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基于ARM的車間環(huán)境監(jiān)測(cè)機(jī)器人設(shè)計(jì)

作者:逯逸1,胡立夫1,郝中胤2(1. 沈陽(yáng)航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,沈陽(yáng) 110000;2.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,沈陽(yáng) 110000) 時(shí)間:2023-05-01 來(lái)源:電子產(chǎn)品世界 收藏
編者按:為滿足工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程車間中的環(huán)境監(jiān)測(cè)需求,提出了一種基于ARM核心單片機(jī),氣體傳感器,溫濕度傳感器,攝像頭和Wi-Fi圖傳模塊,姿態(tài)傳感器模塊的車間環(huán)境監(jiān)測(cè)機(jī)器人,并設(shè)計(jì)了其軟硬件方案。機(jī)器人通過(guò)滑??刂破鬟M(jìn)行平衡底盤(pán)角度的鎮(zhèn)定,PID控制器進(jìn)行平衡底盤(pán)速度的鎮(zhèn)定,保證了機(jī)器人底盤(pán)的通過(guò)性能。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

摘要:實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明,在復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)車間環(huán)境中,該能很好地通過(guò)復(fù)雜的車間環(huán)境,完成車間環(huán)境監(jiān)測(cè)任務(wù),并且將環(huán)境數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線Wi-Fi模塊回傳給上位機(jī),提供一種有效的車間無(wú)人監(jiān)測(cè)方案,提升了工作效率,保證了人員和設(shè)備的安全。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202305/446132.htm

在化工業(yè)、食品工業(yè)、紡織工業(yè)中為保障倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境、工藝流程、設(shè)備性能等,對(duì)環(huán)境條件有一定要求,需要對(duì)車間的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè),以保證生產(chǎn)活動(dòng)的正常進(jìn)行[1-3]。在某些產(chǎn)業(yè)中,車間可能會(huì)產(chǎn)生一些污染物,對(duì)人員健康和設(shè)備造成損害,對(duì)這些污染物進(jìn)行監(jiān)測(cè)也非常必要[4]。

為解決上述問(wèn)題,文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了基于STM32 和阿里云的智能環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng),但其采集節(jié)點(diǎn)相對(duì)固定,不夠靈活。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一種環(huán)境信息采集智能車,但其底盤(pán)使用履帶,移動(dòng)速度和效率低,體積大不適用于車間環(huán)境。文獻(xiàn)[7]使用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)測(cè),需布置大量和服務(wù)器系統(tǒng),成本較高,不利于推廣。

本文為解決上述問(wèn)題,基于 內(nèi)核微處理器,設(shè)計(jì)了車間環(huán)境監(jiān)測(cè)。使用二輪平衡底盤(pán),具有高效率、靈活、移動(dòng)速度快、通過(guò)性能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。機(jī)器人搭載了氣體模塊,溫濕度傳感器模塊,攝像頭和Wi-Fi 圖傳模塊,姿態(tài)傳感器模塊。該機(jī)器人克服了以上缺點(diǎn),具有很強(qiáng)的實(shí)用性,為工業(yè)生產(chǎn)提供了保障。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

機(jī)器人系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示,分為硬件層和軟件層。其中,硬件層包括運(yùn)動(dòng)層,控制層,通信層和感知層。感知層主要包括監(jiān)測(cè)采集環(huán)境信息的各種傳感器,控制層為基于 核心的微控制器,運(yùn)動(dòng)層包括機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的底盤(pán)電機(jī)等,通信層為Wi-Fi 圖傳模塊。

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圖1 機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)圖

2 車間環(huán)境監(jiān)測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

機(jī)器人系統(tǒng)主控采用基于 核心的STM32F407處理器,該系列MCU 具有豐富的外設(shè)接口和片上資源,突出的低功耗性能和豐富的開(kāi)發(fā)例程。MCU 負(fù)責(zé)與機(jī)器人硬件各層次通信和控制。包括機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制,電機(jī)電流指令發(fā)送,氣體傳感器,溫濕度傳感器數(shù)據(jù)的采集、處理,Wi-Fi 模塊的數(shù)據(jù)上傳控制。機(jī)體姿態(tài)傳感器的數(shù)據(jù)采集和處理。

2.1 電源模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)需要3.3 V,5 V 和24 V 三種規(guī)格的電源,故使用24 V 鋰聚合物電池作為機(jī)器人系統(tǒng)的電力來(lái)源。系統(tǒng)的電源分為3 個(gè)層次:24 V 電源輸入、TPS54540同步降壓5 V 電源、MT2492 同步降壓3.3 V 電源。系統(tǒng)電源樹(shù)如圖所示。

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圖2 機(jī)器人系統(tǒng)電源樹(shù)

