一種管道作業(yè)機(jī)器人的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉嘉偉++++董伉伉

摘 要： 管道作業(yè)機(jī)器人是為了解決小型管道內(nèi)作業(yè)困難的問(wèn)題而設(shè)計(jì)的。本文介紹了該機(jī)器人的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。經(jīng)多次試驗(yàn)和實(shí)際使用測(cè)試證明其具有穩(wěn)定可靠、操作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 管道作業(yè) 嵌入式系統(tǒng) 可靠實(shí)用

1.引言

目前樓宇中普遍存在管道內(nèi)作業(yè)困難的情況，如：下水管道易堵塞且難清理、管道內(nèi)電纜走線困難、管道塌陷后的狹小空間內(nèi)勘測(cè)作業(yè)困難等。在此背景下，管道作業(yè)機(jī)器人從生活中的實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)對(duì)管道堵塞等問(wèn)題合理解決的系統(tǒng)。該機(jī)器人通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)、控制程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)操作平臺(tái)設(shè)計(jì)最終實(shí)現(xiàn)。該管道作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)包括多輪式行走結(jié)構(gòu)、清理執(zhí)行機(jī)構(gòu)、基于STM32F103RBT6單片機(jī)的嵌入式控制系統(tǒng)、機(jī)器人供電系統(tǒng)和基于windows系統(tǒng)的上位機(jī)操作平臺(tái)，系統(tǒng)融合單片機(jī)嵌入式技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)等多學(xué)科結(jié)構(gòu)。該管道作業(yè)機(jī)器人最大作業(yè)距離為100m，能夠出色完成在水平、豎直、U型、十字形等管道內(nèi)的可靠行走和高效工作，且具備操作簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)。

2.硬件電路設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

管道作業(yè)機(jī)器人以電能作為動(dòng)力。因?yàn)闄C(jī)器人在狹小的管道內(nèi)工作，所以必須保證機(jī)器人的重量盡量小，還要保證電能在傳輸過(guò)程的損耗盡量小，輸出電壓能夠使機(jī)器人各部分正常工作。因此，將機(jī)器人供電電源模塊分為兩部分：一部分在地上，直接輸入220V交流電，經(jīng)電源模塊轉(zhuǎn)換為24V直流電后由電線傳送給管道內(nèi)的機(jī)器人，再由機(jī)器人內(nèi)部的電源轉(zhuǎn)換模塊降至12V，供電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊使用；另一部分將轉(zhuǎn)換后得到的12VDC轉(zhuǎn)換為3.3VDC作為單片機(jī)工作電源。電源轉(zhuǎn)換原理框圖如圖1所示。

2.2主控單元設(shè)計(jì)

機(jī)器人主控單元采用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103RBT6單片機(jī)。STM32F103RBT6單片機(jī)是一款32位MCU，基于ARM Cortex-M3內(nèi)核及擁有豐富且強(qiáng)勁的外圍，且STM32F103RBT6為L(zhǎng)QFP64封裝，體積小，編程簡(jiǎn)單。在該機(jī)器人系統(tǒng)中，STM32F103RBT6單片機(jī)作為機(jī)器人的“大腦”，通過(guò)一定的程序算法，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制、與上位機(jī)的通信和噴水嘴等工具的控制等功能，發(fā)揮著主要作用。控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是為了滿足機(jī)器人在管道內(nèi)行進(jìn)而設(shè)計(jì)的。機(jī)器人需要在復(fù)雜的管道內(nèi)行進(jìn)，會(huì)出現(xiàn)豎直管道、十字形管道、U型管道等情況，需要選取體積小且扭矩大的電機(jī)。該機(jī)器人采用PWM調(diào)速方式，但選取的電機(jī)需要12V直流電驅(qū)動(dòng)，單片機(jī)產(chǎn)生的PWM控制信號(hào)的高電平只有3.3V，且不具備驅(qū)動(dòng)能力，所以需要增加電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。該機(jī)器人采用常用的H橋驅(qū)動(dòng)電路，此處采用TI公司的電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成芯片DRV8848。DRV8848是一款集成了雙路H橋的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，最大驅(qū)動(dòng)電流為2A（并聯(lián)模式下驅(qū)動(dòng)電流為4A），且具有體積小、外圍電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。該機(jī)器人的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊總共包含3路相同的DRV8848驅(qū)動(dòng)電路，單片機(jī)共需產(chǎn)生12路單獨(dú)的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

2.4傳感檢測(cè)單元設(shè)計(jì)

