引言
近年来，面对地震、深井灾难、水灾、火灾等 灾害面前，环境的复杂性和危险性使得施救人员无 法接近现场进行侦查或施救，机器人的参与可以有 效的提高救援效率，减少人员的伤亡，它能帮助甚 至代替施救人员实施搜救工作，在灾难救援中发挥 着重大的作用。本文的救援救助机器人主要应用在 废墟搜索与辅助救援方面，通过携带生命探测传感 器，摄像头，声音传感器等，进行搜索和救援工作。 运动控制是该机器人最基本最重要的功能之 一，然而在控制多电机协调运动时，一般的微控制 器很难在实现大量数据量和复杂算法的同时保证系 统的实时性【1】。本文采用的在工控领域广泛运用的 PCI04单板计算机作为控制器，以FPGA(Field      Pro— grammable   Gate  Array)作为接口电路的核心器件，实 现机器人的爬行单元电机，履带电机，转换机构电机 的多电机协调工作。救援救助机器人机械结构如图
1所示。 机器人一共由5个面组成，每个面底下均有一
个爬行单元，爬行单元电机控制机器人爬行的方向。 各面折叠后如图1(A)所示，此时类似于一个没有封 顶的方盒子，适合于狭窄空间的爬行；各面展开如
图1(B)所示，除了面1(中心面)外，其余各面的绕
转换机构最大旋转角度可达135。，能够将面1支撑 起。机器人尺寸如图2所示。

图1救援救助机器人机械结构

【总体重量                22kg
l机器人尺寸           长★宽★高
各面折叠                 348*348*270mm
各面展开                 681068102lOmm

图2机器人尺寸

1运动控制系统硬件结构
由于救援救助机器人在各面折叠后其内部空间

很有限，所有的硬件电路和驱动器都要安装任里面，
选用在工控领域有广泛运用的PCI04模块，它采用 了嵌入式应用的紧凑型栈接式结构，具有体积小， 重量轻，配置灵活，可靠性高，容易安装操作系统 等优点【2j。开发者易掌握其软硬件的应用，缩短了开 发周期，风险小。通过PCI04堆栈结构使得功能扩 展上更方便灵活，我们可以根据需要添加各种功能 模块，如视频数据采集模块，运动控制模块，无线 数据传输模块等[31。
整个系统由电源模块、远程监控PC机，PCI04 计算机、FPGA及其接口电路、电机、驱动器、GPRS 模块，AD7891及相关的信号处理电路组成，其中电 源模块负责为PCI04计算机、驱动器、GPRS模块、 电机、传感器和各种芯片供电。这里，PCI04模块 采用低功耗的Intel处理器作为CPU，速度可高达
2GHZ，带有在板CF卡插座，各种接口资源丰富。只 要插入CF卡，就能在其上面安装各种操作系统，在 Win98或DOS操作系统下用户可直接对硬件端口进 行读写H】。FPGA芯片采用Altera公司的FLEXIOK 系列，它主要由嵌入式阵列块、逻辑阵列块、快速 布线通道和I／0单元组成，具有高密度，低成本等特 点，支持多电压I／O接口，低功耗，遵守全PCI总线 规定，内带JTAG边界扫描测试电路。系统的总体 硬件框图如图3所示(未画出电源模块)，其中爬行单
感器信号，回送给FPGA和PCI04参与决策。通过
GPRS模块将相关数据发送到监控PC机上，完成远 程监控任务。
2基于PCI 04与FPGA运动控制系 统的实现 整个运动控制系统主要由两部分组成，一是爬
行单元及转换机构电机的控制，二是履带电机的控
制。以PCI04单板微机作为主控制器，FPGA作为 接口卡的核心器件的控制方式，接口电路主要起到 信号驱动放大和光耦隔离的作用。完成机器人的直 线行走，转弯，各面的展开与折叠，并实现爬上30。 斜坡和楼梯等功能。
2．1爬行单元及转换机构电机的控制 这里以直流有刷伺服电机为控制对象，由
PCI04的CPU发出控制指令，经过FPGA及接口电
路，转换为相应的方向，使能和脉冲信号，通过电 机驱动器控制电机工作，并由编码器将信号反馈给 驱动器，形成闭环，达到对位置的准确控制；同时， 系统接收并传递来自现场的限位信号，回送给 FPGA和CPU，完成对整个系统的控制。其实现框 图如图4所示。

脉冲                    Encoder
吲
 
元和转换机构使用直流有刷伺服电机，履带部分使                    勺 用直流有刷电机。                                                                       n 苫
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图4直流有刷伺服电机控制框图

图3系统的总体硬件框图
系统工作过程如下：远程监控PC机发出控制指 令，通过Internet和GPRS网络传输给机器人的GPRS 模块【51。PCI04接收来自GPRS模块的信号，采用相 关的控制策略，向FPGA发送控制信号，通过接口 电路转换为相应的脉冲，方向和使能信号接入驱动 器，驱动电机工作。同时传递并接收来自现场的传

1961     第31卷第9期2009-09
脉冲发生和计数电路是准确控制电机的重要保 证，FPGA内部脉冲输出原理如图5所示嘲。
首先，CPU向计数器发出清零信号，然后将要 发送的脉冲数目送至数据锁存器，当地址选通和写 入信号经与门产生高电平时，将脉冲数目锁存。此 时，由于计数器的输出为零，数据比较结果不相等， 数据比较器，输出为零，经取非送给与门。然后CPU 向电机发出启动信号，实现脉冲输出。同时脉冲作 为计数器的时钟信号，每经过一个脉冲，计数器输 出增加一。当计数器输出值等于数据锁存器所置的 数目时，数据比较器输出一，取非后经过与门将脉(责任编辑：南粤论文中心)转贴于南粤论文中心: http://www.nylw.net(南粤论文中心__代写代发论文_毕业论文带写_广州职称论文代发_广州论文网）