管溝機(jī)器人自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傅茂龍，孟 文，孟祥印，楊子鐿，郭學(xué)理

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031)

0 引言

機(jī)器人的發(fā)展歷史可以一直追溯到18世紀(jì)末19世紀(jì)初，英國(guó)的自動(dòng)紡織機(jī)成為機(jī)器人的最早原型。直到21世紀(jì)以來(lái)，機(jī)器人技術(shù)在不斷發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)被認(rèn)為是對(duì)未來(lái)的產(chǎn)業(yè)具有重大意義的高新技術(shù)之一[1]。機(jī)器人是集成計(jì)算機(jī)、機(jī)械結(jié)構(gòu)及自動(dòng)化技術(shù)的高端智能設(shè)備[2]，機(jī)器人可以執(zhí)行各種任務(wù)，從日常家務(wù)[3-4]、工業(yè)生產(chǎn)[5-7]、醫(yī)療設(shè)備[8-9]到極端環(huán)境檢測(cè)[10-11]。機(jī)器人為人類提高了生產(chǎn)效率，增強(qiáng)了安全性，改善了生活質(zhì)量，降低了勞動(dòng)成本?？偠灾?，機(jī)器人在人類生活中成為了不可或缺的一部分，成為人類最重要的輔助工具之一[12]。

隨著我國(guó)城市建設(shè)工業(yè)化、現(xiàn)代化和智能化的推進(jìn)，越來(lái)越多的鐵路、高速公路以及城鎮(zhèn)都配備了排水管溝[13]。排水管溝經(jīng)長(zhǎng)期使用時(shí)，需要定期對(duì)排水管溝進(jìn)行檢測(cè)，排水管溝系統(tǒng)錯(cuò)綜復(fù)雜，使得排水管溝管理，檢修問(wèn)題尤為突出。最早管溝的維修都是人工進(jìn)行檢修，管溝內(nèi)環(huán)境惡劣，人工進(jìn)入管溝內(nèi)還存在著瘴氣、塌陷等風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致人工檢測(cè)的效率低下[14]?，F(xiàn)階段結(jié)合機(jī)器人技術(shù)，出現(xiàn)了管溝檢測(cè)機(jī)器人代替人工進(jìn)入管溝檢測(cè)[15]，管溝機(jī)器人最早出現(xiàn)在歐美國(guó)家，后逐漸引入國(guó)內(nèi)，在沿海城市得到了廣泛的應(yīng)用。

管溝檢測(cè)機(jī)器人主要是在鐵路涵洞，公路排水渠以及城市管網(wǎng)進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)管溝進(jìn)行檢測(cè)、清潔等[16]。管溝檢測(cè)機(jī)器人攜帶一定的傳感器、攝像頭等，進(jìn)入管溝檢測(cè)[17]，將管溝內(nèi)的環(huán)境實(shí)時(shí)反饋給工作人員，由工作人員進(jìn)行管溝缺陷的評(píng)估和分析[18]。但是現(xiàn)如今的管溝機(jī)器人還存在著一定的不足，例如：1)操作復(fù)雜、操作界面不夠簡(jiǎn)潔，需要提前對(duì)工作人員進(jìn)行培訓(xùn)；2)信號(hào)連接不穩(wěn)定、管溝內(nèi)情況復(fù)雜、距離較長(zhǎng)、傳輸?shù)男盘?hào)容易受干擾，導(dǎo)致指令接收錯(cuò)誤和數(shù)據(jù)中斷；3)機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)較為困難、機(jī)器人的零件較為昂貴，增加了機(jī)器人的成本[19]；檢測(cè)任務(wù)繁重，需要人工進(jìn)行輔助檢測(cè)，無(wú)法做到完全智能化。因此，針對(duì)上述的種種問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)出一種操作簡(jiǎn)單、通信穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和智能化的管溝檢測(cè)機(jī)器人[20-21]。

為解決上述管溝機(jī)器人的種種痛點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一整套的管溝機(jī)器人自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含了數(shù)據(jù)處理和指令下發(fā)的PC上位機(jī)，管溝機(jī)器人本體，接收上位機(jī)命令的MCU微控制器以及各種執(zhí)行器。所設(shè)計(jì)的管溝機(jī)器人自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)管溝內(nèi)部檢測(cè)，采集管溝內(nèi)圖像數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程指令接收，可視化交互操作界面和自動(dòng)化缺陷判別等功能。研制出管溝機(jī)器人自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)試，機(jī)器人系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地接收PC上位機(jī)的指令進(jìn)行管溝檢測(cè)，以及對(duì)管溝缺陷的自動(dòng)缺陷檢測(cè)。

