小體積電纜管道打磨機器人控制系統設計

摘" 要： 地下電纜已成為城市電網的重要組成部分，但目前施工過程中電纜易因管道錯位問題而被劃傷，亟需設計一款電纜管道邊緣打磨機器人，提前排除電纜劃傷隱患，其中機器人的軟硬件控制系統是設計的重中之重。在此背景下，開發了一個基于STM32的硬件電路、軟件控制系統的上位機操作界面。使用EDA軟件設計系統部分硬件電路，包括最小系統板、降壓電路、CAN通信電路和電機驅動電路；在Keil5軟件中，應用串級PID控制算法設計了各模塊的軟件控制程序；基于C#語言，使用Visual Studio軟件設計了上位機人機交互界面。經過樣機制作與實驗驗證，證明了該機器人整體功能完善，能夠通過上位機界面實現圖像傳輸、機器人行進以及管壁打磨等功能，完全能夠滿足小體積電纜管道打磨機器人的作業要求。

關鍵詞： 電纜管道； 打磨機器人； 控制系統設計； 硬件電路； STM32； 串級PID； CAN

中圖分類號： TN929.5?34； TP242； TP271" " " " " " "文獻標識碼： A" " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2025）08?0093?07

Design of small?scale cable conduit grinding robot control system

HE Yuling1， 2， XUE Rui1， DAI Derui1， PANG Ziwang1， KONG Fanfang3， ZHANG Yi3， ZHAN Lulin3

（1. Hebei Engineering Research Center for Advanced Manufacturing amp; Intelligent Operation and Maintenance of Electric Power Machinery， North China Electric Power University， Baoding 071003， China; 2. Suzhou Research Institute， North China Electric Power University， Suzhou 215123， China;

3. Wenzhou Electric Power Construction Co.， Ltd.， Wenzhou 325000， China）

Abstract： Underground cable has become an important part of the urban power grid， but the cable is easily scratched due to pipeline dislocation during the current construction process. It is urgent to design a cable pipeline edge grinding robot to eliminate the hidden dangers of cable scratches in advance. The software and hardware control system of the robot is the top priority of the design. On this basis， a hardware circuit based on STM32 and an upper computer interface for the software control system are developed. The EDA software is used to design partial hardware circuits of the system， including the minimum system board， step?down circuit， CAN communication circuit， and motor drive circuit. In Keil5 software， the cascaded PID control algorithm is applied to design the software control programs for each module. Based on C# language， Visual Studio software is used to design the upper computer's human?machine interaction interface. After prototype making and experimental verification， it is proved that the overall function of the robot is perfect， and the functions of image transmission， robot travel and pipe wall grinding can be realized through the interface of the host computer， which can fully meet the operation requirements of the small?volume cable pipe grinding robot.

Keywords： cable conduit; grinding robot; control system design; hardware circuit; STM32; cascaded PID; CAN

0" 引" 言

機器人在工業中應用非常廣泛[1?3]。在電纜管道施工中，由于施工不當或其他原因，會出現管道銜接處錯位的情況，導致電纜的外部絕緣層會被劃傷，從而影響電網的穩定運行。因此，如何保護電纜不被管壁劃傷是從業人員的研究重點。鑒于電纜管道的直徑通常較小，人員無法進入，為了實現管道內壁的打磨，迫切需要設計一種電纜管壁邊緣打磨的機器人控制系統。工作人員可以在上位機操作機器人打磨管壁，從而避免因管道錯位而導致的電纜劃傷問題，確保電纜的安全敷設和電網的可靠運行。

在管道機器人的機械機構方面，文獻[4?5]對變徑式管道機器人的結構進行了研究；文獻[6]根據不同的管道改變相鄰模塊間的夾角以及模塊的連接總數，設計了一種蛇形機器人，以適應不同管徑；文獻[7]提出了一種六足蜘蛛仿生機器人結構；文獻[8]采用了機械臂搭配圖像模塊，實現水下管道的雜物清理；文獻[9]設計了一種小型電纜管道機器人，由機器人拖動牽引網罩完成清障功能。但以上研究皆不具備打磨機構。

