防护工程风管清扫机器人车载控制系统设计

茅靳丰，刘立瑶，张 虎，侯普民，邓忠凯

(1. 解放军理工大学 国防工程学院，江苏 南京 210007; 2. 后勤工程学院，重庆 401331)

防护工程风管清扫机器人车载控制系统设计

茅靳丰1，刘立瑶1，张 虎2，侯普民1，邓忠凯1

(1. 解放军理工大学 国防工程学院，江苏 南京 210007; 2. 后勤工程学院，重庆 401331)

为提高防护工程内部空气环境质量，针对平战两用风管清扫机器人设计了一种控制系统。首先设计了清扫机器人的电气控制方式，并绘制了机器人车载控制系统的电路框图。对车载控制系统的五个主要部分进行了设计，绘制了车载控制系统的框图，并制作了车载控制系统PCB板。将该控制系统用于清扫机器人，进行了样机的设计制作，综合性能良好。

风管清扫；机器人；车载控制系统

Abstract: In order to improve the quality of the internal air environment of the protective engineering, a control system was designed for the flat-war dual-use duct cleaning robot. The electrical control mode of the cleaning robot is designed, and the circuit block diagram of the robot vehicle control system is drawn. The five main parts of the vehicle control system are designed, the block diagram of the vehicle control system is drawn, and the car control system PCB board is made. The control system was used to clean the robot and the prototype was designed, which shows a good comprehensive performance.

Key words:duct cleaning; robots; vehicle control system

0 引言

防护工程是战时我方人员的主要活动场所，工程内部的环境关系到人员的身体健康，必须采取有效措施完善工程内部的空气环境[1]。目前，大部分防护工程已经进入维护时期，由于风管中具有适宜的温度条件、湿度条件和足够聚集区域的尘埃，就容易孽生或繁殖一些微生物，如细菌、病毒、螨虫、真菌和昆虫，这些都严重污染了工程内部的空气环境。在遭到核生化武器攻击时，通风口部会沾染严重的生化污染或放射性物质(氯化氰和氰氢酸等)，这些成分在清洁通风时，会对人员造成致命伤害，必须完全清除。因此，为各个使用和维护单位研制一种智能化且适合平战两用的风管清扫机器人意义重大。

1 清扫机器人电气控制方式

本文研究的风管清扫机器人采用上、下位机通过RS485进行串行通信的形式。上位机(PC)主要负责发送动作指令，接收超声波传感器的反馈信息。下位机主要负责采集超声波传感器的信息，控制电机的运转。清扫机器人的电气控制方式如图1所示，从结构上划分，机器人电气控制系统主要包含三个部分，即PC监控系统(上位机)、车载控制系统(下位机)、视频监测系统。车载控制系统一方面直接控制机器人电机的动作，另一方面实时采集测距传感器的数据。

图1 清扫机器人电气控制方式

2 机器人车载控制系统

机器人车载控制系统的电路框图如图2所示，主要包括Atmega16主控芯片、电机驱动电路、通信电路、超声波传感器信号收发电路和电源电路五个部分，下面对这五个主要部分进行详细分析。

图2 机器人车载控制系统电路框图

2.1 Atmega16主控芯片

作为车载控制系统的核心器件，经过比较，系统选用8位高性能的Atmega16微处理器，它是新一代基于哈佛结构的高速精简指令集计算机(Reduced Instruction Set Computer，RISC)微控制器，具有速度快、价格低、可靠性高、I/O口驱动能力强和片内集成外设资源丰富等特点[2]。

2.2电机驱动电路

电机驱动电路如图3所示，为了保证更高的可靠性，采用传统型继电器来完成电机工作状态控制，单片机信号通过三极管进行功率放大，即可由端口直接控制继电器线圈的通电和断电，实现对继电器触点通断的控制。其中D2为反向保护二极管，可在继电器断开瞬间防止出现较大的感应电压击穿三极管；Q2为三极管，作用是放大功率，驱动继电器动作；DS2为工作指示灯，当继电器吸合时灯亮，其中R5为限流电阻。

图3 电机驱动电路

单片机外接的电机驱动电路主要包括：机器人底盘电机2个(左右)、左侧刷电机2个(上下)、右侧刷电机2个(上下)、地刷电机2个(左右)、吸尘器电机1个。由于地刷同时工作，因此只需一路控制电路。由于机器人采用单边清扫，因此左侧刷和右侧刷各需一路控制信号。所以，控制电路板上要有6路电机驱动电路。由于毛刷电机和底盘电机均采用24 V供电，因此选用24 V继电器进行控制。吸尘器采用220 V供电，所以要选用220 V继电器。

2.3超声波传感器收发电路

(1)超声波发送电路

超声波发射电路由超声波探头和超声波放大器组成。超声波探头将电信号转换为机械波发射出去，而单片机所产生的40 kHz的方波脉冲需要进行放大才能将超声波探头驱动将超声波发射出去，所以发射驱动实际上就是一个信号的放大电路，选用74LS04芯片进行信号放大，超声波发射电路如图4所示。工作时，由单片机产生40 kHz的脉冲从P0.1口向超声波的发射电路部分发出信号，再经74LS04放大电路放大后，驱动超声波探头将超声波发射出去。

图4 超声波发射电路

(2)超声波接收电路

由于超声波在空气中传播的过程中是有衰减的，如果距离较远，那么超声波接收电路所接收到的超声波信号就会比较微弱，因此需要对接收到的信号进行放大而且放大的倍数也要比较大。超声波接收电路主要是由集成电路CX20106A芯片电路构成的，CX20106A芯片电路可以对超声波信号进行放大、限幅、带通滤波、峰值检波、整形、比较等操作，之后超声波接收电路会输出一个低电平到单片机去请求中断，当单片机停止计数时，开始进行数据处理。超声波接收电路如图5所示。

