Çimento Zemin Cila Robotu Hareket Kontrol Sisteminin Tasarımı
Çin'in inşaat endüstrisinde, geleneksel çimento zemin cilalama esas olarak işçiler tarafından manuel olarak veya yarı otomatik mekanik ürünlerle işbirliği içinde yapılır, ancak genellikle yüzey cilalamanın çok iyi olmamasına ve cilalama işlemindeki büyük miktarda tozun çalışanların sağlığına ciddi şekilde zarar vermesine neden olur. Zeminin geniş bir alanı için iş verimliliği çok düşüktür. Beton zemin parlatma robotu, yukarıda belirtilen sorunları etkin bir şekilde çözebilir, iş verimliliğini büyük ölçüde artırabilir, personelin iş yükünü azaltabilir ve personele tozun zarar vermesini önleyebilir. Şu anda, daha olgun ürünler genellikle insanlar tarafından desteklenen yarı otomatik ürünlerdir.Mevcut makinelerin analizi sonucunda, bazı modellerin çok hantal olduğu ve taşlama disklerini hareket ettirmenin ve değiştirmenin zahmetli olduğu ve bazı modellerin çok hafif ve öğütme gücünden yoksun olduğu bulunmuştur. , Düşük verimlilik, ürünlerin çoğu hala insansız otomatik cilalama görevini tamamlamamıştır. Yukarıdaki sorunlara yanıt olarak, birkaç kişiyle veya gözetimsiz olarak otomatik olarak çalışabilen bir polisaj robotu geliştirmek gerekir.Hareket yolu planlaması, konumlandırma navigasyonu ve parlatma tekerleği kontrolü ile hareket kontrolü yoluyla bir iç mekan haritası oluşturmak için kendi lidarına güvenebilir. Bina çimento zeminlerinin otomatik parlatılmasını gerçekleştirin.
Bu tasarımın özü, karmaşık harekette temel hareketin kontrolünü gerçekleştirmek için yol planlamasıyla işbirliği yapmaktır. Bunun nedeni, her karmaşık hareketin ileri, geri, sola dönüş, sağa dönüş vb. Gibi temel hareketlerin bir kombinasyonu halinde demonte edilebilmesidir. Doğru kontrol özellikle önemlidir.
Bu tasarımda öncelikle araştırılan robotun kinematik modeli oluşturulmuş, robotun dört temel çalışma modunun analizine dayanılarak, robotun hız kontrolü için bir hız kontrol algoritması önerilmiş ve algoritmanın simülasyonu MATLAB yazılımı ile tamamlanmıştır. Taşlama robotunun çimento zemin üzerindeki temel hareketini gerçekleştirme sürecinde, hareket kontrol sisteminin ana kontrol çipi olarak STM32F103Z kullanılır ve motor, robot hareket kontrol sisteminin donanım platformunun yapımını tamamlamak için servo sürücü tarafından tahrik edilir.Yazılım kısmı, Keil'de programlama dili olarak C dilini kullanır. Vision5 entegre geliştirme ortamında programlayın, simülatör aracılığıyla STM32F103Z yongasına indirin, sonunda robot prototipi üzerinden deney yapın.
1 Robot kinematik modelinin oluşturulması
Robotun hareket esnasındaki duruş bilgisinin doğru tanımlanması için beton zemin cila robotunun hareketli kabin gövde yapısı sadeleştirilerek robotun kinematik modeli oluşturulmuştur.
Şekil 1'de görüldüğü gibi beton zemin taşlama robotu iki kısma ayrılabilir.Birinci kısım, esas olarak taşlama diski ve buna karşılık gelen tahrik motoru olan işlevsel kısımdır.Taşlama diski ve motor bir V kayışı ile tahrik edilir. Motorun ucuna bir kodlayıcı takılır ve tahrik motorunun hız bilgisi kodlayıcı üzerinden alınır; diğer kısım mobil robot taşıyıcıdır, mobil robotun ön tekerleği tahrik tekerleği olup, tahrik tekerleği kontrol edilerek robot hareketinin kontrolü tamamlanır. Yön çarkı yalnızca destekleyici bir rol oynar.
