無纜微型管道機器人控制系統的研究

霍云艷 任思璟 王國新 徐益民 董金波

【摘要】針對工業上的大量細小管道由于受空間條件的限制，存在不便人工作業，檢測和維護的問題，提出了一種基于錐形旋轉磁場驅動的無纜微型管道機器人的控制系統的解決方案，該機器人的控制系統以AVR單片機ATmegal16為核心處理器，利用錐形磁場實現對機器人的外部磁場驅動，通過對執行機構的控制實現機器人的雙向行走和速度控制。在控制系統硬件設計的基礎上給出系統軟件流程圖。該系統具有簡單可靠，輕便靈活的特點，在微型管道檢測方面具有廣闊的應用前景。

【關鍵詞】無纜；管道機器人；控制系統；ATmegal16單片機

引言

傳統管道機器人大多是輪式、腿式、仿生蠕動式等類型，存在著行走距離短、機器人與管壁間的摩擦力大等問題。如果僅僅是縮小傳統機器人的尺寸，工藝上將非常困難。目前，對微型管道機器人的研究國內外廣泛采用外磁場驅動作為無纜驅動的一種重要形式。相應地選擇超磁致伸縮合金、鐵磁橡膠和釹鐵硼等磁性材料作驅動器，利用軸線相互垂直的亥姆霍茲線圈與螺線管線圈組合構成組合驅動線圈，用組合驅動線圈通電產生的錐型旋轉磁場實現對微型機器人的無纜驅動[1]。因此設計簡單可靠、適用方便的機器人控制系統將使無纜微型管道機器人得到廣泛應用。

1.控制系統的工作原理

無纜微型管道機器人控制系統主要實現對形成旋轉磁場的亥姆霍茲線圈組供電電源的控制和實現對直流電機帶動載有線圈的小車運動方向控制[2]，利用軸線相互垂直的亥姆霍茲線圈與螺線管線圈構成組合驅動線圈，向組合驅動線圈施加交流或直流電流進而產生錐型旋轉磁場來控制嵌入機器人頭部的釹鐵硼（NdFeB）永磁性材料運動[3]。

2.纜微型管道機器人控制系統硬件設計

控制系統主要由恒定磁場信號發生部分，旋轉磁場信號發生部分，載有驅動線圈的小車移動部分組成。其中產生恒定磁場的電源信號是由信號發生器實現，產生旋轉磁場的電源信號和載有驅動線圈的小車移動信號分別由旋轉磁場控制模塊和執行機構模塊實現。

2.1旋轉磁場控制模塊設計

旋轉磁場驅動電源的設計是采用單片機輸出四路兩相相角相差度的信號，通過橋控制晶體管逆變，形成兩路相角相差度的正弦信號，用這兩路信號對亥姆霍茲線進行驅動，將產生兩個方向相互正交相位相差度的正弦磁場，因為磁場具有可疊加性，所以產生的兩正弦磁場相互疊加形成旋轉磁場。該電路主要采用功率MOSFET作為開關管，通過集成芯片IR2110將AVR單片機產生的PWM控制信號轉換成高壓驅動信號。基于2片IR2110的H橋4片MOSFET的旋轉磁場驅動電路如圖1所示。

2.2執行機構模塊設計

考慮到機器人的移動速度較慢和位移精度較高，電機的選用方面選擇直流齒輪減速電機，ATmegal6AVR 單片機輸出的 PWM 波通過L293D驅動芯片進行功率放大。經過旋轉編碼器對直流電機轉速進行反饋，通過改變PWM波的占空比來完成直流電機加速、減速運動。

3.無纜微型管道機器人控制系統軟件設計

在直流電機閉環調速的系統軟件設計中，采用增量式數字 PID 可以對直流電機的速度進行調整，以便盡快消除速度誤差。即數字PID增量型控制算法如下式所示。

ATmega16單片機內部有一個16位的具有PWM功能的定時/計數器，當單片機工作在PWM模式時，管腳輸出PWM占空比的值可以用改變OCR2的值來實現。

4.結語

本文以AVR單片機為核心設計的無纜微型管道機器人控制系統，具有設計簡單，輕便靈活和成本低等優點。適用于狹小管道區間，同時解決了管道機器人不能雙向行走的問題，具有廣泛的應用前景。

參考文獻

[1]薛君妍.移動旋轉磁場驅動的微型管道機器人的研究[D].哈爾濱工程大學，2009.

[2]李一鳴，姜寧，劉帥.新中國成立以來中國音樂發展概述[J].藝術科技，2014（7）.8-9

[3]李一鳴，常亮，郝祁霞.高校德育實踐缺位的原因分析[J].高教論壇，2013（8）.17-18

[4]任思璟，董金波，王安華，徐益民，崔崇信.無纜泳動式煤礦管道檢測機器人控制系統的研究[J].煤礦機械，2012，06：168-170.

[5].李一鳴，王銳，李卓妮.大學生跨文化能力培養研究——以文理滲透為視角[J].黑龍江省政法管理干部學院學報，2016，（1）.150-151

作者簡介

霍云艷，女，1982年3月出生，黑龍江哈爾濱人，講師，哈爾濱金融學院計算機系。

基金項目

黑龍江省教育廳科學技術研究項目（12541695），項目名稱： 雙向可移動微型無纜管道檢測機器人的研究。