基于ESP8266的磁吸附爬壁机器人控制系统研究_陈弘毅.pdf

基于E S P 8 2 6 6的磁吸附爬壁机器人控制系统研究*陈弘毅,王庆燕,吴嘉锐(金陵科技学院机电工程学院,江苏 南京2 1 1 1 6 9)摘 要:针对现有爬壁机器人吸附力无法调控的问题,提出一种新型动态可调节磁吸附爬壁机器人的解决方案。基于E S P 8 2 6 6模块的新型控制方式,并使用MP U-6 0 5 0来检测机器人的运行姿态,二者相结合实现磁吸附力的动态自动调节。通过样机的测试实验证明了设计的机器人及其控制系统能够实现吸附力动态自动调节。关键词:磁吸附;爬壁机器人;E S P 8 2 6 6模块;物联网;MP U-6 0 5 0中图分类号:T P 2 4 2 D O I:1 0.1 9 7 6 8/j.c n k i.d g j s.2 0 2 3.0 2.0 0 1R e s e a r c ho nC o n t r o l S y s t e mo fM a g n e t i cA d s o r p t i o nW a l l-C l i m b i n gR o b o tB a s e do nE S P 8 2 6 6*CHE N H o n g y i,WAN GQ i n g y a n,WUJ i a r u i(C o l l e g eo fE l e c t r o m e c h a n i c a lE n g i n e e r,J i n g l i n gI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y,N a n j i n g2 1 1 1 6 9,C h i n a)A b s t r a c t:A i m i n ga t t h ep r o b l e mt h a t t h e a d s o r p t i o n f o r c e o f e x i s t i n gw a l l c l i m b i n g r o b o t s c a n n o t b e a d j u s t e d,an o v e l d y-n a m i ca d j u s t a b l em a g n e t i c a d s o r p t i o nw a l l c l i m b i n g r o b o t s o l u t i o n i sp r o p o s e d.B a s e do n t h en e wc o n t r o lm o d eo fE S P 8 2 6 6m o d u l e,MP U-6 0 5 0i su s e dt od e t e c t t h er u n n i n gp o s t u r eo f t h er o b o t.T h ec o m b i n a t i o no f t h et w or e a l i z e st h ed y n a m i ca u t o m a t i ca d j u s t m e n t o f t h em a g n e t i c a d s o r p t i o n f o r c e.T h r o u g h t h e t e s t e x p e r i m e n t o f t h ep r o t o t y p e,i t i sp r o v e d t h a t t h ed e s i g n e dr o b o t a n d i t sc o n t r o l s y s t e mc a nr e a l i z e t h ed y n a m i ca u t o m a t i ca d j u s t m e n to f a d s o r p t i o nf o r c e.K e yw o r d s:m a g n e t i ca d s o r p t i o n;w a l l-c l i m b i n gr o b o t;E S P 8 2 6 6m o d u l e;I n t e r n e to fT h i n g s;MP U-6 0 5 0基金 项 目:大 学 生 创 新 创 业 训 练 计 划 省 级 项 目(编 号2 0 2 2 1 3 5 7 3 0 0 9 Z)收稿日期:2 0 2 2-0 5-0 6作者简介:陈弘毅(2 0 0 1-),研究方向为物联网控制技术;王庆燕(1 9 8 1-),博士,研究方向为电磁场建模、电力设备故障诊断;吴嘉锐(2 0 0 2-),研究方向为电力电子应用及其控制技术。0引言爬壁机器人最主要的特点是具备很强的壁面爬行能力,能够在不同类型的壁面行走自如,其核心问题是需要不同的技术来实现壁面吸附功能。目前,吸附结构可归纳为负压吸盘式、磁吸附式、正压式和干粘附式四种方式。针对导磁壁面,磁吸附相比较其他模式,在吸附力、负载能力和壁面适应能力等方面有独特优势。现有爬壁机器人磁吸附装置以防止机器人倾覆所需的最大吸附力为依据进行设计,而磁吸附力无法动态调节,势必会增加磁吸附结构的体积和重量,造成机器人运动不便。由于爬壁机器人作业时,倾角(即壁面与竖直方向夹角)一直在变化,防止机器人倾覆所需要的磁吸附力也在不断变化,因此本文提出一种新型动态可调磁吸附力的爬壁机器人。其采用电磁可调节的磁吸附单元,根据运行工况动态调节吸附力,通过E S P 8 2 6 6以及L 2 9 8 N来完成机器人的运动控制。该系统具有远程控制功能,操作者可通过手机等设备实现对机器人的实时操控。1磁吸附爬壁机器人结构设计新型磁吸附爬壁机器人主要构成包括驱动马达、电机驱动板、继电器、电磁吸附装置(由轭铁、励磁线圈组成)、E S P 8 2 6 6模块、MP U-6 0 5 0芯片、锂电池组、电池驱动板。