Yukarıda bahsedilen beton zemin cila robotunun yapısı basitleştirilerek Şekil 2'de gösterilen robotun kinematik modeli elde edilir.
Şekil 2'de, Xr ve Yr, robotun yerel referans koordinat sistemindeki apsis ve ordinattır; X ve Y, sırasıyla, küresel koordinat sistemindeki apsis ve ordinattır ve Xr, her zaman robotun hareket yönüyle tutarlıdır. O, robot gövdesinin merkezidir.Diferansiyel sürüş robotunun genel koordinatları q = olsun, burada x ve y, diferansiyel tahrik robotu platformunun iki tahrik tekerleği merkezinin O orta noktasının apsisini ve ordinatını temsil eder. Yani, iki tahrik tekerleği arasındaki bağlantının orta noktasının koordinatları.
İlgili tüm parametrelerin anlamı şunlardır: L, R, sırasıyla tahrik tekerleğinin sol tekerleğinin hızını, tahrik tekerleğinin sağ tekerleğinin hızını ve beton yüzey parlatma robotunun mevcut hızını temsil eder; 2L, yaklaşık olarak robot arabanın genişliği olarak kabul edilen iki tahrik tekerleği arasındaki mesafeyi temsil eder; r Tek bir tahrik tekerleğinin yarıçapını temsil eder; , robot hareket yönü ile global koordinat sisteminin X ekseni arasındaki açıyı temsil eder.
Formül (1) 'de, iki tahrik tekerleği hızı L ve R, beton zemin parlatma robotunun dört çalışma modunu birlikte belirler:
(1) L = R, L ve R aynı anda ileri döndüğünde ve zemin cilalama robotu düz ileri hareket ettiğinde;
(2) L = R, L ve R aynı anda tersine döndüğünde ve zemin cilalama robotu düz bir çizgide geriye doğru hareket ettiğinde;
(3) L olduğunda > R Zemin polisaj robotu sağa döner;
(4) L olduğunda < R Zemin cilalama robotu sola döner.
Beton zemin cilalama robotunun hareketi için, Xr-Yr koordinat sisteminde bir kinematik denklem oluşturulur:
Denklem (2), robot hareketi sırasında mevcut poz bilgilerini temsil eder. Denklemin (2) her iki tarafını entegre ederek ve basitleştirerek ve ardından ayrıklaştırarak, robotun uzamsal pozunun değişimi ile robotun tahrik tekerleğinin hareket mesafesi arasındaki ilişki ifadesi elde edilir:
Denklem (3), robotun tn + 1'deki anlık pozu ile iki tahrik tekerleğinin hareket mesafesi arasındaki ilişkiyi temsil eder sL, sR, xn + 1, yn + 1, n + 1, robotun tn + 1'deki pozunu temsil eder. Bilgi, xn, yn, n, robotun tn zamanındaki duruşunu temsil eder, sol tahrik tekerleğinin hareket mesafesi sL ve sağ tahrik tekerleğinin mesafesi sR'dir.
Yukarıdaki formül türetme işlemine göre, robotun belirli bir andaki doğru poz bilgisi elde edilebilir.Gerçek kontrol sürecinde robot hareket motorunun kodlayıcısından robot poz bilgisi çıktısı alınabilir ve iki tahrik tekerleğinin yer değiştirmesi hesaplanır ve son olarak elde edilir. Robotun gerçek duruşu. Ek olarak, iki tahrik tekerleğinin hızını değiştirmek için diferansiyel tahrik prensibinin kullanılması, robot hareket modunun kontrolünü gerçekleştirebilir ve robot hareket kontrol sisteminin gerçekleştirilmesi için teorik bir temel sağlayabilir.
