一种嵌入式爬行机器人焊接系统集控器装置的制作方法

1.本发明涉及智能焊接控制技术领域，具体涉及一种基于嵌入式的爬行机器人焊接系统集控器装置。


背景技术：

2.在爬行机器人焊接领域，现场往往需要同时控制多台设备，如焊接电源，爬行机器人，送丝机，触摸屏等设备，涉及到多设备的协同控制问题。在集控器平台选择上，采用多控制器组合，如传统的pc机作为上位机控制中，由于其不是为工业环境设计，焊接环境往往产生大量电磁噪声，影响pc机的可靠性，且存在体积大，成本高缺点。另外在复杂曲面的焊接中，曲面存在一定的不平整性，导致焊炬与母材之间的间距发生改变，影响电弧电压的稳定，影响焊缝成形的质量，且焊接过程中有剧烈的光、电、热、力等综合作用，是复杂的物理化学过程，其强干扰、强非线性和大量不确定因素，导致传统pid控制器往往无法保证焊缝成形的质量。
3.现有技术中采用arm上位机与dsp下位机组合控制器，用于焊接机器人的控制系统(基于嵌入式焊接机器人控制系统设计[j].组合机床与自动化加工技术,2017(01):89-91 94.)，其arm上位机与dsp下位机采用rs232电路通讯，由于采用多控制器平台，需要两套最小系统电路，其硬件电路复杂，且不同控制器之间的通讯速率低，难以满足焊接过程的实时性。


技术实现要素：

[0004]
为了解决上述存在的问题，本发明提供一种嵌入式爬行机器人焊接系统集控器装置；集控器装置抗干扰能力强、体积小、成本低，且拓展接口丰富，满足爬行机器人焊接场合中需要与多台设备协同控制的要求，通过集控器装置可以实时调整焊接参数，控制焊接过程，提升工作效率，并且在电弧电压环路加入线性自抗扰控制器，提高了嵌入式爬行机器人焊接系统的鲁棒性。
[0005]
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
[0006]
一种嵌入式爬行机器人焊接系统集控器装置，包括处理器以及分别与处理器连接的转换电路、电源电路、存储电路、接口电路、通信电路、数字量输入电路和数字量输出电路。
[0007]
进一步地，所述处理器采用多核异构芯片，包括双a7内核和m4内核；双a7内核中第一a7内核和第二a7内核通过共享总线相互连接，共同运行嵌入式linux系统，并通过将多线程分配到不同的a7内核以实现并行运算，提高运算速度；双a7内核通过总线连接m4内核，并接收来自m4内核的处理信息，用于处理tcp/ip通讯以及modbus高层协议的收发，与触摸屏的通讯并控制整个焊接流程；m4内核运行freertos实时系统对ad/da数据进行采集和设置，在m4内核内完成电弧电压的闭环控制以及实现控制算法，并将ad采样数据发送到双a7内核中，用于实时显示电弧电压和焊接电流，而双a7内核发送电弧电压设定参数给m4内核。
[0008]
进一步地，所述转换电路包括ad转换电路和da转换电路，用于实时采样电弧电压和焊接电流，并将模拟量信号转换为数字量输入到m4内核中用于电弧电压的闭环控制与实时显示；
[0009]
所述电源电路包括24v转5v电源电路和24v转3.3v电源电路，为集控器装置提供稳定的电源输入，为片上外设提供电源；
[0010]
24v转5v电源电路连接处理器、存储电路、接口电路、通信电路并提供电源输入；
[0011]
24v转3.3v电源电路连接数字量输入电路、数字量输出电路、转换电路并提供电源输入。
[0012]
进一步地，所述存储电路包括emmc存储电路和tf-sd卡存储电路；
[0013]
emmc存储电路用于存放嵌入式linux系统的系统镜像，以及引导嵌入式linux系统启动的uboot镜像，uboot镜像负责在控制器上电时初始化硬件外设，为嵌入式linux系统的运行提供环境，最后将控制权转移给嵌入式linux系统；
[0014]
emmc存储电路中存放有基于buildroot制作的根文件系统，用于保存m4内核的程序镜像，同时保存集控器装置的环境变量；
[0015]
tf-sd卡存储电路用于拓展集控器装置的存储空间以及导出数据；
