（通信与信息系统专业论文）掘进机智能行走控制系统的设计与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 伴随着时代的发展和科学技术的进步，技术的革新成为矿山机械面临的巨 大挑战。依靠传统的掘进机虽然可以实现机械化施工，但是只能在一定程度上 满足上述要求，机械仍然要靠司机的手工操作，这样就造成了司机劳动程度大、 舒适性差而且劳动生产率低。巷道掘进机的一大发展趋势是向智能化方向发展， 开发研制自动掘进机是解决该问题的必然方向。实现智能化掘进的前提是必须 实现行走的智能控制。 本文结合设计要求，设计实现了基于a t 9 1 s a m 9 g 2 0 与c 8 0 5 1 f 0 4 0 为核心 的掘进机智能行走控制系统，该智能控制系统能根据掘进机当前位姿与预定轨 迹上关键点位姿间的误差来自动的调整，保证掘进机始终能在允许的误差范围 内行走，从而达到智能行走的效果。 首先，给出了基于a t 9 1 s a m 9 g 2 0 和c 8 0 5 1 f 0 4 0 为核心的掘进机智能行走 控制系统的总体设计方案。 其次，采用模块化的设计思想设计了掘进机智能行走控制系统的的各个模 块，主要包括了数据采集模块、通信模块、控制模块。对各个模块的设计进行 了说明。 然后，建立了履带式掘进机的运动学模型，推导出了掘进机位姿与左右履 带速度间的关系，研究了基于位姿误差和速度的控制策略，并对控制律的稳定 性进行了证明，设计了相应的控制策略。并通过仿真实验验证了所设计控制策 略的有效性。 最后对系统的软件实现和系统环境的搭建进行说明，通过实验测试对算法 的不足进行改进，采用多级阈值结合、并加入异常处理的方式，对掘进机的行 走进行控制，并进一步验证了改进后控制算法的有效性。 关键词：智能行走控制，履带式运动学，c 8 0 51 f 0 4 0 ，a t 9 1s a m 9 g 2 0 武汉理工大学硕士学位论文 a bs t r a c t w i t ht h ee r ao f d e v e l o p m e n ta n dp r o g r e s so fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t e c h n o l o g y i n n o v a t i o nt ob e c o m et h eg r e a tc h a l l e n g eo fm i n i n gm a c h i n e r y r e l yo nt r a d i t i o n a l b o r i n gm a c h i n ec a l lb em e c h a n i z e dc o n s t r u c t i o n ，b u to n l yt oac e r t a i ne ) ( t e mt om e e t t h ea b o v er e q u i r e m e n t s ，m a c h i n e r ys t i l lr e l yo nt h ed r i v e r sm a n u a lw o u l dh a v e r e s u l t e di nt h ed r i v e r sl a b o r i n t e n s i t y am a j o rt r e n do ft h et u n n e lb o r i n gm a c h i n ei st o t h e i n t e l l i g e n td i r e c t i o n , d e v e l o p e da u t o m a t i cb o r i n gm a c h i n ei s t h ei n e v i t a b l e d i r e c t i o nt os o l v et h ep r o b l e m p r e m i s eo fa c h i e v i n gi n t e l l i g e n tb o r i n gi se s s e n t i a lt o a c h i e v ei n t e l l i g e n tc o n t r o lo fw a l k i n g i n t l l i s p a p e r , b a s e d o nt h e d e s i g nr e q u i r e m e n t s ，w ed e s i g n i n g a n d i m p l e m e n t a t i o no fi n t e l l i g e n tw a l k i n gc o n t r o ls y s t e mo ft h eb o r i n gm a c h i n ew h i c h b a s e do nt h ec 8 0 51f 0 4 0a n da t 91s a m 9 g 2 0a st h ec o r e t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o l s y s t e mb a s e do nt h ee r r o rb e t w e e n t h eb o r i n gm a c h i n