基于PIC單片機的螺旋輪式驅動管道檢測機器人控制系統設計

邵 磊 王 毅 郭寶柱 李 季 劉宏利 陳小奇

(天津理工大學自動化學院，天津 300384)

基于PIC單片機的螺旋輪式驅動管道檢測機器人控制系統設計

邵 磊 王 毅 郭寶柱 李 季 劉宏利 陳小奇

(天津理工大學自動化學院，天津 300384)

設計開發了一臺小型螺旋輪式驅動管道檢測機器人。采用以PIC單片機作為系統的核心控制器，數字式PWM作為電機驅動控制方式，車輪旋轉速度作為反饋量的全閉環伺服控制系統。并利用C#語言開發出一套上位機控制軟件，通過Wifi無線通信的方式實現對管道機器人的遠程遙控。為了提高控制系統的精度和性能，采用了模糊自適應PID控制算法。在實驗平臺上的運行表明：該機器人具有很好的穩定性和可控性。

控制系統 管道檢測機器人 PIC單片機 伺服控制 模糊自適應PID控制

管道運輸與鐵路運輸、公路運輸、水路運輸、航空運輸并稱為當今世界的五大運輸方式。隨著國家經濟建設的穩步推進，管道工業也迎來了快速發展期。而油氣管道若長期使用，由管道自身缺陷和后期運行期間發生的腐蝕穿孔、人為損壞及自然地質災害等因素造成的管道泄漏、爆炸事故將會增多，嚴重威脅著周邊居民人身財產安全和自然環境，阻礙國家正常的經濟建設。據不完全統計，我國僅原油管道就有將近一半已使用二十年以上，管道泄漏時有發生；80%以上的燃氣爆炸事故的發生都是由管道嚴重腐蝕而穿孔漏氣所致。因此，對在建管道和已建管道實施安全檢測勢在必行[1,2]。傳統管道檢測都是由相關人員實施，有全面挖掘法和隨機抽樣法，工作量大，效率低下。而且有些管道位置人員無法安全到達實施監測，比如輸送有毒化學品或內部結構復雜狹小的管道，特殊的管道環境也給管道檢測帶來了很大的困難。由此，管道檢測機器人應運而生。一方面，管道檢測機器人可以憑借良好的可控性能和精準的檢測設備完成對管道的在線檢測、診斷；另一方面，靈活多變的行走機構可以保證機器人在復雜狹小的管道內行進，代替人工完成檢測任務，避免人員傷害[3]。目前，管道機器人的研究還屬于新興領域，具有廣闊的發展空間。

1 螺旋驅動管道機器人控制系統

由于管道機器人普遍應用在環境惡劣、人難以到達的管道內，通?？刂葡到y采用上下位機聯合的控制方式，主要有以下3種：PLC+PLC、PC+單片機、PC+單片機+DSP。鑒于目前高性能單片機具有運行速度較快、精度高、功能豐富、利于小型化、開發周期短及成本低等特點，控制系統采用基于PIC單片機聯合上位PC機的控制方式。傳統的通信方式通常采用有纜方式，通信信號強，但是過多的線纜極大地束縛管道機器人的移動靈活性，增加負荷，不利于小型化。筆者采用基于Wifi無線通信的技術，不僅能夠實現上位PC機遠程遙控，也可以開發出手機APP實現移動式智能控制。

1.1系統結構

管道機器人控制系統基于Wifi無線通信技術，采用上位PC機+底層單片機聯合的控制方式，實現對螺旋驅動管道機器人的遠程遙控，控制系統硬件結構如圖1所示。

圖1 螺旋驅動管道機器人控制系統硬件結構

1.2底層硬件

硬件部分主要包括主控模塊、驅動模塊、測速模塊、通信模塊和電源模塊。

主控模塊采用美國微芯(Microchip)公司生產的8位高檔單片機PIC18F25K22作為底層核心控制器[4]，一方面輸出控制信號給驅動模塊來驅動執行機構，并采集、處理檢測元件返回的數據，另一方面通過Wifi無線傳輸方式上傳數據給上位機，同時接收上位機或手機APP發出的控制指令。

驅動模塊選用美國國家半導體公司(NS)生產的一款專用于運動控制的直流電機驅動芯片LMD18200，可接收PIC單片機輸出的PWM信號、方向信號和制動信號，實現對執行機構的速度控制、方向控制和啟?？刂?。