2 Hızlanma ve yavaşlama kontrol algoritması
Beton zemin cilalama robotu, hareketi sırasında gürültü ve titreşim üretecektir.Uygun hareket kontrol algoritmaları olmadan robotun stabilitesi azalacaktır.Titreşim ayrıca robotun mekanik parçalarının aşınmasını hızlandıracak ve robotun konumlandırılmasında büyük hatalara neden olacaktır. Bu soruna yanıt olarak, bu tasarım, robotun hareket kontrolünde düşük stabilite ve büyük konumlandırma hatası problemlerini etkin bir şekilde çözebilen "S" eğrisine dayalı bir hız kontrol algoritması önermektedir.
"S" eğrisi doğrusal hızlanma, sürekli hızlanma ve yumuşak hız geçişi özelliklerine sahiptir. Hız eğrisinin şekli nedeniyle, bu yörünge çift "S" hız eğrisi olarak adlandırılır. Eğri yedi aşamadan oluşur: hızlanma, düzgün hızlanma, yavaşlama, tekdüze hız, hızlanma ve yavaşlama, tekdüze yavaşlama ve yavaşlama, bu nedenle Şekil 3'te gösterildiği gibi yedi segmentli yörünge olarak da adlandırılır.
Yukarıdaki grafikten "S" tipi hız kontrol algoritmasının matematiksel ifadesi elde edilebilir.
Hız hesaplaması matematiksel ifade:
Robot hız kontrol algoritmasında, zemin taşlama robotunun maksimum çalışma hızını 0,8 m / s'ye ve maksimum ivmeyi 0,5 m / s'ye ayarlayın ve ardından MATLAB'de "S" tipi hızlanma ve yavaşlama kontrol algoritmasını simüle edin.Simülasyon sonuçları şekilde gösterilmiştir. 4. Şekil 5'te gösterildiği gibi.
Şekil 4'ten robotun ilk 2,5 saniyede hızlanma durumunda olduğu, 2,5 saniyede hızlanma sürecinin tamamlandığı ve hızın maksimum 80 cm / s değerine ulaştığı görülmektedir.İvme işlemi sırasında hız eğrisi keskin noktalar olmaksızın pürüzsüz ve sürekli; , Beton zemin parlatma robotunun hız kontrol gereksinimleri doğrultusunda durum benzerdir.
Şekil 5'ten robotun ivmesinin ilk 1 saniyede sabit bir hızda arttığı görülmektedir. 1 sn'de ivme maksimum 50 cm / sn değerine ulaşır ve ardından ivme değişmeden kalır. 1,6 sn'de ivme azalmaya başlar ve 2,5 sn ivmesi Sıfır, robot hızlanma aşamasını tamamlıyor. İvme azaldığında durum benzerdir; tüm ivme süreci eğrisi süreklidir ve ivme gereksinimlerini karşılar.
Şekil 4 ve Şekil 5'ten, S-eğrisinin tüm hız ayarlama süreci boyunca sorunsuz bir şekilde geçiş yaptığını ve herhangi bir hızlanma mutasyonu olgusunun olmadığını görebiliyoruz, bu da beton zemin cilalama robotunun büyük bir darbe olmadan sorunsuz bir şekilde hareket ettiğini, bu da hareket sırasında robotun sorunsuz çalışmasını sağlayabilir.
3 hareket kontrol sistemi donanım tasarımı
Beton zemin cilalama robotunun bakış açısından, hareket kontrol sisteminin genel tasarımı temel olarak şunları içerir: araba gövdesi, tahrik tekerlekleri, servo motorlar ve servo sürücüler, hareket kontrolörleri, güç kaynağı, seri iletişim devreleri ve düğme modülleri. Bunlar arasında, STM32F103Z yongası, hareket kontrol cihazının çekirdeğidir.Bu esas olarak, robotun iki tahrik tekerleğinin hızını ve yönünü koordine etmek ve kontrol etmek için iki sürücüye belirli bir frekans darbesi PWM sinyali göndererek ve sonunda polisaj robotu gövdesinin ve polisaj diskinin hızının kontrolünü gerçekleştirmektir. ayarlayın.
Tüm sistemin enerji kaynağı, düşürücü modül çıkışı aracılığıyla her modülün voltaj gereksinimlerini uyarlayan 48 V lityum pildir Hareket kontrol sisteminin donanım blok şeması Şekil 6'da gösterilmiştir.