ep o s i t i o na n do r i e n t a t i o n p r e d e t e r m i n e dt r a j e c t o r yp o s ea u t o m a t i ca d j u s t m e n tt oe n s u r et h a tt h eb o r i n gm a c h i n e w i l la l w a y sb ea b l et ow a l ko na p r e d e t e r m i n e dt r a j e c t o r y ，s oa st oa c h i e v et h ee f f e c t o fi n t e l l i g e n tw a l k i n g f i r s to fa l l ，t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sg i v e nb a s e da t 91s a m 9 g 2 0a n dc 8 0 51f 0 4 0 a st h ec o r eb o r i n gm a c h i n ei n t e l l i g e n tw a l k i n gc o n t r o ls y s t e md e s i g np r o g r a m s e c o n d l y , u s i n gt h ed e s i g ni d e ao f m o d u l a rd e s i g nb o r i n gm a c h i n ei n t e l l i g e n t w a l k i n gc o n t r o ls y s t e mm o d u l e s ，i n c l u d i n gd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，c o m m u n i c a t i o n m o d u l e ，t h ec o n t r o lm o d u l e ，i na d d i t i o n ，d e s c r i b i n gt h ed e s i g no f e a c hm o d u l e t h e n ，c r e a t eac r a w l e rk i n e m a t i cm o d e lo ft h eb o r i n gm a c h i n e d e d u c et h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eb o r i n gm a c h i n ep o s i t i o nw i t ht h el e f ta n dr i g h tc r a w l e r s p e e d g i v e nc o n t r o la l g o r i t h mw h i c hb a s e do nt h ep o s ee r r o ra n ds p e e d ，a n dp r o v i n g t h e s t a b i l i t y o fc o n t r o l a l g o r i t h m t h r o u g hs i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h e e f f e c t i v e n e s so ft h ed e s i g n e dc o n t r o l l e r f i n a l l y , d e s c r i b et h ei m p l e m e n t a t i o no ft h es o f t w a r eo ft h es y s t e ma n dt h es e tu p t h es y s t e me n v i r o n m e n t t e s t e db ye x p e r i m e n tt oi m p r o v et h ed e f i c i e n c i e so ft h e a l g o r i t h m ，t h eu s eo fc o a r s ea n df i n ec o m b i n a t i o n ，a n da d de x c e p t i o nh a n d l i n gt ow a l k u n d e r g r o u n db o r i n gm a c h i n e s c o n t r o l ，a n d f u r t h e rv e r i f yt h e i m p r o v e d c o n t r o l a l g o r i t h m k e yw o r d s ：w a l k i n gi n t e l l i g e n tc o n t r o l ，c r a w l e rk i n e m a t i c s ，c 8 0 51f 0 4 0 ，a t 9 1s a m 9 g 2 0 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 上世纪初掘进机首次在巷道掘进中使用。