基于電源線載波的有纜管道機(jī)器人通信系統(tǒng)

孫康嶺，楊兆偉

（泰山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，泰安 271000）

0 引言

管道機(jī)器人是特種機(jī)器人的一個(gè)分支，可進(jìn)入管道完成管道檢測、清潔、維修、維護(hù)等方面的作業(yè)[1～4]。目前，許多國家開展了管道機(jī)器人的研制工作。德國的Dipl.-Ing.AndreasZagler開發(fā)了管道爬行機(jī)器人，重量為20kg，八足爬行，驅(qū)動(dòng)能力15kg，采用直流供電方式。俄羅斯的TARIS公司研制了多個(gè)系列管道機(jī)器人系統(tǒng)，用以完成地下輸水管道的檢測、清理[7]，這些管道機(jī)器人的能源供給和對(duì)外通信采用拖纜方式。日本橫濱國立大學(xué)Chi Zhu等人于2000年研制成功用于檢測污水排放管道的管道檢測機(jī)器人[8]，該機(jī)器人適用于管徑為200mm的管道。2000年，在國家“863”計(jì)劃資助下，鄧宗全教授研制成功了X射線探傷機(jī)器人[9]，該機(jī)器人以有纜方式供電。管道機(jī)器人大都采用有纜方式進(jìn)行能源供給和對(duì)外通信，在一定程度上限制了管道機(jī)器人的作業(yè)距離。

無纜方式的管道機(jī)器人以攜帶蓄電池或燃油發(fā)電機(jī)組的方式實(shí)現(xiàn)能源供給，導(dǎo)致管道機(jī)器人的體積過于龐大，從而大大增加了機(jī)器人本體的重量。這種方式的管道機(jī)器人所儲(chǔ)存的能量有限，因而機(jī)器人的動(dòng)力不足，行走距離也受限制[5,6]。同時(shí)無纜管道機(jī)器人對(duì)外通信也只能采用無線方式，由于管網(wǎng)的錯(cuò)綜復(fù)雜，管道會(huì)對(duì)無線信號(hào)產(chǎn)生很強(qiáng)的屏蔽作用，從而造成管道內(nèi)機(jī)器人的失控。由于無纜機(jī)器人在能源供給及對(duì)外通信上存在著明顯的缺點(diǎn)，很多場合下，管道機(jī)器人采用有纜方式。

雖然有纜管道機(jī)器人的作用千差萬別，但其結(jié)構(gòu)基本相同，如圖1所示。其中，管理服務(wù)器與測控主機(jī)位于管道外，二者距離較近，通過RS232或USB接口進(jìn)行通信。測控分機(jī)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)位于機(jī)器人小車上，在執(zhí)行任務(wù)時(shí)進(jìn)入管道內(nèi)。測控主機(jī)向分機(jī)發(fā)布命令（此命令也可來處管理服務(wù)器），同時(shí)接收來自測控分機(jī)的狀態(tài)信息，通過運(yùn)算，然后對(duì)分機(jī)下達(dá)精確的指示。測控分機(jī)收到命令后，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制機(jī)器人小車的運(yùn)行、作出執(zhí)行任務(wù)所需的相關(guān)動(dòng)作。

圖1 有纜管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)框圖

傳感器向測控分機(jī)傳遞管道機(jī)器人的狀態(tài)信息。當(dāng)管道機(jī)器人在管道內(nèi)作業(yè)距離較遠(yuǎn)時(shí)，管道外的測控主機(jī)與機(jī)器人小車上的測控分機(jī)相距較遠(yuǎn)，二者間的通信主要基于長距離串行通信模塊如RS485進(jìn)行。 這種通信方式需要獨(dú)立的串行通信線，因此測控主機(jī)與測控分機(jī)間的線纜內(nèi)除了包含電源線外還包括串行通信信號(hào)線。當(dāng)機(jī)器人行走距離遠(yuǎn)、管道轉(zhuǎn)彎較多時(shí)，線纜與管壁的摩擦力會(huì)變得很大，從而嚴(yán)重限制了機(jī)器人作業(yè)時(shí)的最大行走距離，同時(shí)使機(jī)器人的可靠性降低。為了克服上述缺點(diǎn)，本文將電源線載波技術(shù)用于管道機(jī)器人的通信系統(tǒng)，線纜內(nèi)電源線與串行通信信號(hào)線共用，大大減輕了線纜的重量及線纜與管壁的摩擦力，提高了管道機(jī)器人的可靠性，增大了其作業(yè)時(shí)的最大行走距離。