在電纜管道機器人的控制系統方面，為完成管道裂縫的修補工作，文獻[10]設計了一種柔性管道機器人的噴膠覆蓋控制系統；文獻[11]搭建了一整套水下無人監測平臺；文獻[12]設計了一種基于PID的水下機器人控制系統；文獻[13]提出了一種滑模變結構控制策略，對水下機器人運動控制系統進行了研究；文獻[14]基于六推進器的船舶清洗ROV實驗平臺，研究了船體清潔機器人的運動控制系統；文獻[15]針對研磨拋光末端執行器設計了一種恒力打磨控制系統，但并未做出實物。上述研究在應用場景或功能實現上存在不足之處。

本文設計的小體積電纜管道打磨機器人控制系統可以通過攝像頭檢測管道內壁情況，相較于其他管道機器人體積較小，可通過機器人前端的打磨電機打磨管壁。配套的控制系統具備圖像傳輸延遲低、通信距離遠以及操作界面友好等特點，可以實現電纜管道檢修的無人化作業，保障電力系統的穩定運行。電纜管道打磨機器人控制系統設計指標如表1所示。

1" 機器人整體設計

1.1" 結構設計

由于機器人的應用場景是狹窄的電纜管道，其為內徑250 mm的圓管，空間有限，因此機器人的管道截面方向尺寸應做合理設計。

管道機器人采用模塊化設計，具有體積小、功能多樣的特點。管道機器人的主要參數如表2所示。

在電纜管道機器人的小車主體前端設有打磨驅動模塊和云臺模塊。管道機器人的主要特點是：體積小巧，運動控制和圖像傳輸通過一個主控板和一個圖像傳輸模塊實現，機器人集管道檢測與管壁打磨功能于一體，能夠高效完成任務。機器人的三維模型圖如圖1所示。

1.2" 功能模塊設計

本文提出了一種用于城市電纜管道打磨的機器人控制系統，該系統由五個主要部分組成，分別是主控板、外部執行機構、電源模塊、無線圖像傳輸模塊和串口通信模塊，5個模塊協同工作以實現對電纜管道內部的高效維護。

首先，系統的核心是采用STM32微控制器的主控板，該主控板負責接收并解析上位機發送的控制指令，同時處理電機驅動器（電調）的反饋信息，并向外部執行機構發出精確的運動控制指令。

其次，外部執行機構由C620電調、C610電調和L298N驅動組成。其中，C620電調和C610電調控制M3508無刷電機（電機1）和M2006無刷電機（電機2），L298N驅動用于控制直流電機（電機3），主控板控制舵機1、舵機2和舵機3的擺動。外部執行機構的功能各有不同，電機1用于控制底盤的前進、后退和停止，電機2用于調整云臺底座的角度，電機3用于驅動打磨鉆頭轉動完成打磨工作。3個舵機用于調節打磨電機的工作角度和云臺攝像頭的轉動角度，其中舵機1和舵機2協作控制打磨機構的角度調整，舵機3用于控制云臺的擺動。為提供持久的電源供應，系統采用2 600 mAh容量的可充電鋰電池模塊，該電池模塊支持邊充邊放，確保機器人在長時間工作過程中的能量需求。

再次，無線圖像傳輸模塊由USB攝像頭、無線圖傳模塊和補光燈組成，它能夠采集管道內部的圖像信息，并通過無線傳輸技術實時發送至上位機進行處理和分析。

最后，串口通信模塊由RS 485_USB和RS 485_TTL模塊組成，通過RS 485通信協議實現與主控板的數據交互，保證了長距離信號傳輸的穩定性和可靠性。

整體而言，該機器人控制系統集成了先進的控制芯片、高精度的執行機構、穩定的電源管理和高效的圖像傳輸技術，能夠有效提高城市電纜管道的檢測與維護效率。系統的整體框架如圖2所示，其展示了各模塊之間的工作關系以及系統的整體布局。

1.3" 上位機設計

在Visual Studio軟件中利用C#語言搭建上位機操作界面，如圖3所示。上位機操作界面主要分為攝像頭顯示區域、串口通信區域、功能操作區域三部分。當小車運行時，操作人員通過點擊按鈕實現各個功能，在串口通信區實時顯示狀態信息。

