曹維杰，趙立宏

（南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南衡陽 421001）

0 引言

在近幾十年來，由于自動(dòng)化技術(shù)的飛速發(fā)展和國(guó)民物質(zhì)生活水平的顯著提高，各行業(yè)的發(fā)展越來越依賴于物資運(yùn)輸。特別是管道運(yùn)輸，以其運(yùn)量大、運(yùn)輸方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有越來越大的比重，廣泛應(yīng)用于石油能源、食品加工、城市給排水、農(nóng)業(yè)灌溉、核能等領(lǐng)域。業(yè)等領(lǐng)域，已被廣泛使用。由于輸送介質(zhì)的化學(xué)腐蝕、不可抗拒的自然災(zāi)害及其自身缺陷，極有可能使輸送的物料發(fā)生泄漏，造成環(huán)境污染、易燃物爆炸、能源浪費(fèi)等嚴(yán)重事故[1-2]。因此，有必要定期檢查、維護(hù)和清潔管道內(nèi)部。管道監(jiān)測(cè)工程需要用到管道機(jī)器人，目前，傳統(tǒng)的管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)由中央控制器、驅(qū)動(dòng)單元、通信模塊、圖像采集模塊、承重體等組成[3-4]。其實(shí)施過程如下：操作人員接收管道機(jī)器人采集的管道路況信息，及時(shí)發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)其運(yùn)行軌跡和狀態(tài)的控制，以及具體功能。

管道機(jī)器人是一種可沿細(xì)小管道內(nèi)部或外部自動(dòng)行走、攜帶一種或多種傳感器及操作機(jī)械，在工作人員的遙控操作或計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制下，進(jìn)行一系列管道作業(yè)的機(jī)、電、儀一體化系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)、靈活操縱、準(zhǔn)確判斷和較低成本[5]。但傳統(tǒng)的管道機(jī)器人存在與管道尺寸不相適應(yīng)的諸多問題，與管道尺寸不完全匹配，轉(zhuǎn)彎時(shí)容易發(fā)生翻車或卡死。通信模塊一般采用無線藍(lán)牙通信模塊，在通信距離和工作范圍上受到影響，容易出現(xiàn)傳輸信號(hào)受阻，甚至信息傳輸和控制中斷的情況。因此，本文設(shè)計(jì)一種具有自動(dòng)棘輪收放的自適應(yīng)管道機(jī)器人來解決上述問題，提高管道機(jī)器人的應(yīng)用性。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

本文的目的是設(shè)計(jì)一套以STM32單片機(jī)為主控的自適應(yīng)管線直徑并配有自動(dòng)棘輪收放的管線機(jī)器人。如圖1所示，為了優(yōu)化智能車的行駛穩(wěn)定性，提高其抗傾覆能力，設(shè)計(jì)了單彈簧自動(dòng)調(diào)節(jié)頂輪裝置，為了避免信號(hào)傳輸線在管道內(nèi)糾纏的問題，設(shè)計(jì)了單向棘輪綁扎裝置，并結(jié)合差分驅(qū)動(dòng)控制、電機(jī)PWM調(diào)速、動(dòng)態(tài)畫面實(shí)時(shí)傳輸、WiFi接收裝置、無線遙控裝置、精確放料裝置、攝像頭雙自由度萬向節(jié)等。該方案的設(shè)計(jì)分為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)測(cè)試分析4大部分[6]，由以下各章依次展開。

圖1 管道機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)物

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該機(jī)器人采用傳統(tǒng)智能車的結(jié)構(gòu)，以亞克力板為底盤材料，四輪驅(qū)動(dòng)，采用微型可調(diào)速永磁直流減速電機(jī)。本文提供了一種管道直徑自適應(yīng)、棘輪自動(dòng)收放的管道機(jī)器人，包括小車、單向棘輪線束和WiFi接收器，如圖2所示，單向棘輪線束上有數(shù)據(jù)傳輸線，單向棘輪線束的兩端通過數(shù)據(jù)傳輸線與小車和WiFi接收器連接。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的示意圖

