管道蛇形清潔機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于海文 王斌 郭巖寶

（中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院 北京市 102200）

1 引言

在管道清潔工作中，復(fù)雜的管道形狀對管道內(nèi)壁的污垢清潔造成了極大地困難。本文依據(jù)其復(fù)雜環(huán)境的需求，設(shè)計(jì)了以STM32單片機(jī)為核心、多個傳感器和模塊融合的蛇形機(jī)器人控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人遠(yuǎn)程控制以及對管道內(nèi)環(huán)境信息采集和處理等功能[1]。

2 控制系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

為了滿足油污管道環(huán)境清潔機(jī)器人的控制需求，設(shè)計(jì)了管道蛇形清潔機(jī)器人，如圖1 所示，控制系統(tǒng)上層部分是監(jiān)控系統(tǒng)，通過Gprs 無線模塊將控制指令發(fā)送給主控系統(tǒng)，如游動、拐彎、清潔等。主控系統(tǒng)檢測到的視頻信號和超聲震蕩強(qiáng)度波形信號分別通過2.4G的無線收發(fā)模塊和Gprs 模塊傳輸給監(jiān)控系統(tǒng)顯示。主控模塊通過Gprs 模塊無線遙控從動系統(tǒng)完成機(jī)器人的移動、清潔等功能。

2.1.1 主控系統(tǒng)

主控系統(tǒng)主要由STM32 單片機(jī)、Gprs 無線通信模塊、高頻超聲波清潔模塊以及傳感器組成。主控系統(tǒng)通過Gprs 無線模塊控制渦輪電機(jī)工作推動機(jī)器人在管道內(nèi)游走，當(dāng)機(jī)器人頭部的攝像頭檢測到管道內(nèi)部油污后，主控模塊控制超聲波發(fā)生器和振子黑片啟動完成清潔工作[2]。壓電傳感器檢測超聲波清洗裝置的聲波強(qiáng)度。各模塊與主控板的連接圖如圖2 所示。

2.1.2 從控系統(tǒng)

從控系統(tǒng)使用高速ARM 處理芯片，可同時(shí)控制多路PWM 舵機(jī)運(yùn)動。從控系統(tǒng)通過Gprs 無線模塊從接收到主控系統(tǒng)的信號指令后，通過PWM 信號控制蛇形機(jī)器人各個關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動。

2.2 步態(tài)控制

本文采用Serpenoid 蛇形曲線來規(guī)劃蛇形機(jī)器人的步態(tài)運(yùn)動軌跡。蛇形機(jī)器人采用單關(guān)節(jié)自由度設(shè)計(jì)，關(guān)節(jié)與關(guān)節(jié)之間由一個舵機(jī)控制單方向擺動和一個伺服電機(jī)控制其轉(zhuǎn)動。根據(jù)機(jī)器人游走時(shí)的Serpenoid 曲線，確定其波形推進(jìn)函數(shù)。

Serpenoid 曲線的曲率方程為：

式中，Kn為曲線傳播過程中“S”波形的數(shù)量；α0為清潔機(jī)器人的初始彎角；L 為清潔機(jī)器人的總長；S 為蛇形機(jī)器人沿Serpenoid 曲線方向上的位移大小。

為了方便研究和計(jì)算，可將式（1）簡化為：

式中，x=-α0；為Serpenoid 曲線初始曲率，由（2）可知，曲率ρ 隨S 的變化而變化，當(dāng)傳播過程中“S”波形數(shù)量一定時(shí)，曲率主要由波形的初始彎角決定。

將曲率公式積分可得偏轉(zhuǎn)角公式，即對式（2）積分，可得清潔機(jī)器人前進(jìn)S 長度時(shí)頭部相對于前進(jìn)方向的偏轉(zhuǎn)角方程。

圖1：機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2：各模塊與主控板的連接圖

圖3：機(jī)器人作業(yè)示意圖

圖4：管道蛇形機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

圖5：超聲波信號反射檢測圖

由（3）可知，固定參數(shù)y 和z 的值，參數(shù)x 變化，相對應(yīng)的Serpenoid 曲線也隨之而變，由此可得y，z 不變時(shí)，x 值越大，清潔機(jī)器人前進(jìn)過程中擺動的幅值越大，并且單個“S”波形越長。

