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1、南华大学机械工程学院毕业设计(论文）引 言众所周知，控制在人类的日常生活中是无法分割的一部分，研究控制学是人类创造美好生活的必要课题，测量控制也是许多学科中发展得非常广泛的一门学科。在现代社会生产活动中，测量控制广泛应用于通信、医疗、机械、电子、环境等各个行业之中。但是当你不能够掌握新的测量数据控制方法时就会使人们束手无策，无法进行下面的工作。在众多工业化测控现场中对核类的测控对人类的发展已经成为一个不能忽视的方面，因为环境中可能存在辐射，但对于老旧设备又不得不维修、更换，如果不能掌握现场的第一手资料贸然进入是具有很大的风险的。但核能已经成为现今所发展的不可或缺的能源，所以对核环境下的测控已经
2、成为现代测控所必须面对与攻克的难题，这已经成为当前人们的一个共识。因此，研究整理出系统化的辐射环境下的测量控制体系，建立起一套行之有效的对辐射环境下的测量控制方法，开发出能够测量现场情况并将之有效保存下来的系统具有十分重要的意义，同时也是对我们国家核电站、环境保护以及建设社会主义生态文明的必然要求。1 绪论1.1 课题背景在能源工业发展及核技术利用的过程中人类建设了许多用于科研、医疗和发电等用途的设施。这些设施满足了国防和国民经济发展的需求。早期的一些核设施已陆续完成了它的使命，已经或将要进入换新的阶段，而且随着时间的推移和新的核设施的建造，还将有更多的核设施准备退役，因而它的退役工作变得越来
3、越重要。二十世纪九十年代初我国开始解决对历史遗留设施和放射性废物的治理工作，同年月国务院批复关于已经停用的核工业的设施和放射性三废治理问题的请示，由此启动了一批核设施退役及放射性废物治理的项目。这些项目主要针对我国早期的核设施的退役以及历史遗留的放射性废物的治理。但在核设施退役和放射性废物治理过程中也存在诸多需要解决的问题。由于早期科学技术的欠缺致使很多相关方面的工程资料不完整，使得现在无法清晰了解其内部情况，即使部分有图纸资料的工程也不具备实体的三维模型，导致退役方案制定时无法使用先进的科学工具，增加了退役过程中的难度，难以制定最优化技术路线。为此研究相关技术并制作一套软硬件系统，获得核设施
4、内部点云信息，转化并建立完整的三维模型数据库，同时添加信息表达直观、扩展性强的核设施可视化信息管理系统。通过多种遥控移动测量平台搭载机械臂，可实现不同情况的核设施内部三维模型的建立并在成熟的软件平台上实现可视化管理，并提供友好的数据接口以兼容其他管理系统及升级需求。用以来解决退役和使用中的核设施的资料得不完整性，使得可以清晰的了解其内部情况，为以后的工作奠定基础。1.2 研究目标本课题在上述背景的前提下只针对机械手的部分，以单片机为核心元件设计一套系统对机械臂进行控制。在对机械手控制为前提的目的上，研究机械臂在各种不确定的场合下所需要运行的轨迹及状态，从而确定需要怎样设计系统才能保证该系统的通
5、用性。比如在A场合下只需要水平进给运动，B场合需要圆周运动那么单一执行器肯定是不能实现这个目的的。研究基于单片机硬件电路的程序，怎么合理的设计程序使它可以在最少的命令下实现较多的功能；研究控制机械手的控制系统，采用一种怎样的控制方式实行控制从而达到所要结果。1.3 预期实现功能（1）能够实现控制，控制为本课题的最基本要求，只有在实现控制的基础上才可能添加其余的功能；（2）可以使机械臂能够在不同的场合下都可以方便的运动，不必因为场所的变换而经常更换机械臂的结构；（3）机械臂所实现的动作尽量简单，程序实现起来较为方便、稳定，避免因为过度复杂而出现的错误；（4）是一种点动式或者自锁式的控制，实现起来