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)工作原理

當(dāng)小車進(jìn)入管道并開始工作時(shí)，單向棘輪束線裝置自動(dòng)放線，如圖3所示，放線長(zhǎng)度由機(jī)器人前進(jìn)的距離所決定，機(jī)器人前進(jìn)多遠(yuǎn)則單向棘輪束線裝置就放出多長(zhǎng)的線，當(dāng)小車檢查完畢并返回時(shí)，啟動(dòng)高扭矩電機(jī)，使其開始工作，高扭矩電機(jī)通過固定軸帶動(dòng)單向棘輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，收線速度與小車速度一致，小車可順利歸返，當(dāng)機(jī)器人進(jìn)入管徑大小不同的管道內(nèi)部時(shí)，萬向輪通過鼓簧的壓彈作用，自適應(yīng)管道的管徑，在管道內(nèi)部進(jìn)行行走測(cè)試時(shí)，如果機(jī)器人經(jīng)過較大障礙物時(shí)，單彈簧自動(dòng)調(diào)節(jié)頂輪進(jìn)行壓縮運(yùn)動(dòng)，如圖4~5所示，以保證機(jī)器人在作業(yè)過程中的行駛通過性，如果機(jī)器人在管道內(nèi)部經(jīng)過炮彈坑時(shí)，則單彈簧自動(dòng)調(diào)節(jié)頂輪通過鼓簧的伸長(zhǎng)來將萬向輪支撐在管道頂部，以保證機(jī)器人的徑向支撐力和機(jī)器人的防傾覆能力。

圖3 單向棘輪束線裝置的剖面示意圖

圖4 單彈簧自動(dòng)調(diào)節(jié)頂輪結(jié)構(gòu)的俯視示意圖

圖5 單彈簧自動(dòng)調(diào)節(jié)頂輪結(jié)構(gòu)的主視示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)主要由STM32F103主控模塊、底盤減速直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、俯仰電機(jī)控制模塊、電源模塊和無線通信模塊組成。機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

無線操作器手柄通過無線通信模塊與STM32F103控制器通信，發(fā)送控制指令，控制器根據(jù)接收到的控制指令為機(jī)器人執(zhí)行相應(yīng)的功能?？刂破鹘邮湛刂浦绷麟姍C(jī)命令，然后給直流電機(jī)輸出信號(hào)，通過調(diào)節(jié)兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)向和速度實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡[7]。擴(kuò)展板采用專為STM32機(jī)器人研制的L298N多功能擴(kuò)展板，配合STM32核心板無縫對(duì)插使用，實(shí)現(xiàn)無損擴(kuò)展，集成雙H橋L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，能實(shí)現(xiàn)4個(gè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行和PWM軟件調(diào)速，集成了L2M2596S開關(guān)電源穩(wěn)壓芯片，支持6～12 V寬電壓輸入，為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的5 V電源。同時(shí)還集成了紅外接收頭、有源蜂鳴器、LED顯示、電源開關(guān)、支持6路舵機(jī)接口、藍(lán)牙接口、超聲波、WiFi、紅外循跡、紅外避障和8路5 V輸出等接口。

2.1 主控模塊的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用嵌入式微處理器STM32F4103，該芯片使用ARM先進(jìn)架構(gòu)Cortex-M3內(nèi)核，32位精簡(jiǎn)指令集的核心[8]。運(yùn)行頻率高達(dá)72 MHz，多達(dá)112個(gè)I/O資源和高容量的RAM存儲(chǔ)，并集成了3個(gè)12位ADC-21通道、2個(gè)12位DAC、定時(shí)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等在內(nèi)的整套先進(jìn)外設(shè)?？墒褂胟eilC語言編譯并支持TTL下載，支持STLink-SWD在線調(diào)試。4個(gè)PWM定時(shí)器用于驅(qū)動(dòng)底盤4個(gè)直流電機(jī)，2個(gè)PWM定時(shí)器用于驅(qū)動(dòng)云臺(tái)電機(jī)，1個(gè)ADC用于底盤雙H橋輸出電流的過流保護(hù)，2路通信接口分別用于遙控器接收輸入和調(diào)試等。