1 管溝機(jī)器人系統(tǒng)

結(jié)合上述管溝機(jī)器人的檢測(cè)任務(wù)要求，設(shè)計(jì)出了一種實(shí)時(shí)性強(qiáng)、性能穩(wěn)定的自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)。自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)的工作流程為：管溝機(jī)器人進(jìn)入管溝內(nèi)部，PC上位機(jī)對(duì)管溝機(jī)器人和線纜車發(fā)送指令，管溝機(jī)器人接收指令后進(jìn)行前進(jìn)、后退、抬升相機(jī)等操作，采集管溝內(nèi)部的圖像信息。線纜車依據(jù)指令進(jìn)行收放線纜，當(dāng)機(jī)器人在管溝內(nèi)部宕機(jī)時(shí)，線纜車將機(jī)器人拖回，回收管溝機(jī)器人。PC上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人的狀態(tài)，顯示管溝圖像，電機(jī)轉(zhuǎn)速，抬升角度等信息，PC作為自動(dòng)化檢測(cè)的大腦，對(duì)機(jī)器人、線纜車進(jìn)行控制和監(jiān)控。

自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)主要可以分為3層：決策層、管理層及執(zhí)行層。決策層包含了PC上位機(jī)和控制手柄，管理層主要是MCU的微控制器，用于接收決策層的命令和上傳數(shù)據(jù)，執(zhí)行層主要是各類電機(jī)和攝像機(jī)，完成對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。管溝機(jī)器人自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)的總體如圖1所示。

圖1 管溝機(jī)器人自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)框圖

1)決策層：決策層主要是用于接收工業(yè)攝像機(jī)的圖像信息，可視化機(jī)器人信息，接收機(jī)器人數(shù)據(jù)和下發(fā)控制指令。

2)管理層：管理層包含了管溝機(jī)器人本體和線纜車兩大部分，機(jī)器人本體又包含機(jī)器人車身和機(jī)器人云臺(tái)，機(jī)器人本體內(nèi)部采取CAN總線通信進(jìn)行信息交互。管理層和決策層之間采取RS485總線進(jìn)行通信，接收決策層的指令。

3)執(zhí)行層：執(zhí)行層主要是各類電機(jī)、LED燈和傳感器、接收MCU的控制信號(hào)，完成對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。

2 管溝機(jī)器人系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 PC工控機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)

PC工控機(jī)承擔(dān)了主要的視覺(jué)檢測(cè)以及運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)，首先接收工業(yè)攝像機(jī)的圖像信息和機(jī)器人本體傳輸?shù)臓顟B(tài)信息，然后通過(guò)得到的數(shù)據(jù)標(biāo)注出管道缺陷類型和位置，計(jì)算出機(jī)器人本體所需要的電機(jī)速度，最后通過(guò)RS485下發(fā)指令給機(jī)器人本體，機(jī)器人本體控制相應(yīng)執(zhí)行設(shè)備完成作業(yè)。

PC工控機(jī)現(xiàn)階段主要的接口是USB，分析上述需求，需要將USB轉(zhuǎn)換成接收視頻的同軸電纜和RS485總線通信。具體設(shè)計(jì)如下：

1)USB轉(zhuǎn)同軸電纜：USB轉(zhuǎn)同軸電纜中使用的是美樂(lè)威的USB Capture SDI Gen 2，輸入接口支持SDI/HD/3G-SDI，本項(xiàng)目使用的是3G-SDI，最高支持的傳輸距離是150 m。采集的最高分辨率為20 481 080，采集的幀率最高支持120 fps，主機(jī)的接口為USB3.0，兼容USB2.0，主機(jī)即插即用，自動(dòng)檢測(cè)輸入信號(hào)。USB Capture SDI Gen 2如圖2所示。

圖2 美樂(lè)威USB Capture SDI Gen 2

2)USB轉(zhuǎn)RS485：USB轉(zhuǎn)RS485的硬件電路基本方案是先將USB的DP和DM差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成TTL串口TX/RX，再將TX/RX轉(zhuǎn)換成RS485的A和B，最終完成USB協(xié)議到RS485協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