6、较为简单但控制上面具有高效性。2 总体方案设计2.1 主要研究内容2.1.1 单片机及编程语言（1）单片机的选取，单片机拟选用89C52，该种单片机具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，
7、振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。89C52成本较低但可以实现本课题的所有任务要求，具有很高的性价比。（2）编程语言的选取，现在常用的单片机编程语言有汇编语言和C语言。汇编语言作为最接近机器码的语言是一种用文字助记符来表示机器指令的符号语言。其主要特点是不怎么需要占用资源，程序具有较高的执行率，由于他的每条指令都有相对应的机器码，所以每一步的执行动作非常具有条理，并且程序大小和堆栈调用情况都十分容易控制，调试起来也比较方便。对于不同的单片机汇编语言是不太一样的，他不能随意复制。但懂得汇编语言可帮助了解影响任何语言效率的特殊
8、规定。例如，懂得汇编语言指令就可以使用在片内ram作变量的优势，因为片外变量需要几条指令才能设置累加器和数据指针进行存取。对于启用函数和使用浮点数时也只有具备汇编编程经验才能避免生成庞大的、效率低的程序，对于这方面的编程，没有汇编语言是做不到的。但是单片机的C语言是一种编译型程序设计语言，它兼顾了多种高级语言的特点，并具备汇编语言的功能。C语言具有功能丰富的库函数，运算速度快，编译效率高，有良好的可移植性，而且可以实现直接对系统硬件的控制。此外，C语言程序具有完整的程序模块结构，从而为软件开发中采用模块化程序设计方法提供了有力的保障。在经过综合考虑现选取C语言为本次程序的编程语言。在keil3
9、的配合下转变成机器码实现protues仿真和对硬件电路的驱动，使机械臂能够完成所设计的一系列动作。2.1.2 执行器 执行器的介绍，执行器（final controlling element）是自动化技术工具中接收控制信息并对受控对象施加控制作用的装置。执行器也是控制系统正向通路中直接改变操纵变量的仪表，也是由执行机构和调节机构组成。 （1）执行器有多种多样其中，气动执行器的执行机构和调节机构是统一的整体，其执行机构有薄膜式和活塞式两类。活塞式行程长，适用于要求有较大推力的场合；而薄膜式行程较小，只能直接 带动阀杆。由于气动执行机构有结构简单，输出推力大，动作平稳可靠，并且安全防爆等优点，在发
10、电厂、化工，炼油等对安全要求较高的生产过程中有广泛的应用。电动执行机构主要应用于动力厂或核动力厂。电动执行机构的主要优点就是高度的稳定和用户可应用的恒定的 推力，其可达到的最大推力不如液动执行器，但液动执行器造价要比电动高很多。电动执行器的抗偏离能力是很好的，输出的推力或力矩基本上是恒定的，可以很好的克服介质的不平衡力，达到对工艺参数的准确控制，所以控制精度比气动执行器要高。如果配用伺服放大器， 可以很容易地实现正反作用的互换，也可以轻松设定断信号阀位状态（保持/全开/全关），而故障时，一定停留在原位，这是气动执行器所作不到，气动执行器必须借助于一套组合保护系统来实现保位。综上所述本课题选用电
11、动执行器，初步定在选取直流电机或者进步电机最终实现对机械臂的控制。2.1.3 控制方案（1） 控制方案初步设想，经过初步考虑可采用有线式或无线式的方案。若采用有线式则需要线缆连接，从而传输大数据、实时控制及供电问题。但线缆的连接在辐照环境下会产生二次污染继而增加成本。非接触式控制本质则是电磁波的传送，但是辐照环境多半是密闭的，周围部有厚实的隔离层。这样会影响电磁波的接收与发送可能得不到想要的结果。经过综合考虑选取非接触式控制系统。加入无线中继工作中继站并在移动平台上搭载计算机。在进入某些封闭环境下时数据先传送至移动平台上的计算机中（三维扫描仪与计算机之间采用有线连接）待得扫描结束出来时可以通过