STM32F103主控模塊原理如圖7所示。

圖7 STM32F103主控模塊原理

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了一個(gè)雙H橋直流驅(qū)動(dòng)電路來控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度和方向，如圖8所示。L298N是ST公司生產(chǎn)的高壓大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用15腳封裝，既可以驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)也可以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)[9]。一顆驅(qū)動(dòng)芯片可同時(shí)控制兩臺(tái)直流減速電機(jī)做不同的動(dòng)作，在6~46 V電壓范圍內(nèi)提供2 A電流，并具有過熱自切和反饋檢測(cè)功能。L298N可以直接控制電機(jī)。通過主控芯片的I/O輸入設(shè)置其控制電平，可以驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。其特點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，能滿足電機(jī)的直流大電流驅(qū)動(dòng)條件。同時(shí)，L298N芯片由標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制，具有兩個(gè)使能控制端，允許或禁止器件工作，不受輸入信號(hào)的影響。有邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分工作在低電壓狀態(tài)，可外接檢測(cè)電阻，其變化可反饋至控制電路。通過調(diào)節(jié)STM32F103的I/O輸入對(duì)其控制電平進(jìn)行設(shè)定，從而控制機(jī)器人兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速，完成機(jī)器人在管道內(nèi)的移動(dòng)。圖9所示為L(zhǎng)298N內(nèi)部邏輯。

圖8 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

圖9 L298N內(nèi)部邏輯

2.3 電源模塊的設(shè)計(jì)

穩(wěn)定的電源對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)來說是至關(guān)重要的，關(guān)系到系統(tǒng)能否正常運(yùn)行。系統(tǒng)總的電源供應(yīng)來自12 V鋰電池，由于電路中的不同電路模塊所需要的工作電壓和電流容量不相同，需要進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)電調(diào)為5 V供電，云臺(tái)電機(jī)5 V供電，單片機(jī)STM32F103需要3.3 V低壓供電[10-11]。分別使用DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓芯片（LM2596S模塊）和穩(wěn)壓芯片。LM2596是降壓型電源管理單片集成電路的開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，能夠輸出3 A的驅(qū)動(dòng)電流，轉(zhuǎn)換效率高，固定輸出版本有3.3 V、5 V、12 V，可調(diào)版本可以輸出小于37 V的各種電壓。LM2596S模塊原理和內(nèi)部邏輯分別如圖9、10所示。

圖10 LM2596S模塊原理

以5 V輸出為例，當(dāng)VO由于Vi的波動(dòng)大于5 V時(shí)，反饋檢測(cè)電阻R1上的電壓將大于1.235 V，此電壓Vr1與基準(zhǔn)電壓Vref通過誤差放大器，將Vref-Vr1（為負(fù)數(shù)）的值放大，這樣即使微小的誤差也會(huì)被檢測(cè)到。然后送入比較器與一鋸齒波比較，比較器即對(duì)應(yīng)輸出高低電平控制后級(jí)的latch，如圖12所示，占空比增大。比較輸出為1時(shí)latch輸出低電平，比較輸出為0時(shí)latch輸出高電平，相當(dāng)于對(duì)比較器輸出取反，實(shí)際latch類似于一個(gè)SR觸發(fā)器，比較器輸出接到R輸入。那么三極管基極接收到的PWM占空比減小，由BUCK電路的結(jié)論可知，占空比減小，輸出電壓減小，從而使輸出處于動(dòng)態(tài)平衡，穩(wěn)定在5 V。

圖12 比較器狀態(tài)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

使用KeilμVision 5軟件開發(fā)系統(tǒng)選用C語言編程，主要控制模塊程序包括推桿運(yùn)動(dòng)程序、傾斜控制程序、驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)控制程序，以及其他功能電機(jī)控制程序。系統(tǒng)配置和初始化程序包括時(shí)鐘配置、延時(shí)函數(shù)初始化、串口初始化、定時(shí)器初始化[12-13]。在庫函數(shù)中，定義幾個(gè)代表機(jī)器人不同控制狀態(tài)的成員函數(shù)。采用ps2無線操作器作為控制器，利用無線通信模塊傳輸控制命令。本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)意義對(duì)照表1。