[0016]
所述接口电路包括jtag接口电路和usb接口电路；
[0017]
jtag接口电路用于m4内核调试阶段的固件烧写；
[0018]
usb接口电路用于烧写emmc存储电路、更新嵌入式linux系统的系统镜像与根文件系统。
[0019]
进一步地，所述通信电路包括usb串口通信电路、网口电路、rs232电路和双rs485电路；
[0020]
usb串口通信电路连接处理器和上位机，用于在上位机中输出嵌入式linux系统调试信息，观察嵌入式linux系统运行状态；
[0021]
网口电路包括100m网口电路和1000m网口电路，用于实现处理器与爬行机器人控制盒的通信；
[0022]
rs232电路用于实现处理器与触摸屏的通信；
[0023]
双rs485电路通过两个rs485电路分别实现处理器与焊接电源和送丝机的通信，进而实现处理器对焊接电源启停、电弧电压、制焊接电流与送丝速度的控制。
[0024]
进一步地，数字量输入电路采用24路数字量输入电路，用于分别连接处理器和启动按钮、急停按钮以及停止按钮的实体按钮；启动按钮用于启动焊接流程，急停按钮用于在焊接流程运行过程中任意时刻下中止焊接电源、送丝机、爬行机器人的运行，进入故障状态；停止按钮用于正常焊接结束后恢复到待机状态；
[0025]
数字量输出电路采用16路数字量输出电路，用于分别连接处理器和电源指示灯、工作状态指示灯以及报警指示灯；电源指示灯为供电指示灯；工作状态指示灯在焊接流程过程中熄灭，焊接结束后显示绿灯表示焊接作业完成；报警指示灯为出现故障情况或者按下急停按钮后显示红灯，表示需要操作人员进行进一步处理。
[0026]
进一步地，包括集控器装置、爬行机器人控制盒、焊接电源、送丝机和触摸屏；
[0027]
其中，集控器装置分别连接爬行机器人控制盒、焊接电源、送丝机和触摸屏，用于作为控制中枢控制焊接工艺过程，包括发送控制指令给爬行机器人控制盒，与送丝机通讯
并发送送丝速度设置指令，与焊接电源通讯控制其启停，采集焊接电源的电弧电压曲线，以及完成对焊接过程的电压闭环控制；
[0028]
送丝机接收集控器装置发送的送丝速度设置指令并独立完成对送丝速度的闭环控制；
[0029]
触摸屏用于显示焊接过程数据以及设置焊接参数，完成对故障信息的处理。
[0030]
进一步地，集控器装置中，处理器通过双rs485电路分别连接焊接电源和送丝机；处理器通过网口电路连接爬行机器人控制盒；处理器通过rs232电路连接触摸屏；
[0031]
触摸屏上设置有分别与集控器装置上的启动按钮、急停按钮以及停止按钮的功能一致的虚拟按钮；
[0032]
触摸屏上设置有分别与集控器装置上的电源指示灯、工作状态指示灯以及报警指示灯的功能一致的虚拟指示灯。
[0033]
进一步地，集控器装置采用线性自抗扰控制(ladrc)技术完成对电弧电压的闭环控制，具体如下：
[0034]
首先电弧电压设定值us通过双a7内核的rpmsg消息通道发送至m4内核中，集控器装置通过转换电路采集电弧电压信号ua反馈到m4内核中，m4内核负责线性自抗扰控制(ladrc)算法的实现，包括线性扩张状态观测器(leso)和比例微分控制器(pd)的离散实现；其中，线性扩张状态观测器的输入信号有ua和输出控制信号d，输出三路观测状态值，分别为ua的观测值z1、ua微分的观测值z2、总外扰的观测值z3，z1和z2信号连接到比例微分控制器(pd)，比例微分控制器设置在m4内核中，而z3信号连接到比例微分控制器的输出侧，消除焊接系统总外扰后得到信号ub，信号ub再经过焊接系统常数环节1/b0运算，得到最终的控制信号d，控制信号d通过双rs485电路发送给焊接电源，完成电弧电压的闭环控制。
[0035]
进一步地，焊接流程由双a7内核完成，集控器装置通过tcp/ip协议栈与爬行机器人控制盒通信，通过modbus协议与焊接电源、送丝机通信；
[0036]