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圖3 TPS54540電源

MT2492 為西安航天民芯公司開(kāi)發(fā)的一款同步降壓轉(zhuǎn)換器,具有2 A 輸出電流,通過(guò)反饋電阻網(wǎng)絡(luò)配置輸出電壓,根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的計(jì)算公式,將反饋電阻網(wǎng)絡(luò)配置為RHS = 67.5 kΩ,RLS =15 kΩ。

2.2 姿態(tài)傳感器模塊設(shè)計(jì)

機(jī)器人采用了平衡底盤(pán),為保持底盤(pán)平衡直立,需測(cè)量機(jī)器人底盤(pán)姿態(tài)。姿態(tài)傳感器模塊使用MPU6050芯片進(jìn)行姿態(tài)檢測(cè)。該芯片是InvenSense 公司的IMU(慣性測(cè)量單元)產(chǎn)品,能同時(shí)檢測(cè)三軸加速度、角速度的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)以及溫度數(shù)據(jù)。利用官方提供的DMP 庫(kù)可對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,直接通過(guò)加速度和角速度的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)解算出三軸的歐拉角,直接獲得底盤(pán)Yaw,Pitch,Roll 三軸的姿態(tài)數(shù)據(jù)。在芯片DMP 單元完成姿態(tài)數(shù)據(jù)解算后,會(huì)通過(guò)INT 引腳觸發(fā)單片機(jī)中斷,然后通過(guò)I2C 接口將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī),在中斷服務(wù)函數(shù)中進(jìn)行姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)的接收。

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圖4 姿態(tài)檢測(cè)模塊

2.3 氣體傳感器模塊設(shè)計(jì)

機(jī)器人具有有害氣體檢測(cè)功能,可以實(shí)時(shí)監(jiān)控車間有害氣體濃度,有害氣體檢測(cè)使用了MQ135 氣體檢測(cè)模塊。該傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在污染氣體時(shí);傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中污染氣體濃度的增加而增大。MQ135 傳感器對(duì)氨氣、硫化物、苯系蒸汽的靈敏度高,對(duì)煙霧和其它有害氣體的監(jiān)測(cè)也很理想。

通過(guò)集成的氣體傳感器模塊檢測(cè)電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào),通過(guò)電位器設(shè)置觸發(fā)閾值,當(dāng)有害氣體濃度超過(guò)閾值后,模塊輸出高電平,單片機(jī)通過(guò)IO 直接讀取模塊信號(hào)輸出。

2.4 溫濕度傳感器模塊設(shè)計(jì)

為了保證生產(chǎn)需要,監(jiān)測(cè)車間的溫濕度,機(jī)器人搭載了DHT12 溫濕度傳感器模塊,該模塊為集成了微處理器的數(shù)字信號(hào)輸出型傳感器。在傳感器內(nèi)部同時(shí)集成了溫度傳感器,濕度傳感器和1 個(gè)8 位的高性能單片機(jī)。傳感器元件包括1 個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)NTC 測(cè)溫元件。該模塊應(yīng)用集成微處理器內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集,通過(guò)I2C 接口進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出。該傳感器模塊成本低,可以同時(shí)進(jìn)行相對(duì)濕度和溫度測(cè)量,大大降低了機(jī)器人的生產(chǎn)成本。

2.5 Wi-Fi圖傳模塊設(shè)計(jì)

機(jī)器人需要進(jìn)行遠(yuǎn)程操控和數(shù)據(jù)上傳,考慮到機(jī)器人在車間環(huán)境下工作,故選用Wi-Fi 攝像頭圖傳模塊,同時(shí)上傳攝像頭采集到的圖像和機(jī)器人數(shù)據(jù)。攝像頭圖傳模塊采用ESP32-CAM,模塊基于ESP32 微處理器,該處理器運(yùn)算能力高達(dá)600DMIPS,該模塊集成了Wi-Fi 圖傳,串口傳輸和攝像頭,可以直接在上位機(jī)軟件進(jìn)行圖像和上傳數(shù)據(jù)的查看。模塊采用802.1.1 通信標(biāo)準(zhǔn),傳輸速度可以達(dá)到150 bit/s。該模塊使用5 V 電源進(jìn)行供電,串口波特率設(shè)置為115 200,機(jī)器人傳感器數(shù)據(jù)上傳使用串口進(jìn)行傳輸,在使用時(shí),將客戶端接入模塊的無(wú)線熱點(diǎn),啟動(dòng)模塊配套的客戶端即可。

數(shù)據(jù)直接以字符串形式進(jìn)行傳輸,刷新頻率為20 Hz,既保證了數(shù)據(jù)上傳實(shí)時(shí)性,也避免占用過(guò)多上傳信道帶寬。在串口上傳的數(shù)據(jù)中,/n 為數(shù)據(jù)的起始位,“有害氣體”,“溫度”,“濕度”為數(shù)據(jù)名稱,數(shù)據(jù)名稱后接數(shù)字即為該數(shù)據(jù)的值。

