管道機器人的設計與制作

江漢大學物理與信息工程學院 周敬龍 章 紅 熊高文 陳徵豪 王 鼎

管道機器人的設計與制作

江漢大學物理與信息工程學院 周敬龍 章 紅 熊高文 陳徵豪 王 鼎

針對諸多行業面臨管道內部環境難以監控以及清潔維護的問題，本設計主要完成管道機器人的設計與制作。管道機器人主要由行進機構、監控機構、控制機構、無線遙控機構、清潔機構和供電機構等組成。32位微控制器MK60作為主控模塊，控制實現機器人的各種動作；采用WiFi網絡攝像頭，可以在手機端顯示機器人采集到的管道內部的實時環境信息；利用LoRa無線傳輸模塊實現無線通信，同時結合基于Qt開發的PC機遙控系統，可以遠程遙控管道機器人在管道內部自由靈活的行進，并執行清潔、維護的指令。

管道機器人；wifi網絡攝像頭；無線遙控；上位機

1.引言

目前，在許多行業（比如石油業、核工業、中央空調）中，管道的使用數量快速的增長，但是管道在使用過程中會因為壓力、侵蝕等外來作用，對管道的使用造成一定的影響，特別在核工業，尤其需要定期檢測和安全評估管道內部環境，防止安全事故的發生.但是管道所處環境十分復雜，而且用戶不方便進入管道內部工作，這就需要管道機器人代替用戶進入管道內部進行清潔、維護等工作，并將管道內部實時環境信息反饋至上位機或者手機端，讓用戶能夠實時的了解管道內部環境。

2.管道機器人系統設計方案

本設計的管道機器人主要由幾個部分組成，分別是機器人主控、供電機構、無線搖控、進行機構、監控機構和清潔機構。

2.1 電路設計

2．1．1 電源管理模塊電路設計

本設計選用的是7.2V/2000mA的鎳—鉻電池供電，而電機驅動電路、攝像頭需要5V供電，MCU、液晶屏以及LoRa模塊是3.3V供電，所以選用了LM2940和AMS1117兩款穩壓芯片來調節電壓,其中LM2940將7.2V轉換成5V,AMS1117將5V轉換成。

2．1．2 主控電路設計

本設計選用的Freescale的32位微控制器MK60DN512 ZVLL10，接口資源如表1所示：

表1 接口資源表

電路板總體電路設計的PCB 3D視圖如圖1所示：

圖1主控電路板總體設計PCB圖

2．1．3 驅動電路設計

機器人使用的電機型號是33GB-520-18.7, 由于電機的供電電壓是DC6-12V，較為穩定，為了增大驅動電流，達到良好的驅動能力，本設計制作的基于MOS管驅動，其中包括由74HC08構成的隔離電路和HIP4082組成的驅動部分，以及由4片MOS管組成的全橋電路，承載電流超過10A,可以高效率發揮電機性能。

2.2 軟件設計

2．2．1 基于Qt的PC端機器人無線控制系統的UI界面設計

為了實現機器人無線控制的多樣化，并能夠在PC端控制操作機器人的需求，本設計利用跨平臺的QT軟件開發了一套能夠在PC端控制機器人的應用程序。PC端機器人無線控制系統是通過操作PC機上的串口，利用串口通信以及LoRa無線傳輸，來實現對機器人無線控制。串口是PC機上一種通用的設備通信協議,而串口通信是指外設和PC機之間，通過控制線、數據信號線、VCC、GND等，按位進行數據信息傳輸的一種通信模式。其中，數據位、波特率、奇偶校驗位、停止位是串口通信最關鍵的配置參數信息。對于兩個需要進行通信的串口，這些參數必須匹配正確無誤。無線控制系統UI界面如圖2所示：

圖2 PC端機器人無線控制系統的UI界面

2．2．2 無線通信程序設計

由于無線傳輸的穩定性及傳輸距離、誤碼率等問題，我們將nrf2401、藍牙模塊、LoRa、WIFI模塊四種常用的無線通信模塊對比后，最終選用了LoRa。LoRa 是LPWAN通信技術中的一種，是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案。LoRaWAN是 LoRa聯盟推出的一個基于開源的MAC層協議的低功耗廣域網標準。這一技術可以為電池供電的無線設備提供局域、全國或全球的網絡。

2．2．3 機器人控制程序設計

為了簡化機器人的機械結構，本設計放棄了傳統的轉向舵機作為機器人行進機構的方法，而是采用兩個電機，配合差速來實現機器人的控制，控制電機的信號為PWM。

圖3 管道機器人

3.測試結果

用戶可以在遙控器和上位機兩套控制機構下操作機器人，機器人在接收到用戶發送的指令后，可以在管道內靈活的行進，并完成管道清潔和維護等相關操作。其次，用戶可以在智能手機端接收到機器人上wifi網絡攝像頭反饋至APP上的實時管道環境信息，實現監控的功能。當管道發生異常或者破裂等情形，機器人會給出報警，提示用戶及時處理，防止危險事故的發生。管道機器人如圖3所示：

4.總結

用管道機器人代替用戶進行工作，首先，可以提升操作的安全性，可以實時監測環境，保證人身安全；其次，可以提高工作的便捷性。因為管道一般口徑較小，人無法進入工作，采用上位機和無線通信技術，可以方便快捷的進行信息傳遞和數據交流。因此，利用管道機器人代替人工操作是十分有必要的。同時，隨著人工智能時代的不斷發展，對于機器人這類智能產品的需求也越來越大。

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