不过在此之前也曾出现过类似掘 进机的机械：英国出现过隧道钻进机和掘进掩护支架配合使用、美国也出现过 安德逊型掘进机，但是后者的工作方式比较灵活，可单独工作也可以和掩护板 配合使用。安德逊型掘进机在单独工作时形式上与现代掘进机的概念比较相符 合因为它采用辅助液压油缸来进行移动。但由于上述的机械在结构上还有一些 不足，所以并未得到广泛的工业应用【l 3 】。 掘进机在工业上的应用始于第二次世界大战之后。二战之后掘进机在美国、 前苏联、西欧得到了快速的发展。 1 1 掘进机智能行走控制系统的研究背景及意义 巷道掘进机是一种集截割，装载运输、转载煤岩、行走、等于一身的联合 机组。目前大部分的主要产煤国家以将它作为主要的煤矿生产设备，用于挖掘 巷道，以及巷道工作面的布置。巷道掘进机应用于工业的目的是为了提高采掘 的效率，保证生产安全，改善工作条件。 掘进机主要有几个发展方向：即实现掘进机的智能化、无人化。甚至随着 机电一体化技术的发展，逐步发展为掘进机器人。在技术方面，国外掘进机比 国内掘进机有着较大的优势，尤其是国外掘进机在自动化方面有着国内掘进机 无法比拟的优势。国外掘进机能对掘进方向，断面成型进行监控，而且还能实 现电机功率的自动调节。目前，国内对于掘进机自动化的研究才处于起步阶段， 并且大部分都是基于理论上的研究和实验调试，还远远没有达到市场化 4 1 。 为了鼓励国内技术人员对采掘设备相关技术的研究，从而达到加快推进我 国采掘设备的发展的目的，国家在0 8 年设立了第一个有关采掘设备的8 6 3 重点 项目 5 1 。 掘进机控制方式的自动化、智能化，乃至实现巷道掘进的无人化是其主要 发展方向。要实现煤矿巷道掘进的无人化首先要实现掘进机在巷道行走的自动 化，只有保证掘进机能在有位姿偏差的情况下，自动回到预计的位置上，才能 完成下一步的巷道断面的截割，从而为实现掘进技术的无人化打下基础【6 】。 武汉理工大学硕士学位论文 实现掘进机的智能行走技术，其价值体现在： ( 1 ) 提出了掘进机位姿监测及纠偏方法，根据掘进机位姿误差实现定向纠 偏，促进采掘设备的位姿检测及纠偏的理论研究，为实现掘进机的全自动化奠 定基础。 ( 2 ) 提高了掘进施工者的安全，降低了劳动强度。 1 2 国内外研究与发展现状 掘进机自动行走和断面成型是掘进机实现自动化的两个重要方向。在实现 掘进机自动化的进程中，断面成型技术须依托在自动行走技术上。只有保证掘 进机位姿无误才能进行断面的掘进。由这点可知断面成型技术涉及的内容很广 泛。它包括路径规划、控制理论、机电一体化理论等等。 ( 1 ) 国外研究现状 国外从八十年代以来把掘进机的自动化和工况监测作为其重点研究目标， 主要包括了：断面成型、方向控制和截割性能优化。其中德国、英国、以及奥 地利等国取得了一定的成效【7 - 9 】。 德国艾柯夫公司生产的某些机型掘进机配备有断面自动成形和方向控制及 故障监控装置 1 0 - 1 6 】。 在方向控制方面，他们采用激光测定位移和角度的方法。具体方法如下： 在机器上装几条光敏晶体管线，根据激光射到晶体管线上的数量来确定导向中 心线，然后测量出掘进机相对于中心线的偏移量，以及掘进机的水平角度信息。 俯仰角和滚动角信息从倾斜仪获得。 英国一家公司研制的断面控制导向装置只是在地面试验阶段1 他们。 方向控制方面采用以激光为基础，机身安装激光标靶，根据分析和计算激 光标靶上的激光束的信息，来给出掘进机的位姿。然后通过电液伺服系统对掘 进机进行控制。 奥地利一家公司公司研制了“阿尔卑尼采掘机控制系统”。此控制系统在方向 上采用光电传感器和逻辑电路，对激光束进行搜索和解算。但是此系统涉及到 人工操作，不能算是自动控制。 此外日本某公司研制了截割功率自动调节系统，此系统通过摄像机和自动 测距仪组合的方式来进行方向控制。卡内基大学和美国矿务局合作研制了采用 机器人技术的部分智能导向系统【2 1 1 。 2 武汉理工大学硕士学位论文 纵观国外的自动导向系统，他们思路比较相近，大部分采用激光定位技术 来检澳i 位姿。且基本上处于研究实验阶段，在实际工业中的应用比较困难，受 到很多因素的影响【2 厶2 4 1 。 ( 2 ) 国内研究现状 我国对掘进机的研究工作主要集中在研究所和部分高校之间。 研究所主要研究集中在断面自动截割成型方面。对掘进机自动行走方向研 究很少 2 5 - 2 7 】。 一些高校也对掘进机的智能行走系统进行了研究【2 2 1 。根据掘进机的实际 位置点和预计的位置点进行比较、计算，将结果传递给掘进机驱动马达，通过 不断调整，使得掘进机按预计轨迹行进。该文献理论上实现了掘进机的定向掘 进，但没有进行实际的现场安装调试。 文献【3 3 。3 4 】讲述了捷联式惯导系统在无人掘进机控制系统中的软硬件实现。 重点说明了如果进行坐标的变换，分析了运动轨迹惯性测量定位，并进一步实 现跟踪控制。该控制系统选用c a n 总线通讯方式，包括了监控系统、嵌入式控 制器、测量及执行单元几部分构成。此方法的缺点是系统稳定性不好。 综上所述，国内对掘进机断面成型控制及行走控制方面的研究起步比较晚， 且基本上处于方案探讨、模型建立方面，很少有现场调试，更没有成功的应用。 由此可见这一课题的研究对我国掘进机发展有积极的意义。 1 3 课题背景 伴随着时代的发展和科学技术的进步， 大挑战。