探测机器人电气系统设计.pdf

第 4 2卷 第 7期 2 0 1 6年 7月 工矿 自 动 化 I n dus t r y a n d M i ne Aut oma t i on V0 1 ． 4 2 NO ． 7 J u 1 ．2 0 l 6 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 l X 2 0 1 6 0 7 0 0 7 9 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 0 7 ． 0 2 0 翟国栋 ， 苏一新 ， 高培源． 探测机器人电气系统设计[ J ] ． 工矿 自动化， 2 0 1 6 ， 4 2 7 7 9 8 2 ． 探测】I 『【 器入电气系统设计 翟 国栋 ， 苏一 新 ， 高培 源 中 阂矿业 大学 北 京 机 电与信 息 工程 学 院 ， 北 京 1 0 0 0 8 3 摘要 为 了提 高探 测 机 器人 的 智 能 化 ， 设 计 了一 种 以 AR M 架 构 为 核 心 的 电 气 系统 。该 系统 采 用 2 ． 4 GHz 无 线通 信 、 电动机 闭环控 制 、 多 自由度 机 械 臂 控 制 以及 多传 感 器信 息 融 合 等技 术 ， 实现 了避 障 、 越 障 、 定位 、 通 信 、 传感 器测 量等 功 能 ； 利 用光 伏效 应 和改进 爬 山法进 行 最 大功 率 点追 踪 ， 解 决 了探 测 机 器人 能 耗 问题 。 关键 词 探 测机 器人 ；电 气 系统 ；光伏 发 电 ；MP PT 中 图分类 号 T D6 7 文献 标 志码 A 网络 出版 时 问 2 0 1 6 0 7 0 5 1 5 0 5 网络 出 版地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 。 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 6 0 7 0 5 ． 1 5 0 5 ． 0 2 0 ． h t ml De s i g n o f e l e c t r i c a l s y s t e m f o r e xp l o r a t i o n r o b ot ZH AI Gu o do ng． SU Yi x i n． GA Pe i yu a n Sc ho ol o f M e c h a ni c a l El e c t r on i c a nd I nf or ma t i o n Eng i ne e r i n g， Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d Te c h n o l o g y Be i j i n g ，Be i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，Ch i n a Ab s t r a c t I n o r de r t o i mpr o ve i nt e l l i ge nc e o f e x pl o r a t i o n r o bo t ， a n e l e c t r i c a l s y s t e m t a ki ng ARM 收稿 日期 2 0 1 6 0 1 - 2 5 ； 修回 日期 2 0 1 6 - 0 5 1 6 ； 责任编辑 胡娴 。 基金项 目 中央高校基本科研 业务费专项资金资助项 目 2 0 1 4 Y J 0 2 。 作者 简介 翟罔栋 1 9 7 3 一 ， 男 ， 河北高碑店人 ， 高级 r 程师 ， 博士 ， 主要从事机电 专业 的教学 、 科研T作 ， E ma i l z g d c u mt b ． e d u ． c n 。 网 5 蓝 牙 源 节 点 软 件 流 程 软件 才会 显 示压 力 采 集 表 的状 态 ， 这 个 功 能 由档 案 管理 模块 完 成 。