傳感檢測(cè)單元主要包括陀螺儀角度傳感器模塊和攝像頭圖像采集模塊。機(jī)器人在行進(jìn)過(guò)程中有時(shí)需要旋轉(zhuǎn)不同的角度以適應(yīng)管網(wǎng)中不同類型的彎管，這時(shí)就必須保證機(jī)器人在完成轉(zhuǎn)彎動(dòng)作后仍保持正確的姿態(tài)。如果機(jī)器人采用開(kāi)環(huán)控制，機(jī)器人在行進(jìn)過(guò)程中就會(huì)出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)等不可控的情況，因此機(jī)器人的行進(jìn)必須采用閉環(huán)控制，一般可通過(guò)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)實(shí)現(xiàn)但集成有編碼器的電機(jī)價(jià)格高昂，體積較大。因此，該機(jī)器人采用不含編碼器的電機(jī)而選用陀螺儀模塊實(shí)現(xiàn)，通過(guò)陀螺儀實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)器人所轉(zhuǎn)過(guò)的角度從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制。該陀螺儀模塊選用MPU-6050模塊，MPU-6050整合3軸陀螺儀、3軸加速器，可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動(dòng)作，準(zhǔn)確測(cè)量出機(jī)器人在空間中的角度，滿足控制需求。

攝像頭圖像采集模塊是為實(shí)時(shí)傳輸管道內(nèi)圖像至上位機(jī)操作平臺(tái)而設(shè)計(jì)的。攝像頭鏡頭采用防水設(shè)計(jì)，擁有4顆高亮LED燈，可調(diào)節(jié)亮度，攝像頭可以自動(dòng)白平衡并且具有自動(dòng)曝光功能，圖像的亮度、對(duì)比、色調(diào)、彩度可調(diào)整。攝像頭采用高品質(zhì)雙層屏蔽線，線長(zhǎng)達(dá)100m，方式信號(hào)衰減，隔離外部電磁干擾，外接式USB2.0接口設(shè)計(jì)，即插即用。

2.5通信單元設(shè)計(jì)

通信單元用于實(shí)現(xiàn)上位機(jī)操作平臺(tái)和機(jī)器人間的數(shù)據(jù)和命令傳輸。攝像頭數(shù)據(jù)的傳輸采用USB協(xié)議傳輸，可直接在上位機(jī)操作平臺(tái)上讀取圖像?？刂泼畹膫鬏敳捎肦S485通信協(xié)議，RS485的通信距離較長(zhǎng)，最大無(wú)中繼傳輸距離為1200m，而機(jī)器人最大通信距離只需100m，完全能滿足目標(biāo)需求且不需加中繼器。另外，RS485通信方式較簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)比較容易，信號(hào)傳輸比較穩(wěn)定。RS485通信模塊選取美信公司生產(chǎn)的MAX485芯片，其具有低功耗、通訊穩(wěn)定、小體積等優(yōu)點(diǎn)。

3.軟件設(shè)計(jì)

3.1控制單元設(shè)計(jì)

基于STM32F103RBT6單片機(jī)的控制單元需要實(shí)現(xiàn)的主要功能包括與上位機(jī)的通信、對(duì)電機(jī)的控制、對(duì)高壓水槍的控制，其中對(duì)電機(jī)的控制最復(fù)雜。圖3為控制單元的總體程序流程圖。

3.2操作平臺(tái)設(shè)計(jì)

基于windows的上位機(jī)操作平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)操作人員對(duì)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制。上位機(jī)操作平臺(tái)主要包括攝像頭采集畫(huà)面的顯示、控制命令的發(fā)送等，方便操作人員實(shí)時(shí)掌握管道內(nèi)的情況并及時(shí)控制機(jī)器人做出相應(yīng)的動(dòng)作。圖4為上位機(jī)操作平臺(tái)的程序流程圖。

4.總結(jié)與展望

以管道清理工作為例，通過(guò)多次試驗(yàn)證明該機(jī)器人能夠適應(yīng)直徑為10至20cm的不同管道且能完成管道清理工作，所需時(shí)間較短，在直道內(nèi)完全清理障礙物需要5分鐘，在U型管處的障礙物完全清理需要8分鐘。機(jī)器人最大工作距離為100m，能滿足大多數(shù)管道清理工作的需求。

雖然目前制作的機(jī)器人已經(jīng)能夠滿足實(shí)際需求，但因?yàn)闄C(jī)器人的供電、攝像圖像回傳和通信均采用有線方式，再加上高壓水槍的水管，這些對(duì)機(jī)器人的行進(jìn)有較大的影響。因此，經(jīng)廣泛查閱資料及討論后決定認(rèn)為可采用電力載波技術(shù)將電纜線合三為一，減小線纜對(duì)機(jī)器人的影響。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：201410058028）。