3 車間環(huán)境監(jiān)測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

機(jī)器人系統(tǒng)的軟件部分包括初始化程序,傳感器數(shù)據(jù)采集程序,上位機(jī)數(shù)據(jù)上傳程序,遙控程序,底盤(pán)控制程序。

因機(jī)器人軟件包含多個(gè)線程,故軟件系統(tǒng)基于Freertos 開(kāi)發(fā),通過(guò)Freertos 的時(shí)間片調(diào)度功能,實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)時(shí)間尺度上的并行處理。

軟件初始化程序?qū)纹瑱C(jī)各個(gè)外設(shè)進(jìn)行初始化,使各個(gè)傳感器進(jìn)入工作狀態(tài),初始化Freertos,運(yùn)行各個(gè)線程。

傳感器數(shù)據(jù)采集程序?qū)⒏鱾€(gè)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,處理成字符串后通過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī)。

遙控程序?qū)⑼ㄟ^(guò)串口采集的數(shù)據(jù)設(shè)置機(jī)器人底盤(pán)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),實(shí)現(xiàn)機(jī)器人底盤(pán)的運(yùn)動(dòng)控制。

底盤(pán)控制程序通過(guò)底盤(pán)控制器控制底盤(pán)的運(yùn)動(dòng)。

3.1 底盤(pán)控制器設(shè)計(jì)

平衡底盤(pán)使用底盤(pán)控制器進(jìn)行底盤(pán)的運(yùn)動(dòng)控制,為保證底盤(pán)的通過(guò)性能和穩(wěn)定性,采用了滑模控制和PID控制相結(jié)合的方法。底盤(pán)控制器采用滑??刂破鬟M(jìn)行平衡底盤(pán)角度的鎮(zhèn)定,PID 控制器進(jìn)行平衡底盤(pán)速度的鎮(zhèn)定,滑??刂破骱蚉ID 控制器組成了一個(gè)串級(jí)結(jié)構(gòu)。控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖5 所示。

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圖5 控制器結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)字式PID 控制器可通過(guò)連續(xù)域的PID 控制器離散化得到,在此使用梯形法進(jìn)行離散化得到。

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4 車間環(huán)境監(jiān)測(cè)機(jī)器人測(cè)試

為了對(duì)機(jī)器人的總體功能和通過(guò)性能進(jìn)行驗(yàn)證,選擇了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境對(duì)機(jī)器人功能進(jìn)行驗(yàn)證。

首先對(duì)機(jī)器人的通過(guò)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。模擬車間的道路環(huán)境,在機(jī)器人前進(jìn)的路徑上設(shè)置了高度為150 mm的落差,觀察到的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)如圖6 所示:

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圖6 通過(guò)落差的機(jī)器人姿態(tài)

機(jī)器人在通過(guò)落差時(shí),由于受到落差的干擾,姿態(tài)發(fā)生了偏移,接觸地面后即很快恢復(fù)了直立穩(wěn)定狀態(tài)。

對(duì)機(jī)器人的數(shù)據(jù)采集功能進(jìn)行測(cè)試。將機(jī)器人通電后再將機(jī)器人置于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試,通過(guò)Wi-Fi模塊建立系統(tǒng)與上位機(jī)的聯(lián)系,使機(jī)器人數(shù)據(jù)采集和上傳功能處于正常工作狀態(tài)。在上位機(jī)采集到的回傳數(shù)據(jù)如圖7 所示:

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圖7 上位機(jī)采集的傳感器數(shù)據(jù)

機(jī)器人通過(guò)Wi-Fi 模塊的串口通信功能,將數(shù)據(jù)回傳給機(jī)器人的上位機(jī),實(shí)現(xiàn)了環(huán)境數(shù)據(jù)采集上傳功能。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于ARM 內(nèi)核微處理器,設(shè)計(jì)了車間環(huán)境監(jiān)測(cè)機(jī)器人的軟硬件系統(tǒng),經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,機(jī)器人底盤(pán)具有較強(qiáng)的通過(guò)性能,可以適應(yīng)復(fù)雜的車間環(huán)境。機(jī)器人通過(guò)搭載的傳感器進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)測(cè)量,能夠及時(shí)地回傳采集到的數(shù)據(jù),完成車間環(huán)境監(jiān)測(cè)任務(wù),具有很強(qiáng)的實(shí)用性,滿足工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程車間中的環(huán)境監(jiān)測(cè)需求,為工業(yè)生產(chǎn)提供了保障。

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(本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年4月期)



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