仿生設計管道機器人的深究

趙祥至

摘 ?要：本文首先闡述了管道機器人設計系統設計概念，分析了管道機器人的軟硬件控制系統的發展現狀，提出一種管道機器人系統方案。對管道機器人系統的軟硬件做出了設計，并對其管道機器人軟硬件控制系統進行了調試。主要對管道機器人做出以下幾點：

（1）設計管道機器人軟硬件控制系統的基本要求，提出管道機器人軟硬件控制系統總體方案。

（2）對管道機器人控制系統的軟件進行設計。

（3）對管道機器人實物進行制作，驗證本文設計的可行性，以及對管道機器人進行調試分析其設計的可行性。

關鍵詞：管道機器人;控制系統;單片機;實物制作

第1章 ?管道機器人控制系統方案設計

管道機器人控制系統便為一個移動的完整的測控系統，在完整的控制系統中包含檢測模塊、控制模塊、與之相應的驅動模塊。這些模塊彼此是互相關聯的，其中檢測模塊依照機械具體構造選取合理的合適的檢測方式，驅動模塊依照任務需求與機械構造的具體從而設計與之對應的實際的驅動電路，控制模塊就要以機械構造、檢測方式、驅動模式等方面綜合的考慮。

1.1管道機器人結構

基于普遍的車輪驅動的實際配置，與系統中實際的情況相結合從而設計滿足本次課題設計的系統的最好的選項，當然這樣的選擇并不是某個方面單獨的最好，然而其一定必須要充分的參考各個實際的狀況（例如管道機器人實際的載重、管道機器人的材質、操控的方式和加工的手法）后從而得出的最優的設計方案。本次課題設計里，管道機器人實施清理管道的操作的時候，我們要考慮到運行的穩定性，這也是重要的一個考慮因素之一。管道機器人的機械構造設計方案示意圖1-1所示。其中每個模塊代表如下：1、第一固定塊;2、第一外殼;3、滾輪;4、第一防水伸縮管;5、液壓推桿;6、云臺;7、微型攝像機;8、第一防水馬達;9、第一轉軸;10、第二轉軸;11、雙軸馬達;12、第二外殼;13、第二固定塊;14、第一轉動塊;15、控制芯片;16、微型蓄電池;17、伸縮桿;18、第二轉動塊;19、電磁鐵;20、防滑硅膠套;21、清潔片;22、第二防水馬達;23、第一固定桿;24、安裝箱;25、第二固定桿;26、第三固定塊;27、第一轉動桿;28、第三防水馬達;29、第二防水伸縮管;30、支桿;31、第二轉動桿;32、微型馬達;33、固定管;34、第三轉動桿。

1.2 管道機器人驅動方式

驅動系統是機器人系統的動力來源，現代機器人的驅動方式主要有氣動驅動、液壓驅動和電動驅動三種。

氣動驅動系統以壓縮空氣為動力源，具有氣源方便，系統結構簡單，運動快速活，不污染環境，適合在惡劣工況條件下工作等特點。但是由于氣體具有可壓縮氣動驅動系統的平穩性差，高速時還需緩沖或制動裝置，低速時不易控制，速度、置控制難于達到精確值。

液壓驅動系統具有重量輕、慣量小、傳動平穩、控制環節簡單等特點。但是液壓驅動系統的液壓油容易泄漏，污染環境并影響機器性能，它需要單獨的油源，所占空間較大，主要適用于中、大型機器人。

電動驅動系統具有傳動平穩、靈活、速度快、控制簡單精確、無污染、效率高、結構簡單、無管路系統、維護方便等特點，適用于中、小型機器人。

采用電動驅動系統是現代機器人技術的發展趨勢之一，負荷IO00N以內的中、小型機器人，絕大部分采用了電動驅動系統。在參考了國內外大量管道機器人實例，以及炮管擦洗機器人實際使用環境后，炮管擦洗機器人采用電動方式進行驅動。

1.3 管道機器人控制系統整體方案設計

管道機器人控制系統的整體設計方案經由系統中硬件的選擇，進一步的確定出系統需要的硬件，主要的聯系是：STM32F103RCT6是主控芯片，是全部的控制系統中的重要核心;而ESP8266 WIFI模塊經由WIFI網絡以手機端口進一步的接收到實際的控制信號，且將這些信號輸送到主控芯片中進一步的解析;TFT LCD模塊是人機交互設備從而顯示出各類交互數據信息;但是，全部信號的最后處理的結果皆是傳輸到直流電機驅動部分，進一步的驅動電機進行運動。

1.4 本章小結

本章節里，主要的系統化地講解硬件模塊的實際選擇和它的運行原理，以及硬件間構成的實際的硬件結構。就整個系統而言，正確的選擇硬件是非常重要的，硬件對系統而言就像骨骼對于人體的重要性，支撐著系統的實際運行。

第2章 ?管道機器人控制系統的軟件設計

2.1程序結構分析

經由上面章節的具體的介紹，已完成了管道機器人中硬件系統的具體設計，但無軟件的支持，系統硬件便無法正常的運行工作。軟件為硬件的實際靈魂，操控全部硬件系統實際工作。因此軟件對于系統的重要性就某種意義來講是比硬件還要重要的。

管道機器人內全部軟件系統的設計牽涉到非常多的方面，軟件系統為一個非常復雜的具體的系統，無法一次性的將全部的代碼全編寫出來。所以，此處進行軟件代碼的具體編寫選擇模塊化的基本設計思想，把軟件系統逐一的劃分成子系統，然后把子系統在逐一的細化成單一功能的具體模塊進一步的完成，最終把全部模塊都整合為整體的大的系統，從而完成預期的所有的功能。

2.2主程序設計

程序設計中主要包含主控制構件，避障構件，中斷和PWM控制的具體設計。

主控制模塊：一、實現初始化工作，初始化主要的目標是初始化有循跡部分，初始化避障部分，初始化電機驅動部分，初始化主控制部分;二、單片機輸送PWM進一步操控電機的實際轉速和具體的轉向，

PWM控制模塊：本次課題設計的系統中選擇PWM操控電機的實際轉速。控制的過程里，確定52單片機中定時器T0內部初始值，能用不一樣的占空比的實際脈沖波形的輸出P0.4以及P0.5輸出端口。占空比實際數值直接的影響著電機轉速的快慢。

第3章 ?結論

目前的管道機器人控制系統通常由微控制器系統、受硬件特性約束的微控制器組成，在保證系統實時性的同時，很難滿足許多復雜的控制要求。為此，本文基于stm32單片機，對無線管道機器人的通用性和實時性進行了優化和提高。證明了管道機器人系統可以在保障及時的前提下完成復雜的多任務控制。只要在wifi熱點覆蓋區域，無限遠地服務器就可以在現實生活中應用現有的智能算法。主要對管道機器人做出以下幾點：

（1）設計管道機器人軟硬件控制系統的基本要求，提出管道機器人軟硬件控制系統總體方案。

（2）對管道機器人控制系統的軟件進行設計。

（3）對管道機器人控制系統做出的研究進行總結分析，得到本設計的有點與證實可行性。

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