探析智能巡檢機(jī)器人測控平臺的設(shè)計應(yīng)用

侯海英 億嘉和科技股份有限公司

1 智能巡檢機(jī)器人測控平臺總體設(shè)計

智能巡檢機(jī)器人測控平臺設(shè)計要體現(xiàn)出實(shí)時性、適應(yīng)性和可擴(kuò)展性，能夠較好地應(yīng)用于管道焊縫缺陷的智能檢測，主要包括以下構(gòu)件：(1）機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)。通過機(jī)器人車輪上的吸附機(jī)構(gòu)和循跡模塊在管道壁面沿焊縫爬行，由機(jī)械臂的超聲探傷模塊進(jìn)行焊縫缺陷的檢測。(2）運(yùn)動控制系統(tǒng)。利用APP軟件的無線通信技術(shù)進(jìn)行機(jī)器人主控制器的通信設(shè)計，通過移動APP發(fā)送不同控制指令的方式，實(shí)時控制機(jī)器人的行進(jìn)狀態(tài)和機(jī)械臂掃查動作，全方位地檢測焊縫缺陷。（3）人機(jī)界面。通過RS－232/RS－485通訊接口采集和存儲焊縫缺陷信息，通過人機(jī)界面顯示的波形數(shù)據(jù)判斷機(jī)器人檢測焊縫的缺陷。

2 智能巡檢機(jī)器人硬件設(shè)計

2.1 主控制器選型設(shè)計。主控制器STM32F103C8T6的內(nèi)核為Cortex-M3，存儲器為64KbFlash，定時器7個，接口資源包括有兩個I2C接口、3個USART接口、2個SPI接口，體現(xiàn)出功耗低、兼容性好的優(yōu)勢特點(diǎn)，控制機(jī)器人進(jìn)行焊縫循跡、與移動APP進(jìn)行通信，完成機(jī)器人移動控制和機(jī)械臂的動作控制，較好地滿足智能巡檢機(jī)器人的性能需求。同時，選用L298N驅(qū)動模塊進(jìn)行四路直流電機(jī)的驅(qū)動，接受單片機(jī)的實(shí)時控制，通過單片機(jī)向驅(qū)動板發(fā)送變化的高低電平，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。另外，選用XL4015穩(wěn)壓芯片，為機(jī)器人的機(jī)械臂提供穩(wěn)定的工作電壓，使之承受較大的電流。并采用USB轉(zhuǎn)串口電路進(jìn)行核心控制板的供電，實(shí)現(xiàn)與外設(shè)的信息交換。數(shù)據(jù)存儲空間較大，擁有64KbFlash的數(shù)據(jù)存儲空間，能夠進(jìn)行重復(fù)性的擦除讀寫操作。

2.2 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計。為了確保機(jī)器人工作過程中能夠在管道壁靈活自如地行走，可以選取四輪式機(jī)構(gòu)，采用驅(qū)動四個車輪的移動方式，通過對車輪分散布置一定數(shù)目的磁鐵，可以實(shí)現(xiàn)可靠性吸附和平穩(wěn)運(yùn)動，轉(zhuǎn)向更加方便和易于控制，相較于多足步行式機(jī)構(gòu)和履帶式機(jī)構(gòu)有不可比擬的優(yōu)勢。同時，機(jī)器人采用六自由度機(jī)械臂的控制，通過左右移動、前后移動、定點(diǎn)移動、環(huán)繞移動的方式，進(jìn)行探測點(diǎn)的多方位、多角度掃查檢測，利用機(jī)械臂的多自由度特性進(jìn)行管道盲區(qū)的掃查，提高焊縫缺陷檢測的準(zhǔn)確率。通過在程序中調(diào)整高電平的脈沖信號時間，即可使舵機(jī)按照預(yù)定的角度進(jìn)行工作，實(shí)現(xiàn)對機(jī)械臂的控制。

