基于STM32的儲(chǔ)罐壁面檢測爬壁智能車設(shè)計(jì)

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

在石化行業(yè)中，石油儲(chǔ)罐、化工儲(chǔ)罐、液化氣儲(chǔ)罐等在長期使用中易因潮濕空氣和殘留油品產(chǎn)生銹蝕，須定期進(jìn)行壁面維護(hù)。傳統(tǒng)的人工作業(yè)危險(xiǎn)性高且工作效率低，儲(chǔ)罐爬壁智能設(shè)備可以代替人工進(jìn)行高空作業(yè)，極大地降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度與勞動(dòng)危險(xiǎn)性，減少作業(yè)成本，提升作業(yè)效率[1-3]。國內(nèi)外爬壁智能設(shè)備按移動(dòng)方式可分為履帶式、輪式、足式及混合式爬壁機(jī)器人[4]。近年來，輪式爬壁機(jī)器人因其移動(dòng)效率高、操作簡單、轉(zhuǎn)向靈活等特點(diǎn)，獲得了研究人員的廣泛關(guān)注[5]。但是，輪式爬壁機(jī)器人普遍存在體積或質(zhì)量較大的問題，在作業(yè)過程中不易搬運(yùn)[6]。另外，在儲(chǔ)罐表面檢測的應(yīng)用中，輪式爬壁機(jī)器人的功能較為單—[7]，須進(jìn)一步完善。

為解決上述問題，本文設(shè)計(jì)了一款整機(jī)尺寸為310mm×260mm×110mm ，自重為 2.65kg 的輕量化輪式爬壁智能車。該智能車結(jié)合雙路舵機(jī)與自主設(shè)計(jì)的抬舉結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)小車在水平面和垂直壁面間的自主攀爬并采用電磁吸附方式實(shí)現(xiàn)在導(dǎo)磁壁面上的穩(wěn)定吸附。該智能車控制系統(tǒng)以STM32F407VET6單片機(jī)為核心，集成姿態(tài)檢測、視覺識(shí)別、激光測距、無線通信等模塊，結(jié)合軟件編程調(diào)試，可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)速度可調(diào)，自動(dòng)識(shí)別銹斑并記錄，壁面平整度檢測以及與上位機(jī)的無線通信等功能。

1爬壁智能車機(jī)械本體設(shè)計(jì)

爬壁智能車機(jī)械本體設(shè)計(jì)主要包括抬舉系統(tǒng)設(shè)計(jì)、吸附系統(tǒng)設(shè)計(jì)和移動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)3部分。智能車機(jī)械結(jié)構(gòu)的主要部分包括起抬板、固定板、起抬臂、舵機(jī)、直流電機(jī)和電磁鐵等，如圖1所示。其中起抬臂連接起抬板和固定板，具有向上抬舉起抬板的作用。當(dāng)智能車抵達(dá)水平面與儲(chǔ)罐壁面的交界處時(shí)，起抬板前端抵壁后電機(jī)停轉(zhuǎn)，舵機(jī)驅(qū)動(dòng)車體兩側(cè)的起抬臂，將起抬板向上抬舉，同時(shí)啟動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)車輪前行。當(dāng)小車的起抬板達(dá)到預(yù)設(shè)角度時(shí)，使用電磁鐵完成起拾板與壁面的吸附，隨后驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)車輪，帶動(dòng)爬壁小車向上攀爬，實(shí)現(xiàn)智能車從水平面到儲(chǔ)罐壁面的自主攀爬。

2爬壁智能車控制電路整體設(shè)計(jì)

爬壁智能車控制系統(tǒng)包括STM32主控模塊、無線通信模塊、姿態(tài)檢測模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、視覺識(shí)別模塊、舵機(jī)控制模塊、激光測距模塊、電磁鐵模塊、遙控模塊。爬壁智能車控制電路整體設(shè)計(jì)如圖2所示。主控模塊為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分，對所有功能模塊的信息加以分析和處理，控制爬壁智能車運(yùn)動(dòng)和壁面檢測。姿態(tài)檢測模塊檢測小車的位置狀態(tài)，單片機(jī)根據(jù)小車位置狀態(tài)的改變，通過舵機(jī)控制模塊調(diào)整小車起抬板的抬舉角度，通過電磁鐵模塊控制電磁吸附力，以實(shí)現(xiàn)小車自主攀爬的功能。無線通信模塊將檢測到的數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測功能。視覺識(shí)別模塊對儲(chǔ)罐壁面進(jìn)行特征檢測，識(shí)別銹蝕處并記錄銹蝕的數(shù)量，同時(shí)使用激光測距模塊檢測壁面的平整度。遙控模塊可以通過遙控器手動(dòng)控制小車，精確地操控小車在壁面上行駛并檢測。