矿山机械必须向大型化、智能化、 矿业的生产发展。 技术的革新成为矿山机械面临的巨 无人化方向发展才能满足新时代煤 在我国的当前煤矿业中，应用最为广泛的是悬臂式部分断面掘进机，但是 随着科学技术的不断发展，巷道施工要求更安全、优质、省力、高效、舒适。 依靠传统的掘进机虽然可以实现机械化施工，但是只能在一定程度上满足上述 要求，机械仍然要靠司机的手工操作，这样就造成了司机劳动程度大、舒适性 差而且劳动生产率低。而当前煤矿业的施工质量、施工安全大部分取决于人为 因素，采掘业又属于苦、险、脏行业，因此，由于事故的伤亡人数也较多。因 此，提升悬臂式掘进机的自动化功能，在悬臂式掘进机上安装超前探测、自动 定位等装置，可以使巷道施工更加安全、优质、省力、高效、舒适【3 2 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 当前，全球的科学家都在积极研究探索在矿上机械上应用机器人技术。究 其原因有二，一是矿山机器人可以高强度、长时间的在各种工作环境中从事简 单重复性的劳动，这样就可以使矿工从繁重的体力劳动中解脱；二是，机器人 有很强的适应能力，可以代替人在有害的工作环境下从事危险作业。 基于以上原因，本论文提出了“掘进机智能行走控制系统的设计与实现”这一 课题。 1 4 论文的内容及组织结构 本论文主要完成掘进机行走系统的智能控制，反映到掘进机上就是实现掘 进机的无人驾驶。 具体的说就是： 利用c c d 技术和航姿仪测得掘进机在巷道中的位姿参数，把得到的实测位 置坐标与巷道设计位置坐标经计算机比较处理，把处理结果反馈给掘进机的行 走控制系统从而实现掘进机在行走或施工时始终都能按照设定好的路线运动， 保持机身始终落在规划好的行进路线上。 本论文的结构如下： 第一章简单介绍了悬臂式掘进机的发展状况及趋势。具体介绍了悬臂式掘 进机智能行走及截割系统的国内外研究状况。 第二章给出了基于a t 9 1 s a m 9 g 2 0 和c 8 0 5 1 f 0 4 0 为核心的掘进机智能行走 控制系统的总体设计方案。采用模块化的设计思想设计了掘进机智能行走控制 系统的的各个模块，主要包括了数据采集模块、通信模块、控制模块。对各个 模块的设计进行了说明。 第三章建立了履带式掘进机的运动学模型，推导出了掘进机位姿与左右履 带速度间的关系，设计了相应的控制策略。给出了基于位姿误差和速度的控制 算法，并且分析了系统的稳定性，最后通过仿真验证了所设计控制策略的有效 性。 第四章对掘进机智能行走控制系统的软件设计和系统环境配置做出了详 细的说明，通过实验测试对算法的不足进行改进，并进一步验证了改进后控制 算法的有效性。 最后，对本文进行了总结，并对有待进一步研究的工作进行了展望。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章掘进机行走控制系统的总体设计 2 1 系统整体架构 掘进机井下姿态检测与控制系统主要完成数据的采集、数据的存储、数据 的分析及计算、掘进机的控制等功能。 为了完成掘进机姿态检测及自动控制的目的。我们搭建的系统平台示意图 如下图2 1 ： 图2 1 系统总体搭建图 系统整体设计： ( 1 ) 利用a r m 9 摄像头处理模块，获取激光光斑的实时坐标信息 ( 2 ) 利用航姿仪获取实时的角度信息 ( 3 ) 利用c 8 0 5 1 f 0 4 0 控制模块计算出掘进机实时的姿态信息，并把姿态 信息发送给掘进机 ( 4 ) 利用水平偏向位移和偏向角两项信息设计控制算法，实现掘进机直 线行走 控制系统的局部图如下图2 2 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 2 系统局部装配图 系统总体模块结构图如下图2 3 所示： 图2 3 系统模块图 系统的具体数据流图如下图2 4 所示： c 8 0 5 1 f 0 4 0 存储 采集 数据 外围 摄像 头和 航姿 仪采 集数 据 提取 角度 及位 移参 数信 息 通过 控制 算法 计算 掘进 机左 右轮 速度 图2 4 整体系统数据流图 6 通过 c a n 总线 向掘 进机 发送 控制 命令 武汉理工大学硕士学位论文 掘进机井下姿态检测与控制系统使用的嵌入式处理器，其中摄像头数据的 处理使用a t 9 1s a m 9 g 2 0 ，姿态信息的计算以及掘进机控制使用c 8 0 51 f 0 4 0 。整 个系统包括航姿仪、图像数据采集处理模块和控制模块。 与该系统配套使用还有上位机软件，用于监听系统发送出去的数去，以及 模拟显示掘进机的炮头动作信息。上位机软件只需运行于一台c p u 在5 0 0 m h z 以上，内存1 2 8 m 以上，带有u s b 或者串口的p c 机上。 系统上电后首先是初始化设备，然后等待掘进机就绪，如果掘进机准备好 时会发送一个消息到控制系统，控制系统接收到该帧消息后就可以开启其他的 外围通信接口，采集角度和位移数据，计算掘进机的实时偏向角、俯仰角、滚 动角、水平偏向位移以及竖直偏向位移；最后再利用控制算法计算掘进机的行 走速度和行走方向，通过c a n 把约定的数据帧发送到掘进机。 2 2 数据采集模块设计 本系统数据采集主要包括两个方面的数据，一是角度数据，另一个是位移 数据。角度是通过航姿仪获得实时数据的，航姿仪采用西安中星测控有限公司 的c s a h r s 0 3 a 带磁校准航姿系统，此系统可以准确的获取偏向角、俯仰角和 滚动角。 