首先进入初始化阶段，双a7内核作为主站轮询爬行机器人控制盒、焊接电源、送丝机，当所有设备通信上线后周期性发送控制指令或心跳包，同时将设备在线状态通过触摸屏显示，操作人员通过触摸屏设置焊接模式，设置焊接行走速度、焊接电流、电弧电压、送丝速度以及通讯波特率参数，通过触摸屏上对应启动按钮的虚拟按钮或集控器装置上的启动按钮，双a7内核周期性发送控制指令给爬行机器人控制盒与送丝机，控制爬行机器人的行走速率和送丝机的送丝速率，待爬行机器人归位至焊缝起始点后返回就绪状态给集控器装置后，集控器装置发送启动指令给焊接电源开始焊接，双a7内核进入焊接阶段；
[0037]
焊接过程中，双a7内核发送电弧电压的设定值给m4内核，启动m4内核的电弧电压闭环控制，集控器装置根据采集得到的电弧电压数据进行电弧电压的闭环控制，自动调节电弧电压使其稳定；
[0038]
当爬行机器人焊缝跟踪至终点返回状态信息给集控器装置，或者通过按下集控器装置的停止按钮或触摸屏上对应停止按钮的虚拟按钮，双a7内核接收到停止指令时，即可提前结束焊接状态，双a7内核通过双rs485电路发送结束指令给焊接电源和送丝机，以及通过网口电路发送指令给爬行机器人控制盒，停止送丝机送丝、关闭焊接电源以及停止爬行机器人运动；
[0039]
当出现故障时，故障信息显示在触摸屏上，需要操作人员进行处理方可继续焊接。
[0040]
与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0041]
本发明的一种嵌入式爬行机器人焊接系统集控器装置，采用异构多核芯片，核间通信速率快，抗干扰能力强、体积小、成本低，且拓展接口丰富，满足爬行机器人焊接场合中需要与多台设备协同控制的要求。
[0042]
嵌入式爬行机器人焊接系统通过集控器装置可以实时调整焊接参数，控制焊接过程，提升工作效率，并且在电弧电压环路加入线性自抗扰控制器，提高了嵌入式爬行机器人焊接系统的鲁棒性，有助于提高焊缝成形质量。
附图说明
[0043]
图1为本发明的嵌入式爬行机器人焊接系统集控器系统示意图。
[0044]
图2为本发明的嵌入式爬行机器人焊接系统集控器装置的电路框图。
[0045]
图3为本发明的嵌入式爬行机器人焊接系统集控器装置的控制框图。
[0046]
图4为本发明的嵌入式爬行机器人焊接系统集控器连接的触摸屏界面。
具体实施方式
[0047]
下面结合附图和具体的实施对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0048]
实施例：
[0049]
一种嵌入式爬行机器人焊接系统集控器装置，如图2所示，包括处理器以及分别与处理器连接的转换电路、电源电路、存储电路、接口电路、通信电路、数字量输入电路和数字量输出电路。
[0050]
本实施例中，所述处理器采用stm32mp157daa1多核异构芯片，基于双核a7 800mhz主频和209mhz m4构成多核异构，集成在一块芯片上，同时运行嵌入式linux和freertos，分别运行在不同的内核，其中第一a7内核和第二a7内核通过共享总线相互连接，共同运行嵌入式linux系统，并通过将多线程分配到不同的a7内核以实现并行运算，提高运算速度，而双a7内核与m4内核也通过总线连接，并接收来自m4内核的处理信息，用于处理tcp/ip通讯以及modbus高层协议的收发，与触摸屏的通讯并控制整个焊接流程；m4内核运行freertos实时系统对ad/da数据进行采集和设置，在m4内核内完成电弧电压的闭环控制以及实现控制算法，并将ad采样数据发送到双a7内核中，用于实时显示电弧电压和焊接电流，而双a7内核发送电弧电压设定参数给m4内核。
[0051]
本实施例中，所述转换电路包括ad转换电路和da转换电路，用于实时采样电弧电压和焊接电流，并将模拟量信号转换为数字量输入到m4内核中用于电弧电压的闭环控制与实时显示，ad转换电路由两片ad5644rbrmz四通道dac芯片及对应阻容元器件组成，而da转换电路由ads8698idbt八通道adc采样芯片以及对应阻容元器件组成。
[0052]