（a）頂部結(jié)構(gòu)

圖1爬壁智能車機(jī)械結(jié)構(gòu)

3爬壁智能車硬件設(shè)計(jì)

3.1主控模塊

STM32F407VET6是意法半導(dǎo)體推出的一款高性能微控制器，基于ARMCortex-M4F內(nèi)核，集成豐富ADC、DAC、通信接口等，包含多達(dá)17個(gè)定時(shí)器。爬壁智能車主控模塊如圖3所示。主控芯片工作電壓為3.3V，時(shí)鐘電路從PC14和PC15接人，外部接32.768kHz 時(shí)鐘振蕩器，用于單片機(jī)RTC時(shí)鐘計(jì)時(shí)。外部晶振電路從PHO和PH1接入，采用 12MHz 晶振，從而能夠產(chǎn)生核心板上穩(wěn)定的時(shí)鐘信號。NRST為復(fù)位引腳，可使用按鍵復(fù)位單片機(jī)系統(tǒng)。PB8、PB9、PE5、PE6、PE9、PE11、PE13、PE14是PWM信號輸出引腳，用于控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速。PAO、PA1、PA15、PB3、PB4、PB5、PB6、PB7是霍爾編碼器信號輸入引腳，用于檢測小車的運(yùn)動(dòng)速度。姿態(tài)檢測模塊的SDA引腳、SCL引腳與單片機(jī)的PB11、PB10連接，用于檢測小車的姿態(tài)信息。PC8、PC9連接車體兩側(cè)舵機(jī)，用于抬舉小車起抬板。遙控器連接單片機(jī)的PE8、PE1O、PE12、PE15引腳。PA2、PA3連接無線通信模塊，用于遠(yuǎn)程無線通信。

圖2爬壁智能車控制電路

3.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由AT8236芯片構(gòu)成四電機(jī)驅(qū)動(dòng)架構(gòu)，如圖4所示。電源經(jīng)電容濾波穩(wěn)壓后提供穩(wěn)定的12V電壓。每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包含IN1、IN2信號輸入端，采用H橋電路，接收STM32輸出的PWM信號。通過調(diào)節(jié)PWM信號占空比，改變電機(jī)轉(zhuǎn)速;通過控制不同通道的信號輸出，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及停止。

爬壁智能車采用霍爾編碼器進(jìn)行速度測量。霍爾編碼器連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的OUT端口，配合單片機(jī)的引腳控制可以讀取到霍爾編碼器的脈沖信號。單片機(jī)用定時(shí)器中斷來檢測脈沖上升沿并記錄單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)，再根據(jù)編碼器的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)（PulsesPerRevolution，PPR）計(jì)算出電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，從而獲得小車的行駛速度。

3.3姿態(tài)檢測模塊

爬壁智能車的姿態(tài)檢測電路如圖5所示。姿態(tài)傳感器MPU6050是一款集成三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)的六軸運(yùn)動(dòng)處理單元，常用于姿態(tài)檢測和運(yùn)動(dòng)追蹤。MPU6050通過I2C接口與STM32單片機(jī)進(jìn)行通信。MPU6050通過內(nèi)部的三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)，分別測量物體在三維空間中的角速度和加速度，并利用數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器（Digital MotionProcessor，DMP）對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，從而實(shí)現(xiàn)智能車相對于水平面的角度檢測。

圖4電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

圖5姿態(tài)檢測電路

3.4 舵機(jī)模塊

爬壁智能車兩側(cè)的舵機(jī)使用 20KG 金屬舵機(jī)。20KG 金屬舵機(jī)是一種扭矩達(dá) 20kg?cm 左右的高負(fù)載舵機(jī)，內(nèi)部常配備全金屬齒輪鐵芯馬達(dá)、控制芯片電路的控制板。單片機(jī)向舵機(jī)輸出特定寬度的脈沖信號，即脈沖寬度調(diào)制（PulseWidth Modulation，PWM），改變脈沖的占空比來控制舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，使舵機(jī)的輸出軸旋轉(zhuǎn)到指定位置。

3.5無線通信模塊

爬壁智能車采用ESP8266無線通信模塊與上位機(jī)進(jìn)行通信。ESP8266是一款集成Wi-Fi功能的32位系統(tǒng)級芯片，通過內(nèi)置的32位CPU接收外部指令，控制Wi-Fi模塊將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為無線信號發(fā)送，實(shí)現(xiàn)無線通信功能。無線通信模塊可通過串口通信將檢測數(shù)據(jù)上傳上位機(jī)。

