基于PMAC的数码迷彩喷涂机器人运动控制方法

0 引言

地面建筑或物体的伪装已经成为应对高空侦察的主要技术手段，有效的伪装手段可以保证军事目标的安全性[1～4]。数码迷彩作为一种新式的利用“像素”原理的伪装手段，相比于传统迷彩隐蔽性更强，在应对高空侦察方面具有较大优势。但目前市场上缺少对数码迷彩等多色图案进行快速精确喷涂的产品，国内军事伪装技术中主要依靠人工进行数码迷彩喷涂，人工喷涂不但效率较低，极易出错，而且难以保证喷涂边界的精度，直接影响到军事伪装进度和伪装效果[5,6]。现有喷涂机器人多以单色喷涂为主。初苗等[7]基于PLC控制的两枪式直角坐标机器人样机提出一种数码迷彩机器人快速控制算法，并进行试验验证可以完成双色喷涂，其中指出喷涂作业中存在系统响应时间。同时数码迷彩主色通常由3～5种颜色组成[8]，因此对于伪装效率和效果而言，有必要开展多把喷枪喷涂机器人和考虑系统响应时间等方面的研究。

本文以PMAC运动控制器和上位机为控制平台设计了一种新型数码迷彩喷涂机器人，可以同时搭载四把喷枪，一方面避免了单喷枪换色喷涂面临的管路颜色残留、混色、清洗、对漆料要求较高等问题；另一方面，采用四把喷枪基本可以一次性完成数码迷彩喷涂作业。控制算法方面，考虑系统响应时间的因素，提出了一种喷涂机器人的快速控制算法，在减少控制单元计算量的基础上可以避免不同色块间流白或重叠现象，提高了喷涂效率以及精度。为数码迷彩军事伪装技术的理论研究和工程实施提供重要参考。

1 喷涂机器人工作原理

数码迷彩利用“像素”的原理，其通常可以分解为规整的方形小色块，可以采用直角坐标机器人的结构形式。但考虑到适应不同列宽喷涂要求，要使喷枪与喷涂作业面的距离可调，喷涂机器人采用了三轴机器人的结构形式。如图1所示为喷涂机器人设计方案，通过调节喷涂机构为水平、竖直状态，该喷涂机器人可以完成对水平喷涂工作面、竖直喷涂工作面的喷涂作业。

图1 喷涂机器人机械结构示意图

喷涂机器人主要包括行进机构、喷涂机构、控制柜和多喷枪模块。其中，行进机构主要搭载喷涂机器人喷涂机构、控制柜和多喷枪模块，并通过移动完成不同范围的喷涂作业；喷涂机构主要通过电机带动多喷枪模块沿直线导轨运动；控制柜通过控制伺服驱动器和电磁阀完成对多喷枪模块运动和状态的控制；纵向安装的多喷枪喷涂模块搭载四把喷枪实现多色的喷涂。

2 喷涂机器人运动控制方法

如图2所示为喷涂机器人坐标系示意图，其中X-Y平面与喷涂作业面平行，喷枪沿Y轴依次等距安装。多喷枪模块沿X轴和Z轴只有运动状态无喷枪开关状态，沿Y轴同时存在运动状态和喷枪开关状态。首先，根据喷涂列宽多喷枪模块沿Z轴移动。喷涂开始时，多喷枪模块沿Y轴运动完成单列喷涂后，再沿X轴移动进行下列喷涂，即多喷枪模块在X-Y平面以S型轨迹完成单次喷涂作业。

图2 喷涂机器人坐标系

如图3所示，图3(a)为喷枪在X-Z平面喷出的射流以喷枪喷嘴为顶点，喷涂作业面为底，其呈等腰三角形状；图3(b)为喷枪在喷涂作业面喷出的射流截面，其可以近似为矩形[7]。令等腰三角底边长度为de，高为h，矩形高度为w，其中矩形宽度等于等腰三角底边长度。