12、中继站传送到远程终端。（2） 可以采用红外遥控、蓝牙技术等。红外遥控的发射电路是采用红外发光二极管来发出经过调制的红外光波；红外接收电路由红外接收二极管、三极管或硅光电池组成，它们将红外发射器发射的红外光转换为相应的电信号，再送后置放大器。发射机一般由指令键(或操作杆)、指令编码系统、调制电路、驱动电路、发射电路等几部分组成。当按下指令键或推动操作杆时，指令编码电路产生所需的指令编码信号，指令编码信号对载波进行调制，再由驱动电路进行功率放大后由发射电路向外发射经调制定的指令编码信号。接收电路一般由接收电路、放大电路、调制电路、指令译码电路、驱动电路、执行电路(机构)等几部分组成。接收电路将发射
13、器发出的已调制的编码指令信号接收下来，并进行放大后送解调电路，解调电路将已调制的指令编码信号解调出来，即还原为编码信号。指令译码器将编码指令信号进行译码，最后由驱动电路来驱动执行电路实现各种指令的操作控制（机构）。具有抗干扰能力强，信息传输可靠，功耗低，成本低，易实现等显著优点。（3） 在电脑上可以设计一款上位机用来辅助控制，通过串口方式可以有效地提高控制距离，增加稳定性降低影响还可以将收集到的资料更好的返还回来保存在计算机中。并由计算机B通过网络等IP协议对它进行进一步的控制。为后续的工作打下良好的基础。2.2 初步设计方案及对比2.2.1 初步设计方案本课题是基于单片机的多功能控制系统，在
14、对单片机、执行器、编程语言、控制方案的选取4个方面问题的考虑和解决后，逐一通过程序及计算机仿真建立模拟实验进行测试。并将出现的问题记录下来调试。待的每一个小功能都能够达到预期目标后，将整个系统组合起来进行综合实验，继续记录问题并调试。直到本课题的研究成功。如图2.1所示：基于52单片机的多功能控制系 统方 案单片机单片机型号：89C52编程语言：C语言 执行器直流电机控制方案红外线远程遥控上位机控制界面模拟实验电路程序图2.1 初步设计方案操作人员经过远程遥控，控制扫描装置移动平台进入扫描现场，先行搭建通信及充电中继站，然后搭载三维扫描装置进入现场，在特种机械手操作下对指定目标区域进行多角度扫
15、描，获得的点云数据及当前位置信号通过通信网络即时传输到远程主机存储，飞行器可搭载三维扫描装置对其他行走装置运行困难区域扫描。获得的点云数据经过处理后进行3D建模，导入可视化管理系统。 经过多方面考虑在少机构多通用的原则下，机械部分拟实现以下功能，一个安装到基座可以带动整个机械部分运动的电机，两段分别可以实现垂直、水平运动的机械臂。通过遥控机器人把设备室操作平台架设在设备室上方，控制垂直升降臂下降到适合位置，可回转水平伸缩臂及末端工作台带动扫描装置在不同位置进行扫描，用以获取不同视角的设备室内部点云数据，如图2.2所示： 1行走移动平台 2设备室机械臂平台 3设备室4垂直升降臂 5水平伸缩臂 6
16、末端工作台 7扫描装置 图2.2 设备室扫描方案示意图通过远程控制程序达到控制4的垂直运动和5的水平运动并且整个机械机构可以实现360度的旋转来满足三维扫描装置可以完成对设备室的扫描，继而完成任务。可以将非接触充电技术引入移动平台供电中，研制一个具有非接触式充电及无线中继的工作中继站，能用机器人搬运、安置在指定位置，通过短距离无线通信及非接触充电解决大数据传输、实时控制及供电问题。具体方法是首先通过机器人将工作中继站带入工程内部指定位置，然后通过非接触方式充电技术对机器人携带的电池进行充电。一旦充电结束，可以立即继续剩下的工作，这样可以提高效率、减小移动电缆过长而带来的二次污染等一系列问题。电能传送部分放在电缆终端处。用于等候机器人平台的到来