如圖3所示，使用CH340E芯片將USB轉(zhuǎn)換成TTL的串行通信TX/RX，CH340E內(nèi)置時(shí)鐘無(wú)需外部另接晶振，是MSOP-10的微小型的貼片封裝。TTL轉(zhuǎn)RS485的芯片選擇SP3485EN-L，是SOIC-8的貼片小型封裝，利用CH340E的TNOW引腳對(duì)SP3485EN-L的接收和發(fā)送DE進(jìn)行控制。USB轉(zhuǎn)RS485還添加了LED燈指示現(xiàn)在是否工作，添加濾波電容對(duì)USB進(jìn)來(lái)的5 V進(jìn)行濾波處理。

圖3 USB轉(zhuǎn)RS485原理圖

2.2 控制手柄硬件設(shè)計(jì)

控制手柄作為決策系統(tǒng)的其中一部分，設(shè)計(jì)的最初目的是方便工作人員在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制，通過(guò)選擇不同的按鍵實(shí)現(xiàn)不同的功能。設(shè)計(jì)的整體思路是手柄+接收發(fā)送器配合，當(dāng)檢測(cè)出按鍵按下時(shí)，對(duì)應(yīng)的接收發(fā)送器通過(guò)RS485總線發(fā)出相應(yīng)的指令。如圖4所示，選取STM32F103C8T6作為發(fā)送接收器的主控芯片，選取索尼的PS2進(jìn)行反向破譯，當(dāng)PS2手柄的按鍵按下，通過(guò)2.4 G無(wú)線的接收器，MCU接收到按鍵按下的信息，發(fā)出對(duì)應(yīng)的指令。

圖4 控制手柄硬件框圖

2.3 管溝機(jī)器人車身硬件設(shè)計(jì)

隧道管溝機(jī)器人車身的硬件系統(tǒng)主要是以MCU的主控器為核心，通過(guò)接收上層決策系統(tǒng)下發(fā)的指令，完成相應(yīng)的動(dòng)作。隧道管溝機(jī)器人的MCU的主控板是實(shí)現(xiàn)電機(jī)等閉環(huán)控制的基礎(chǔ)，通過(guò)一些采樣電路、通信電路和傳感器模塊，完成對(duì)隧道管溝機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。本小節(jié)中，機(jī)器人的車身硬件設(shè)計(jì)考慮從機(jī)器人車身的控制需求和實(shí)際環(huán)境特性出發(fā)，機(jī)器人車身主要負(fù)責(zé)的是機(jī)器人本體的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎和云臺(tái)的升降。車身的主控MCU接收到?jīng)Q策系統(tǒng)下發(fā)的指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的操作以及回復(fù)PC工控機(jī)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求。

依據(jù)上述的要求，機(jī)器人本體車身的硬件要求有如下幾點(diǎn)：

1)MCU主控制器電路；

2)RS485接口電路；

3)CAN接口電路。

隧道管溝機(jī)器人本體車身硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 機(jī)器人本體車身硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.4 電源供電電路設(shè)計(jì)

隧道管溝機(jī)器人本體車身需要的電壓有：MCU的3.3 V、CAN和RS485接口電路的5 V、繼電器的12 V、光耦隔離的PWM輸出的12 V和電機(jī)所需的24 V。綜上所述，機(jī)器人本體所需要的供電方案有：24 V-DCDC-12 V、24 V-DCDC-5 V和5 V-LDO-3.3 V。

2.4.1 24 V-DCDC-12 V

24 V轉(zhuǎn)12 V的DCDC方案選擇的開(kāi)關(guān)電源芯片是，LM2678S-12 V，是TI(德州儀器)推出的新型的DCDC芯片。LM2678S-12 V具有內(nèi)置電阻調(diào)節(jié)，固定輸出12 V電壓，輸入的電壓從8～40 V。具有高達(dá)92%的轉(zhuǎn)換效率，260 kHz的固定轉(zhuǎn)換頻率，待機(jī)電流僅為50 μA，使用的溫度范圍為-40～+125°，能夠滿足絕大部分的使用要求，而且使用起來(lái)簡(jiǎn)單，無(wú)需外接太多元器件即可完成轉(zhuǎn)換。使用LM2678S-12 V進(jìn)行轉(zhuǎn)換的電路如圖6所示。