3.6視覺識(shí)別模塊

視覺識(shí)別模塊使用OpenMV實(shí)現(xiàn)對視覺目標(biāo)跟蹤與標(biāo)記。OpenMV核心是一款高性能的ARMCortex-M7處理器，配備OV5640攝像頭模塊，支持多種圖像處理功能。OpenMV的核心板支持PWM波的輸出，能夠配合舵機(jī)云臺(tái)底座使用，輸出的PWM波能控制云臺(tái)雙舵機(jī)底座上下左右 180^° 旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的圖像追蹤。視覺識(shí)別模塊的TX引腳、RX引腳與單片機(jī)的PA10、PA9相連接，通過串口通信與STM32單片機(jī)交互，對壁面銹蝕處進(jìn)行識(shí)別和記錄。

3.7激光測距模塊

STP23激光測距模塊利用直接飛行時(shí)間（directTimeofFlight，dToF）測量技術(shù)，基于激光脈沖的飛行時(shí)間測量距離。激光測距模塊發(fā)射激光，擊中物體表面后反射回模塊，通過測量激光脈沖從發(fā)射到接收所需的時(shí)間差，計(jì)算目標(biāo)物體與測距儀之間的距離。激光測距模塊TX引腳、RX引腳與單片機(jī)的PD2、PC12連接，通過串口通信交互，獲取測得的距離信息，據(jù)此判斷壁面平整狀況。

4爬壁智能車軟件設(shè)計(jì)

4.1主程序設(shè)計(jì)

爬壁智能車的主程序流程如圖6所示。主控芯片可以通過遙控模塊接收遙控器的不同數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程遙控小車完成不同動(dòng)作。當(dāng)接收到\"0x11\"數(shù)據(jù)時(shí)，智能車從當(dāng)前位置開始自主攀爬。當(dāng)檢測到小車相對于水平面角度為 90^° 時(shí)，表示小車已完成自主攀爬，這時(shí)小車可接受遙控在儲(chǔ)罐壁面上行駛，如前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向等。同時(shí)，壁面檢測程序也實(shí)時(shí)運(yùn)行，對壁面平整度和銹蝕的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測、存儲(chǔ)并上傳。

4.2自主攀爬程序設(shè)計(jì)

爬壁智能車到達(dá)水平面與儲(chǔ)罐垂直壁面的交界處時(shí)，開始自主攀爬。爬壁智能車的前端將抵住垂直壁面，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。隨后智能車控制舵機(jī)向上轉(zhuǎn)動(dòng)，通過抬舉裝置將智能車的起抬板緩慢抬起，同時(shí)4個(gè)電機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)車輪向前轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)姿態(tài)傳感器檢測到小車起抬板與水平面成 60^° 時(shí)，小車將電磁鐵吸力調(diào)至最大，將起抬板先吸附于壁面。當(dāng)姿態(tài)傳感器檢測到 90^° 時(shí)，單片機(jī)提高4個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)控制舵機(jī)角度向下，緩慢回到初始角度，待舵機(jī)角度復(fù)位后，智能車就完成了自主攀爬，穩(wěn)定地吸附在儲(chǔ)罐壁面上。

控制電路利用霍爾編碼器實(shí)時(shí)監(jiān)測電機(jī)轉(zhuǎn)速，基于增量式PID算法進(jìn)行閉環(huán)控制。增量式PID離散化公式[8]如式（1）所示。

式（1）中， e（k） 為本次偏差； e（k-1） 為上一次的偏差; e（k-2） 為上上次的偏差; K_ρ 為比例項(xiàng)參數(shù)； K_i 為積分項(xiàng)參數(shù)； K_d 為微分項(xiàng)參數(shù)， P_wm 代表增量輸出。通過 M 法測速獲取電機(jī)速度信息并與目標(biāo)值比對，經(jīng)比例、積分、微分運(yùn)算后減小偏差，確保爬壁智能車的穩(wěn)定行駛。

4.3壁面檢測程序設(shè)計(jì)

爬壁智能車吸附于壁面行駛時(shí)，根據(jù)小車行進(jìn)的方向，視覺識(shí)別模塊將對準(zhǔn)壁面進(jìn)行搜索。視覺識(shí)別模塊先使用顏色識(shí)別算法提取銹斑的顏色特征進(jìn)行判定，再通過閾值分割算法來確定銹斑的相似度。當(dāng)相似度大于 90% 時(shí)，對銹斑進(jìn)行記錄。根據(jù)壁面銹蝕模塊訓(xùn)練，統(tǒng)計(jì)銹斑個(gè)數(shù)并存儲(chǔ)到單片機(jī)內(nèi)存中，同時(shí)上傳到上位機(jī)。