本实施例中，所述电源电路包括24v转5v电源电路和24v转3.3v电源电路，为集控器装置提供稳定的电源输入，为片上外设提供电源；24v转5v电源电路连接处理器、存储电路、接口电路、通信电路并提供电源输入，具体由lm2596s-5buck电源芯片将24v直流电降压
为5v直流电；24v转3.3v电源电路连接数字量输入电路、数字量输出电路、转换电路并提供电源输入，具体由tlv62090rgt和lm2596s-5电源芯片将24v直流电降压为3.3v直流电。
[0053]
本实施例中，所述存储电路包括emmc存储电路和tf-sd卡存储电路；
[0054]
emmc存储电路用于存放嵌入式linux系统的系统镜像，以及引导嵌入式linux系统启动的uboot镜像，emmc芯片采用的是klm8g1getf单片8g存储芯片，uboot镜像主要负责在控制器上电时初始化硬件外设，为嵌入式linux系统的运行提供环境，最后将控制权转移给嵌入式linux系统；emmc存储电路中还存放有基于buildroot制作的根文件系统，用于保存m4内核的程序镜像，同时保存集控器装置的环境变量
[0055]
tf-sd卡存储电路用于拓展集控器装置的存储空间以及导出数据。
[0056]
本实施例中，所述接口电路包括jtag接口电路和usb接口电路；
[0057]
jtag接口电路用于m4内核调试阶段的固件烧写；
[0058]
usb接口电路用于烧写emmc存储电路、更新嵌入式linux实时系统的系统镜像与根文件系统。
[0059]
本实施例中，所述通信电路包括usb串口通信电路、网口电路、rs232电路和双rs485电路；
[0060]
usb串口通信电路连接处理器和上位机，用于在上位机中输出嵌入式linux系统调试信息，观察嵌入式linux系统运行状态，具体电路采用ch340c电平转换芯片完成usb串口功能；
[0061]
网口电路包括100m网口电路和1000m网口电路，用于实现处理器与爬行机器人控制盒的通信，其中1000m网口电路采用rtl8211f phy芯片与hr911131a接口组成，而100m网口电路采用lan9500ai-abzj芯片与hr911105a接口组成；
[0062]
rs232电路用于实现处理器与触摸屏的通信，主要电路采用max3232ese芯片完成；
[0063]
双rs485电路通过两个rs485电路分别实现处理器与焊接电源和送丝机的通信，进而实现处理器对焊接电源启停、电弧电压、制焊接电流与送丝速度的控制；本实施例中，双rs485电路主要采用两片max3485eesa芯片组成双rs485电路。
[0064]
本实施例中，数字量输入电路采用24路数字量输入电路，用于分别连接处理器和启动按钮、急停按钮以及停止按钮的实体按钮；启动按钮用于启动焊接流程，急停按钮用于在焊接流程运行过程中任意时刻下中止焊接电源、送丝机、爬行机器人的运行，进入故障状态；停止按钮用于正常焊接结束后恢复到待机状态；24路数字量输入电路主要采用6片tlp521-4光耦隔离芯片构成。
[0065]
数字量输出电路采用16路数字量输出电路，用于分别连接处理器和电源指示灯、工作状态指示灯以及报警指示灯；电源指示灯为24v供电指示灯，工作状态指示灯在焊接流程过程中熄灭，焊接结束后显示绿灯表示焊接作业完成；报警指示灯为出现故障情况或者按下急停按钮后显示红灯，表示需要操作人员进行进一步处理；16路数字量输出电路主要采用4片tlp521-4光耦隔离芯片以及对应mjd122三极管构成。
[0066]
本实施例中，集控器装置起主站控制的作用，以20ms的频率轮询各个从站，进行主站与从站的数据交互。
[0067]
本实施例中，一种嵌入式爬行机器人焊接系统，如图1所示，包括集控器装置1、爬行机器人控制盒6、爬行机器人5、工业相机4、焊炬7、焊接电源2、送丝机3和触摸屏8；
[0068]
其中，集控器装置1分别连接爬行机器人控制盒6、焊接电源2、送丝机3和触摸屏8，用于作为控制中枢控制焊接工艺过程，包括发送控制指令给爬行机器人控制盒6，与送丝机3通讯并发送送丝速度设置指令，与焊接电源2通讯控制其启停，采集焊接电源2的电弧电压曲线，以及完成对焊接过程的电压闭环控制；
