江漢大學(xué)物理與信息工程學(xué)院 周敬龍 章 紅 熊高文 陳徵豪 王 鼎

管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作

江漢大學(xué)物理與信息工程學(xué)院 周敬龍 章 紅 熊高文 陳徵豪 王 鼎

針對諸多行業(yè)面臨管道內(nèi)部環(huán)境難以監(jiān)控以及清潔維護(hù)的問題，本設(shè)計(jì)主要完成管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作。管道機(jī)器人主要由行進(jìn)機(jī)構(gòu)、監(jiān)控機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)、無線遙控機(jī)構(gòu)、清潔機(jī)構(gòu)和供電機(jī)構(gòu)等組成。32位微控制器MK60作為主控模塊，控制實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的各種動(dòng)作；采用WiFi網(wǎng)絡(luò)攝像頭，可以在手機(jī)端顯示機(jī)器人采集到的管道內(nèi)部的實(shí)時(shí)環(huán)境信息；利用LoRa無線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)無線通信，同時(shí)結(jié)合基于Qt開發(fā)的PC機(jī)遙控系統(tǒng)，可以遠(yuǎn)程遙控管道機(jī)器人在管道內(nèi)部自由靈活的行進(jìn)，并執(zhí)行清潔、維護(hù)的指令。

管道機(jī)器人；wifi網(wǎng)絡(luò)攝像頭；無線遙控；上位機(jī)

1.引言

目前，在許多行業(yè)（比如石油業(yè)、核工業(yè)、中央空調(diào)）中，管道的使用數(shù)量快速的增長，但是管道在使用過程中會(huì)因?yàn)閴毫?、侵蝕等外來作用，對管道的使用造成一定的影響，特別在核工業(yè)，尤其需要定期檢測和安全評估管道內(nèi)部環(huán)境，防止安全事故的發(fā)生.但是管道所處環(huán)境十分復(fù)雜，而且用戶不方便進(jìn)入管道內(nèi)部工作，這就需要管道機(jī)器人代替用戶進(jìn)入管道內(nèi)部進(jìn)行清潔、維護(hù)等工作，并將管道內(nèi)部實(shí)時(shí)環(huán)境信息反饋至上位機(jī)或者手機(jī)端，讓用戶能夠?qū)崟r(shí)的了解管道內(nèi)部環(huán)境。

2.管道機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)的管道機(jī)器人主要由幾個(gè)部分組成，分別是機(jī)器人主控、供電機(jī)構(gòu)、無線搖控、進(jìn)行機(jī)構(gòu)、監(jiān)控機(jī)構(gòu)和清潔機(jī)構(gòu)。

2.1 電路設(shè)計(jì)

2．1．1 電源管理模塊電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用的是7.2V/2000mA的鎳—鉻電池供電，而電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、攝像頭需要5V供電，MCU、液晶屏以及LoRa模塊是3.3V供電，所以選用了LM2940和AMS1117兩款穩(wěn)壓芯片來調(diào)節(jié)電壓,其中LM2940將7.2V轉(zhuǎn)換成5V,AMS1117將5V轉(zhuǎn)換成。

2．1．2 主控電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用的Freescale的32位微控制器MK60DN512 ZVLL10，接口資源如表1所示：

表1 接口資源表

電路板總體電路設(shè)計(jì)的PCB 3D視圖如圖1所示：

圖1主控電路板總體設(shè)計(jì)PCB圖

2．1．3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

機(jī)器人使用的電機(jī)型號是33GB-520-18.7, 由于電機(jī)的供電電壓是DC6-12V，較為穩(wěn)定，為了增大驅(qū)動(dòng)電流，達(dá)到良好的驅(qū)動(dòng)能力，本設(shè)計(jì)制作的基于MOS管驅(qū)動(dòng)，其中包括由74HC08構(gòu)成的隔離電路和HIP4082組成的驅(qū)動(dòng)部分，以及由4片MOS管組成的全橋電路，承載電流超過10A,可以高效率發(fā)揮電機(jī)性能。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2．2．1 基于Qt的PC端機(jī)器人無線控制系統(tǒng)的UI界面設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人無線控制的多樣化，并能夠在PC端控制操作機(jī)器人的需求，本設(shè)計(jì)利用跨平臺(tái)的QT軟件開發(fā)了一套能夠在PC端控制機(jī)器人的應(yīng)用程序。PC端機(jī)器人無線控制系統(tǒng)是通過操作PC機(jī)上的串口，利用串口通信以及LoRa無線傳輸，來實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人無線控制。串口是PC機(jī)上一種通用的設(shè)備通信協(xié)議,而串口通信是指外設(shè)和PC機(jī)之間，通過控制線、數(shù)據(jù)信號線、VCC、GND等，按位進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)囊环N通信模式。其中，數(shù)據(jù)位、波特率、奇偶校驗(yàn)位、停止位是串口通信最關(guān)鍵的配置參數(shù)信息。對于兩個(gè)需要進(jìn)行通信的串口，這些參數(shù)必須匹配正確無誤。無線控制系統(tǒng)UI界面如圖2所示：

圖2 PC端機(jī)器人無線控制系統(tǒng)的UI界面

2．2．2 無線通信程序設(shè)計(jì)

由于無線傳輸?shù)姆€(wěn)定性及傳輸距離、誤碼率等問題，我們將nrf2401、藍(lán)牙模塊、LoRa、WIFI模塊四種常用的無線通信模塊對比后，最終選用了LoRa。LoRa 是LPWAN通信技術(shù)中的一種，是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸方案。LoRaWAN是 LoRa聯(lián)盟推出的一個(gè)基于開源的MAC層協(xié)議的低功耗廣域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。這一技術(shù)可以為電池供電的無線設(shè)備提供局域、全國或全球的網(wǎng)絡(luò)。

2．2．3 機(jī)器人控制程序設(shè)計(jì)

為了簡化機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，本設(shè)計(jì)放棄了傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向舵機(jī)作為機(jī)器人行進(jìn)機(jī)構(gòu)的方法，而是采用兩個(gè)電機(jī)，配合差速來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的控制，控制電機(jī)的信號為PWM。

圖3 管道機(jī)器人

3.測試結(jié)果

用戶可以在遙控器和上位機(jī)兩套控制機(jī)構(gòu)下操作機(jī)器人，機(jī)器人在接收到用戶發(fā)送的指令后，可以在管道內(nèi)靈活的行進(jìn)，并完成管道清潔和維護(hù)等相關(guān)操作。其次，用戶可以在智能手機(jī)端接收到機(jī)器人上wifi網(wǎng)絡(luò)攝像頭反饋至APP上的實(shí)時(shí)管道環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的功能。當(dāng)管道發(fā)生異?；蛘咂屏训惹樾危瑱C(jī)器人會(huì)給出報(bào)警，提示用戶及時(shí)處理，防止危險(xiǎn)事故的發(fā)生。管道機(jī)器人如圖3所示：

4.總結(jié)

用管道機(jī)器人代替用戶進(jìn)行工作，首先，可以提升操作的安全性，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境，保證人身安全；其次，可以提高工作的便捷性。因?yàn)楣艿酪话憧趶捷^小，人無法進(jìn)入工作，采用上位機(jī)和無線通信技術(shù)，可以方便快捷的進(jìn)行信息傳遞和數(shù)據(jù)交流。因此，利用管道機(jī)器人代替人工操作是十分有必要的。同時(shí)，隨著人工智能時(shí)代的不斷發(fā)展，對于機(jī)器人這類智能產(chǎn)品的需求也越來越大。

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