李大琳　何鑫　陳濤

摘? ?要：文章實(shí)現(xiàn)了一種基于STM32單片機(jī)的高精度電梯導(dǎo)軌機(jī)器人控制系統(tǒng)。為保證系統(tǒng)安全，系統(tǒng)采用“自主+人工”的混合控制策略。根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)及項(xiàng)目的實(shí)際需要，該控制系統(tǒng)以STM32F104為控制核心，采用基于事件的實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，可以為機(jī)器人同時(shí)提供4路PWM電機(jī)控制信號(hào)輸出，4路數(shù)字控制信號(hào)輸出，10路數(shù)字傳感器輸入，1路AD輸入以及1個(gè)最高波特率為115 200 bps的全雙工RS485高速串行通信端口，并且可以根據(jù)電梯井的實(shí)際情況選配無線通信模塊。該控制系統(tǒng)能夠滿足30層以下建筑的各型電梯的巡檢、清理和日常維護(hù)需要。

關(guān)鍵詞：STM32;電梯導(dǎo)軌;機(jī)器人;控制系統(tǒng)

1? ? 電梯使用與維修

隨著我國高層建筑物的不斷增加，電梯的使用越來越廣泛。目前，電梯的使用有兩個(gè)突出特征：一是高層建筑增多，導(dǎo)致電梯工作行程增加，對(duì)電梯導(dǎo)軌的整體垂直度保證要求提高;二是隨著住宅小區(qū)的建設(shè)，電梯布置的密度增加，有些小區(qū)一棟建筑之內(nèi)就有3部電梯，導(dǎo)致電梯日常維護(hù)的強(qiáng)度增加。因此，如何保證電梯導(dǎo)軌維護(hù)工作效率，降低電梯導(dǎo)軌維護(hù)工作強(qiáng)度，保證電梯導(dǎo)軌維護(hù)質(zhì)量，成為在電梯的設(shè)計(jì)和使用過程中非常重要的問題。

目前業(yè)界有一些商用的電梯導(dǎo)軌巡檢和維護(hù)機(jī)器人產(chǎn)品[1]，我國國內(nèi)高校也提出了相關(guān)設(shè)計(jì)方案[2]。本文根據(jù)所在項(xiàng)目的實(shí)際需要，提出了基于以ARM-M3為核心的STM32單片機(jī)為控制器的電梯導(dǎo)軌機(jī)器人控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以滿足電梯導(dǎo)軌巡檢、清理和日常維護(hù)工作的控制需要，在性能和成本上取得平衡，是一種既能保證電梯導(dǎo)軌維護(hù)質(zhì)量，又具有商業(yè)推廣價(jià)值的方案。

2? ? 電梯導(dǎo)軌機(jī)器人

電梯導(dǎo)軌機(jī)器人的工作原理如圖1所示。機(jī)器人通過“磁輪+膠輪+安全鉤鎖”的方式吸附于電梯導(dǎo)軌，能夠同時(shí)保證吸附力、接觸誤差和安全定位，同時(shí)按照指令驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)機(jī)器人在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，并且控制各項(xiàng)傳感器和執(zhí)行器完成導(dǎo)軌的數(shù)據(jù)采集和簡單清理維護(hù)工作。本文所設(shè)計(jì)的機(jī)器人采用“自主+人工”的混合控制策略，機(jī)器人根據(jù)預(yù)設(shè)程序以及傳感器的輸入自主完成數(shù)據(jù)采集，并把數(shù)據(jù)通過串口傳給上位機(jī)。同時(shí)，機(jī)器人還能夠根據(jù)工作人員的指令，對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行簡單維護(hù)（灰塵清理、緊固件狀態(tài)檢查）。

3? ? 基于STM32的電梯導(dǎo)軌機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1? 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

電梯導(dǎo)軌機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要由控制模塊和通信模塊兩大部分組成，如圖2所示。其中，控制模塊又分為傳感器輸入、控制信號(hào)輸出兩部分，分別完成數(shù)據(jù)采集和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制和導(dǎo)軌維護(hù)執(zhí)行器控制。通信模塊主要是RS485串行通信，該協(xié)議通信距離為1 200 m，最高通信速率為10 Mb/s，完全可以滿足電梯維護(hù)工作需要。如果需要加裝攝像頭進(jìn)行視頻檢測(cè)，由于視頻傳輸?shù)母叽a率需要，系統(tǒng)需要為攝像頭配置專門的信號(hào)傳輸線路。

