， ，

(常州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213100)

水冷壁磨損檢測(cè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

李靜，邢揚(yáng)，俞竹青

(常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇常州213100)

為了有效提高石化行業(yè)對(duì)鍋爐水冷壁壁厚的檢測(cè)效率，設(shè)計(jì)了一種磁吸附履帶式爬壁機(jī)器人，并在此載體上采用分級(jí)控制系統(tǒng)來(lái)共同實(shí)現(xiàn)高空檢測(cè);首先，下位機(jī)使用ARM Cortex-M3為內(nèi)核的32位微控制器，并采用模糊PID控制方法實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐水冷壁磨損檢測(cè)機(jī)器人的位姿進(jìn)行控制，完成直線路徑跟隨動(dòng)作;除此之外，還配備超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)、圖像采集器以及位移傳感器等，來(lái)實(shí)現(xiàn)鍋爐水冷壁磨損檢測(cè)機(jī)器人最終管壁實(shí)時(shí)圖像視頻以及檢測(cè)數(shù)據(jù)的采集;其次，基于Visual Studio 2010平臺(tái)創(chuàng)建人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸以及后續(xù)檢測(cè)數(shù)據(jù)處理;最后，實(shí)驗(yàn)仿真證明該分級(jí)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定可靠，上下位機(jī)能實(shí)時(shí)通訊，提高了爬壁機(jī)器人的工作速度和處理能力，有效提高檢測(cè)效率，具有較高的智能化水平。

爬壁機(jī)器人；控制系統(tǒng)；人機(jī)交互界面

0 引言

鍋爐是化工行業(yè)中最常見(jiàn)的熱力設(shè)備，而水冷壁管是爐壁上重要的結(jié)構(gòu)件，一般鍋爐中有40%～50%甚至更多的熱量是由水冷壁管所吸收[1-2]。由于流化床鍋爐水冷壁管所處環(huán)境極其惡劣，易因腐蝕、磨損而老化，甚至爆裂，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的安全，因此必須定期進(jìn)行檢測(cè)。傳統(tǒng)水冷壁管的磨損檢測(cè)都是人工進(jìn)行檢測(cè)，這種檢測(cè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低，危險(xiǎn)系數(shù)高。隨著石化工業(yè)的迅速發(fā)展，研制一種能自主爬壁并代替人工進(jìn)行磨損檢測(cè)的機(jī)器人勢(shì)在必行。

隨著科技的迅速發(fā)展，很多專家學(xué)者對(duì)爬壁機(jī)器人進(jìn)行了大量的研究，國(guó)外現(xiàn)有的爬壁機(jī)器人，如西班牙的 R.Lal Tummala等人設(shè)計(jì)的一種低功耗微型雙足爬壁機(jī)器人、韓國(guó)的Hwang Kim 等人研制的履帶式吸盤(pán)機(jī)器人、日本的Inoue.K等人研制的名叫The asterisk robot的攀爬網(wǎng)狀壁面的仿生爬壁機(jī)器人；國(guó)內(nèi)爬壁機(jī)器人技術(shù)研究也在逐漸展開(kāi)，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所研制的多功能履帶式罐壁噴涂檢測(cè)磁吸附爬壁機(jī)器人、大連海事大學(xué)的衣正堯開(kāi)發(fā)的一種履帶式永磁真空混合吸附的爬壁機(jī)器人[3]。這些爬壁機(jī)器人都各有特點(diǎn)，但大多處在研發(fā)階段，且由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高,仍未實(shí)際用于工業(yè)生產(chǎn)中。

本文針對(duì)鍋爐水冷壁管壁磨損檢測(cè)需要，設(shè)計(jì)了一種上下位機(jī)相結(jié)合控制的爬壁檢測(cè)機(jī)器人，來(lái)實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人代替人工操作，對(duì)流化床鍋爐水冷壁進(jìn)行磨損檢測(cè)和數(shù)據(jù)分析，使其能適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)的需求。