1 載波芯片選擇

電源線載波通信是利用電源線作為信號(hào)的傳輸媒介，不需要單獨(dú)的信號(hào)線，將信號(hào)通過載波方式從電源線進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)[10］。

為簡化應(yīng)用并提高載波通信的可靠性，國內(nèi)外許多公司開發(fā)了電源載波芯片。國內(nèi)科強(qiáng)電子技術(shù)公司開發(fā)的KQ-100F載波芯片模塊可用于低壓直流電源線載波，接收靈敏度好，性價(jià)比高。該芯片內(nèi)置RS232接口，可在多種傳輸速率下傳輸，在傳輸波特率9600 bps 下，傳輸距離保證為300m[11]。由于采用該芯片進(jìn)行載波通信，通信軟件的編程可按RS232方式進(jìn)行，適宜于現(xiàn)有軟件的移植，因此本管道機(jī)器人通信系統(tǒng)采用KQ-100F芯片進(jìn)行信號(hào)的載波通信。

2 硬件設(shè)計(jì)

采用Atmel公司的ATmega16A單片機(jī)與KQ-100E 模塊連接，用半雙工通信方式進(jìn)行串行通信。KQ-100E模塊負(fù)責(zé)將TTL 電平信號(hào)轉(zhuǎn)換后調(diào)制到電源線上和從電源線上解調(diào)出TTL 電平信號(hào)。

KQ-100E模塊的TX 腳接單片機(jī)的TXD 腳用于發(fā)送數(shù)據(jù)，RX 腳接單片機(jī)的RXD腳以接收數(shù)據(jù)。KQ-100E模塊的R/T腳為接收/發(fā)送控制端，接單片機(jī)的某一管腳。R/T為高時(shí)，模塊處于接收狀態(tài)；R/T為低時(shí)，處于發(fā)送狀態(tài)。模塊內(nèi)有防過壓和防瞬變抑制電路，以防過電壓和雷電對(duì)模塊的損壞。VAA 端為發(fā)送功率電源，VAA 接不超過18 V的直流穩(wěn)壓電源，具體電源電壓的高低視距離遠(yuǎn)近或干擾的大小而定。若距離遠(yuǎn)或干擾大VAA端接低壓，反之則接高壓。為了減輕VAA端所接電源對(duì)載波模塊的干擾，在該電源與模塊的VAA 之間串接一只10mH的電感，在VAA與地之間接100pF的電容。

圖3給出了測控主機(jī)中載波部分的電路圖。24V直流電源由管道外的開關(guān)穩(wěn)壓電源提供，該電源變壓后給電路提供12V及5V的電源。測控分機(jī)載波部分的電路圖與此圖相似，KQ-100E模塊的C1、C2導(dǎo)線既為測控分機(jī)提供電源也是測控主機(jī)與測控分機(jī)之間的信號(hào)通道。測控分機(jī)載波部分的電路圖不再給出。

圖2 測控主機(jī)中載波部分的電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 通信協(xié)議

由于只有一個(gè)測控主機(jī)與一個(gè)測控分機(jī)，所以可以制定簡單有效的通信協(xié)議以滿足通信要求。采用數(shù)據(jù)包的形式組織數(shù)據(jù)，以包為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)的對(duì)外發(fā)送。每個(gè)數(shù)據(jù)包都有固定的格式，由起始碼、長度碼、類型碼、數(shù)據(jù)、校驗(yàn)碼、結(jié)束碼等組成。起始碼是每一包數(shù)據(jù)的引導(dǎo)頭，用0FFH、0AAH表示；長度碼是當(dāng)前數(shù)據(jù)包的總長度，占一個(gè)字節(jié)。數(shù)據(jù)包的類型有兩大類，分為命令信息包和應(yīng)答信息包，由類型碼來區(qū)分，占1個(gè)字節(jié)。當(dāng)發(fā)送方發(fā)出命令信息包后，必須在規(guī)定時(shí)間內(nèi)收到應(yīng)答信息包，否則重發(fā)。若類型碼為0FAH或0FBH，該數(shù)據(jù)包為應(yīng)答信息包，表示所接收的信息正確或錯(cuò)誤。當(dāng)類型碼為0FAH、0FBH以外的字符時(shí)，表示該數(shù)據(jù)包為命令信息包，具體是什么命令可根據(jù)需要進(jìn)行定義。校驗(yàn)碼是數(shù)據(jù)包的校驗(yàn)標(biāo)志，是本數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)部分的所有字節(jié)進(jìn)行異或后的結(jié)果，用以檢驗(yàn)數(shù)據(jù)包發(fā)送后的正確性。結(jié)束碼是每一包數(shù)據(jù)的結(jié)束標(biāo)志，用0FFH、0EEH表示。命令信息包的格式如表1所示。當(dāng)類型碼為應(yīng)答信息碼時(shí)，為應(yīng)答信息包，其格式與命令信息包相似，不再給出。

