使9V電池進行充電。 3.5人機接口電路設(shè)計 3.5.1 LCD顯示模塊 液晶顯示模塊是人與硬件的交互界面，我們可以通過液晶板的顯示來得知我們在實驗中測得的數(shù)據(jù)，同時它的電路簡單。

65、，它是一類專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶顯示模塊。HD44780是集驅(qū)動器與控制器于一體，專用于字符顯示的液晶顯示控制驅(qū)動集成電路，液晶顯示屏是以若干個58或511點陣塊組成的顯示字符群，每個點陣塊為一個符位，字符間距和行距都為一個點的寬度。 具有字符發(fā)生器ROM可顯示192種字符，HD44780的顯示緩沖區(qū)及用戶自定義的字符發(fā)生器CGRAM全部內(nèi)藏在芯片內(nèi)。它具有簡單而功能較強的指令集，可實現(xiàn)字符移動、閃爍等顯示功能。且具有低功耗、長壽命、高可靠性等特點。 ATmega128單片機與HD44780液晶顯示模塊采用并口進行數(shù)據(jù)通信，單片機通過PA端口的GPIO對并行接口的讀寫操

66、作實現(xiàn)對液晶模塊的控制和數(shù)據(jù)顯示。如上圖所示，以ATmega128的GPIO口作為并行接口與液晶顯示模塊連接的接口電路， 外接電壓范圍在0~5伏電壓的可調(diào)電阻，實現(xiàn)顯示屏亮度的可調(diào)。 HD44780的2腳為液晶的背光顯示驅(qū)動，當(dāng)接上5伏電壓時背光顯示。液晶顯示模塊各端口的具體定義如表3-2所示。 表3-2顯示端口 管腳 功能 GND 接地 VCC 電路電源電壓5v VO LCD驅(qū)動電壓，對比度調(diào)節(jié)電壓，通常與GND相連即可 RS 寄存器選擇信號，H表示數(shù)據(jù)，L表示指令 RW 讀、寫信號 EN 片使能信號，下降沿觸發(fā) DB3-DB0 8位數(shù)據(jù)總線的低4位,在4位數(shù)據(jù)總線方式無用 DB7-DB4 8位數(shù)據(jù)總線的高4位 BLK-/BLK+ 顯示屏提供背光 EN RW RS HD44780的控制線，通過不同的組合，實現(xiàn)各種控制功能 連接HD44780與ATmega128單片機的接口電路，如圖3-10所示 圖3-10LCD模塊電路圖 LCD顯示模塊接口電路的數(shù)據(jù)總線采用為8位的PA數(shù)據(jù)端口，LCD的RS、RW和EN