1 爬壁檢測(cè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐水冷壁的磨損檢測(cè)，本文設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人具備3個(gè)基本功能，即吸附、運(yùn)動(dòng)和無(wú)損檢測(cè)。爬壁機(jī)器人的吸附方式可以采用真空負(fù)壓吸附、磁吸附、推力吸附和粘結(jié)劑吸附等[4]。本設(shè)計(jì)中的爬壁機(jī)器人在鋼制流化床鍋爐水冷壁面運(yùn)動(dòng)，相比于其它吸附方式，永磁吸附的吸附力大，帶負(fù)載能力強(qiáng)，且系統(tǒng)意外斷電不會(huì)影響吸附能力；而履帶式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、運(yùn)動(dòng)速度較快，優(yōu)點(diǎn)較為明顯，應(yīng)用最廣泛[5-6]；在眾多無(wú)損檢測(cè)方法中，超聲波檢測(cè)適用范圍廣，速度快，精度高，設(shè)備輕便易攜帶，在工業(yè)檢測(cè)中應(yīng)用也十分廣泛。

綜合流化床鍋爐水冷壁的磨損檢測(cè)的需求和生產(chǎn)工作環(huán)境，本設(shè)計(jì)采用履帶式永磁吸附爬壁機(jī)器人，并配以超聲波測(cè)厚儀來(lái)實(shí)現(xiàn)智能無(wú)損檢測(cè)。

圖1 爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

本設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，爬壁機(jī)器人本體左右側(cè)各有前后兩個(gè)帶輪，分別與裝有永磁體塊的履帶嚙合，構(gòu)成運(yùn)動(dòng)部件。爬壁機(jī)器人采用后驅(qū)動(dòng)方式，后面兩個(gè)主驅(qū)動(dòng)輪分別由一臺(tái)直流無(wú)刷電機(jī)通過(guò)蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng)，在前側(cè)裝有超聲波無(wú)損檢測(cè)和圖像采集組件，該組件通過(guò)直流小電機(jī)和滑塊帶動(dòng)測(cè)探頭在平移導(dǎo)軌往復(fù)移動(dòng)，找到合適的探測(cè)點(diǎn)再控制氣動(dòng)部分來(lái)進(jìn)行管壁厚度測(cè)量和采集。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)流化床水冷壁磨損進(jìn)行自動(dòng)化檢測(cè)，爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)是關(guān)鍵所在。本文根據(jù)爬壁機(jī)器人所要達(dá)到的檢測(cè)要求，著重介紹其控制系統(tǒng)。

2 控制系統(tǒng)組成

流化床鍋爐水冷壁磨損檢測(cè)機(jī)器人控制系統(tǒng)為上下兩層體系結(jié)構(gòu)，由STM32單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、傳感器數(shù)據(jù)接收電路、人機(jī)交互界面等組成。下位機(jī)系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為核心，協(xié)調(diào)各部分電路工作；上位機(jī)采用PC為主控計(jì)算機(jī)，用于參數(shù)初始化，任務(wù)規(guī)劃和狀態(tài)監(jiān)控，兩者通過(guò)RS232通訊，控制系統(tǒng)如圖2所示。該系統(tǒng)從功能上可分為運(yùn)動(dòng)控制單元、超聲檢測(cè)單元和通訊單元3部分。

圖2 磨損檢測(cè)機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖

3 下位機(jī)控制

流化床鍋爐水冷壁磨損檢測(cè)機(jī)器人吸附在水冷壁管上，首先需要達(dá)到自動(dòng)移動(dòng)的功能，實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人的前進(jìn)、后退和變向，并到達(dá)待測(cè)位置停止，以便進(jìn)行超聲波無(wú)損檢測(cè)。針對(duì)本控制系統(tǒng)所需實(shí)現(xiàn)的功能，以及STM32系列單片機(jī)集成度高，處理速度快，功耗低，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)[7]。此次設(shè)計(jì)的主控芯片采用STM32系列中時(shí)鐘頻率達(dá)72 MHz的STM32F103RCT6微控制器。