位移数据是通过摄像头采集激光光斑的坐标获得的。此模块采用 a r m 9 m c u + o v 7 7 2 5 采集、处理数据，下面简单介绍下此部分的设计。 图2 5 表示了c c d 图像数据采集部分硬件组成简图 c c d 闰像数据采集 图2 5c c d 图像数据采集部分硬件简图 7 武汉理工大学硕士学位论文 软件设计主要是以a t 9 1s a m 9 g 2 0 为核心处理器c p u ，使c p u 通过执行代 码驱动c c d 图像数据采集部分所需要的各个功能模块，完成正确的图像采集及 处理过程，并将结果发送给控制模块。 2 3 控制模块的设计 控制模块主要负责计算出掘进机实时的姿态信息，并通过控制算法计算出 掘进机当前应执行的速度和角度，并把信息发送给掘进机。 运动控制模块作为掘进机的控制活动的平台，不仅要求能够完成行走的准 确控制，而且还需要在各种环境下能够可靠的工作。 在运动控制模块中，微处理器是控制的核心部分。它需要有较强的运算能 力和较高的可靠性，来满足控制算法的要求。它还需要有较强的片上存储容量， 并且需要有足够数量的外设接口，能完成各种类型的信号输入与输出，方便设 计、节约开发时间、降低设计难度，最后还需要具备功耗低，性价比高等优点。 控制系统的正面图如下图2 - 6 所示： 图2 - 6 控制系统正面图 控制系统被密封在一个盒子内部，只留出摄像头来采集图像数据。同时侧 面还预留了通信和电源的接口。 侧面图如下图2 7 所示： 武汉理工大学硕士学位论文 图2 7 控制系统侧面图 侧面的接口主要包括开关、2 4 v 电源输入接口、c a n 通信接口( 连接掘进 机控制器) 和4 8 5 接口( 连接航姿仪) 。 控制系统的内部结构如下图2 8 所示： 图2 8 控制系统内部图 图中标出了系统的各模块，电路板主要包括电源模块、c 8 0 5 1 f 0 4 0 控制模块、 a t 9 1 s a m 9 g 2 0 图像数据处理模块、摄像头以及相关的接口。 电源模块负责把掘进机输入的2 4 v 电源稳压处理输出1 2 v 和5 v 电源，分 别负责给航姿仪和c 8 0 5 1 f 0 4 0 及a t 9 1 s a m 9 g 2 0 供电。 a t 9 1 s a m 9 g 2 0 和摄像头两个模块负责采集、处理图像获取激光坐标点 c 8 0 5 1 f 0 4 0 处理航姿仪和a t 9 1 s a m 9 g 2 0 发送过来的角度和激光坐标点信息， 武汉理工大学硕士学位论文 计算出掘进机实时的姿态角度和位移数据。同时根据算法计算出掘进机的左右 轮速度，通过c a n 发送到掘进机控制器，控制掘进机行走。 控制系统还分别预留出两路串口，分别用来调试摄像头和c 8 0 5 1 f 0 4 0 ，监听 两块芯片发送出去的数据。 这款c 8 0 51 f 0 4 0 型单片机是高度集成的s o c 级微控制器芯片，它除了具有 c i p 5 1 高速微控制器内核外，还集成有数据采集和控制系统所需的模拟部件及 另外其他数字外设部件【3 5 1 。c 8 0 5 1 f 0 4 0 还具有以下一些特点： ( 1 ) 增强型微控制器 c 8 0 5 1 f 0 4 0 系统把c i p 5 1 微控制器作为其控制器的内核，其优点是它完全 兼容m c s 5 1 指令集，可以使用标准8 0 3 x 8 0 5 x 汇编器和编译器进行软件开发。 ( 2 ) 速度提升 跟标准的8 0 5 1 结构相比，采用流水线结构的c i p 5 1 指令执行速度有比较大 的提升。 ( 3 ) 功能改进 c 8 0 5 1 f 0 4 x 系列m c u 进行了内核中断系统的扩展，将可提供的中断源增加 到2 0 个，能允许的模拟、数字外设中断微控制器数量也大大的增加。 ( 4 ) 增加了i o 端口和开关 c 8 0 5 1 f 0 4 0 在p 0 、p 1 、p 2 、p 34 个标准端口的基础上还增加了p 4 、p 5 、p 6 、 p 7 四个端口。这些端口的引脚能方便的被配置为漏极开路方式或推挽输出。 此外，可通过合理的设置交叉开关来控制寄存器，通过端口的i o 引脚来配 置微控制器内部的各种数字信号。这种特点使得用户能方便的根据应用背景选 择所需的端口和数字资源。 2 4 通信模块的设计 通信模块主要用来实现控制模块跟数据采集模块和掘进机之间的数据转发 和命令的接受与发送。我们需要根据不同的硬件特点和通信接口特性来选择合 适的通信接口。 2 4 14 8 5 通信接口设计 4 8 5 通信接口的作用的主要是用来与航姿仪通信，获取航姿仪采集的偏向 角、滚动角和俯仰角三个角度，利用这三个角度计算出掘进机的实际偏向角、 滚动角和俯仰角。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 由于c 8 0 5 1 f 0 4 0 并没有4 8 5 通信接口，需要通过m a x 4 8 5 实现r s 4 8 5 与 r s 2 3 2 之间的接口转换，将航姿连接到m a x 4 8 5 芯片上之后，再把m a x 4 8 5 连 接单片机的串口，就可以实现航姿与c 8 0 5 1 f 0 4 0 的通信。