系统 管理 模块 主要 用 于添 加修 改或 删 除用 户 的信息 。实 时显 示模 块 能够 实 时显示 支架 压力 数据 。历史 数据 显示 及 导 出模 块 主要 用 于以 日 报表 形 式对 信息 进 行 处 理 显示 ， 用 户 选 择需 要 导 出 的 日期 ， 即 可导 出 当天 的 日报 表 。 4 结语 液 压 支 架 是矿 井 综 采 工作 面 的重 要 工作 设 备 ， 实 时监控 液压 支架 压力 是很 有必 要 的 。基 于蓝 牙 自 组 网的液 压支 架压 力监 测 系统通 过蓝 牙技 术组 建无 线 自组 网 ， 解 决 了繁 杂 的 布线 问题 ， 性能 稳 定 ， 能 够 实时显示和监测液压支架压力值 ， 数据传输速率快 。 参 考 文 献 [ 1 ] 赵端 ， 纵鑫 ． 基 于 Z i g B e e 技 术 的井 下 液压 支架 压力 监 测系统设计 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 o l 4 ， 4 0 1 3 l 3 d ． [ 2 ] 王桃 ， 刘晓文 ， 乔欣 ， 等． 基于无线 传感 器网络的液压 支 架压力监 测 系统 设计 [ J ] ． 工 矿 自动 化 ， 2 O l d ， 4 0 6 7 1 0． [ 3 ] 宋析 ， 朱华 ， 薛永刚． 蓝牙 技术在煤 矿数 据传输 中 的应 川[ J ] ． 工 矿 自动化 ， 2 0 0 7 ， 3 3 3 1 5 ． [ 4 ] 李 晶莹． 蓝牙 AD Ho c网 络拓 扑 彤 成算 法 研究 [ D] ． 南京 南京理工大学 ， 2 0 0 9 ． [ 5 ] 刘奕君 ， 卞水荣 ， 藏 吴 ， 等． 一 种链 式无线路由协议 的液 压 支架 压 力监 测 系 统 设 计 [ J ] ． 计 算 机 测量 与 控 制 ， 20】 5． 2 31 O 3 44l 3 44 3． 2 0 1 6年 第 7期 翟 国栋等 探 测 机 器人 电气 系统设 计 8 1 1 2 v 太阳能电池板 lI l 2 V 太阳能电池板 l l 1 2 V 太阳能电池板 太阳能电池控制器 H2 4 v 锂电池组 无线串口 电压一 电流监测模块 2 4V一 5V DC DC 降压 模块 GP S 定位 堪 环境监测 2 4V- 9 V DC． DC 降压模块 [ AR M内核 单片机 丽 驱动器 L 2 4 V- 6V DC DC 降压模块 驱动器 R 2 ． 4通 信 系统 探 测 机器 人一 方面 可 以根据 自身 硬件进 行 自主 决策 ， 实 现一定 程 度 的 自主导 航 、 定位 与 控 制 ； 另 一 方面 ， 还可以接收上位机的远程操作控制指令 ] 。 通信系统是实现机器人信息流传递 的关键 ， 机 器人 采用 无 线 通 信 技 术 与 上 位 机 进 行 实 时 双 向通 信 ， 上位机发送控制信息， 同时接收机器人各模块数 据与图像信息 。通信系统具体实现 在 2 ． 4 GHz 无 线路 由器 中写 入 Op e n Wr t 系统 ， 并 在该 系统 上 运行 S e r i a l 2 n e t 程序， 进行核心处理器串 口与网口的信息 交换 。 一信号 线路； 一 供电 线路 3 探 测 机器 人光 伏发 电 系统 图 3 探测机器人 电气系统结构 2 ． 2 驱 动 系统 探 测机 器 人 采 用 六 轮独 立 闭 环 方式 驱 动 ， 使 用 F a u l h a b e r 带 编 码 器 的 空 心 杯 减 速 直 流 电 动 机 2 3 4 2 L 0 1 2 额 定 电压 为 1 2 V， 输 出功率 为 1 7 W ， 输 出扭 矩 大 ， 减 速 比为 6 4 1 ， 并设 计 了双 直 流 电动 机 闭环 驱动 集成 电路板 ， 其 核 心 处 理器 及 外 围 电路 可 以采集光电编码器反馈信息 ， 并进行 P I D运算 、 P I D 参数 优 化 ， 可更准 确地 调 整 电动机 转 动角度 和转 速 。 