2.3 吸附方式設(shè)計。考慮到智能巡檢機(jī)器人在管道壁面工作中會攜帶缺陷探傷檢測模塊、機(jī)械臂等負(fù)載，一旦機(jī)器人從管道壁脫落則會導(dǎo)致機(jī)器人損毀的現(xiàn)象。為此，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)中的油氣管道大多是由鋼板焊接而成，因而可以采用磁鐵吸附的方式，較好地適宜機(jī)器人進(jìn)行爬壁行走，體現(xiàn)出負(fù)載能力大、易于控制的特點(diǎn)，并無須消耗過多的能量。

2.4 壁面靜力學(xué)分析。由于吸附力過大會阻礙機(jī)器人的爬動，吸附力過小會使機(jī)器人從管道壁面滑落，為此要進(jìn)行機(jī)器人的壁面靜力學(xué)分析，選取適宜的機(jī)器人吸附力。當(dāng)爬壁機(jī)器人水平吸附于管道壁面時，測量可知，機(jī)器人總質(zhì)量為4Kg，重心距離墻面的距離為300mm，摩擦系數(shù)為0.5，左右量車輪間距為200mm，通過計算可知，每個車輪平均產(chǎn)生的吸附力最小為40N。當(dāng)爬壁機(jī)器人垂直吸附于管道壁面時，前后輪之間的中心距為250mm，前輪比后輪的吸附力要大，每一個車輪最少要提供48N的吸附力，方可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人安全的爬行。

2.5 機(jī)器人控制方式設(shè)計。智能巡檢機(jī)器人采用無線控制方式實(shí)施遠(yuǎn)程控制，控制端選用靈活多變、后期二次開發(fā)較強(qiáng)的移動APP軟件，控制端操作人員僅需利用手中的安卓手機(jī)即可進(jìn)行機(jī)器人移動狀態(tài)和實(shí)時動作的控制，體現(xiàn)方便快捷的應(yīng)用特點(diǎn)。

2.6 無線通信方式。智能巡檢機(jī)器人測控平臺選取HC－05藍(lán)牙模塊作為移動APP和控制電路板間的通信，體現(xiàn)其低功耗、快速傳輸、支持雙向通信的特點(diǎn)。

3 智能巡檢機(jī)器人軟件平臺設(shè)計

3.1 單片機(jī)程序開發(fā)軟件平臺

智能巡檢機(jī)器人測控軟件平臺采用最新的Keil uVision5軟件編譯器，運(yùn)用C語言進(jìn)行機(jī)器人的軟件編寫，能夠?qū)⒊绦虼a編譯為微控制單元可執(zhí)行的二進(jìn)制代碼，構(gòu)建啟動文件、外設(shè)和HAL庫相關(guān)文件、內(nèi)核頭文件、用戶程序文件等，并進(jìn)行程序修改和調(diào)試，生成HEX文件并下載到單片機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2 移動APP開發(fā)軟件平臺。智能巡檢機(jī)器人測控平臺采用全新的Android Studio軟件，僅面向安卓移動APP進(jìn)行開發(fā)，能夠幫助用戶進(jìn)行APP軟件的快速開發(fā)和后續(xù)調(diào)試，并基于IntelliJ IDEA的集成環(huán)境進(jìn)行軟件開發(fā)，通過功能豐富的AVD模擬器進(jìn)行程序調(diào)試和移動APP開發(fā)。這款采用Android Studio軟件開發(fā)的基于安卓手機(jī)的APP軟件，可以通過手機(jī)藍(lán)牙和HC-05藍(lán)牙模塊相匹配和鏈接，實(shí)現(xiàn)對智能巡檢機(jī)器人測控平臺的遠(yuǎn)程控制，能夠利用機(jī)械臂掃查模塊控制機(jī)器人的前進(jìn)、停止、后退等操作。