r s 4 8 5 接口的硬件设 计如下图2 - 9 所示： 图2 - 9r s 4 8 5 通信接口硬件设计 r s 4 8 5 接口通过m a x 4 8 5 芯片与c 8 0 5 1 f 0 4 0 的串口连接之后，接口的软件 设计就是对c 8 0 5 1 f 0 4 0 串口的软件测试。由于r s 4 8 5 工作在半双工模式，需要 通过操作r e 和d e 引脚来控制读和写操作。 c 8 0 5 1 f 0 4 0 总共有两个串口，分别是u a r t 0 和u a r t l ，这里将4 8 5 同 u a r t l 串口相接。 u a r t l 的工作方式选择8 b i t 可变波特率通讯模式，这种工作方式下，只是 用每个数据字节的前1 0 位：一个起始位，一个停止位，8 个数据位。数据从t x l 引脚发送，在i 1 引脚接收。 波特率的设置与航姿相同为1 1 5 2 0 0 ，u a r t l 波特率由定时器1 工作在8 位自动重装载方式产生。发送( t x ) 时钟由t l l 产生：接收( i ) 时钟由t l l 的拷贝寄存器产生，该寄存器拒绝用户对其进行访问。接收和发送定时器的溢 出信号经过处理后就会用来产生。波特率逻辑图如下2 - 9 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 0u a r t l 波特率逻辑 u a r t l 的波特率计算公式如下2 1 所示： u a i 盯1 波特率。西菇i = i c l 元k 两幸虿1 ( 2 1 ) 式中r k ，r 表示定时器1 的时钟频率，t 1 h 表示定时器1 的高字节。 定时器1 的时钟可以从以下s y s c l k 、s y s c l k 4 、s y s c l k 1 2 、 s y s c l k 4 8 、外部振荡器时钟源5 个时钟源中选择。对于任何给定的定时器1 时钟源，u a r t l 的波特率根据上述的公式来计算。 本系统中系统时钟选择外部晶振不分频，为2 2 1 1 8 4 m ，定时器1 的时钟也 选择系统时钟，并且设置为8 b i t 自动重载模式。然后设置相关的寄存器即可设 置定时器1 的工作模式。 涉及4 8 5 接口的相关寄存器配置如下表2 1 ： 表2 - 1 相关寄存器配置 寄存器取值说明 采用外置时钟，2 2 1 1 8 1 不分频，x f c n 为1 1 1 b ，匹配 o s c x c no x 6 7 晶体振荡方式 c l k s e l0 x o l 选择外部时钟 o s c i c no x 0 0将内部晶振关闭 s c o n lo x l 0 u a r t l ，工作在8 位模式，接收使能 c k c o n 0 x 1 0 t l 采用系统时钟，不分频 t m o d0 x 2 0 t l 为8 b i t 自动重载模式 t l 溢出率设置，溢出率为( t l 时钟频率) ( v a l ) ， t h l 和t l l吖a l + l ，t h l 此处也为u a r t l 波特率的设置，为系统时钟( 2 * v a l ) e i e 2 60 x o l 开启u a r t l 中断 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 2s p i 通信接口设计 s p i 接口用于与a r m 9 通信，接收摄像头获取的激光点坐标信息。c 8 0 5 1 f 0 4 0 有硬件s p i 接口，只需把相应的引脚与a r m 板的s p i 接口连接即可。连接图如 下2 1 1 所示。 r a r m 9 位移数据采 s c k 集模块 c 8 0 5l f 0 4 0 m o s i 图2 1 1s p i 连接图 连线图如上图2 1 l 所示，n s s 为片选，s c k 为时钟信号，m o s i 为数据通 信接口。本系统中，c 8 0 5 1 f 0 4 0 作为从设备，时钟信号由a r m 9 开发板提供。 a r m 9 通过控制n s s 信号线来控制c 8 0 5 1 f 0 4 0 对数据流的收发。 当s p l 0 没有被配置成主器件时，它将以s p i 从器件的身份工作。作为从器 件，把m o s i 移入数据的工作将由主器件控制的串行时钟s c k 来完成，对s c k 时钟的边沿进行计数的工作则由s p l 0 中的位计数器来完成。当有8 位数据经过 移位寄存器后，标志位s p i f 将会被置为逻辑1 ，标志位改变后接收到的字节就 会被传送入接收缓冲器。想要读取接受缓冲区的数据必须通过读s p i o d a t 来完 成。值得说明的一点是数据传送不能由从器件启动。要发送给主器件的数据必 须要先通过对s p i o d a t 的写操作把数据存到寄存器。写往s p i o d a t 的数据采用 双缓冲模式，数据先被发往缓冲器，当移位寄存器为空的时候，缓冲器的数据 被立即传送到移位寄存器。，如果移位寄存器不为空时，则等该字节发送完后再 将缓冲器的内容转移到移位寄存器。 s p i 相关寄存器配置如下表2 2 所示。 