運(yùn)動(dòng)控制的主要是對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制，本設(shè)計(jì)中的后驅(qū)動(dòng)電機(jī)和橫移電機(jī)都是采用直流無(wú)刷電機(jī)，通過(guò)兩個(gè)IR2103半橋驅(qū)動(dòng)器組成典型的H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。機(jī)器人能夠沿給定的直線行駛，是機(jī)器人完成其他任務(wù)的前提，所以本設(shè)計(jì)在機(jī)器人開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)，首先完成機(jī)器人的路徑跟隨，在機(jī)器人左側(cè)前后對(duì)稱安裝兩個(gè)超聲測(cè)距傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)小車距離相鄰管道的距離，根據(jù)目前測(cè)定的位置與給定路線的偏差，利用模糊控制算法迅速做出相應(yīng)的對(duì)策，進(jìn)而調(diào)節(jié)左右兩驅(qū)動(dòng)輪的車速，通過(guò)兩輪的車速差不斷對(duì)機(jī)器人轉(zhuǎn)角進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到對(duì)位姿的修正，最后使機(jī)器人在給定路線上移動(dòng)。圖3是機(jī)器人路徑跟蹤原理圖。

圖3 機(jī)器人路徑跟蹤原理圖

(1)

由非完整約束方程，可知：

(2)

圖4 機(jī)器人位姿誤差示意圖

根據(jù)圖4，可得其位姿誤差為：

(3)

經(jīng)推導(dǎo)，可得：

v+yew=vrcosθe-v+yew

同理可以計(jì)算推導(dǎo)出如下微分方程：

(4)

而線速度v和角速度w與兩驅(qū)動(dòng)輪速度的關(guān)系公式如下：

(5)

(6)

式(5)中L是兩后驅(qū)動(dòng)輪間的距離。

綜上，調(diào)節(jié)左右兩驅(qū)動(dòng)輪的速度，就可以改變控制輸入量，繼而改變位姿誤差達(dá)到預(yù)期路徑，使機(jī)器人按規(guī)定直線路徑運(yùn)動(dòng)。

機(jī)器人后驅(qū)動(dòng)電機(jī)自帶增量式編碼器，通過(guò)下位單片機(jī)上的26LS32芯片接收編碼器的差分信號(hào)，并從串口實(shí)時(shí)顯示編碼器計(jì)數(shù)值，本設(shè)計(jì)中選用的是1 000線的增量式編碼器，且單片機(jī)中定時(shí)器對(duì)編碼器的計(jì)數(shù)方式采用四細(xì)分，可通過(guò)公式(7)計(jì)算爬壁機(jī)器人左右驅(qū)動(dòng)輪的移動(dòng)速度。

(7)

式(7)中，Δx為編碼器在Δt內(nèi)計(jì)數(shù)值的差值；r為機(jī)器人后輪半徑。

本設(shè)計(jì)中采用模糊PID控制器作為導(dǎo)航控制器，將機(jī)器人相對(duì)于追蹤路徑的橫向偏差和角度偏差作為模糊控制器的輸入變量。在爬壁機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，系統(tǒng)不斷檢測(cè)機(jī)器人的橫向偏差和角度偏差，量化到對(duì)應(yīng)論域，根據(jù)設(shè)定的模糊推理規(guī)則，這樣就可以由變化的橫向偏差和角度偏差自整定得到模糊PID控制器3個(gè)參數(shù)Kp,Ki,Kd。從而達(dá)到對(duì)機(jī)器人位姿的控制。

一般離散型PID的規(guī)律可描述為：

(8)

其中：u(k)是控制器的輸出，e(k)是實(shí)際測(cè)量值與設(shè)定值的偏差。

為驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的模糊PID控制方案相對(duì)于傳統(tǒng)的PID控制器具有優(yōu)越性，通過(guò)Matlab/Simulink建立爬壁機(jī)器人速度控制仿真模型，如圖5所示。