2 ． 3 测 量传 感 系统 探测机器人配 有 8个 G P 2 D1 2红外测 距传感 器 ， 同水 平 面均 匀 分 布 。该 传 感 器 具有 红 外 信 号 发 射端和接收端 ， 发射端发射 出红外光线 ， 光束传播过 程 中遇 到物 体后 被反 射 ， 回到传感 器接 收端 ， 利 用发 射与接收的时间差计算得到与物体的距离。其功耗 小， 体 积小 ， 抗 干扰能 力强， 测量射 程范 围为 1 0 ～ 8 O c m， 可用于实现近距离物体的测距避障功能。 探测 机器 人 配备 了 2个 C Mo S视 觉模 块 ， 搭 配 机械云台进行全方位图像采集与模式识别 。双 目视 觉技 术 模 仿 人 双 目立 体 感 知 的方 法 l 6 l ， 用 2部视 觉 传感器同时采集同一场景 的图像 ， 利用计算机进行 图像 阈值 化 、 图 像 增 强 处 理 ， 以及 连 通 域 提 取 等 流 程， 实现彩色图像 中的多个障碍物识别口 ] ， 然后根据 场景在不同摄像机成像 中存在 的视差 ， 得到空 间物 体的深度信息 ， 从而重建出场景的三维信息 。 探 测 机器 人 还 装 配 了全 球 定 位 系统 ， 用 于采 集 纬度 和经 度 ， 同 时 也 能室 外 定 位 。陀螺 仪 用 于室 内 位姿调整 ， B H1 7 5 0 F VI 芯 片的光照度传感 器、 单总 线 D S 1 8 B 2 0数字温度传感器 、 D HT1 1湿 度传感器 等用于机器人周围环境数据实时监测及存储 ， 最后 ， 通过无线通信系统将传感器信息上传到上位机 。 3 ． 1 光伏 发 电 系统组 成 光伏 发 电是 利 用 由半 导 体材 料制 成 的 P N结 电 池结构 所 产生 的光 生伏特 效应 _ 3 ] 。太 阳能 电池是 为 了满 足各种 供 电系 统所需 ， 直接把 光能 转换 成 电能 ， 并通 过 串联 和 封 装 保 护 后 形 成 的 大 面 积 太 阳能 电 池板 。 探 测机 器 人配有 3 块 可折 叠式 薄膜 太 阳能 电池 板 ， 其 光 电转换 效 率高 ， 聚光 条件下 也适 用 。配合 使 用具 有 功 率 控 制 功 能 的 MP P T Ma x i mu m P o we r P o i n t Tr a c k i n g ， 最 大功 率 点 跟 踪 控 制 器 和 储 能 锂 电池组 ， 便 组成 了整 个 光伏 发 电系 统 ， 如 图 4所 示 ， 该系 统不 受地 域制 约 ， 安 全 、 环保 ， 且性 能可 靠 。 图 4探测机器人光伏发 电系统 根 据 光伏发 电系 统 实 际工 作 状 态 ， 设 计 了 3种 工作模 式 光 照 充 足 时 ， 完 全 由光 伏 电池 给 负 载 供 电 ， 锂 电池 只有储 能作 用 ， 锂 电池 充 满 时 ， 应 断 开 充 电线路 ， 防止锂 电 池 过充 ； 光 照不 足时 ， 由光 伏 电池 和锂 电池 同时 给负 载提供 电能 ； 无光 条 件下 ， 由锂 电 池 单独 供 电 ， 此 时太 阳能 电池续 航 能力较 弱 。 3 ． 2 最 大功 率点跟 踪 算法 光 伏 方 阵 的最 优 工 作 点称 为 最 大功 率 点 ， 其 值 主要 取 决 于 电 池 板 的 工 作 温 度 和 当 时 的 光 照 水 平l 4 ] 。最大 功率 点跟 踪算 法是 指太 阳能 电池 的最 大 功率点 追踪 方法 ， 在 快速 变化 的天气 条 件下 ， 控制 电 池 板尽 量 在 最 大 功 率 点 工 作 。MP P T 控 制 器 能 够 实现 电路 中 电压 、 电 流 的监 测 ， 以及 锂 电池 的 充 、 放 电控制 ， 不 仅 可 防 止 锂 电 池 过 充 ， 延 长 锂 电池 的 寿 命 ， 还可 根 据负 载需 求 ， 实 现太 阳能 电池 组件 的 主动