表2 2s p i 有关寄存器配置 寄存器取值 说明 s p i o c f g0 x 2 0s c k 高电平空闲，从机模式，上升沿采样 e i e l o 0 x o l 开启s p i 中断 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 3c a n 通信接口设计 c a n 接口的作用是连接e p e c 控制器，按照约定的帧格式向控制器发送掘 进机姿态角、位移以及控制指令。 c 8 0 5 1 f 0 4 0 具有c a n 局域网控制器，它采用c a n 协议这种通信方式，进 行串行通信。c a n 控制器具有c a n 核、消息r a m 、消息处理机制和控制寄存 器、但是不具有收发器( 物理驱动器) 3 6 1 。 c a n 处理器可以根据不同的消息对象，配置不同的状态，比如：发送或接 受数据状态、标识掩码存储在r a m 、输入数据和消息状态。 我们采用的s i l i c o nl a b sc a n 的最高工作速率为1 m 位秒，实际的传输速 率会受到c a n 总线上的物理层的影响。 r r 图2 1 2c a n 总线配置 c a n 接口操作模式： 1 ) 初始化程序 初始化程序开始前必须置c a n 控制器中的控制寄存器中的i n i t 位，或者由 软件或硬件复位还是总线关闭。 当i n i t 被置位，所有与c a n 传送的消息被停止。c a n 总线的c a nt x 状 态为隐性( h i g h ) ，错误处理寄存器状态不变，i n i t 置位不会改变任何配置寄存 器。 初始化c a n 控制器时，处理器( c p u ) 必须设置位定时寄存器和每个消息 对象。如何一个消息对象不需要，设置此消息的m s g v a l 没有效( 0 ) 即可。否 则初始化全部消息对象。 当c a n 控制寄存器中的i n i t 和c c e 两者都置位时，配置位定时的位定时寄 存器和位扩展定时寄存器才被激活。 仅由处理器( c p u ) 复位i n i t 才完成软件初始化。然后，在得到使用总线权 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 和发送消息之前等待总线空闲时( 产生1 1 个连续隐性位) ，位流处理器( b s p ) 同步传数据。 初始化消息对象时不需要将i n i t 置位，可以在c a n 控制器不工作的时候进 行。在位流处理器( b s p ) 开始消息传输之前，所有消息对像需要初始化一个单 独的识别符或初始消息无效。 在正常工作期间改变消息对象的配置时，处理器( c p u ) 修改配置前先设置 消息对象的m s g v a l 无效( 0 ) 。修改配置完成，m s g v a l 由处理器( c p u ) l 置位， 消息才有效。 2 ) c a n 报文传送c a nm e s s a g et r a n s f e r 一旦初始化cc a n 和i n i t 复位( 设置为o ) ，cc a n 的c a n 内核同时自 我检测总线和在总线上开始传送消息。 如果接收到的消息符合本节点过虑的要求( 通过消息状态处理机过滤) ，存 储到相应的消息目标对象。整个消息包括仲裁识别位、数据长度( d l c ) 和8 个字节数据都存储到消息目标对象。如果使用识别符( i d ) 掩码( 屏蔽码) ，消 息目标对象中的仲裁位可以被屏蔽( 不仲裁相应被屏蔽的识别符位) 。 不管什么时候，处理器( c p u ) 可以通过c a n 接口寄存器读或写每一条消 息( 报文) 。在并发操作中，消息状态处理机保证数据可靠性。 传送的消息( 报文) 由处理器( c p u ) 更新。如果永久性的消息目标对象( 仲 裁位和控制位在初始化配置时被设定) 存在消息( 报文) ，仅数据位被处理器更 新，然后将t x r q s t 和n e w d a t 位置位，消息即开始传送。如几个( 个别) 传送 的消息配置成相同的消息对象目标( 消息对象的编码值无效) ，这些消息传送请 求前必须以对全部消息进行初始化设置。 很多消息对象目标传送可以在同一时间请求，消息对象对像的先后顺序由 自身的优级确定，消息可以随时更新或设置为无效，甚于在发送请求还在等待 时候。消息未发送而被更新则旧的数据将丢弃。 依照消息对象的配置，传送消息被自动请求，由接收带匹配识别符的远程 帧。 3 ) 取消自动重传d i s a b l e da u t o m a t i cr e t r a n s m i s s i o n 依据c a n 规范，在传送期间仲裁已经丢失或干拢错误时，cc a n 提供了 自动重传帧的机制。在帧传送成功之前，帧传送服务不能被使用都证实。传送 失败意味自动重传机制使能。当cc a n 工作在时间触发c a n 环境时，自动重 武汉理工大学硕士学位论文 传机制也可以取消。 编程c a n 控制器中的d a r 置位( 1 ) 取消自动重传机制。在这种操作模式 中，程序必须考虑在消息缓冲控制寄存器中t x r q s t 和n e w d a t 不同的情况。 当每个消息报缓冲发送请求开始位( t x r q s t ) 被复位( o ) ，然而n e w d a t 位依然置位( 1 ) 当传送成功后n e w d a t 位复位，当传送失败( 仲裁丢失或传送错误) n e w d a t 依然不变( 置位1 ) ，重新传送由处理器( c p u ) 置位t x r q s t 为1 c 8 0 51 f 0 4 0 中的c a n 控制器完全实现了b o s c h 型c a n 模块的各项功能， 完全符合c a n 2 0 b 规范。