电路板克隆爬幕墙清洗机器人控制系统设计

    机器人外传感器的配置与工作环境直接相关。建筑物上的外部信息主要有铝导轨、滑动导杆、装饰灯、高大障碍物、大面积污物、少量水渍等几种。针对作业的实际要求，由于采用了攀爬式机构形式，除前后俯仰调节支撑外，机器人框架与壁面为非接触状态，诸如装饰灯之类的障碍物对机器人作业不造成影响。少量水渍对擦洗不会造成不良效应，而污物和灰尘是擦洗作业的直接目标。因此系统处理的外部信息主要是铝导轨、滑动导杆和高大障碍物，通过对这三种障碍的检测，经过控制器的处理完成对工作环境的几何重构。控制系统中对于高大障碍的检测采用接触开关和光电传感器，对于铝导轨、滑动导杆和悬空的检测采用超声传感器和CCD摄像头。另外CCD摄像头通过无线图像传输的方法使操作人员实时了解机器人作业的全局状态，以便进行必要干预。

    内传感器用于测量机器人自身状态。位移传感器采用增量式编码器，并利用控制板卡上通道采用中断方式输入；各种运动极限状态的检测采用接近开关。能源部分是本系统中不可或缺的组成部分，国家大剧院结构巨大，且建筑物纬线方向存在障碍物，如拖曳的电缆必然造成电缆长度长、重量重、易损坏、并有可能对建筑物表面造成污染和划伤。因此选用锂电池作为机器人能源，其具有清洁、方便、储能效率较高、重量轻等优点，因此在检测系统中还增加电源监测部分。

    主控计算机（机载IPC）作为中心节点成为整个系统的核心，采用PCM-9575单板电脑，其功能强大，功耗低，体积小。内嵌低功耗VIA Ezra 800M处理器，在无风扇情况下能工作达60℃，典型功耗14W,并支持PC／104总线。选用PCM3680 CAN接口适配器通过PC／104总线与PCM-9575连接，无线通讯采用ADAM-4550收发模块。主控机属于高层智能级模块，不直接参与底层控制，实时接收遥控操作盒的运动指令，对机器人进行运动规划和控制调度，并通过CAN总线向主框架普通控制器等四个底层节点发出指令，控制和协调四个节点的工作；另一方面将机器人体状态信息反馈给操作人员以便监控。主控机还配备图像处理卡，将机器人上的CCD摄像头提供的视频信号进行处理，用来检测建筑物导轨和板面清洁程度。

    遥控操作盒部分同样采用ADAM-4550模块与主控计算机进行无线通讯。操作盒主要功能是简单规划和监控，它同时接收无线CCD摄像头采集的图像信息并显示，操作者根据图像和主控计算机的返回信息对机器人进行监控和干预。 pcb抄板主框架普通控制器、后箱体控制器、攀升及俯仰控制器、主辅驱动控制器属于底层控制级模块，负责驱动相应的直流电机，各个模块之间主要通过CAN总线通讯进行协调。4个节点以及操作盒中的人机接口电路自行研制，以P80C592单片机为核心构成分布节点控制器，各控制器的硬件结构略有不同，以实现系统功能的未来扩展。P80C592具有丰富的输入、输出端口；采用80C5l中央处理单元（CPU）；外部ROM可扩展至64kB;2 256字节在片RAM、外部可扩展至64kB;8路模拟量输入的10位ADC变换器以及片内监视跟踪定时器（WDT）等特点使其完全满足节点功能的设计要求，同时内置的CAN控制器增加了系统的可靠性，更有利于提高集成度，减小控制器体积。

    仅以攀升及俯仰控制器为例进行说明，控制器节点硬件结构原理框图如图3所示。攀升及俯仰控制器控制对象为攀升机构、前、后俯仰支撑调节机构的3个直流伺服电机。攀升控制器封装了完成控制功能所必需的所有检测信息，主要包括攀爬过程中对导轨的检测、攀爬运动上下极限位置检测、主体框架与滑杆接触状态检测、船形板与滑杆槽口配合检测、主体框架与幕墙的平行度检测、前、后调节机构与幕墙接触检测以及相应的处理等。