圖5 Simulink仿真控制模型

爬壁機(jī)器人轉(zhuǎn)速的偏差|e|以及轉(zhuǎn)速偏差率|ec|作為模糊控制器的輸入變量，PID三個(gè)參數(shù)調(diào)整值作為模糊控制器的輸出變量，圖6為模糊PID控制系統(tǒng)框圖。

圖6 模糊PID控制系統(tǒng)框圖

下面建立隸屬函數(shù)，將輸入及輸出變量的模糊集統(tǒng)一定義為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，該集合中元素分別代表{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}。兩個(gè)輸入變量的論域均取為[-6,6]，3個(gè)輸出變量的論域取為[-3,3]。采用模糊推理控制器的核心就是通過(guò)參數(shù)自整定原則和近似推理建立相應(yīng)的模糊控制規(guī)則[9]，模糊控制規(guī)則如表1，表2，表3所示。

表1 Kp模糊控制規(guī)則

KpeNBNMNSZPSPMPBecNBPBPBPMPMPSZZNMPBPBPMPSPSZNSNSPMPMPMPSZNSNSZPMPMPSZNSNMNMPSPSPSZNSNSNMNMPMPSZNSNMNMNMNBPBZZNMNMNMNBNB

表2 Ki模糊控制規(guī)則

表3 Kd模糊控制規(guī)則

根據(jù)建立的模糊控制規(guī)則，對(duì)爬壁機(jī)器人的速度進(jìn)行仿真。給控制系統(tǒng)加一個(gè)階躍信號(hào)，并將模糊PID控制器與傳統(tǒng)PID控制器進(jìn)行比較，觀測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)輸出曲線如圖7所示。從圖7仿真結(jié)果中可以看出，相對(duì)于傳統(tǒng)PID算法，模糊PID算法的調(diào)節(jié)時(shí)間短，幾乎沒(méi)有振蕩，且超調(diào)量小，接近于零，穩(wěn)態(tài)誤差小于1r/s。因此可以得出模糊PID控制器相對(duì)于傳統(tǒng)的PID控制器有較好的適應(yīng)性和魯棒性，提高了系統(tǒng)的工作速度。

圖7 模糊PID控制器與傳統(tǒng)PID控制器比較

4 上位機(jī)控制

分級(jí)控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)實(shí)時(shí)通訊共同實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)機(jī)器人的控制。系統(tǒng)程序主要包含主程序、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)子程序、編碼器距離檢測(cè)子程序、探測(cè)子程序和上位機(jī)接收數(shù)據(jù)子程序。主程序主要作用是對(duì)硬件初始化和對(duì)子程序的調(diào)用控制，主程序的流程圖如圖8所示。硬件初始化后，單片機(jī)控制電機(jī)模塊以及超聲測(cè)距傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)調(diào)整，使機(jī)器人沿指定軌道運(yùn)動(dòng)，編碼器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的位移，當(dāng)達(dá)到一定位置時(shí)，觀察攝像頭圖像移動(dòng)橫移電機(jī)，到達(dá)待測(cè)點(diǎn)進(jìn)行管壁厚度探測(cè)，再通過(guò)串口傳輸數(shù)據(jù)到上位機(jī)保存。

圖8 主程序流程圖

為了更直觀的使上下位機(jī)進(jìn)行無(wú)障礙交流，本設(shè)計(jì)基于VS2010平臺(tái)使用MSComm控件建立串口通訊，因?yàn)镸SComm控件建立串口通訊較為方便，同時(shí)它是微軟基于組件模型(COM)開(kāi)發(fā)的，因此穩(wěn)定性和運(yùn)行效率很好[10]。圖9是本控制系統(tǒng)基于MFC設(shè)計(jì)的一套友好的人機(jī)交互界面，該界面簡(jiǎn)單明了，可以使工業(yè)生產(chǎn)者快速上手，只要在PC與單片機(jī)之間建立相同的波特率、數(shù)據(jù)位和停止位，通過(guò)RS232通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)就可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)單片機(jī)各電路的控制。同時(shí)上位機(jī)也可以通過(guò)RS232通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)與超聲測(cè)厚儀之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