[0069]
送丝机3接收集控器装置1发送的送丝速度设置指令并独立完成对送丝速度的闭环控制；
[0070]
爬行机器人控制盒6可独立对爬行机器人5、工业相机4和焊炬7进行控制，同时接收集控器装置1的命令进行前进、后退、左转、右转、以及设置行走速度，工业相机4连接爬行机器人控制盒6并由其进行控制，负责焊接过程中的焊缝识别和跟踪，焊炬7连接焊接电源2，由爬行机器人控制盒6控制焊炬7的焊接摆动角度；
[0071]
触摸屏8用于显示焊接过程数据以及设置焊接参数，完成对故障信息的处理。
[0072]
本实施例中，集控器装置1中，处理器通过双rs485电路分别连接焊接电源2和送丝机3；处理器通过网口电路连接爬行机器人控制盒6；处理器通过rs232电路连接触摸屏8。
[0073]
触摸屏8上设置有分别与集控器装置1上的启动按钮、急停按钮以及停止按钮的功能一致的虚拟按钮；
[0074]
触摸屏8上设置有分别与集控器装置1上的电源指示灯、工作状态指示灯以及报警指示灯的功能一致的虚拟指示灯。
[0075]
本实施例中，集控器装置1采用线性自抗扰控制(ladrc)技术完成对电弧电压的闭环控制，如图3所示，具体如下：
[0076]
首先电弧电压设定值us通过双a7内核的rpmsg消息通道发送至m4内核中，集控器装置1通过转换电路采集电弧电压信号ua反馈到m4内核中，m4内核负责ladrc算法实现，包括线性扩张状态观测器(leso)和比例微分控制器(pd)的离散实现；其中，线性扩张状态观测器的输入信号有ua和输出控制信号d，输出三路观测状态值，分别为ua的观测值z1、ua微分的观测值z2、总外扰的观测值z3，z1和z2信号连接到比例微分控制器(pd)，比例微分控制器设置在m4内核中，而z3信号连接到比例微分控制器的输出侧，消除焊接系统总外扰后得到信号ub，信号ub再经过焊接系统常数环节1/b0运算，得到最终的控制信号d，控制信号d通过双rs485电路发送给焊接电源，完成电弧电压的闭环控制。
[0077]
进一步地，焊接流程由双a7内核完成，集控器装置1通过tcp/ip协议栈与爬行机器人控制盒6通信，通过modbus协议与焊接电源2、送丝机3通信；
[0078]
首先进入初始化阶段，双a7内核作为主站轮询爬行机器人控制盒6、焊接电源2、送丝机3，当所有设备通信上线后以20ms为周期发送控制指令或心跳包，同时将设备在线状态通过触摸屏显示，操作人员通过触摸屏8设置焊接模式，设置焊接行走速度、焊接电流、电弧电压、送丝速度以及通讯波特率参数，通过触摸屏8上对应启动按钮的虚拟按钮或集控器装置1上的启动按钮，双a7内核周期性发送控制指令给爬行机器人控制盒6与送丝机3，控制爬行机器人5的行走速率和送丝机的送丝速率，待爬行机器人5归位至焊缝起始点后返回就绪状态给集控器装置1后，集控器装置1发送启动指令给焊接电源2开始焊接，双a7内核进入焊接阶段；
[0079]
焊接过程中，双a7内核发送电弧电压的设定值给m4内核，启动m4内核的电弧电压闭环控制，集控器装置1根据采集得到的电弧电压数据进行电弧电压的闭环控制，自动调节
电弧电压使其稳定；
[0080]
当爬行机器人5焊缝跟踪至终点返回状态信息给集控器装置1，或者通过按下集控器装置1的停止按钮或触摸屏8上对应停止按钮的虚拟按钮，双a7内核接收到停止指令时，即可提前结束焊接状态，双a7内核通过双rs485电路发送结束指令给焊接电源2、爬行机器人控制盒6和送丝机3，停止送丝机3送丝、关闭焊接电源2以及停止爬行机器人5运动；
[0081]
当出现故障时，故障信息显示在触摸屏8上，需要操作人员进行处理方可继续焊接。
[0082]
如图4所示，本实施例中，触摸屏8的界面设置有焊接电源2模块的控制、爬行机器人5的运动控制、焊接系统的参数设置、实时焊接的电弧电压、电流显示，以及对焊接过程的启停控制触摸按钮，实现对焊接过程的控制。