通信模塊選用的是國產的一款低成本、低功耗、小尺寸Wifi無線通信模塊USR-C322[5]，其信號覆蓋范圍廣、傳輸速度快、穩定性好，已有廣泛的應用基礎[6]。通過網頁設置該模塊的工作方式為透傳模式，組網方式為STA，即可將物理設備連接到Wifi網絡上，實現嵌入式控制系統的無線網絡通信。當單片機與該通信模塊經UART串口連接后，上位機和手機APP就可以對管道機器人進行遠程遙控。

執行機構選用直流有刷減速電機。

電源模塊選用3節可充電鋰電池18650，不僅減輕了機器人的負載也增加了機器人在管道內運行的靈活性，避免了傳統拖纜供電方式的束縛。

1.3上位機軟件

控制系統的上位機軟件是基于Win7 32位操作系統，利用C#語言開發出的一套窗體式控制軟件，用于接收、顯示下位機傳送的檢測數據和圖像信息，并向下位機發出控制指令[7]。手機APP則是基于安卓系統，以上位機為服務器，利用Java語言開發。二者都可以實現對螺旋驅動管道機器人的遠程遙控。上位機軟件設計流程如圖2所示。

2 伺服控制

按控制方式不同，伺服系統可以分為開環、半閉環和全閉環3種[8]。為了提高系統精度，使之具備良好的穩定性和快速響應性，控制系統采用了以PIC單片機為控制核心，直流有刷電機為執行元件，管道機器人(車輪速)為被控對象，霍爾測速元件為檢測裝置的全閉環速度型伺服控制系統，其結構如圖3所示。

圖2 上位機軟件設計流程

圖3 螺旋驅動管道機器人伺服控制系統結構

常用輪速計算方法有測頻法和側周法。測頻法適用于測量輪速比較高的場合，測周法適用于測量輪速比較低的場合，筆者采用測周法進行測速。具體方法是在車輪上安裝一個或多個磁鋼片，車輪近處安裝霍爾元件。當車輪轉動，霍爾傳感器感知到磁鋼片的磁場時，會發出一個可由單片機接收的脈沖[9]。利用單片機CCP2模塊的捕捉功能，計時兩次脈沖的時間間隔，所得時間即車輪轉動一周的時間，而機器人直線行進速度V的計算式為：

(1)

式中c——一個車輪周長的移動距離內，霍爾傳感器發出脈沖的次數；

L——機器人車輪周長，mm；

R——機器人車輪直徑，mm；

t——兩個脈沖的時間間隔，s。

3 控制算法

3.1模糊自適應PID控制算法

3.1.1原理介紹

實際管道受自身質量、外界腐蝕等不確定因素影響，螺旋驅動管道機器人控制過程比較復雜且易變，難以建立精確的數學模型，傳統PID控制效果不佳。而采用模糊自適應PID控制[10～12]，即根據控制系統實時的反饋情況，經模糊推理來實現對PID控制參數的在線調整，則可以較好地解決此類問題，其控制結構如圖4所示。

圖4 模糊自適應PID控制器結構

圖4中，e(t)為被控系統輸入輸出的速度偏差，ec(t)為速度偏差率，作為模糊控制器的雙輸入量。模糊控制器輸出的是PID控制參數的調整量，而PID控制器的輸出值是調整量(KP0、KI0、KD0)與初始量(ΔKP、ΔKI、ΔKD)的矢量和。

(2)

3.1.2模型分析

選用直流有刷電機作為驅動源，電機轉速與電樞電壓之間的傳遞函數為[13]：

(3)

式中CeФ——電機電勢系數,V·s/rad；

Ta——電磁時間常數,s；

Tm——機電時間常數,s。

代入電機參數計算后可得：

(4)

管道檢測機器人車輪直線速度與驅動電機旋轉速度的關系為：

V=nπ(D-2R)tanα

(5)

式中D——管道內徑，m；

n——減速電機輸出轉速，r/min；

R——驅動輪的半徑，m；

α——驅動輪與管道軸線夾角，(°)。

通過工程整定[14]，PID控制參數KP、KI、KD初始設定為20、5、0.8。

3.1.3模糊控制器設計

輸入量。以速度反饋偏差值e(t)和偏差率ec(t)作為模糊控制器的輸入量[15,16]。

模糊化。輸入量的論域均為[-6,6]，變換因子分別為0.3,0.03。模糊空間分割為7個等級，分別為“負大”、“負中”、“負小”、“零”、“正小”、“正中”、“正大”。

