LabVIEW開發(fā)基于直流電機的高精度定位火星車

火星探測器一直用于火星探測的自動無人駕駛車輛。這些機器人遠程車輛用于避免對人類不公平的條件，并減少與之相關(guān)的危險。這一研究領(lǐng)域引起了許多科學(xué)家和研究人員的注意，這導(dǎo)致了這一技術(shù)領(lǐng)域的顯著進步。已經(jīng)設(shè)計了許多不同的數(shù)字和模擬電路來控制火星探測器的移動系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計主要取決于車輛的結(jié)構(gòu)。當(dāng)車輛結(jié)構(gòu)具有更大的靈活性來自行通過不同的環(huán)境條件時，系統(tǒng)變得更加復(fù)雜。系統(tǒng)使用LabVIEW和緊湊型RIO作為控制器減少硬件來控制直流電機。

火星探測器的底盤采用搖桿轉(zhuǎn)向架配置設(shè)計。這種車輛設(shè)計由六個輪子組成，如果漫游車移動，在不規(guī)則的表面上，車輛的整個重量不會放在任何一個輪子上。每個車輪都接觸地面，分配重量，以保持車輛處于穩(wěn)定位置。

控制器和車輛之間的無線傳輸不是這項工作的主要重點，因此為了使系統(tǒng)在現(xiàn)實生活中使用FM傳輸作為無線連接。但是，由于可能會延遲和丟失，因此可能不建議將此FM傳輸用于如此長距離的傳輸。六通道無線電飛行控制器已用于控制電機的速度和方向。其他組件包括FM接收器，電子速度控制器，齒輪直流電機，增量式旋轉(zhuǎn)編碼器和緊湊型RIO。車輪直接通過直流電機驅(qū)動，其速度由遙控器控制?；鹦翘綔y器的方向通過改變電機的速度來改變。如果漫游車必須向右側(cè)轉(zhuǎn)動，則右側(cè)兩個輪子的速度會降低，從而導(dǎo)致漫游車在右側(cè)轉(zhuǎn)動，反之亦然。旋轉(zhuǎn)編碼器已用于測量每側(cè)車輪的速度。其向PID控制器提供反饋，并根據(jù)所需速度調(diào)整速度。

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該系統(tǒng)由六個輪子組成。六個車輪中有四個配有直流減速電機。一個電機解碼器用于控制兩個直流電機。因此，左側(cè)和右側(cè)電機的速度可以單獨控制，火星探測器被認為是一種飛行器。因此，無線電發(fā)射器和接收器被用來控制火星探測器的速度和方向。遙控器傳輸兩個信號，一個用于速度控制，另一個用于脈寬調(diào)制的方向控制。相比之下，火星探測器有兩個ESC來分別控制兩組電機。為此，信號需要分成兩個獨立的信號。此過程已在掃描界面模式下使用NI緊湊型RIO完成。每個信號的脈沖寬度可以通過信號來改變方向控制，也分為兩個用于兩組電機的速度控制。系統(tǒng)的這種劃分基于傳輸信號的脈沖寬度。由于火星表面不規(guī)則，驅(qū)動火星車車輪的直流電機與所需速度相比，速度會降低。因此，為了避免這些情況，已配置PID控制器來控制直流電機的穩(wěn)定性。對于該控制系統(tǒng)，使用兩個電機增量式旋轉(zhuǎn)編碼器向PID控制器提供反饋，并持續(xù)監(jiān)控電機旋轉(zhuǎn)的速度。

無線電接收器的輸出是通過示波器測量的，將遙控器的副翼/升降舵控制桿移動到極端位置。信號脈沖寬度的變化定義了電機速度的變化。根據(jù)信號的占空比，對火星探測器的運動進行編程。電機編碼器是手動編程的，以定義正向和反向運動的脈沖寬度。速度信號的脈沖寬度可以通過方向信號脈沖寬度的變化來減小。信號的脈沖寬度為1200μ秒自2100μ秒和1700μ秒作為中心頻率。電機控制器被編程為在信號脈沖寬度之間向前移動火星探測器2100μs從1500μs，雖然它們被編程為在脈沖寬度范圍內(nèi)以相反的方向移動漫游車，但脈沖寬度范圍從小于1500μs為止1200μs.方向控制的信號根據(jù)信號脈沖寬度分別影響兩組電機的速度。

