一種管道作業(yè)機(jī)器人的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計

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)困難的問題而設(shè)計的。本文介紹了該機(jī)器人的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，包括硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計。經(jīng)多次試驗和實際使用測試證明其具有穩(wěn)定可靠、操作簡單、經(jīng)濟(jì)實用等特點。

關(guān)鍵詞： 管道作業(yè) 嵌入式系統(tǒng) 可靠實用

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)器人從生活中的實際問題出發(fā)，設(shè)計并實現(xiàn)對管道堵塞等問題合理解決的系統(tǒng)。該機(jī)器人通過機(jī)械設(shè)計、硬件電路設(shè)計、控制程序設(shè)計和上位機(jī)操作平臺設(shè)計最終實現(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，系統(tǒng)融合單片機(jī)嵌入式技術(shù)、機(jī)械設(shè)計技術(shù)、運動控制技術(shù)、通信技術(shù)和計算機(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，且具備操作簡單，經(jīng)濟(jì)實用等優(yōu)點。

2.硬件電路設(shè)計

2.1系統(tǒng)電源設(shè)計

管道作業(yè)機(jī)器人以電能作為動力。因為機(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

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LQFP64封裝，體積小，編程簡單。在該機(jī)器人系統(tǒng)中，STM32F103RBT6單片機(jī)作為機(jī)器人的“大腦”，通過一定的程序算法，實現(xiàn)機(jī)器人的運動控制、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)動單元設(shè)計

電機(jī)驅(qū)動模塊是為了滿足機(jī)器人在管道內(nèi)行進(jìn)而設(shè)計的。機(jī)器人需要在復(fù)雜的管道內(nèi)行進(jìn)，會出現(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，單片機(jī)產(chǎn)生的PWM控制信號的高電平只有3.3V，且不具備驅(qū)動能力，所以需要增加電機(jī)驅(qū)動電路。該機(jī)器人采用常用的H橋驅(qū)動電路，此處采用TI公司的電機(jī)驅(qū)動集成芯片DRV8848。DRV8848是一款集成了雙路H橋的電機(jī)驅(qū)動器，最大驅(qū)動電流為2A（并聯(lián)模式下驅(qū)動電流為4A），且具有體積小、外圍電路簡單等優(yōu)點。該機(jī)器人的電機(jī)驅(qū)動模塊總共包含3路相同的DRV8848驅(qū)動電路，單片機(jī)共需產(chǎn)生12路單獨的PWM驅(qū)動信號。

2.4傳感檢測單元設(shè)計

傳感檢測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)過程中有時需要旋轉(zhuǎn)不同的角度以適應(yīng)管網(wǎng)中不同類型的彎管，這時就必須保證機(jī)器人在完成轉(zhuǎn)彎動作后仍保持正確的姿態(tài)。如果機(jī)器人采用開環(huán)控制，機(jī)器人在行進(jìn)過程中就會出現(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，一般可通過對電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)實現(xiàn)但集成有編碼器的電機(jī)價格高昂，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現(xiàn)，通過陀螺儀實時計算機(jī)器人所轉(zhuǎn)過的角度從而實現(xiàn)對機(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作，準(zhǔn)確測量出機(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時傳輸管道內(nèi)圖像至上位機(jī)操作平臺而設(shè)計的。攝像頭鏡頭采用防水設(shè)計，擁有4顆高亮LED燈，可調(diào)節(jié)亮度，攝像頭可以自動白平衡并且具有自動曝光功能，圖像的亮度、對比、色調(diào)、彩度可調(diào)整。攝像頭采用高品質(zhì)雙層屏蔽線，線長達(dá)100m，方式信號衰減，隔離外部電磁干擾，外接式USB2.0接口設(shè)計，即插即用。

2.5通信單元設(shè)計

通信單元用于實現(xiàn)上位機(jī)操作平臺和機(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)操作平臺上讀取圖像。控制命令的傳輸采用RS485通信協(xié)議，RS485的通信距離較長，最大無中繼傳輸距離為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通信方式較簡單，實現(xiàn)比較容易，信號傳輸比較穩(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。

3.軟件設(shè)計

3.1控制單元設(shè)計

基于STM32F103RBT6單片機(jī)的控制單元需要實現(xiàn)的主要功能包括與上位機(jī)的通信、對電機(jī)的控制、對高壓水槍的控制，其中對電機(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操作平臺設(shè)計

基于windows的上位機(jī)操作平臺主要實現(xiàn)操作人員對機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制。上位機(jī)操作平臺主要包括攝像頭采集畫面的顯示、控制命令的發(fā)送等，方便操作人員實時掌握管道內(nèi)的情況并及時控制機(jī)器人做出相應(yīng)的動作。圖4為上位機(jī)操作平臺的程序流程圖。

4.總結(jié)與展望

以管道清理工作為例，通過多次試驗證明該機(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)能夠滿足實際需求，但因為機(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，減小線纜對機(jī)器人的影響。

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基金項目：國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃資助項目（項目編號：201410058028）。