越障小车运动控制系统设计

王 俊，卢 刚，张松松

(西北工业大学，陕西西安710072)

0引 言

越障小车是一种典型的机电一体化产品，综合了机械、电子、计算机控制、车辆工程等诸多学科的研究成果，它能够在极端恶劣的环境下工作，完成人类无法进行的任务，在航天探索、军事、反恐防爆、抗震救灾、核能等领域有着广泛的应用［1-3］。本文设计的小车的越障功能是通过在四个驱动轴上安装摆臂轮腿实现的，其结构如图1所示。

图1 越障小车的结构

当小车在平坦路面行驶时，轮腿上摆，四个驱动轮着地驱动其运行。当遇到障碍物时，驱动轮腿使驱动轮抬起实现越障功能，如图2(a)所示。小车可以通过调节两侧轮腿使其形成一定角度差从而实现在斜坡上横向平稳运行，如图2(b)所示。

图2 轮腿组合式运动示意图

1运动控制系统的整体设计

小车的4个驱动轮和4个轮腿全部使用独立的伺服驱动系统，从而确保了被控对象具有很大的控制自由度和很强的适应性和机动性。设计了超声波收发电路以获取障碍物的距离和位置信息，在车体每组轮腿附近不同高度处分别安装了两个超声波传感器，采用这种不同高度位置的一对超声波传感器不但可以获取障碍物距离和位置信息，而且可以计算出障碍物的高度和坡度信息，从而能够判断小车能否越过障碍物，如果障碍物尺寸过大，可采用绕行方式前进。为了使小车的运行更加准确可靠，采用速度和位置的闭环控制。控制系统的整体结构如图3所示。

控制系统采用了多处理器分布式控制方式。采用这种上下位机分布式结构，上位机负责接收控制终端(PC)发来的指令信号，并进行相应处理，然后将计算结果发送给各下位机以驱动相应的运动单元，同时上位机还要监视小车的各种运动参数并及时发送到控制终端;下位机由多个微控制器构成，每个微控制器负责控制一个运动关节的运动。

图3 控制系统总体结构

2控制系统的硬件设计

本文使用了高效、控制性能优越的无刷直流电动机作为各运动单元的伺服电动机，从而进一步提高了小车的驱动效果。各个伺服电动机通过独立的伺服单元控制器控制运行。经综合比较，选用了微芯公司的高性能数字信号控制器dsPIC30f4011作为各伺服单元控制器及主控制器的控制芯片，该处理器采用了改进的哈佛架构，CPU内核集成了DSP引擎，具有丰富的外围接口设备模块和快速的中断处理能力，速度高达30 MIPS［4］，完全满足本设计的要求。功率驱动部分选用了六输出IR2130驱动芯片，IR2130是IR公司推出的高压集成驱动器，有六路输入输出信号且只需要一路控制电源［5］，由于选用的伺服电机是三相无刷直流电动机，这样每个运动单元的伺服控制器只需要一片驱动芯片，从而硬件结构得到了简化，系统的整体可靠性得到进一步提升。

通过软件编程使控制器输出一定频率的方波信号提供给超声波换能器，使用了74LS04对其进行功率放大以扩大测距范围。选用集成芯片CX20106设计了具有较高增益和信噪比的超声波接收电路，能够有效地接收并识别超声回波，CX20106是一款应用广泛的红外线检波接收专用芯片，具有功能强、性能优越、外围接口简单、成本低等优点。

控制终端和车载主控制器之间使用串口UART通讯，主控制器和运动单元控制器之间通过可靠性高、抗干扰能力强的 CAN总线通讯。选用了PAC82C250收发器作为CAN控制器和CAN总线之间的接口，提高了对总线的差动收发能力。根据使用的无刷直流电动机的规格，选用了ST公司的MOSFET STP80NF10作为功率开关管，设计了三相桥式逆变器，并且设计了静电吸收电路和RCD缓冲电路对功率开关管进行保护。控制系统的硬件框图如图4所示。