Bu sistem, kontrol sistemindeki kontrol çipi olarak STM32F103Z'yi kullanır STM32'nin I / O modülü, sinyal girişini gerçekleştirmek ve karşılık gelen işlevleri yüksek ve düşük seviyeli dönüştürme yoluyla tamamlamak için tuşları bağlar. STM32 gelişmiş zamanlayıcı TIM8 modülü aracılığıyla, PWM dalga değeri servo sürücüye gönderilir.Servo sürücü, servo motoru sürmek için alınan sinyali analiz eder ve motoru döndürmek için parlatır.Motor dönüşü sırasındaki konum ve hız bilgileri, servo sürücü aracılığıyla enkoder aracılığıyla dolaylı olarak iletilir. Mikrodenetleyicide robotun poz hesaplaması için kullanılır. Devresi Şekil 7'deki gibi gösterilmiştir.
Kodlayıcı veri toplamasının geri besleme devresi, servo sürücü tarafından üretilen üç çift tamamlayıcı sinyali A + A-B + B-Z + Z- yüksek hızlı optokuplör aracılığıyla tek uçlu A + / B + / Z + sinyaline dönüştüren EL357NC optocoupler çipini kullanır. Kontrolör STM32, robot hareket kontrol sisteminin orijinal olarak tasarlanmış devresi, sol ve sağ tahrik tekerleklerinin veri çıkışına sahiptir.Bu modül sadece sağ tarafta kodlayıcı veri toplama ile tanıtılmıştır.Devre şematik diyagramı Şekil 8'de gösterilmiştir.
Güç modülü esas olarak bir lityum pil ve özel bir güç dönüştürme çipinden oluşur Güç kaynağı voltajı 48 V'tur. Polisaj motoru ve robot tahrik motoru doğrudan lityum pillerle çalıştırılır.Diğer devreler, vakum motoru için voltaj dönüştürme modülü aracılığıyla 48 V'u 24 V'a dönüştürür. 24 V ila 5 V güç kaynağı, kodlayıcıya ve diğer çevre birimi devrelerine güç sağlamak için, 5 V ila 3,3 V ise STM32 sistemine güç sağlamak için kullanılır.
4 Hareket kontrol sistemi yazılım tasarımı
Kontrol sistemi, yazılım programlaması için C dilini kullanır Kontrol sisteminin yazılım fonksiyonları, temel olarak kontrol talimatlarının alınması ve iletilmesi, robot hız kontrol algoritmasının hesaplanması, tahrik tekerleği hızının hesaplanması ve çalıştırılması ve parametrelerin depolanmasını tamamlamaktır.
Yazılım tasarımı temel olarak aşağıdaki modülleri içerir: program başlatma, seri iletişim modülü, zamanlayıcı kesme modülü, servo motor sürücü modülü, zımpara diski sürücü modülü ve güç göstergesi modülü, vb. Hareket kontrol sistemi yazılımının ana iş akışı Şekil 9'da gösterilmektedir. Göstermek.
Robot açıldıktan sonra, zamanlayıcılar, PWM işlevleri ve seri bağlantı noktası işlevleri dahil olmak üzere kontrol sistemi ilk olarak başlatılır ve ardından harici kesintiler açılır.Sistem düğmeden talimat aldığında, STM32F103 yongası PWM dalga değerini verir ve program çalışır. Robot hareket etmeye başlar ve kodlayıcı motorun konumunu algılar Mevcut robot konumu zamanlayıcı tarafından hesaplanır Robot sistemi önceden ayarlanmış hedef değere ulaşmak üzereyken, hedef değere ulaşılana kadar hız kontrolü için "S" eğrisi hız kontrol algoritmasını çağırmaya başlar. Robotun hareket doğruluğunu sağlayın.