图3 喷枪射流截面示意图

假设喷涂作业单列色块宽度为dw，则为适应喷涂列宽多喷枪模块沿Y轴移动的距离LZ为：

多喷枪模块沿Z轴移动距离Lz后，喷枪在喷涂作业面的射流截面宽度等于喷涂列宽。

多喷枪模块沿Y轴同时存在运动状态和喷枪开关状态。为实现快速控制，定义任一喷枪沿Y轴运动可能发生开关状态变化的位置点为潜在颜色变化点[7]。如图4所示为多喷枪模块喷涂示例。其中，四把喷枪等距安装，安装间距为dp；方形色块的长度为dc，宽度为dw；记初始时1号喷枪的Y坐标为y0=0,1号喷枪进入喷涂区域第一个色块时的Y坐标为y1，即1号喷枪有距离为y1的空行程。易知潜在颜色变化点的位置为任一喷枪在喷涂区域任一色Y方向边界时的位置。

图4 多喷枪模块喷涂示例

以图第一列为例，任一喷枪只有运动到色块边界位置时，才可能发生开关状态变化。为方便判断，以1号喷枪的Y坐标为基准，则任一喷枪进入喷涂区域任一色块时1号喷枪的Y坐标分别为：

其中，y1为单列喷涂开始前多喷枪模块的空行程，i为喷枪编号（i=1，2，…，n），j为沿Y轴正方向的方形色块依次编号（j=1，2，…，m，m+1），1号喷枪的Y坐标即为潜在颜色变化点的Y坐标。

当i=n且j=m+1时，即第n把喷枪离开喷涂区域第m个色块时，为单列喷涂作业完成，则多喷枪模块沿Y轴的行程Sy为：

其中，Ey为喷涂机器人沿Y轴的有效喷涂距离，y1为单列喷涂开始前多喷枪模块的空行程，y2为单列喷涂结束后多喷枪模块的空行程。

如上所述，仅需给出任一喷枪进入喷涂区域任一色块时1号喷枪的Y坐标对应的每把喷枪的开关状态即可实现对多喷枪模块的快速控制。但实际喷涂过程中会存在系统响应时间，造成不同色块之间流白或重叠现象，因此需要作出一定的位置补偿以保证喷涂效果。假设多喷枪模块的稳定运动速度为v，系统响应时间为t，则考虑系统响应时间后任一喷枪在喷涂区域任一色块Y方向边界时1号喷枪的Y坐标为：

其中，即为考虑系统响应时间后潜在颜色变化点的Y坐标。

完成第一列喷涂后，第二列从第m个色块开始喷涂，以此类推。多喷枪模块沿X轴移动的距离LX为：

其中，dw为单列喷涂列宽。

多喷枪模块在X轴方向不需要空行程，则多喷枪模块沿X轴的行程SX为：

其中，Ex为喷涂机器人沿X轴的有效喷涂距离，k为喷涂机器人单次最大喷涂列数。

3 喷涂机器人的控制系统

喷涂机器人主要实现对平面进行数码迷彩快速喷涂，其控制系统的主要功能有两个：其一，通过伺服驱动器控制伺服电机的运动状态，实现对多喷枪模块运动的控制；其二，通过不同电磁阀的开启和闭合控制压缩气体的通断，实现对每把高压无气自动喷枪的差别控制。喷涂机器人控制系统的总体构架如图5所示。该控制系统主要由工控机、可编程多轴运动控制器（PMAC）和相应执行器组成。距离位置通过数据采集卡反馈喷枪和待喷涂作业面之间的距离，距离测定通过安装在直角坐标喷涂机器人上的两个高速摄像头实现，电磁阀和喷枪一一对应，通过PMAC提供的I/O接口控制电磁阀开启和关闭。