图5 超声波接收电路

2.4通信电路

通信电路的作用是实现风管清扫机器人与PC之间的通信，使工作人员能够通过控制器对风管中作业的机器人进行各项动作控制。根据风管清扫机器人的研制要求，机器人在风管内作业的最大距离有30 m，RS485总线最大传输距离为1.2 km，最大速率可达10 Mb/s，完全可以满足风管清扫机器人的距离要求，也能够满足通信的实时性要求。另外，RS485总线具有可靠性高、成本低、开发时间短等优势，所以本系统选择采用RS485通信技术。

通信电路原理如图6所示，选用MAX485作为RS485接口器件，MAX485为低功耗的半双工RS485收发器件，其波特率可高达2.5 Mb/s，DC 5 V电压供电，其输出和输入ESD保护电压可达15 kV，MAX485芯片引脚1接Atmega16的PD0(RXD)，即USART的数据接收引脚，MAX485芯片引脚4接Atmega16的PD1(TXD)，即USART的数据发送引脚，同时将MAX485芯片引脚2(接收输出使能，低电平有效)和MAX485芯片引脚3(发送输出使能，高电平有效)接在PD2引脚上，当PD2为高电平时，RS485处于发送状态，当PD1为低电平时，RS485处于接收状态。C5、C7、C8均为0.1 μF电容，起电路滤波作用；R17、R22、R23、R24、R25为高阻值电阻，起限流作用。

图6 通信电路原理图

2.5电源电路

为了满足微处理器电路对5 V电压源的需求，采用集成稳压电源LM7805实现DC 12 V电压到DC 5 V电压的转换，电源电路原理如图7所示，C1和C2为铝电解电容，因为输出电流小于5 A，且交流电网干扰中大部分是高次谐波，故采用100 μF滤除50 Hz以上的高次谐波；C3和C4为高频陶瓷电容或聚酯电容，选用0.1 μF/63 V，滤除电源中的高频谐波。LM7805三端稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，性能可靠、使用简便，并且具有较高的性价比[3]。

图7 电源电路原理图

3 车载控制系统PCB板的制作

3.1单片机端口的分配

由前面分析可知车载控制系统电路板的外接电路主要包括：电源模块、通信模块、电机模块、传感器模块。其中电机模块包括：地刷电机、侧刷电机(左、右)、左轮电机、右轮电机、吸尘器电机。传感器模块包括：左前、右前、左后、右后四个超声波传感器。由于Atmega16主控芯片具有32个高驱动能力可编程I/O端口，如何分配I/O端口对电路板的可靠性和程序的编写至关重要。本项目车载控制系统采用了以Atmega16主控芯片为系统核心部件的集散控制，车载控制系统的框图如图8所示。

Atmega16单片机共有PA、PB、PC、PD 4个8位I/O端口。作为最小系统板，需要将这4个I/O端口进行合理的分配。根据需求分析， PA、PB主要作为输出端口，用来控制电机的运转，主要包括顶刷电机、地刷电机、侧刷电机、左轮电机、右轮电机、吸尘器电机。PC主要作为输入端口，用来采集传感器测得的距离。PD口主要作为第二功能端口，主要包括通信端口、JTAG仿真接口电路。具体的分配情况如表1所示。

图8 车载控制系统框图

端口PA0PA1PA2PA3PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7PC1⁃PC7PA7PD5⁃PD7PD0⁃PD2功能右轮电机左轮电机左侧刷电机右侧刷电机地刷电机吸尘器电机超声波传感器状态指示灯ISP在线编程口通信接口

3.2 PCB电路板

根据车载控制系统各组成部件的电路设置以及单片机的端口分配情况，研制了车载控制系统的主控制板。在研制主控制板时，充分考虑到系统的稳定运行，严格按照文献[4]所列举的研制原则进行。本文研究的车载控制系统的PCB印刷电路板以及电路板性能可靠。通过实地测试，该清扫机器人综合性能良好。

4 结论

本文针对平战两用风管清扫机器人设计了一种控制系统，清扫机器人的电气控制方式采用上、下位机通过RS485进行串行通信的形式，并绘制了机器人车载控制系统的电路框图。对车载控制系统的五个主要部分进行了设计，主要包括Atmega16主控芯片、电机驱动电路、通信电路、超声波传感器信号收发电路和电源电路。绘制了车载控制系统的框图，并制作了车载控制系统PCB板。将该控制系统用于清扫机器人，进行了样机的设计，经实地测试性能良好。

[1] 国家质量监督检验检疫总局GB 19210—2003空调通风系统清洗规范[S].2003.

[2] 陈会鸽.基于机器视觉的中央空调风管清洁机器人测控系统研究[D].郑州：河南工业大学，2010.

[3] 章霄，董艳雪，赵文娟，等.数字图像处理技术[M]．北京：冶金工业出版社，2005.

[4] 黄智伟.印制电路板(PCB)设计技术与实践[M].北京：电子工业出版社，2009.

Design of vehicle control system for duct cleaning robot of protective engineering

Mao Jinfeng1, Liu Liyao1, Zhang Hu2, Hou Pumin1, Deng Zhongkai1

(1. College of Defense Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China; 2. Logistic Engineering University of PLA,Chongqing 401331)

TP242.3

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.18.011

茅靳丰，刘立瑶，张虎，等.防护工程风管清扫机器人车载控制系统设计[J].微型机与应用，2017,36(18)：36-38,42.

2017-03-17)

茅靳丰(1962-)，男，博士，教授，主要研究方向：防护工程内部设备及系统。

刘立瑶(1993-)，通信作者，男，硕士研究生，主要研究方向：防护工程内部设备及系统。E-mail:lly19930317@126.com。