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一、硬件驱动电路设计
机械臂的电机驱动电路是整个研究的基础，具有良好的启动和调速性能，而其稳定控制也成了重要的研究对象。
1.电机的选型
本文研究选用的是直流有刷电机。与无刷直流电机相比，有刷电机具有更好的启动和调速性能以及控制简单、价格低廉等特性，常被应用于对启动和调速有较高要求的场合，例如精密机床和工业机器人装配等场合。
2.电机位置传感器的选用
编码器有增量型编码器和绝对型编码器2种。增量型编码器是测量以前一个时刻为基点测角的位移增量，它测量的小角度准，测量的大角度则有误差累计；绝对型编码器是测量从开始工作后的角位移量，它测量小角度不准，但是，测量的大角度没有累计误差。因为机械臂转动角度不大，所以，取舍后采用增量型编码器，以减少小角度的测量误差。
3.电机控制电路设计
电机驱动采用的是H桥电路，选用4个常见的功率开关器件MOSFET作为H桥中的4条腿，电机为H中的横杆。另外，采用2块IR2106S作为自举电路的驱动芯片，提供对2对上下桥臂的开断控制。由于单片机输出的PWM信号功率不足以驱动IR2106S，因此，需配合芯片74ACT244的驱动增强电路，将单片机输出信号驱动增强再后引入IR2106S的输入端。
二、系统软件算法设计
如果硬件作为控制的基础，那么，软件算法则为控制的核心，控制着机械臂控制系统的中枢神经。机械臂控制主要包括以下3点：①实时性。在控制机械臂时，要想实现实时控制，就需要确保机械臂数据的实时性。只有确保设备的整体实时性，才能确保机械臂不会出现死区等故障。②稳定性。稳定性是判定一个检验程序的重要指标，为了提高其稳定性，在设计程序的过程中，需要考虑运行时可能出现的不正常问题，并加以解决。③可再开发性。好的程序软件不是一次就可以设计调试完成的，需经过多次修改后才能达到系统的设计要求。所以，在开发过程中，要规范程序设计结构，以便多次调试。
为了控制机械臂电机和检测电机的实时位置，主程序主要完成系统初始化和电机控制参数初始化，包括配置必要的TIM1的互补PWM输出和TIM3的电机编码器捕获模式等。中断服务子程序主要采用了2个中断，即接受电机控制指令的CAN中断和TIM2定时PID运算中断。其中，TIM2定时中断是10 ms一次。在主循环中，等待CAN口接收到控制指令后，进入中断，在中断子程序中判断是否符合控制指令协议，并提取机械臂相关的控制量。等待TIM2进入中断后，提取电机编码器反馈的位置数据，进行PID运算，得出当前PWM控制量，将当前PWM控制量配置如TIM1后，将控制电机转到指定位置。
PID控制器是通过比例、积分、微分3个环节的串联控制系统偏差的控制器。STM32作为一个微控制器，无法直接对偏差做积分、微分，只能通过转换的方法，在一定时间里处理采集到的数据，使系统作出响应，时间分割得越小，系统响应越快，机械臂控制就越流畅。如果要采用PID算法，只需利用微积分思想，把时间分割得很小，将当前的编码器位置减去电机的指定位置做误差，对误差求和来代替积分，对当前误差和上一次误差差分来代替微分。时间分割得越小，系统响应也就越快，电机超调量也就越小，机械臂运动就会越流畅。在程序中，利用TIM2产生10 ms定时中断，在中断中做PID运算，就相当于对时间进行细化分割，再对各项值乘上相应的比例、积分、微分系数。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆与此同时，需要对积分和PWM控制量限位，防止过饱和造成系统响应滞后。
三、避障导航系统的设计
多传感器信息处理技术是对各个传感器的检测数据进行综合处理的过程。单一传感器获得的环境信息可能是局部的、片面的，并且常常有不确定性和较大偏差，多信息处理技术就是为了更有效地处理、分析多个传感器的信息。检测机器人要具有避障功能就必须能感知障碍物的存在，并判断周围障碍物的距离，单一传感器提供的数据不能在复杂多样环境下满足机器人对周围环境的感知要求，因此将多传感器信息处理技术用于检测机器人的避障系统中，有效提高了机器人的避障系统性能。
系统根据所有传感器的全部信息进行计算和估计，因此传感器的选择是一个关键问题。超声波有效测量值一般在30～400 cm之间，超声波测距的"盲区"为0～30 cm；而红外线传感器的探测距离范围一般在10～80 cm之间，因此红外传感器可以有效弥补超声波传感器测距存在的"盲区"。传感器数量也是一个关键的问题。如果传感器的数量太少，就不能全面反映现场的环境信息，所获得的信息也容易存在失真的问题。如果传感器的数量太多，就会大大增加系统的复杂性与冗余性，使系统的执行能力变弱。考虑到生产现场环境因素，选用超声波传感器和红外传感器混合使用的方法实现避障，采用三个超声波和三根红外线传感器，分别探测移动机器人左侧、正前方、右侧障碍物信息。T1～T3代表了超声波传感器的安放位置，S1～S3代表了红外传感器的安放位置。
这样布局可以全方位测得障碍物信息，环境检测机器人在遇到障碍物时能够及时调整方向方位。在探测过程中，多超声传感器测距的串扰现象：当布置的多超声传感器共同工作时，就会带来传感器之间的串扰现象，导致测量结果不准确。采用3路超声波依次循环发射的方法，避免相互间干扰。
四、实验调试
为了确定PID各个参数的取定，取单个机械臂系统分析，程序中先给定PID比例系数，积分系数和微分系数先取0，在电脑sscom32串口通讯软件输入指令后，机械臂开始运动，最终旋转稳定后，保存串口窗口返回的位置信息，导入Matlab进行数据拟合，得到拟合后的曲线，并适当增大比例系数，重复多次，观察对比拟合后的曲线。如果曲线出现超调量增大，振荡次数增加，调节时间增加的情况，就需要适当减小比例系数，增大积分系数，从而减小稳态误差。如果PI控制效果不够理想，可以适当增大微分系数，减小超调量，以增强系统的稳定性。如果结合比例、积分、微分后，控制效果始终不理想，可以适当缩短采样时间，也就是TIM2的定时周期，从而提高响应速度。如果最终得到的曲线超调量不大，震荡次数少，则可以确定PID参数大校
结语
巡检机器人机械臂的研究，为可移动式视觉机器人的进一步开放、产品化推广奠定基础，为移动机器人在特殊环境下应用积累经验。巡检机器人机械臂在控制精度、准确度、图像识别等方面还处于探索研究阶段，尤其在图像识别上，采用人工识别。设定机械臂初始位置方式，很大程度上限制巡检机器人的应用范围。为此，有必要在现有研究成果基础上，研制高智能化图像识别系统。
参考文献
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论文作者:谢震
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第11期
论文发表时间:2019/9/19
标签：传感器论文; 电机论文; 机械论文; 编码器论文; 机器人论文; 微分论文; 误差论文; 《中国西部科技》2019年第11期论文;