圖6 24 V-DCDC-12 V

2.4.2 24 V-DCDC-5 V

依據(jù)上述針對(duì)一些接口電路的供電需求，需要將24 V轉(zhuǎn)換成5 V給CAN接口芯片供電?？紤]到經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、穩(wěn)定可靠的要求，選擇了這款LM2595S-5.0RG，TO263的貼片封裝。LM2595S-5.0RG是一款經(jīng)典的PWM控制的DCDC(穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換器)，具有3 A的大電流驅(qū)動(dòng)能力，相較于其他芯片具有高效率、較低的紋波和高線性的調(diào)節(jié)率等特點(diǎn)。該芯片的占空比調(diào)節(jié)范圍為0～100%，寬輸入電壓從0～45 V，有3.3 V、5 V和12 V的固定輸出版本和可調(diào)輸出版本。項(xiàng)目中使用的是5 V的固定輸入版本，具有150 kHz的固定的工作頻率，內(nèi)置了電流過(guò)流保護(hù)和過(guò)溫防護(hù)，還帶有ON-OFF的遲滯開(kāi)關(guān)功能，單價(jià)便宜，適用于多種設(shè)備。項(xiàng)目中使用LM2595S-5.0RG將24 V轉(zhuǎn)換成5 V的電路原理如圖7所示。

圖7 24 V-DCDC-5 V電路原理圖

2.4.3 5 V-LDO-3.3 V

考慮到MCU主控芯片需要的電源紋波更小，所以不能選擇DCDC方案，應(yīng)該選擇LDO方案。LDO(低壓差線性穩(wěn)定器)體積更小、精度更高、紋波更小，但是轉(zhuǎn)換效率不高。綜上所述，LDO不宜壓降太大，所以選擇上文中24 V-DCDC-5 V后的5 V作為芯片的輸入電壓。本項(xiàng)目選擇的芯片是較為實(shí)惠的UMW(友臺(tái)半導(dǎo)體)的AMS1117-3.3的固定輸出版本，輸出的電流為1 A，具有電流過(guò)流保護(hù)，輸出電壓的精度控制在2%以內(nèi)，工作溫度范圍為-40～+125 ℃。AMS1117-3.3的使用比較簡(jiǎn)單，一般為3個(gè)引腳、一個(gè)輸入、一個(gè)輸出和接地。輸出端接入兩個(gè)電容進(jìn)行濾波，輸出接兩個(gè)電容進(jìn)行去耦，AMS1117-3.3的使用電路如圖8所示。

圖8 5 V-LDO-3.3 V電路原理圖

2.5 CAN接口電路

CAN總線是一種支持多主多從的分布式實(shí)時(shí)串行通信，因?yàn)槠渫ㄐ诺母呖煽啃院透咝阅艿玫搅藦V泛的應(yīng)用，因本項(xiàng)目中機(jī)器人本體內(nèi)部通信選擇了CAN總線，所以需要對(duì)CAN接口電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。

本項(xiàng)目選用的CAN收發(fā)器是PHILIPS(飛利浦)推出的高銷量的TJA1050T，這款CAN收發(fā)器完全兼容了“ISO 11898”標(biāo)準(zhǔn)，最高速率可達(dá)1 Mbaud，具有輸入保護(hù)和熱保護(hù)，支持的電壓為3.3～5 V，最高支持110個(gè)節(jié)點(diǎn)，不使用的節(jié)點(diǎn)不干擾總線傳輸。CAN收發(fā)器的使用原理如圖9所示。

圖9 CAN接口電路

TJA1050T在本項(xiàng)目使用的電源輸入為5 V，圖中CAN收發(fā)電路在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí)，CAN_H和CAN_L直接需要串接120 Ω，提升抗干擾的能力，確?？偩€能夠快速進(jìn)入隱形狀態(tài)，以及消除反射的能力。當(dāng)CAN作為其中一個(gè)端點(diǎn)時(shí)，需要去除120 Ω，這時(shí)候只需要將JP2插針的跳線帽拔除即可，這樣CAN接口電路既可點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，也可多機(jī)通信。

2.6 RS485接口電路

RS485接口電路和CAN接口電路一致，都是采取差模傳輸方式，差模傳輸方式在傳輸過(guò)程中兩條雙絞線受到的干擾是同時(shí)存在的，在接收端接收雙絞線的電平進(jìn)行差值計(jì)算，相較于傳統(tǒng)的共模傳輸，大大增強(qiáng)了傳輸?shù)目垢蓴_性。

RS485通信是一種半雙工的通信方式，傳輸?shù)木唧w最遠(yuǎn)可以達(dá)到1 500 m，傳輸?shù)墓材ｋ妷悍秶鸀?6～+6 V，傳輸?shù)淖罡咚俾誓軌蜻_(dá)到10 Mbps，理論最多的接收節(jié)點(diǎn)可達(dá)128個(gè)，本項(xiàng)目中主要是利用RS485總線進(jìn)行機(jī)器人外部通信的構(gòu)建。