2" 小體積電纜管道打磨機器人控制系統

2.1" 硬件設計

小體積電纜管道打磨機器人控制系統的硬件框圖見圖4。

在設計和實現電纜管道打磨機器人的控制系統時，為確保系統的高效運行和實時反饋，機器人在運動過程中，主控制芯片需要實時處理電機驅動器（電調）返回的電流值、碼盤的位置值等數據，并接收來自上位機的指令，向外部執行機構發出動作指令。因此，主控制芯片的運算能力和外部接口數量成為關鍵考慮因素。

經過市場調研和性能需求分析，本文控制系統采用了意法半導體（STMicroelectronics）的STM32F407微控制器作為主控芯片。STM32F407芯片具有最高168 MHz的運行時鐘頻率以及豐富的外部接口，能夠滿足電纜管道機器人在性能方面的需求。

在供電系統方面，機器人采用了鋰電池與有線連接的組合型供電方式。當使用220 V電壓有線連接時，通過反激電源方案和開關電源模塊將電壓轉換為24 V，作為鋰電池的輸入。鋰電池內部具有過充過放保護功能，能夠穩定輸出24 V電壓。此外，通過TPS5450芯片將電壓降至5 V，為舵機供電；同時通過TPS5450芯片將電壓降至3.3 V，為主控芯片供電。降壓電路的設計如圖5a）所示。

鑒于電纜管道由玻璃纖維材料構成，這種材料對WiFi信號沒有衰減作用，因此本文系統選擇基于MIPS處理器的MR300C模塊作為圖像傳輸模塊，該模塊支持無線傳輸技術。用戶可以通過連接到模塊的WiFi熱點或網口，使用計算機或手機查看實時的視頻流。MR300C模塊采用HTTP協議進行視頻流的傳輸，只需輸入網絡IP地址即可訪問和獲取視頻圖像，實現遠程監控功能。

在通信方面，主控芯片與電調之間采用了CAN通信協議，并設計了相應的CAN通信硬件電路。根據管道機器人的功能需求，主控板需要通過CAN通信控制電機1和電機2，電機1用于底盤驅動，電機2用于云臺底座電機的角度轉動。CAN通信電路的設計如圖5b）所示。

對于打磨電機的驅動，選用了L298N電機驅動芯片，該芯片具有工作電壓高、輸出電流大的特點。L298N驅動電路的設計如圖5c）所示。

綜上，本文電纜管道打磨機器人的控制系統采用了高性能的主控芯片、穩定的供電系統、高效的圖像傳輸模塊和可靠的通信電路，確保了機器人在電纜管道檢測與維護作業中的高效性和可靠性。

2.2" 軟件設計

小型電纜管道打磨機器人采用Free RTOS（Free Real?Time Operating System）實時操作系統，在這里主要分析主函數、串口中斷函數和電機1與電機2的CAN通信控制函數，軟件主程序控制流程如圖6所示。

主程序啟動后經過系統時鐘初始化、GPIO引腳配置初始化、CAN初始化、CAN過濾器初始化后，在主循環中執行各個任務，當進入中斷后，系統執行對應的中斷函數；中斷用到了CAN的接收中斷和串口中斷，串口采用DMA（Direct Memory Access）的方式接收數據，在串口中斷函數中，當系統檢測到發生了空閑中斷后，清除空閑標志位并停止DMA接收。之后對來自上位機的數據進行解包，完成數據包解析后，根據不同數據分別執行對應的函數。串口中斷函數控制流程如圖7所示。電機1、電機2、電機3和3個舵機的控制放在不同的電機控制任務中，包括底盤驅動任務、云臺轉動任務、打磨機構擺動任務和打磨電機任務，系統初始化后根據各任務的優先級執行不同任務。在每個控制任務中，通過檢測各自的動作標志位運行對應的函數。

在底盤驅動任務中，有3個標志位，分別是電機1正轉標志位、電機1反轉標志位和電機1的停止標志位。當檢測到不同標志位改變時，分別執行不同的函數，在電機1的正轉、反轉和停止函數中，為增加系統的穩定性，應用PID控制算法，離散PID表達式為：

式中：[u（t）]為PID控制器輸出控制量；KP、KI、KD分別是比例系數、積分系數、微分系數；[e（k）]代表本次偏差；[e（k-1）]代表上一次的偏差；[e（n）]代表偏差累積和；k取值范圍為1，2，…，K。系統采用CAN通信方式向C620電調發送經過PID計算后的電流值，實現電機1的速度閉環控制，用于控制機器人底盤的前行、后退與停止。電機1的速度閉環控制流程和電機1的PID控制流程分別如圖8、圖9所示。