3.3 人機(jī)界面開發(fā)軟件平臺。采用LabVIEW軟件進(jìn)行人機(jī)界面的開發(fā)，利用LabVIEW軟件的數(shù)據(jù)采集、信號處理、串口通信等功能進(jìn)行開發(fā)設(shè)計，基于串口通信原理，調(diào)取相應(yīng)的圖形模塊開發(fā)人機(jī)界面，設(shè)計相關(guān)通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)接收操作，較好地簡化開發(fā)流程，提高軟件平臺開發(fā)效率。

4 智能巡檢機(jī)器人測控平臺軟件設(shè)計

4.1 主控制器程序設(shè)計。要進(jìn)行系統(tǒng)的初始化設(shè)置和GPIO設(shè)置，設(shè)計和開發(fā)串口通信、通信協(xié)議、定時器及相關(guān)控制子程序，依照任務(wù)優(yōu)先級次序進(jìn)行任務(wù)處理，實(shí)現(xiàn)對智能巡檢機(jī)器人的控制。在六自由度機(jī)械臂程序控制的過程中，可以采用單個定時器中斷法，將舵機(jī)內(nèi)部生成的20xl的基準(zhǔn)信號進(jìn)行分解，由每一份時間完成一個舵機(jī)的控制。

4.2 基于Android手機(jī)無線控制。在基于安卓手機(jī)的APP開發(fā)過程中，要安裝Android Studio客戶端和Android SDK軟件開發(fā)工具，配置環(huán)境變量和頁面布局，進(jìn)行Java程序和相關(guān)資源的編譯，生成APK包并安裝于安卓手機(jī)，實(shí)現(xiàn)對機(jī)械臂動作控制和機(jī)器人行進(jìn)狀態(tài)的控制。同時，采用UART異步通信方式進(jìn)行通信，在手機(jī)藍(lán)牙和HC-05配對連接之后進(jìn)行指令接收和處理執(zhí)行。

4.3 基于LabVIEW的人機(jī)界面設(shè)計。要設(shè)計基于LabVIEW的人機(jī)界面，實(shí)時接收探傷儀傳送的數(shù)據(jù)，以波形的方式顯示數(shù)據(jù)信息，并對接收到的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，進(jìn)行焊縫缺陷檢測的后續(xù)檢查，提高焊縫缺陷檢測的準(zhǔn)確度。并通過數(shù)據(jù)的多次回放操作，進(jìn)行檢測缺陷結(jié)果的分析，實(shí)現(xiàn)智能巡檢機(jī)器人測控平臺的改進(jìn)和優(yōu)化。具體操作流程包括有：啟動系統(tǒng)登錄；輸入正確的用戶名和密碼后自動進(jìn)入到檢測界面；并設(shè)置系統(tǒng)串口通信參數(shù)實(shí)現(xiàn)通信。

5 小結(jié)

綜上所述，傳統(tǒng)的人工缺陷檢測勞動強(qiáng)度大、效率低，為此要結(jié)合工業(yè)油氣管道實(shí)際工況條件，提出智能巡檢機(jī)器人測控平臺的設(shè)計和應(yīng)用總體方案，選取采用STM32F103C8T6主控芯片、四輪驅(qū)動磁鐵吸附和EE－SX671A型光電傳感器的爬壁機(jī)器人，利用Android studio軟件和Java語言，實(shí)現(xiàn)移動APP的開發(fā)和設(shè)計，通過手機(jī)自帶的藍(lán)牙功能進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和指令發(fā)送，遠(yuǎn)程無線控制智能巡檢機(jī)器人的移動狀態(tài)和機(jī)械臂轉(zhuǎn)動。后續(xù)還要將平臺樣機(jī)置于實(shí)際油氣管道中進(jìn)行功能測試，減小機(jī)器人的體型，并與圖像處理技術(shù)相結(jié)合設(shè)計機(jī)器人循跡模塊，進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使之適應(yīng)復(fù)雜的工況條件。