表1 數(shù)據(jù)意義對(duì)照表

當(dāng)有按鍵按下，對(duì)應(yīng)位為“0”，其他位為“1”，例如當(dāng)鍵“SELECT”被按下時(shí)，Data[3]=11111110B。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序流程如圖13所示。機(jī)器人啟動(dòng)后，操作員根據(jù)機(jī)器人實(shí)時(shí)狀態(tài)操作無線操作器上的功能按鈕對(duì)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。當(dāng)無線機(jī)械手柄發(fā)出動(dòng)作信號(hào)時(shí)，控制器評(píng)估是否接收到信號(hào)，如果接收到信號(hào)，則根據(jù)接收到的信號(hào)評(píng)估機(jī)器人應(yīng)該執(zhí)行什么動(dòng)作，以控制各個(gè)模塊的相互協(xié)作，其中包括推桿運(yùn)動(dòng)模塊、云臺(tái)控制模塊、驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)控制模塊和其他功能電機(jī)控制模塊等[14-15]，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與無線操作器按鍵相應(yīng)的功能。

圖13 電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序流程

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

對(duì)于自主遙控導(dǎo)航通過性能實(shí)驗(yàn)，采用了以下方案，通過在管道中預(yù)設(shè)一個(gè)終點(diǎn)，利用安裝在機(jī)器人上的4自由度攝像頭，確認(rèn)是否準(zhǔn)確到達(dá)目的地后，啟動(dòng)自主遙控導(dǎo)航功能，測(cè)試管道機(jī)器人的移動(dòng)，操作如圖14所示。

圖14 遙控和穩(wěn)定性測(cè)試

由于單彈簧頂輪大大增強(qiáng)了機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性，單向棘輪線束裝置運(yùn)行良好，保證了攝像頭采集和輸出信號(hào)的穩(wěn)定性，通過系統(tǒng)集成和經(jīng)過上述測(cè)試得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。如表2所示。

表2 測(cè)試的完成度分析

經(jīng)過多次測(cè)試，確定該管道機(jī)器人具有優(yōu)越的管道驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性，能夠準(zhǔn)確地導(dǎo)航到指定目標(biāo)點(diǎn)。試驗(yàn)中出現(xiàn)故障的原因是收放線裝置中的數(shù)據(jù)線與齒板糾纏在一起導(dǎo)致卡死，導(dǎo)致無法順利到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。遙控導(dǎo)航的效率大于96%，所以導(dǎo)航模塊實(shí)現(xiàn)得很好。

5 結(jié)束語

本文介紹了一種基于STM32F103具有自適應(yīng)管道直徑且配有自動(dòng)棘輪束線裝置的管道機(jī)器人，重點(diǎn)闡述了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。其中，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，單彈簧自動(dòng)調(diào)節(jié)頂輪可使機(jī)器人自適應(yīng)一定范圍大小的管道直徑，提高了機(jī)器人在工作過程中的行駛穩(wěn)定性。單向棘輪束線裝置，避免了信號(hào)傳輸線在管道內(nèi)部纏繞的問題，同時(shí)提升了機(jī)器人在工作過程中的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。同時(shí)，在硬件模塊設(shè)計(jì)中，驅(qū)動(dòng)模塊雙H型電路設(shè)計(jì)為機(jī)器人實(shí)現(xiàn)二維空間內(nèi)做任意方向的移動(dòng)及物料的精準(zhǔn)投放、單向棘輪束線控制、攝像頭雙自由度云臺(tái)控制等提供了硬件基礎(chǔ)。在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)上，選用KeilμVision 5軟件開發(fā)系統(tǒng)，采用C語言編程，實(shí)現(xiàn)的控制模塊包括推桿的單自由度的往復(fù)橫向運(yùn)動(dòng)、云臺(tái)的雙自由度運(yùn)動(dòng)、驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)的驅(qū)動(dòng)等。同時(shí)，通過一系列的誤差分析，其中包括孔徑公差所帶來的誤差、摩擦所引起的誤差、和制造所導(dǎo)致的誤差3部分進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析，確保了整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。