上位機(jī)通過(guò)串口對(duì)超聲測(cè)厚儀測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，同時(shí)基于VS2010平臺(tái)編寫(xiě)代碼，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算、判斷并顯示在人機(jī)交互界面上，有利于操作者對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行快速分析并做出相應(yīng)的對(duì)策。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖9所示，上位機(jī)把下位機(jī)測(cè)得的連續(xù)10個(gè)管壁厚度實(shí)時(shí)顯示在界面上，并自動(dòng)做出計(jì)算判斷，根據(jù)判斷，操作者只需在機(jī)房對(duì)爬壁檢測(cè)機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，以獲得正確的結(jié)果，并且把所有數(shù)據(jù)保存到文件夾中，以便日后匯總檢查。

圖9 磨損檢測(cè)機(jī)器人的人機(jī)交互界面

選用USB接口的CCD攝像頭將圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，操作者可隨時(shí)了解機(jī)器人運(yùn)行路況以及管壁是否有明顯裂痕等，猶如親臨現(xiàn)場(chǎng)，使該控制系統(tǒng)更加人性化。

5 總結(jié)

本設(shè)計(jì)的鍋爐水冷壁磨損檢測(cè)爬壁機(jī)器人的分級(jí)控制系統(tǒng)上位機(jī)操作方便，人們不用親臨現(xiàn)場(chǎng)就可以控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)并進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集處理，還可以高效的處理龐大的數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)得出結(jié)論以便采取相應(yīng)對(duì)策，具有較高的智能化水平；系統(tǒng)下位機(jī)采用模糊PID控制算法對(duì)機(jī)器人位姿進(jìn)行控制，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該控制算法比傳統(tǒng)的PID控制算法更加優(yōu)化，大大提高了工作效率。綜上所述，該控制系統(tǒng)采用集成度高的STM32F103RCT6單片機(jī)，精度靈敏的超聲測(cè)厚儀，且結(jié)合了穩(wěn)定的串口通訊和友好的人機(jī)交互界面，完全能夠勝任枯燥危險(xiǎn)的鍋爐水冷壁磨損檢測(cè)工作，具有較大的實(shí)用價(jià)值。

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DesignandStudyofWaterWallWearDetectionRobotControlSystem

Li Jing,Xing Yang,Yu Zhuqing

(School of Mechanical Engineering，Changzhou University，Changzhou 213100，China)

In order to effectively improve the detection efficiency of the boiler water wall thickness in the petrochemical industry,this system designs magnetic adsorption wall-climbing robot as the carrier, by adopting the combination of upper and lower machine control method to realize high altitude detection.Firstly,the lower computer uses the ARM Cortex-M3 as the core of the 32-bit micro-controller,and the fuzzy PID control method is adopted to realize the control of the position of boiler water wall wear inspection robot,complete the straight path to follow the action.In addition,it is equipped with ultrasonic nondestructive testing technology, image acquisition and displacement sensor,etc.,to achieve the boiler water wall wear detection robot final wall real-time image video and test data collection.Secondly,based on Visual Studio 2010 platform to create human-computer interaction interface ,with the lower computer to achieve data transmission and subsequent detection data processing.Finally,the experimental simulation shows that the hierarchical control system is stable and reliable,and the upper and lower computer can communicate in real time,which improves the working speed and processing ability of the climbing wall robot,and improves the detection efficiency,and has a high level of intelligence.

wall-climbing robot;control system;human-computer interaction interface

2017-03-16；

2017-04-17。

科技部中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金項(xiàng)目(14C26213201195)。

李 靜(1989-)，女，山東臨沂人，碩士研究生，主要從事機(jī)電一體化方向的研究。

俞竹青(1962-)，男，江蘇常州人，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事機(jī)電一體化與機(jī)器人技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2017)10-0062-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.10.017

TH16；TP242

A