此爬壁机器人主要通过安装在其底部的磁吸附单元产生磁吸附力,使其附着在导磁体壁面进行作业。整体结构图如图1所示。图1爬壁机器人整体结构图2基于E S P 8 2 6 6的爬壁机器人控制系统设计机器人通过E S P 8 2 6 6接收手机发出的指令,并通过L 2 9 8 N将E S P 8 2 6 6的指令转化成驱动马达的电信号,以此来实现对机器人的远程控制,具体控制电路如图2所示。手机上的“点灯科技”A p p可以让手机与E S P 8 2 6 6通信。当E S P 8 2 6 6与手机同时接入网络时,由手机发出信号,如前进、后退、转弯等指令。E S P 8 2 6 6将接收这些信1自动控制 电工技术 图2控制系统电路图号并控制电机驱动板L 2 9 8 N,使电机发生相对应的动作。本文提及的控制模块使用E S P 8 2 6 6的D 0、D 1、D 2、D 4、D 5接口来实现机器人运动以及开关电磁铁的功能。其中,D 0、D 1、D 2、D 4接口负责接收控制机器人移动的信号,即给电机驱动板L 2 9 8 N传输信号。E S P 8 2 6 6控制电机驱动板的运行流程如图3所示。图3E S P 8 2 6 6控制电机驱动板的运行流程图E S P 8 2 6 6的D 5接口负责接收电磁铁开关的信号,即给开关继电器传输通断信号。E S P 8 2 6 6的D 5引脚与触发器的I N端(信号触发端)相连接,负载(电磁铁)连接常开端的两端(即C OM端与NO端)。电磁吸附的调控流程如图4所示。图4电磁铁控制逻辑图3基于MP U-6 0 5 0的电磁吸附自启动控制MP U-6 0 5 0是一种六轴传感器模块,可以获取器件当前的三个加速度分量、三个旋转角速度。其内置的温度传感器也可以实时获取该器件当时所处环境的温度。本文通过MP U-6 0 5 0获得的目标数据为俯仰角、横滚角、偏航角以及环境温度。MP U-6 0 5 0芯片坐标系设置以芯片内部中心为原点,水平向右为X轴正方向,水平竖直向上为Y轴正方向,穿过芯片的法线为Z轴正方向,如图5所示。图5 M P U-6 0 5 0的坐标定义MP U-6 0 5 0俯仰角、横滚角和偏航角的范围均为(-1 8 0,+1 8 0),本文着重对俯仰角和横滚角(即X轴与Y轴的偏转)进行数据分析来达到电磁铁自启动目的,见表1。同 时,MP U-6 0 5 0对 环 境 温 度 的 检 测 结 果 也 可 经E S P 8 2 6 6模块进行回传。表1自启动设置偏角类型范围(-7 5,+7 5)(-9 5,-7 5)(7 5,9 5)(-1 8 0,-9 5)(9 5,1 8 0)俯仰角电磁铁1、2均保持之前工作状态电磁铁2自动强制开启,电磁铁1保持之前工作状态电磁铁1、2均自动强制开启偏航角电磁铁1、2均保持之前工作状态电磁铁2自动强制开启,电磁铁1保持之前工作状态电磁铁1、2均自动强制开启4外围设备设计外围设备的电路连接如图6所示。在图2中,D 0、D 1分别与L 2 9 8 N的I N 1、I N 2连接,I N 1、I N 2又分别控制着L 2 9 8 N的OUT 1、OUT 2,OUT 1与OUT 2分别连接着前轮驱动马达的正负极,即D 0与D 1控制着前轮驱动马达的转动。同理得,D 2与D 4控制后轮驱动马达的转动。图6外围设备接线示意图当指令下达时,E S P 8 2 6 6相对应的针脚会发生高低电平的变化。以前进指令为例,D 0与D 2将变成高电平,而D 1与D 4保持低电平;I N 1与I N 3接收高电平信号,I N 22电工技术 自动控制 与I N 4保持低电平;L 2 9 8 N将I N口的输入信号转化成相对应的OUT口的电信号。这样,前、后轮的驱动电机都接收到正向电压发生正转运动,小车即前进。同理,可得后退、左转弯、右转弯等其他动作。这里选择的是继电器的高电平触发。当下达打开电磁铁的指令时,E S P 8 2 6 6的D 5针脚会由低电平变为高电平,从而触发继电器,继电器内部线圈通电,衔铁吸合,常开两端(即C OM端与NO端)闭合,电磁铁内部线圈得电,开始工作。此时电磁铁具有磁性,其提供的磁吸力足以让机器人在导磁壁面自由运动而不会掉落。机器人在地面作业时,不需要电磁铁工作,为了节省电能,将下达关闭电磁铁的指令。由于继电器是高电平触发,因此D 5收到信号后变为低电平,继电器内部线圈失电,衔铁分开,常开两端(即C OM端与NO端)断开,电磁铁线圈不得电,停止工作。5电源管理为了确保机器人能有充足的能源,采用双电源设计,由一个1 2V电源和一个5V电源为整个机器人提供电能。1 2V电源为3个1 8 6 5 0锂电池串联而成,接着一个1 2V的锂电池充放保护板,这样既无需将电池从机器人上拆下充电,也保护了整个电路,降低了过载与短路发生的可能性。一块标准电压为4.2V的锂电池接入5V升压模块,经过升压即可输出5V的电压为继电器供电,其内置短路和过流保护,可保障整个电路的安全性与稳定性。6实验研究根据爬壁机器人结构和控制系统设计搭建样机,如图7所示。在水平面上,不开启电磁铁,全功率满速的情况下机器人能以2 4.8c m/s速度前进。以此为基准进行实验。样机测试时,选取倾角分别为0、9 0、1 8 0 情况进行测试,具体姿态如图8所示,具体测试数据见表24。其中,电磁铁1提供理论最大吸力2 0k g,电磁铁2提供理论最大吸力3 0k g(均在电磁铁与导磁壁面紧密贴合时)。图7样机搭建完成 图8机器人姿态示意图表2水平面运动测速电磁铁启动情况T e s t 1速度/(c m/s)T e s t 2速度/(c m/s)T e s t 3速度/(c m/s)平均速度/(c m/s)电磁铁1、2关闭2 5.22 4.52 4.72 4.8电磁铁1启动,电磁铁2关闭1 4.21 3.81 4.51 4.1电磁铁1关闭,电磁体2启动1 2.11 1.81 1.91 1.9 3电磁体1、2均启动8.17.67.87.8 3表3竖直面运动测速电磁铁启动情况T e s t 1速度