在云臺轉動的任務中，有3個標志位，分別是電機2正轉15°標志位、電機2反轉15°標志位和舵機3轉動標志位。無刷電機2的角度控制是在電機1速度閉環的基礎上加入電機角度的閉環控制，構成了電機2的串級PID控制，轉速閉環作為內環，位置閉環作為外環，因外環添加積分（I）后，導致系統響應變慢，而添加微分（D）又容易引入噪聲，因此只用了比例（P）環節，電機2和舵機3協調運動實現了上位機云臺的轉動與角度的微調。電機2的串級PID控制框圖如圖10所示。在打磨機構擺動任務中，組合舵機1與舵機2，構成打磨機構的擺動結構，打磨程序運行時，通過改變定時器輸出PWM占空比來實現角度的控制。檢測到動作標志位后，首先舵機2正向轉動45°，即設定脈沖寬度為1 ms，使打磨電機傾斜；之后通過改變舵機1的占空比，開始進行擺動，實現打磨機構的擺動。在打磨電機任務中，電機3為直流電機，未進行閉環控制，而是直接通過定時器輸出固定占空比來實現打磨電機的驅動。

3" 小體積電纜管道打磨機器人實驗測試

本文的設計目標是設計一個可以在管道內巡檢的智能小車控制系統，并且能夠在上位機界面顯示管內圖像信息，操作者通過PC端的上位機軟件控制小車，實現前進、后退、停止、管壁打磨等動作。上位機運行界面見圖11。機器人管內檢測包括檢測項目、檢測步驟、預期結果和檢測結果，基本功能測試表如表3所示。

功能測試過程分三步進行。

1） 控制系統上電，PC連接攝像頭的WiFi地址，機器人等待上位機的命令。

2） 在上位機界面，操作人員通過鼠標點擊“開始捕捉”按鈕，打開攝像頭，將圖像傳輸至上位機顯示區域。

3） 將機器人放置到電纜管道中，操作人員在PC端分別點擊“小車前進”“小車后退”“小車停止”“開始打磨”和“打磨停止”按鈕，實現圖像的傳輸，小車的前進、后退、停止，以及打磨電機的啟動和停止等功能。經過打磨后，電纜管道的凸起處能夠被有效切削。管道內壁打磨前后對比如圖12所示。檢測結果表明，小車能夠按照預期目標完成管道巡檢、打磨等任務，所得數據準確，基本達到設計要求。

4" 結" 論

本文提出的電纜管道打磨機器人控制系統采用了創新的供電方案，將輕便的鋰電池與穩定的開關電源模塊相結合，為機器人提供可靠的動力。系統通過無線圖傳模塊實時采集管道內部的圖像信息，利用RS 485通信模塊實現機器人與上位機之間的穩定通信。控制系統能夠有效驅動2個無刷電機、1個打磨直流電機以及3個舵機，確保機器人能夠精確執行打磨任務。上位機界面設計簡潔直觀，便于操作，工作人員可在PC端輕松實現對電纜管道打磨機器人的操控和打磨動作的執行。

實驗結果表明，機器人能夠迅速響應上位機的指令，實現平穩的前進、后退和停止等作業，并完成圖像的實時傳輸和管壁打磨工作。本文機器人系統設計成功地將巡邏和檢修功能集成于一體，操作簡便，功能豐富，具有廣泛的應用潛力。

注：本文通訊作者為代德瑞。

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作者簡介：何玉靈（1984—），男，福建龍巖人，博士研究生，教授，博士生導師，研究方向為電機特性分析、復雜機電系統建模、智能機電一體化設備研發。

代德瑞（1998—），男，河北滄州人，博士研究生，研究方向為電機特性分析、智能機電一體化設備研發。

收稿日期：2024?05?25" " " " " "修回日期：2024?07?08

基金項目：國家自然科學基金資助項目（52177042）；中央高校基本科研業務費專項基金資助項目（2023MS128）；河北省第三批青年拔尖人才支持計劃資助項目（[2018]?27）；蘇州市社會發展科技創新資助項目（SS202134）；溫州圖盛控股集團有限公司科技項目（CF058807002022007）