激光測距模塊在小車穩(wěn)定行進(jìn)過程中，會(huì)不停對壁面進(jìn)行掃描，獲取測距數(shù)據(jù)，以此判斷儲(chǔ)罐壁面的凹凸程度。用戶可根據(jù)實(shí)際需要自定義閾值，記錄超過閾值的嚴(yán)重凹凸處，將相關(guān)測距數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到單片機(jī)內(nèi)存中，并上傳到上位機(jī)。

圖6主程序流程

5 實(shí)驗(yàn)測試及分析

設(shè)計(jì)完成的輪式爬壁智能車結(jié)構(gòu)框架材料采用亞克力塑料，車體自重為 2.65kg 、尺寸為 310mm× 260mm×110mm， 。爬壁智能車能夠進(jìn)行自主攀爬任務(wù)并穩(wěn)定可靠地吸附在垂直壁面上，如圖7（a）所示。遙控器可以控制爬壁智能車在壁面上行進(jìn)，運(yùn)動(dòng)速度調(diào)節(jié)檔位分為4檔，速度在 5～16m/min 的范圍內(nèi)可調(diào)。

在壁面平整度檢測方面，使用上位機(jī)通過串口可以讀取智能車記錄的壁面測距數(shù)據(jù)，并能夠?qū)?shù)據(jù)生成曲線圖，更加直觀地顯示出壁面的平整度狀況，如圖7（b）所示。銹斑識(shí)別結(jié)果如圖7（c）所示。在檢測過程中，小車按照設(shè)定的路徑行駛，確保對壁面檢測區(qū)域的全覆蓋。智能小車對識(shí)別出的銹斑相似度進(jìn)行標(biāo)記，并統(tǒng)計(jì)銹斑數(shù)量上傳上位機(jī)，如圖7（d）所示。

圖7爬壁智能車壁面檢測結(jié)果

對于不同面積的銹斑識(shí)別率的3組測試結(jié)果如表1所示。通過將測試結(jié)果與實(shí)際情況進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)，智能小車能夠準(zhǔn)確識(shí)別出大多數(shù)銹斑，但對于一些面積較小或顏色較淺的銹斑，識(shí)別效果稍差。測試結(jié)果顯示，銹斑的平均識(shí)別率可達(dá) 92% 左右。

表1識(shí)別率測試

6結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種小型化、輕量化的儲(chǔ)罐壁面檢測爬壁智能車，車體尺寸為 310mm×260mm×110mm 自重 2.65kg 。爬壁智能車以STM32單片機(jī)為核心，完成了電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、姿態(tài)檢測模塊、舵機(jī)控制模塊、視覺識(shí)別模塊、激光測距模塊、無線通信模塊等的設(shè)計(jì)以及程序編寫與調(diào)試。設(shè)計(jì)完成的爬壁智能車運(yùn)動(dòng)靈活、速度可調(diào)，能夠?qū)崿F(xiàn)從水平面到垂直面的自主攀爬，并且具有壁面銹蝕自動(dòng)識(shí)別記錄和平整度檢測等功能，可為輪式爬壁機(jī)器人的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

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（編輯戴啟潤）

Design of intelligent wall-climbing vehicle for tank wall detection based on STM32

LING Hefu， JIANG Yunyu，LI Pengtao，LI Yupeng，DONG Hengping* （School of Electronic and Electrical Engineering， Taizhou Institute of Sci. amp; Tech.，NJUST， Taizhou 225300，China）

Abstract：Aiming at the problems that wheeled wal-climbing intelligent devices generally possess large volume or weightandrelativelysingle function，asmal-sizedandlight-weight itellgent vehiclefortank wallclimbing is designed in this paper.The intellgent vehicle takes STM32F407VET6 microcontroller as thecore and adopts modular functional design，including atitude detection module，visual recognition module，laser ranging module，and wireless communication module，etc.Itcan realized multiple functions，such as autonomous climbing fromthe horizontal plane to the vertical wallsurface，detecting theflatness and rust spots onthe tank wall surface，and sendingthe detection data wirelesslytotheupper computer.According totheexperimental results，the intelligent vehiclecanstablyadhere to the magnetic tank wallsurface，and the moving speed is adjustable within therangeof5～16m/min.The average recognition rate of rust spots can reach about 92% ， suggesting a good application prospect.

KeyWords：STM32；wal-limbing intelligent vehicle;autonomous climbing;wallsurfacedetection;wireless communication