3.2? 控制系統(tǒng)主要功能子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1? 動(dòng)力子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于本文涉及的機(jī)器人使用的是瑞士產(chǎn)Maxon空心杯直流電機(jī)，可以提供21 Nm的扭矩，所以直接使用系統(tǒng)輸出的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器來進(jìn)行電機(jī)控制。另外，結(jié)合STM32的高精度PWM信號(hào)輸出，可以為電機(jī)提供精度為0.1°的控制信號(hào)，同時(shí)為電機(jī)加裝編碼盤，可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，進(jìn)一步提高精度。

3.2.2? 執(zhí)行器控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

用1路PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)吸塵器電機(jī)，實(shí)現(xiàn)軌道清潔;2路PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂電機(jī)，實(shí)現(xiàn)360°視頻拍攝。

3.2.3? 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用激光測(cè)距傳感器測(cè)量導(dǎo)軌間距，以保證導(dǎo)軌的相對(duì)垂直度;用導(dǎo)軌接頭感應(yīng)器判斷導(dǎo)軌接頭凸起，以保證電梯的平穩(wěn)工作。系統(tǒng)首先將采集數(shù)據(jù)緩存在STM32的Flash存儲(chǔ)器中，然后通過筆者設(shè)計(jì)的基于RS485和重傳的安全數(shù)據(jù)通信協(xié)議，將數(shù)據(jù)發(fā)給上位機(jī)并完成測(cè)量結(jié)果相關(guān)計(jì)算[3]。并且，系統(tǒng)為業(yè)界通用的高精度傳感器（二維位置敏感探測(cè)器[4]）預(yù)留了1路AD接口，可以通過串口發(fā)送命令進(jìn)行功能激活。由于二維位置敏感探測(cè)器成本較高，一般只在導(dǎo)軌垂直精度校正時(shí)使用。

3.2.4? 供電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于動(dòng)力輪、吸塵器電機(jī)以及機(jī)械臂電機(jī)總和功率相當(dāng)大，本系統(tǒng)采用“主電源+備用電”的方案，主電源通過線纜直接為系統(tǒng)供電，起到一定的安全保護(hù)作用。機(jī)器人攜帶電池作為應(yīng)急備用電源，當(dāng)主電源停電后，通過備用電池提供動(dòng)力，可以保證機(jī)器人自主行駛到安全位置。

4? ? 系統(tǒng)測(cè)試

本系統(tǒng)在項(xiàng)目所在辦公樓進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試環(huán)境如表1所示。

實(shí)驗(yàn)過程中，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、振動(dòng)小、測(cè)試精度高，但吸塵器和測(cè)試傳感器不能同時(shí)工作，因?yàn)槲鼔m器引起系統(tǒng)的振動(dòng)會(huì)影響精度。

5? ? 結(jié)語

經(jīng)過試驗(yàn)證明，本文所設(shè)計(jì)基于STM32的電梯軌道機(jī)器人控制系統(tǒng)能夠滿足所在項(xiàng)目需求，并且具有精度高、功耗低、穩(wěn)定性好以及通用性強(qiáng)等特點(diǎn)。系統(tǒng)能夠在性能和成本上取得平衡，是一種既能保證電梯導(dǎo)軌維護(hù)質(zhì)量，又具有商業(yè)推廣價(jià)值的方案。

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Abstract：In this paper， a high-precision elevator guide rail robot control system based on STM32 single chip microcomputer is realized. In order to ensure the safety of the system， the hybrid control strategy of“autonomous + manual”is adopted. According to the actual needs of the industrial site and the project， the control system takes STM32F104 as the control core and adopts the design idea of event based real-time system. It can provide the robot with four PWM motor control signal outputs， 4 digital control signal outputs， 10 digital sensor inputs， one ad input， and one full duplex RS485 high-speed serial communication with the highest baud rate of 115 200 bps The wireless communication module can be selected according to the actual situation of the elevator shaft. The control system can meet the needs of inspection， cleaning and daily maintenance of all types of elevators in buildings below 30 floors.

Key words：STM32; elevator guide; robot; control system