表1 命令信息包的格式

3.2 通信流程

測控主機(jī)與測控分機(jī)都可以發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。為了避免主機(jī)與分機(jī)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)生沖突時(shí)（得不到對(duì)方響應(yīng)），測控分機(jī)暫停1個(gè)時(shí)間間隔（如10個(gè)指令周期）再發(fā)送，測控主機(jī)不用暫停直接重發(fā)。測控主機(jī)與測控分機(jī)的主程序首先要進(jìn)行串行通信的初始化設(shè)置，數(shù)據(jù)包的發(fā)送通過調(diào)用發(fā)送子程序進(jìn)行，而接收則通過單片機(jī)的中斷方式進(jìn)行。在主程序中采用中斷方式接收數(shù)據(jù)，可避免漏接數(shù)據(jù)，同時(shí)當(dāng)沒有數(shù)據(jù)需要傳送時(shí)，正常運(yùn)行程序的其他部分，從而提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。

當(dāng)沒有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，測控主機(jī)與測控分機(jī)的KQ-100E模塊的R/T端皆設(shè)置為高電平，模塊都處于接收狀態(tài)。當(dāng)一方要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先置其R/T為低，串行輸出一個(gè)數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包發(fā)送完畢后，發(fā)送方把本方模塊的R/T端置高，設(shè)為接收狀態(tài)。測控分機(jī)的發(fā)送數(shù)據(jù)子程序流程如圖4 所示，發(fā)送時(shí)先置KQ-100E模塊為發(fā)送模式，然后將待發(fā)送數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式進(jìn)行發(fā)送，發(fā)送完后置KQ-100E模塊為接收模式，若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)（不同的命令等待時(shí)間可不同）收不到應(yīng)答信息，延時(shí)50us重發(fā)。測控主機(jī)的發(fā)送數(shù)據(jù)子程序流程與測控分機(jī)的相似，不同之處是收不到應(yīng)答信息時(shí)直接重發(fā)，其流程圖不再給出。測控主機(jī)與分機(jī)的接收數(shù)據(jù)中斷程序流程相同，如圖5 所示。其中，接收方根據(jù)所收數(shù)據(jù)包的校驗(yàn)碼正確與否，設(shè)置相應(yīng)的類型碼，連同發(fā)送方所要的數(shù)據(jù)打成一個(gè)數(shù)據(jù)包并回復(fù)，然后返回主程序。若發(fā)送方所收應(yīng)答包的類型碼為0FBH，則再次調(diào)用發(fā)送子程序重發(fā)。

4 結(jié)論

由于無纜管道機(jī)器人在供電及通信上存在著明顯的缺點(diǎn)，很多場合下，管道機(jī)器人采用有纜方式。而有纜管道機(jī)器人當(dāng)在管道內(nèi)行走距離遠(yuǎn)、管道轉(zhuǎn)彎較多時(shí)，由于線纜長度增加、重量增大，線纜與管壁的摩擦力會(huì)變得很大，嚴(yán)重影響了管道機(jī)器人作業(yè)時(shí)的最大行走距離及其可靠性。本文將KQ-100E電源線載波調(diào)制解調(diào)模塊用于機(jī)器人的載波通信系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了線纜內(nèi)電源線與信號(hào)線的復(fù)用，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件與軟件，完成了軟硬件測試，并在中央空調(diào)風(fēng)管清潔機(jī)器人系統(tǒng)中進(jìn)行了應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明，該通信系統(tǒng)大大減輕了線纜與管壁的摩擦力，對(duì)增大有纜管道機(jī)器人的最大行走距離、提高其可靠性，具有非常顯著的作用。

圖3 測控分機(jī)的發(fā)送子程序

圖4 數(shù)據(jù)包的接收中斷程序

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