本項(xiàng)目使用的RS485收發(fā)器接口芯片是TI(德州儀器)的SN75176BDR，采取的封裝是SOP8的貼片封裝，符合且超出了國(guó)際的ANSI標(biāo)準(zhǔn)，具有三狀態(tài)的驅(qū)動(dòng)和接收，具有熱關(guān)斷的保護(hù)措施，5 V的電源供電，比較適合在嘈雜的環(huán)境下的長(zhǎng)距離的通信。本項(xiàng)目中RS485使用的電路原理如圖10所示。

圖10 RS485接口電路

RS485和CAN接口電路一樣，都需要增加電阻提升抗干擾性，所以在JP4當(dāng)中增添了120 Ω，當(dāng)作為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí)，需要將跳線帽連接JP4，使得120添加進(jìn)電路中。當(dāng)作為其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，不需要額外的串接電阻，這時(shí)將JP4的跳線帽拔下，即可完成作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行使用。JP4巧妙的設(shè)計(jì)使得整個(gè)隧道管溝機(jī)器人自動(dòng)化系統(tǒng)能夠完成外部多機(jī)的遠(yuǎn)距離通信。

2.7 電機(jī)驅(qū)動(dòng)隔離光耦電路

直流無(wú)刷電機(jī)、直流無(wú)刷驅(qū)動(dòng)器以及驅(qū)動(dòng)的電路原理如圖11所示，為保證隔離MCU主控電路，添加光耦進(jìn)行電路隔離，防止電機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)燒壞MCU。

圖11 電機(jī)驅(qū)動(dòng)隔離光耦電路

圖12 RS485總線報(bào)文結(jié)構(gòu)示意圖

2.8 硬件設(shè)計(jì)的主要參數(shù)

自動(dòng)化管溝檢測(cè)系統(tǒng)的PC為聯(lián)想工控機(jī)，CPU為i5-9300H，顯卡為RTX 1050Ti。管溝機(jī)器人本體的MCU芯片為STM32F407ZET6，控制手柄的MCU芯片為STM32F103C8T6，線纜車的MCU芯片為STM32F407IGT6。相機(jī)為索尼工業(yè)攝像機(jī)，支持1 080 P 30 Hz和720 P 60 Hz兩種格式視頻。機(jī)器人內(nèi)部CAN通信選擇的芯片為T(mén)JA1050T，外部RS485總線通信的芯片為SN75176BDR。云臺(tái)步進(jìn)電機(jī)為鳴志ML42HS2L4240的42步進(jìn)電機(jī)，機(jī)器人行走的直流無(wú)刷電機(jī)為AM-BL45100AE2406空心杯無(wú)刷電機(jī)。結(jié)合上述的基礎(chǔ)器件，所設(shè)計(jì)的硬件電路基本符合設(shè)計(jì)需求，能夠滿足遠(yuǎn)距離的RS485通信、多機(jī)的CAN通信、100 m同軸電纜視頻傳輸，滿足自動(dòng)化管溝檢測(cè)所需要的功能。

3 機(jī)器人系統(tǒng)總線傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)

依據(jù)上一小節(jié)的硬件設(shè)計(jì)要求，隧道管溝機(jī)器人本體內(nèi)部采取CAN總線，機(jī)器人外部采取RS485總線。

3.1 CAN總線協(xié)議制定

CAN總線是一種串行的協(xié)議總線，CAN總線的標(biāo)識(shí)位決定了消息的優(yōu)先級(jí)和對(duì)應(yīng)的功能，利用CAN總線的非破壞性的仲裁機(jī)制，高優(yōu)先級(jí)的消息繼續(xù)發(fā)送，低優(yōu)先級(jí)的消息停止發(fā)送。CAN總線在消息出錯(cuò)后會(huì)自動(dòng)重發(fā)，CAN總線的效率非常高而且比較穩(wěn)定。

在本項(xiàng)目中，主要選擇的是CAN總線的數(shù)據(jù)幀格式，最高支持的數(shù)據(jù)大小為8 byte。CAN總線的數(shù)據(jù)幀分成了標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀，數(shù)據(jù)幀由7個(gè)部分組成，分別是：起始段(SOF)、仲裁段、控制段、數(shù)據(jù)段(0～8 byte)、CRC校驗(yàn)段和結(jié)束段(EOF)，擴(kuò)展幀比標(biāo)準(zhǔn)幀在仲裁段上多了18 bit，仲裁段從11 bit變成了29 bit。