2.3 超聲波清洗模塊控制

超聲波清洗模塊利用多頻超聲波發(fā)生器和135KHz 高頻振子黑片相結(jié)合的原理實(shí)現(xiàn)清潔管道作業(yè)。135KHz 超聲波發(fā)生器置于管道外部，作業(yè)狀態(tài)下，超聲波發(fā)生器將135KHz 的交流電轉(zhuǎn)換成超聲頻電振蕩信號后，通過電纜輸送給超聲波換能裝置，蛇形機(jī)器人游走帶動超聲波清洗模塊完成清洗工作[3-4]。如圖3 所示。

3 試驗(yàn)平臺搭建測試

3.1 管道清潔機(jī)器人搭建

試驗(yàn)所需的管道蛇形清潔機(jī)器人的結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示，該機(jī)器人部分結(jié)構(gòu)由3D 打印機(jī)打印而成，既符合質(zhì)量輕的特點(diǎn)又節(jié)省了成本。

3.2 清潔效果檢測實(shí)驗(yàn)

本文通過回波反射法來檢測判斷管道蛇形清潔機(jī)器人的清潔效果。

發(fā)射信號經(jīng)過超聲波換能裝置的探頭到機(jī)器人清洗模塊的外殼，一部分能量脈沖回傳至超聲波換能裝置的接受探頭。其第三個峰值到第二個峰值，為超聲波脈沖信號經(jīng)過管道內(nèi)部的液體以及管道內(nèi)壁油污層返回的二倍時(shí)間值，其他的反射時(shí)間值因?yàn)榉递^微弱，被濾波電路處理后可忽略。電路實(shí)際測量的返回脈沖電壓的峰值是第2 次峰值與第3 次峰值之間的時(shí)間差，即后面兩峰值T2，根據(jù)時(shí)間T2 得到污垢的厚度。

式（4）中，Vs為污垢中的傳播速度為4581m/s，為最后確定的管道內(nèi)壁的污垢厚度。

3.3 清洗試驗(yàn)仿真結(jié)果

通過超聲波反射法來檢測污垢，檢測探頭即可發(fā)射脈沖信號，也可以接受脈沖信號。在檢測系統(tǒng)中，管道壁的厚度是已知的，設(shè)其厚度為H1。STM32 單片機(jī)采集到二者回波信息的時(shí)間差為T。超聲波回波檢查電路的信號接收波形如圖5 所示，其中a 為信號穿透污垢后返回的信號，b 為信號穿透管壁后返回的信號，通過計(jì)算b、c 兩點(diǎn)波峰的時(shí)間點(diǎn)差值，根據(jù)公式（4）可得到污垢的厚度[5-7]。

由于管道內(nèi)壁的污垢主要以鐵銹為主，管道蛇形清洗機(jī)器人的外殼主要以鋁制材料為主。將鐵銹、鋁和水聲速的和取平均值，將該平均值作為實(shí)驗(yàn)污垢超聲波傳播速度參量，即VS的參考值為4581m/s，約為4581mm/μs。在計(jì)算最終污垢厚度的平均值時(shí)，首先將偏差較大的數(shù)據(jù)剔除，然后將剩余的數(shù)據(jù)取平均值操作，得到該污垢測試點(diǎn)最終的厚度值為：

4 結(jié)論

本文針對管道蛇形清潔機(jī)器人控制系統(tǒng)平臺進(jìn)行了設(shè)計(jì)，該平臺實(shí)現(xiàn)了管道蛇形清潔機(jī)器人的蜿蜒、翻轉(zhuǎn)和拐彎的運(yùn)動步態(tài)以及無線遠(yuǎn)程控制機(jī)器人對管道內(nèi)壁完成清洗和數(shù)據(jù)的采集，證明了該平臺具有較好的擴(kuò)展性和可行性。通過實(shí)驗(yàn)和仿真分析驗(yàn)證了無線通信的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，以及清潔機(jī)器人在管道環(huán)境中良好的運(yùn)動穩(wěn)定性和清潔能力，為工業(yè)和生活管道提供有效的清潔保證，并在太空機(jī)器管道的清潔工作上具有良好的應(yīng)用前景。