5 Hareket hatası testi ve analizi
Beton zemin taşlama robotunun fiziksel haritası Şekil 10'da gösterilmektedir. Testten önce, iki tahrik motoruna ve taşlama motoruna güç sağlamak için önce güçlü akım güç anahtarını açın ve ardından kontrol sistemine güç sağlamak için zayıf akım kontrol anahtarını açın. Ardından, robotun doğrusal yürüyüşünü ve yarıçap dönüşünü kontrol etmek için düğmeleri kullanın.
5.1 Hareket hatası testi
Bu yazıda, robotun hareket hatası testi temel olarak iki kısma ayrılmıştır: düz bir çizgide çalışırken oluşan hata ve yarıçap dönerken oluşan hata.
(1) Doğrusal işlem sırasında oluşan hatalar
Robot doğrusal çalışma hatası testinde, seçilen mesafeler sırasıyla 200 cm, 400 cm ve 600 cm'dir.Test aynı mesafede farklı hızlarda yapılır ve belirlenen hedef mesafe ile robotun kat ettiği gerçek mesafe arasındaki fark Değer, sistem tarafından oluşturulan konumlandırma hatası olarak kaydedilir.
Tüm hata testi süreci: ilk adım, kontrolöre düğme aracılığıyla talimatlar göndermektir ve robotun hedef mesafesi programda belirlenir; ikinci adım düğmeye basmaktır ve robot belirlenen mesafeye göre yürür; üçüncü adım bir şerit metre kullanmaktır Gerçek çalışma mesafesi ölçülür.Çalışma mesafesi küçük olduğunda, yardımcı ölçüm için bir sürmeli kumpas kullanılır; dördüncü adım, test verilerini kaydetmek ve bir tablo çizmektir; doğrusal çalışma hatası veri sonucu Tablo 1'de gösterilmiştir.
Tablo 1'deki test sonuçlarından farklı mesafelerin veya farklı hız ayarlarının belirli hatalar içerdiği görülebilmektedir.Uzaklık arttıkça robotun oluşturduğu hatalar giderek artmakta, hız arttıkça robot hatası da artış eğilimi göstermektedir. Ortalama hata aralığı 1.0 cm ile 1.9 cm arasındadır.Maksimum hata 2.9 cm olduğunda deneysel kayıt mesafesi 600 cm'dir. Maksimum hata ve standart sapmaya göre, kontrol sistemi düz sürüşte belli bir dereceye kadar doğruluğu garanti eder.
(2) Tornalama işlemi sırasında hata oluştu
Robot dönüş hatası testinde 400 cm yarıçaplı ark devresi seçilir ve robot dönüş hatası farklı hızlar ayarlanarak ölçülür Testin daha doğru olmasını sağlamak için test için şerit metre ve sürgülü kumpas kombinasyonu kullanılır. Test süreci düz çizgi test yöntemiyle aynıdır Hata sonucu referans değeri olarak ortalama hatayı kullanır Robot 400 cm yarıçapta çalıştığında hata sonucu Tablo 2'de gösterilir.
Tablo 2'deki test sonuçlarından, robotun çalışma hızı kademeli olarak arttığında, robotun dönüş pozisyonlama hatasının daha da büyüdüğü; robotun dönüş açısı arttığında, robotun dönüş pozisyonlama hatasının da, ortalama 1,1 cm ile 2,0 cm hata aralığı ile giderek artan bir eğilim gösterdiği görülmektedir. Maksimum hata 3,1 cm olduğunda hız 70 cm / s ve dönüş açısı 360 ° olur Maksimum hata ve standart sapma, kontrol sisteminin dönme işleminin doğruluğunu belli bir dereceye kadar garanti ettiğini göstermektedir.
5.2 Hata analizi
Test aracılığıyla, beton zemin taşlama robotunun düz hareket, yarıçap döndürme ve hız kontrolü gibi ayarlanan işlevleri tamamlayabildiği bulundu, ancak hatanın nedenleri aşağıdaki nedenlere sahip olabilir:
(1) Zemin polisaj robotunun kurulum işlemi sırasında montaj hataları vardır. Bu hata, robot herhangi bir eylem gerçekleştirdiğinde sapmalara neden olur.