利用CAN總線的仲裁機(jī)制，也將接入CAN總線的設(shè)備仲裁段進(jìn)行編號(hào)，如表1所示。

表1 自定義CAN協(xié)議設(shè)備ID

本項(xiàng)目中將每一個(gè)CAN設(shè)備節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)成一個(gè)三層的對(duì)象，底層驅(qū)動(dòng)層提供CAN的收發(fā)接口，底層驅(qū)動(dòng)只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，不用關(guān)心數(shù)據(jù)的類型和大小。共享內(nèi)存被應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)共享，共享內(nèi)存中保存了設(shè)備的數(shù)據(jù)，應(yīng)用層負(fù)責(zé)修改和復(fù)位共享內(nèi)存里的數(shù)據(jù)，將修改完成后的數(shù)據(jù)保存在共享內(nèi)存中，最后再由應(yīng)用層交付給底層驅(qū)動(dòng)層進(jìn)行發(fā)送。

3.2 RS485總線協(xié)議制定

管溝機(jī)器人車體、線纜車和決策系統(tǒng)之間采取RS485的電氣接口，RS-485是在485遠(yuǎn)程傳輸方式上規(guī)定了電氣屬性，為了保證遠(yuǎn)距離傳輸，RS485設(shè)計(jì)為差分傳輸，抑制了共模干擾。

工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域在以RS485作為硬件層上建立的應(yīng)用層協(xié)議Modbus，Modbus是一種串行通信的應(yīng)用層協(xié)議，目前已經(jīng)在工業(yè)自動(dòng)化中使用非常廣泛。Modbus是一主多從的應(yīng)用層協(xié)議，Master是主機(jī)，其他總線上的都是Slave(從機(jī))，每一個(gè)從機(jī)都擁有自己的設(shè)備地址，所有通信均由主機(jī)發(fā)起，從機(jī)不能主動(dòng)發(fā)起通信，從機(jī)與從機(jī)也無(wú)法通信。

本項(xiàng)目參照Modbus RTU協(xié)議，定義管溝機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用層協(xié)議，如下所示，報(bào)文每個(gè)段的描述如圖2所示。報(bào)文段的固定幀頭是0x55，固定數(shù)值，節(jié)點(diǎn)地址總共5個(gè)，分別是：PC工控機(jī)為主機(jī)，地址為0x00，控制手柄地址為0x01，隧道管溝機(jī)器人本體地址為0x02，線纜車的地址為0x03以及一個(gè)廣播地址0xFF。設(shè)備地址是某一個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的地址，例如機(jī)器人本體內(nèi)部的直流無(wú)刷電機(jī)地址定義為0x01，抬升的步進(jìn)電機(jī)為0x02。CRC16是CRC的一種校驗(yàn)方法，選取的多項(xiàng)式是8 005，多項(xiàng)式為x16+x15+x2+1。

4 管溝機(jī)器人系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 決策層PC上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

PC上位機(jī)是整個(gè)管溝機(jī)器人自動(dòng)化系統(tǒng)的大腦，作為決策層的主控制器，它負(fù)責(zé)傳感器的數(shù)值監(jiān)控，管溝回傳視頻的實(shí)時(shí)缺陷檢測(cè)，工程信息數(shù)據(jù)的讀取和保存以及作為RS485通信協(xié)議的主站。綜合上述功能需求，PC上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)主要包含5大部分：控制部分、運(yùn)動(dòng)監(jiān)控、缺陷檢測(cè)、信息管理和協(xié)議主站，PC上位機(jī)的功能如圖13所示。

圖13 PC上位機(jī)功能示意圖

4.2 決策層控制手柄軟件設(shè)計(jì)

控制手柄作為管溝機(jī)器人決策層的輔助工具，其主要任務(wù)是幫助工作人員在現(xiàn)場(chǎng)控制機(jī)器人本體以及線纜車的運(yùn)行，控制手柄的軟件設(shè)計(jì)主要包括掃描按鍵、讀取按鍵值和發(fā)送指令。

嵌入式掃描按鍵的方式有外部中斷掃描和狀態(tài)機(jī)FIFO按鍵掃描，本項(xiàng)目使用的索尼PS2的按鍵多達(dá)16個(gè)，若使用外部中斷掃描需要使用中斷號(hào)16個(gè)，這對(duì)于MCU控制器是一筆不小的資源消耗，綜上所述，選擇了狀態(tài)機(jī)FIFO方式進(jìn)行按鍵掃描。