隸屬度函數。兩個輸入量為三角形隸屬度函數，一個輸出量為高斯型隸屬度函數[17]。

模糊規則庫。在長期經驗總結和專家理論分析的基礎上建立。

模糊推理。采用Mamdani推理方法。

清晰化。采用重心法解模糊。

3.2Matlab仿真

Matlab仿真后與傳統PID控制方法的對比如圖5所示。

圖5 傳統PID控制與模糊自適應PID控制仿真對比

由圖5分析可知，在相同控制參數的條件下，相比于傳統PID控制，模糊自適應PID控制可以有效地降低系統超調量，縮短響應時間。尤其是在遇到短時突發干擾的情況下，受模糊控制器的調節，系統仍可以快速地恢復到正常狀態，波動幅度小，展現出良好的魯棒性、穩定性和抗干擾性。

4 樣機模擬測試

管道機器人組裝完畢后，按下開關按鈕通電。打開上位機機器人控制軟件的界面，點擊Start開始按鈕，準備聯網通信。待聯網成功后，界面可以正常顯示管道機器人上傳的各項檢測數據。通過點擊不同速度的擋位按鈕、移動方向按鈕來控制機器人在管道內的移動。

經過測試，上位機可以有效地控制機器人在傾斜、垂直管道內穩定運行，不會下溜、打滑。同時也實現了機器人的變速、換向等控制功能，如圖6所示。

圖6 機器人在傾斜、垂直管道內的移動

5 結束語

筆者自主研發出一臺基于PIC單片機+上位機(包括主PC機和手機APP)聯合控制，可實現無線通信遠程遙控的螺旋輪式驅動管道機器人。其控制系統采用模糊自適應PID算法和以車輪旋轉速度為反饋量的全閉環速度型伺服控制系統。經實驗測試，該樣機可以在傾斜、垂直的管道內穩定可控的運行，基本實現了本研究的設計功能，為今后管道檢測機器人的廣泛應用做出有益的探索。

[1] 何仁祥，修長征.油氣管道檢測與評價[M].北京：中國石化出版社，2010.

[2] 袁厚明.地下管線檢測技術[M].北京：中國石化出版社，2012.

[3] 蘇毅，易方，李著信，等.一種適用于管道機器人的新型螺旋驅動器[J].化工機械，2010,37(1):83～86.

[4] 謝鋒然，謝龍漢.PIC單片機原理及程序設計[M].北京：清華大學出版社，2013.

[5] 徐穎秦，彭力，熊偉麗.物聯網技術及應用[M].北京：機械工業出版社，2012:105～127.

[6] 郭曉龍，宋仁旺，任鵬.基于WIFI的工程機械遠程故障“雙核”診斷系統[J].化工自動化及儀表，2015,42(10):1141～1143.

[7] Watson K,Nagel C，Pedersen J H,et al,著,齊立波,譯.Beginning Visual C#2010[M].北京：清華大學出版社，2010.

[8] 盧志剛，吳杰，吳潮.數字伺服控制系統與設計[M].北京：機械工業出版社，2007.

[9] 路國慶，趙曉博，胡立強，等.脈沖檢測方法的霍爾傳感器在里程表中的應用[J].機械設計與制造，2009,(1)：87～89.

[10] 李軍偉，崔師，李連強，等.基于模糊PID的無刷直流電機控制系統設計開發[J].機械設計與制造，2013,(2)：77～79.

[11] 袁帥，汪明，韓穎，等.基于ARM的模糊PID直流電機控制系統[J].計算機系統應用，2015,24(4)：58～63.

[12] 孫靈芳，董學曼，姜其鋒.模糊控制的現狀與工程應用關鍵問題研究[J].化工自動化及儀表，2016,43(1):1～5.

[13] 金國強.有刷直流電機的數學模型及參數測量方法[J].大學物理，2014,33(1)：56～60.

[14] 黃友銳，曲立國.PID控制器參數整定與實現[M].北京：科學出版社，2010.

[15] 李軍偉，崔師，李連強，等.基于模糊PID的無刷直流電機控制系統設計開發[J].機械設計與制造，2013,(2):77～79.

[16] 張會強，李革臣.模糊PID控制器在無刷直流永磁電機控制系統中的應用[J].自動化技術與應用，2009,28(6)：20～22.

[17] 董期林，周曉東，馬媛,等.基于模糊自整定PID控制器的直流電機伺服系統的仿真研究[J].機床與液壓，2009,37(2)：117～119.

ControlSystemofScrewWheel-drivenRobotsforPipelineInspectionBasedonPICSCM

(Continued on Page 973)

TH862

A

1000-3932(2016)09-0945-05

2016-03-01(修改稿)

天津市科技計劃項目(15ZXZNGX00140)