c a n 核能够完成移位( c a n t x 和c a n i ) 、消息 的串并转换及如数据发送和接收过滤等其它与协议相关的任务。消息随机存储 器可存储3 2 个能在c a n 网络上接收和发送的消息对象。c a n 控制器和c i p 5 1 之间的数据传输和状态通知接口由c a n 寄存器和消息处理器来提供。 初始化c a n 控制器的步骤如下： ( 1 ) 将s f r p a g e 寄存器设置为c a n 0p a g e 。 ( 2 ) 将c a n o c n 寄存器中的i n i t 和c c e 位设置为1 。 ( 3 ) 设置位定时寄存器和b r p 扩展寄存器中的时序参数。 ( 4 ) 初始化每个消息对象或将其m s g v a l 位设置为n o tv a l i d ( 无效) 。 ( 5 ) 将i n i t 位清一0 。 c i p 5 1 可以通过特殊功能寄存器直接或间接访问c a n 控制器中的c a n 控 制寄存器( c a n o c n ) 、c a n 测试寄存器( c a n o t s t ) 和c a n 状态寄存器 ( c a n o s t a ) 。所有其它c a n 寄存器必须通过间接索引法访问。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 c a n t x c a n r x c 8 0 5 1f 0 4 x c a n 控制器核 消籼 ( 3 2 个消息x 躬黜 c a n 控制罂 c “c u ( ( 0 j 消息处理器 中断 *t h，、*。“t s y s c l k c i p 5 l i c u s ， 卫 图2 1 3c a n 控制器原理框图 使能e i e 2 5 后就可以实现对c a n 数据的收发，详细的程序设计如下所示。 首先是初始化c a n ，如下： v o i dc a n i n i t ( ) 对c a nr a m 进行清空 c l e a r _ m s g _ o b j e c t s ( ) ； 用需要传输的数据初始化消息对象 i n i t _ m s g _ o b j e e t _ t x ( o x 0 2 ，13 ) ； 用接受到的数据初始化消息对象 i n i t _ m s g _ o b j e c t _ r x ( 0 x 0 a ，1 1 ) ； 使c a n 能够中断进入c i p 5 1 e i e 2i = o x 2 0 ； | | 电动c 心 s t a r tc a n ( ) ； 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 本章小结 本章给出了基于a t 9 1 s a m 9 g 2 0 和c 8 0 5 1 f 0 4 0 为核心的掘进机智能行走控 制系统的总体设计方案。采用模块化的设计思想设计了掘进机智能行走控制系 统的的各个模块，主要包括了数据采集模块、通信模块、控制模块。对各个模 块的设计进行了说明。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章掘进机行走控制策略的设计与实现 3 1 掘进机运动学分析及建模 掘进机在二维x o y 坐标系下的运动如下图3 1 所示。我们对掘进机及其运 动进行如下假设1 37 j ： ( 1 ) 掘进机有刚性外壳； ( 2 )掘进机仅在二维平面内运动； ( 3 )两侧履带地面完全接触并且长度、宽度相同； ( 4 )两履带平行，且与掘进机前后运动方向相同； ( 5 )履带在运动过程中没有滑动。 基于以上假设，我们设掘进机的质心o 在参考坐标系中的投影坐标为 ( x o ，y o ) ，p 为掘进机的偏向角( 表示为掘进机方向与x 轴正向的夹角) ， p = ( x o ，y o ，口) 表示掘进机的位姿状态。d 为掘进机的车体宽度，b 为履带的宽度， 参考点r 在坐标平面上的坐标为( ，”) ，r 到掘进机质心0 的距离为d ，直线o r 同x 轴正向的夹角为货。 y ， y o 图3 1履带式掘进机运动示意图 武汉理工大学硕士学位论文 假设左右履带转动速度为m 和哆，则可得 盼 ( 1 一向) q ( 1 一t ) 哆 d + ( 1 - k r ) v , 1 2 i ( 3 1 ) 一( 1 一岛) l + 2 6 其中局和1 分别表示左右履带的滑动率。它们可表示为： 岛：尘土 吩 t = 尘羔 在不考虑履带滑动率的情况下矩阵式为： 阡 1 2 1 d + 2 6 1 2 1 d + 2 6 ( 3 2 ) ( 3 3 ) 由图3 1 可知在b 点掘进机的状态方程为 2 x o + d c o s ( 口+ 们( 3 4 ) 【”= 儿+ d s i n ( a + d 将公式3 1 对时间求导可得： r 一2 x o d 臼s i n ( 口+ p ) ( 3 5 ) i = y o + d o e c o s ( o r + 刃 我们假设左右履带转动速度为m 和v ，则可得x 、y 、矽与巧和v ，的关系如下： 1 x 。= m ( 1 一向) + v ；( 1 一f , )