狀態(tài)機(jī)全稱為有限狀態(tài)機(jī)，是嵌入式領(lǐng)域一種常用的編程思想，狀態(tài)機(jī)將一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題轉(zhuǎn)換成階段性問(wèn)題，每個(gè)階段有不同的處理方法。將按鍵的狀態(tài)分為：松開(kāi)、抖動(dòng)、按下、長(zhǎng)按、重復(fù)按和釋放，通過(guò)反復(fù)檢測(cè)按鍵狀態(tài)實(shí)現(xiàn)軟件消抖、長(zhǎng)按和重復(fù)按功能。

4.3 管理層機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)

管溝機(jī)器人管理層的軟件設(shè)計(jì)主要是對(duì)于MCU控制板的程序設(shè)計(jì)，主要的任務(wù)有以下幾部分：操作系統(tǒng)移植、協(xié)議棧構(gòu)建及多線程程序運(yùn)行。

4.3.1 RTOS的移植

MCU的RTOS選擇的是RT-Thread，RT-Thread是中國(guó)在2006年開(kāi)發(fā)的開(kāi)源中立、社區(qū)發(fā)展起來(lái)的一款實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。RT-Thread的移植步驟主要分為4個(gè)步驟：配置系統(tǒng)時(shí)鐘、實(shí)現(xiàn)OS節(jié)拍、BSP板級(jí)初始化和堆內(nèi)存初始化。

4.3.2 協(xié)議棧移植

協(xié)議棧的移植主要是將自定義的CAN，RS485協(xié)議的CAN_Init.c、CAN_Init.h、CAN_BSP.c、CAN_BSP.h、RS485_Init.c、RS485_Init.h、RS485_BSP.c、RS485_BSP.h等文件添加進(jìn)不同的控制板工程。CAN_Init和RS485_Init提供了CAN、RS485的底層驅(qū)動(dòng)層，驅(qū)動(dòng)層為上層應(yīng)用提供接受和發(fā)送功能。CAN_BSP和RS485_BSP提供了項(xiàng)目?jī)?nèi)的協(xié)議解析規(guī)則，設(shè)備ID和消息組包功能，應(yīng)用程序直接調(diào)用該文件的API即可接入總線協(xié)議。

4.3.3 多線程程序運(yùn)行

利用RT-Thread的多線程機(jī)制，在MCU控制器中創(chuàng)建了4個(gè)線程，分別是：主線程、空閑線程、消息處理線程及PID計(jì)算線程。主線程用于處理主要任務(wù)和創(chuàng)建其他線程，例如外設(shè)初始化、堆棧初始化、初始化線程、啟動(dòng)線程和LED閃爍，LED閃爍用于顯示MCU是否正常工作?？臻e線程用于監(jiān)測(cè)MCU運(yùn)行狀態(tài)，記錄系統(tǒng)空閑時(shí)間，當(dāng)長(zhǎng)期未接收到RS485的指令時(shí)，UART_IT_RXNE空閑標(biāo)志位置位1，開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)空閑線程的運(yùn)行時(shí)間達(dá)到所設(shè)置的空閑時(shí)間上限，將一些耗能設(shè)備進(jìn)行關(guān)閉。消息處理線程對(duì)中斷中接收到的消息進(jìn)行處理，對(duì)協(xié)議進(jìn)行解析后，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

4.3.4 直流無(wú)刷電機(jī)PID控制軟件設(shè)計(jì)

在MCU的控制板上實(shí)現(xiàn)直流無(wú)刷電機(jī)的PID速度控制算法，需要考慮MCU的資源少以及計(jì)算速度慢等問(wèn)題，因此，將原有的位置式PID改成了增量式PID。增量式的PID算法如下所示：

△u(v)=u(v)-u(v-1)=Kp[e(v)-e(v-1)]+

(1)

在MCU中使用增量式PID有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1)計(jì)算時(shí)間更短，無(wú)需計(jì)算當(dāng)前轉(zhuǎn)速和目標(biāo)轉(zhuǎn)速的差值，只需要計(jì)算前一時(shí)刻的輸出量的差值，更符合MCU的實(shí)時(shí)性要求；2)增量式PID無(wú)需保存歷史數(shù)據(jù)，只需要最近3次的PID輸出值，同時(shí)也大大節(jié)約了MCU的資源；3)增量式PID在實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中無(wú)需考慮積分飽和微分噪聲的情況，使控制器更穩(wěn)定，性能更好。