(2) Kontrol hareketi sürecinde, robotun çalışma sırasında sapmalara neden olan hafif bir jitter fenomeni vardır.Hataları ortadan kaldırırken, kontrol sistemi algoritmasının daha da optimize edilmesi gerekir.
(3) Zemin taşlama robotu test işlemi beton zemin üzerinde gerçekleştirilir.Zeminin pürüzlülüğü, robotun hareketinde bir dereceye kadar hatalara neden olur.
Bir sonraki çalışmada, mekanik yapı optimize edilecek ve farklı düzlükte zemin üzerinde çalışırken hareketin dengesini sağlamak için algoritma daha da optimize edilecektir.
6. Sonuç
Bu makale, çimento zemin taşlama robotunun temel hareket kontrol sistemini geliştirir ve tasarlar ve gerçek prototipteki ilgili işlevleri doğrular. Bu makale ilk olarak çimento zemin cilalama robotu için bir kinematik model kurar.Bu modele dayanarak, çimento zemin cilalama robotunu kontrol etmek için "S" eğrisi algoritmasıyla birleştirilmiş diferansiyel tahrikli direksiyonun temel bir hareket kontrol şeması önerilmiş ve algoritma simüle edilmiştir. Doğrulama, ardından robotun temel hareket kontrol sisteminin yazılım ve donanım tasarımı ve son olarak da prototip testi. Deney, tasarlanan kontrol sisteminin robotun düz çizgisini ve dönüş doğruluğunu belirli bir dereceye kadar garanti ettiğini, çimento zemin taşlama robotunun temel hareket kontrolünü gerçekleştirdiğini ve çimento zemin taşlama robotunun daha fazla araştırma ve geliştirmesi için bir temel oluşturduğunu göstermektedir.
Referanslar
Weiwei Fu. Araştırma ve Polisaj Robotu Kuvvet Kontrolü Uygulaması. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2017.
Ge Junhua.Bina yapımı için polisaj robotunun çalışma yöntemi: CN108756-177A
.2018-11-06.
Feng Qiang, Ye Changting. Tam otomatik zemin cilalama ve taşlama makinesi Stone, 2016 (9): 45-46, 54.
Ren Gongchang, Wu Mengke, Zhu Aibin, ve diğerleri.Tek treyler ile bir robot kontrol sisteminin tasarımı ve uygulaması.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2018, 44 (11): 41-44, 49.
Gu Shundong, Chen Zijuan, Chen Ke ve diğerleri.Diferansiyel güdümlü keşif kurtarma robotunun geliştirilmesi.Guangdong Institute of Petrochemical Technology Dergisi, 2018, 28 (3): 53-57.
Wang Yu, Wang Qihua, Zhao Jianguang ve diğerleri.Kaynak robotunun sanal prototipinin yörünge simülasyonu ve hareket simülasyon analizi Acta The China Welding Institution, 2012, 33 (4): 109-112, 118.
Pan Haihong, Yuan Shanshan, Huang Xufeng ve diğerleri.Her türlü asimetrik yedi segmentli S-eğrisi için hızlanma ve yavaşlama kontrol algoritması üzerine araştırma.Mekanik Bilimi ve Teknolojisi, 2018, 37 (12): 1928-1935.
Li Yujuan. STM32'ye dayalı trafo merkezi denetim robotu için hareket kontrol sisteminin tasarımı ve uygulaması. Chengdu: Southwest Jiaotong Üniversitesi, 2013.
Ma Yan, Song Aiguo.STM32'ye dayalı kuvvet geri besleme rehabilitasyon robotunun kontrol sistemi tasarımı.Ölçüm ve Kontrol Teknolojisi, 2014, 33 (1): 74-78.
yazar bilgileri:
Hu Chunsheng 1, Xiurui 2, Wang De 1
(1. Makine Mühendisliği Okulu, Ningxia Üniversitesi, Yinchuan 75001, Ningxia; 2. Çin Elektronik Teknolojisi Grup Şirketi 21. Araştırma Enstitüsü, Şangay 200233)