图4 硬件设计总体框图

3控制系统的软件设计

车载主控制器的任务是从串口接收控制终端的命令然后通过CAN总线发送给各个运动单元控制器。其软件部分由主程序和CAN中断服务程序组成。主程序中首先配置了处理器的相关寄存器，并对相关模块进行了初始化，然后等待传递控制终端的命令和下位机发来的位置、速度等参数，主控制器程序流程图如图5所示。

图5 主控制器程序流程图

各个运动单元控制器接收主控制器的运动指令并调制PWM脉宽从而控制无刷直流电机运行。如图6所示，主函数中首先配置端口输入输出方向，初始化全局变量，调用各模块初始化函数，并使能模块，然后进入死循环。死循环中不断检测是否需要解包数据，清看门狗并点亮LED指示工作状态。

图6 驱动轮控制器主程序流程图

无刷直流电动机的闭环控制和换向工作是在PWM中断程序中完成的。当PWM中断被触发时，根据本次和上次HALL信号值，控制各路PWM输出的开关状态;根据目标值和反馈值之间的误差，调用PID计算子函数计算控制输出，进行占空比限幅，更新正在工作的两路PWM占空比寄存器。程序流程图如图7所示。

图7PWM1H、PWM1L的输出波形

4实验结果

(1)电机驱动信号测试。为了防止产生人耳可听见的噪声，功率器件斩波频率设计在20 kHz，时基计数为向上向下模式。电机的PWM采用互补输出模式，为防止逆变器中同一桥臂的两个功率MOSFET同时导通造成短路的情况发生，需要在其间插入一个死区时间，确保开关安全，如图8所示，驱动信号死区时间设置为2．5 ns。

(2)轮式运动测试。本文使用正弦信号指令进行对越障小车驱动轮电机测试，当驱动轮电机空载时，其速度闭环曲线如图8所示。在低速运行，速度变化率很大，速度闭环误差也比较大，在电机转速比较高时，系统响应速度快，速度闭环效果比较好。

图8 驱动轮运动实时曲线(速度闭环)

(3)摆腿运动测试。本文通过爬越台阶试验对小车的越障功能进行验证。如图9所示，当超声波传感器检测到障碍物离驱动轮足够近时，对应的摆腿旋转一定角度，接触到台阶，支撑车体，使小车前半部分抬高，前两驱动轮悬空后，四个助动轮及后两驱动轮与地面接触，后两驱动轮驱动小车继续运动，小车前部跨上台阶。后轮爬越过程与前轮类似。试验证明小车越障能力较好。

图9 小车爬越台阶

5结 语

本文采用数字信号控制器dsPIC30f4011作为主从控制器设计的具有越障功能的小车，通过一个主控制器协调各伺服控制器输出相应脉宽的PWM波形控制无刷直流电动机各相绕组电流，从而达到控制小车正常运行的目的。同时采用的四轮独立驱动增加了小车的运动的灵活机动性。控制系统的硬件结构、简单实时可靠性高，经过反复测试，实验结果证明了该系统运行稳定、动态特性良好，且具有较高的实用价值和良好的应用前景。

［1］ Lacagnina M，Muscato G，Sinatra R．Kinematics，dynamics and control of a hybrid robot Wheeleg［J］．Robotics and Autonomous Systems，2003，45(9):161-180．

［2］ Sreenivasan S V，Wilcox B H．Stability and traction control of an actively actuated micro-rover［J］．Journal of Robotic Systems，1994，11(6):487-502．

［3］ Brooks R．A robust layered control system for a mobile robot［J］．IEEE Journal of Robotics and Automation，1986:14-23．

［4］ Microchip Technology Inc．dsPIC30F系列参考手册-高性能数字信号控制器［M］．Microchip Technology Inc，2005．

［5］ Saridis G N．Toward the realization of intelligent controls［J］．Proceedings of the IEEE，1979，67(8):1115-1133．