在MCU中定義PID結(jié)構(gòu)體{PID_t}，設(shè)置定時(shí)器時(shí)間為50 ms，即每50 ms使用霍爾傳感器對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)進(jìn)行一次速度采樣，同時(shí)更新電機(jī)電壓PWM的占空比。

圖14為PID計(jì)算線程的運(yùn)行流程圖，每隔50 ms更新一次PID計(jì)算值。

圖14 直流無(wú)刷電機(jī)PID算法執(zhí)行流程

5 自動(dòng)化管溝檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試

Qt搭建的PC上位機(jī)如圖15所示，軟件主界面中間為管溝機(jī)器人的攝像機(jī)顯示部分，軟件主界面下方為機(jī)器人的控制按鍵，包括機(jī)器人的前進(jìn)后退和速度選擇。右邊三列按鍵為機(jī)器人云臺(tái)的動(dòng)作控制，包括云臺(tái)升降、旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作。

圖15 PC上位機(jī)測(cè)試界面

主界面下方圓盤(pán)為機(jī)器人前置LED燈光旋鈕，旋鈕控制燈光強(qiáng)度。

自動(dòng)化管溝檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試主要包括以下幾部分：

1)RS485的遠(yuǎn)程通信；

2)CAN的多機(jī)通信；

3)PC接收同軸電纜視頻。

調(diào)節(jié)電機(jī)和燈光的RS485示例協(xié)議如下：[0x55 0x00 0x05 0x51 0x02 0x00 CRC_H CRC_L]；[0x55 0x00 0x05 0x55 0x05 0x00 CRC_H CRC_L]，第4字節(jié)為對(duì)應(yīng)的設(shè)備，第5字節(jié)為設(shè)備的對(duì)應(yīng)操作。PC向機(jī)器人發(fā)送上述協(xié)議，機(jī)器人進(jìn)行云臺(tái)抬升和調(diào)節(jié)LED燈光等操作，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制。

CAN通信協(xié)議示例如下所示：[0xF1 0x01 0x00 0x01 0x00 0x00 0x00 0x00]，CAN數(shù)據(jù)幀第1～2字節(jié)為具體設(shè)備ID，第4個(gè)字節(jié)為操作命令。上述CAN協(xié)議為控制直流無(wú)刷電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)，控制管溝機(jī)器人前進(jìn)。

圖15右邊為工程屬性信息，Qt利用SQLite3小型數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)每一個(gè)工程的具體信息。

綜上所述，所設(shè)計(jì)的管溝機(jī)器人系統(tǒng)整體運(yùn)行過(guò)程可靠，可以穩(wěn)定可靠地完成管溝檢測(cè)的任務(wù)，解決了管溝機(jī)器人系統(tǒng)的不足之處。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文以PC和MCU微處理器為核心部件，結(jié)合相關(guān)的攝像機(jī)，傳感器和電機(jī)等，搭建了管溝檢測(cè)機(jī)器人的自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)。首先分析了機(jī)器人技術(shù)和管溝的城市化建設(shè)的發(fā)展，針對(duì)現(xiàn)有的管溝機(jī)器人系統(tǒng)的痛點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了一整套的管溝機(jī)器人系統(tǒng)。首先明確了管溝機(jī)器人的整體系統(tǒng)框架，分析機(jī)器人所需要的硬件，使用EDA軟件設(shè)計(jì)出機(jī)器人所需的硬件。分析對(duì)應(yīng)的MCU的功能，移植實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RT-Thread，將MCU的任務(wù)劃分為多線程，提高軟件的實(shí)時(shí)性和性能。利用有限狀態(tài)機(jī)的思想，設(shè)計(jì)按鍵的FIFO按鍵掃描框架，減少中斷占用，提高效率。在MCU中添加增量式的PID調(diào)速算法，提高了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制精度，加強(qiáng)了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制性能。

針對(duì)管溝的復(fù)雜環(huán)境，在人工無(wú)法完成檢測(cè)的任務(wù)時(shí)，管溝機(jī)器人將發(fā)揮它的作用，代替人工去管溝內(nèi)檢測(cè)，提高工作效率，保護(hù)工作人員的生命安全。本文設(shè)計(jì)的管溝檢測(cè)機(jī)器人自動(dòng)化系統(tǒng)，可以在人工的輔助下完成對(duì)應(yīng)的操作，未來(lái)將更進(jìn)一步地提升機(jī)器人系統(tǒng)的效率和性能，為工作人員提供更為完善的檢測(cè)服務(wù)。