該項目中用于控制方向的技術(shù)是降低火星探測器需要轉(zhuǎn)動的一側(cè)的車輪速度。降低的速度量是通過方向控制桿向左或向右移動的量計算的。方向控制信號的脈沖寬度范圍為1700μs自2200μs對于右側(cè)，它來自1700μs自1200μs為左側(cè)。

對于控制系統(tǒng)工具的應(yīng)用，已經(jīng)進行了許多研究，以控制模擬設(shè)備，例如電機控制。PID控制器是此類應(yīng)用中最受歡迎的工業(yè)控制工具之一。PID控制器的傳遞函數(shù)需要三個參數(shù)來選擇，以創(chuàng)建輸出響應(yīng)。

在項目中，PID控制器在直流電機控制中的數(shù)字應(yīng)用需要最小的過沖和快速的系統(tǒng)響應(yīng)。PID控制器的輸入以電機速度（RPM）為單位，通過改變數(shù)字信號的脈沖寬度來控制。由于系統(tǒng)具有連續(xù)輸入遙控器來驅(qū)動系統(tǒng)，因此在此應(yīng)用中需要控制器的快速響應(yīng)。在這個火星探測器項目中，每個側(cè)面，左側(cè)和右側(cè)車輪都使用了兩個PID控制器。LabVIEW工具套件已用于實現(xiàn)控制器，并使用電機模型調(diào)整系數(shù)。

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三個NI模塊已用于cRIO的輸入和輸出。NI-9472已用于兩組直流電機的PWM輸出。而用于速度和方向控制的無線電信號的輸入以及編碼器輸出的測量則使用了NI-9401。數(shù)字輸出模塊NI-9472還用于為車輛提供任何數(shù)字輸出，例如打開或關(guān)閉車燈。擬議的設(shè)計僅用于漫游車的移動性?？筛鼡Q模塊可以增加或更改，以在車輛中引入機械臂或其他機械功能。cRIO在火星探測器轉(zhuǎn)向/定位中的應(yīng)用是，它可以帶來靈活性，在不改變電子電路的情況下升級車輛的功能。LabVIEW和cRIO的結(jié)合使其能夠消除電路的復(fù)雜性，從而能夠更快速、有效地運行。

電機旋轉(zhuǎn)的反饋可以通過多種方式獲得。用于數(shù)字電機控制系統(tǒng)的最常見傳感器是旋轉(zhuǎn)編碼器。這些傳感器可分為絕對式和增量式編碼器。在需要非常高精度的更復(fù)雜的系統(tǒng)中，使用高分辨率光學(xué)數(shù)字傳感器。用于火星車應(yīng)用的傳感器是差分輸出編碼器。它在輸出端提供三個脈沖序列。

通過比較編碼器輸出A和B的上升沿來測量運動方向。如果端子A的輸出在B處出現(xiàn)上升沿時為高電平，則運動方向為順時針。如果端子A的輸出在端子B信號上升沿時為低電平，則運動方向?qū)⒛鏁r針方向。此外，只需將車輪的周長乘以旋轉(zhuǎn)次數(shù)即可估計所覆蓋的距離。在此設(shè)計中，測量的距離可能不準(zhǔn)確，因為它只是通過車輪的旋轉(zhuǎn)來估計的。但是，這種設(shè)計沒有提供任何距離傳感器。因此，車輪旋轉(zhuǎn)中的任何滑移也可以計算為覆蓋的距離。

通過基于硬件的直流電機轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，控制火星車來實現(xiàn)。在本項目中，對編碼器在直流電機反饋領(lǐng)域的PID控制和應(yīng)用有了更微觀的理解。在沒有任何物理轉(zhuǎn)向裝置的情況下，火星探測器的方向控制任務(wù)已經(jīng)完成。該項目背后的想法是如何非常精確地控制直流電機，以及PID控制器如何為穩(wěn)定的電機輸出工作。

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