如图6所示为喷枪开关状态控制原理图，高压无气喷涂机实时为无气喷枪供漆，同时空气压缩机通过电磁阀与高压无气自动喷枪连接，若电磁阀通电阀门打开，压缩空气通过电磁阀进入喷枪，控制喷枪开启；反之，电磁阀断气后，喷枪关闭。喷涂过程由喷涂机器人中的喷涂子系统控制，其中喷涂子系统结构如图7所示。在喷涂模块中安装有多把喷枪，每把负责一种颜色的喷涂，喷涂过程中由PMAC通过控制运动卡来控制电机来让喷涂模块沿平行坐标轴运动，同时通过电磁阀控制喷枪的开关。

喷涂过程中是分区域作业的，即每次移动喷涂模块后完成一个1500mm×1200mm作业面的喷涂，然后关闭系统移动喷涂平台进入下一个喷涂区域进行喷涂，现以一个喷涂区域为例，喷涂机器人的工作流程如图8所示。首先由上位机识别当前喷涂区域并判断喷涂机器人喷枪是否处于初始状态，并通过视觉判别系统完成喷枪初始定位，并根据当前喷涂位置识别和完成初始程序生成，而后开启喷涂系统，按照预定轨迹自动控制X、Y轴驱动电机移动喷枪，同时根据程序由电磁阀适时判别开启相应颜色的喷枪完成当前作业区域的喷涂任务。

图5 喷涂机器人控制系统

图6 喷枪开关状态控制原理

图7 喷涂子系统工作原理

4 试验结果

为验证本文提出的运动控制算法和控制系统的有效性，根据图1喷涂机器人设计方案和图7喷涂机器人控制系统，搭建的喷涂机器人物理样机如图9所示。该喷涂机器人物理样机主体框架以铝合金为主，相比传统钢材大幅降低设备质量，符合轻量化要求。四把喷枪沿Y轴方向等距安装，安装距离dp=60mm。多喷枪模块的稳定运动速度为0.4m/s，其单次最大有效喷涂面积为1500mm×1200mm，取单列喷涂前后的空行程y1=y2=20mm，则根据式(3)和式(6)喷涂机器人多喷枪模块沿X、Y轴方向的行程分别为1500mm、1220mm。

图8 喷涂机器人的工作流程

图9 喷涂机器人物理样机

如图10所示，为色块边长dc=dp=100mm时的6行4列局部多色喷涂的试验效果，该图案为存在多个连续色块同一颜色的不规则图案，可以较好验证本文设计和研制的物理样机的喷涂效果。实验中，上位机根据式(4)预先计算出所有潜在颜色变化点，仅需四次单列运动实现了图示喷涂效果。说明：限制于实验场地，试验在橡皮纸面上进行，由于表面较为光滑，且油漆吸附能力较差，若在的水泥粗糙表面进行喷涂，效果会有进一步的提高。

如图11所示是四色多色喷涂一个完成作业区域内的数码迷彩喷涂试验结果。通过调节的油漆粘度值、喷枪开启延迟与提前关闭时间、喷枪移动速度，获得了理想的10cm×10cm数码迷彩喷涂效果，在单次作业区域内相邻马赛克方块图案之间的对接误差≤5mm，完全达到了预期喷涂效果，完成单次作业区域的喷涂时间仅为54s，效率得到大大提高，较好的验证了基于PMAC运动控制器的数码迷彩喷涂效果。

图10 多色喷涂实验效果图

图11 单次作业区域内数码迷彩喷涂效果

5 结束语

本文提出了一种基于潜在颜色变化点并且考虑系统响应时间的快速喷涂控制算法，仅需在有限个潜在颜色变化点进行控制，即可完成多色喷涂作业，提高工作效率。并设计了以PMAC和工控机为控制平台的喷涂机器人控制系统。通过样机研制和多色喷涂实验表明，利用本文设计研制的喷涂机器人对任一单列四色图案，喷涂机器人仅需一次喷涂运动即可完成喷涂作业。数码迷彩主色通常由3～5种颜色组成，即本文设计研制的喷涂机器可以单次完成绝大部分数码迷彩平面喷涂作业。