龍佳樂，祝歡亮，陳健恒，茹道志，黃楚鑫，伍康敏，李鵬，張建民※，倪素茵，吳清秀

（1.五邑大學智能制造學部，廣東江門 529020；2.廣東彩立方科技有限公司，廣東江門 529030；3.深圳中科銀狐機器人有限公司，廣東深圳 518126）

0 引言

在現代社會中，下水道遍布城市各地，構成了復雜的下水道網絡。下水道在城市美化、飲食衛(wèi)生、防止疾病傳播、污水處理等方面起到重要作用。然而隨著時間的推移，下水道長期遭受污水的腐蝕以及堆積了各種各樣的垃圾、淤泥，會出現堵塞、破裂、產生有毒氣體等問題，對環(huán)境造成了極大的污染，阻礙了城市的生活排水，給人們的生活出行造成極大的困擾，所以定期對地下的排水通道進行排查、檢修、維護愈發(fā)重要[1]。但是由于大多數地下道操作空間狹小，不便于人們在地下道開展人工作業(yè)，再加上環(huán)境惡劣，存在有毒氣體，長期呆在下水道作業(yè)會對人體的健康造成難以挽回的影響，研究出能夠代替人工開展地下作業(yè)的特種機器人成為了一種必然的趨勢。在地下管道內使用的機器人具有體積小、靈活多變的行駛方式，能夠很好地在狹小的地下管道內通行，并且可以實時勘測管道內部的堵塞情況，完成疏通管道的工作。地下道勘測機器人能夠替代人們完成復雜繁瑣的管道勘測和疏通清理工作，適用于各種管道，具有廣闊的應用市場。從20 世紀70 年代開始至今，發(fā)達國家對管道機器人的研究都有很大的進展。日本的東京大學的HIROSE 的團隊研究的Thes 系列的中小型管道的檢修機器人。日本的橫濱國立大學[2-3]通過大量采集數值與分析數值，然后建立機器人行駛數學模型，設計出能夠位置定位、清理污水的管道檢測機器人。為適應未來社會的發(fā)展，復旦大學設計并成功制作了一臺地下道勘測機器人，使用了無線圖傳技術對攝像頭采集的圖像進行無線傳輸，在電腦上接收視頻圖像[4]。通過遠程控制技術，實現機器人的遠程控制操作，驅使機器人移動與機械爪的控制夾取，并且可以通過非接觸感應充電的形式，實現小車的無線充電的功能[5-6]。

1 總體方案

圖1 所示為該地下道勘測機器人系統總體框架。包括電源管理電路、主控芯片電路、BTN7971B 電機驅動電路、74L244 邏輯芯片電路、機械臂控制電路、無線充電模塊、OLED 顯示模塊、電壓采集模塊等。地下道勘測機器人的底盤控制采用了以STM32RCT6為主控的單片機芯片和使BTN7971B 芯片設計電機驅動電路，電機的轉向與轉速通過單片機輸出的信號到電機驅動電路上實現。本文以74LS244 設計一個邏輯電路，作為主控芯片與電機驅動電路之間保護的橋梁。單片機的PWM信號經過74LS244 邏輯電路，再轉接到驅動電路，起到隔離保護單片機的作用，避免電機啟動或堵轉時的電流過大，反沖倒灌從而燒毀單片機。機械臂的控制部分采用STM32F103C8T6 為主控的單片機芯片，機械臂的單片機通過串口通信與主控芯片連接，接收主控芯片發(fā)送的控制指令，再通過輸數PWM信號來控制機械臂的運作和攝像頭云臺的控制。在該系統運行的過程中，使用電壓采集模塊對電池的電量實時采集，使用一個OLED 模塊來顯示機器人運動的狀態(tài)信息和電池的電量。

圖1 系統總體框架

2 硬件設計

2.1 機器人底盤主控芯片

該機器人底盤的主控芯片采用意法半導體的32 位單片機STM32F103RCT6。STM32F103RCT6芯片是大量的微電子原件（二極管和三極管）集成電路，擁有32 位的處理器，外部的引腳共有64 個，最高運行頻率為72 MHz。還有工作性能穩(wěn)定、功耗低、內部可使用的資源豐富等特點。該芯片程序存儲器的最大容量為256 kB，隨機存取容量存儲器（RAM）為48 kB。該芯片的功能強大，可為本機器人控制提供多個串口的使用，使其連接不同串口通信的模塊，多路PWM 輸出可以控制電機的轉速。ADC的采集通道，可以采集模擬量輸出模塊的電壓值。

2.2 機械臂主控芯片

機器人使用STM32F103C8T6 作為地下道勘測機器人的機械臂部分的主控制芯片，STM32F103C8T6 的最高運行頻率為72 MHz，程序存儲器的最大容量為64 kB，隨機存取存儲器（RAM）最大容量為20 kB，可以同時使用多個通用定時器，同時輸出多路的PWM信號，滿足機械臂控制功能的需求。該芯片擁有3 個串口通道，通過串口接收主控芯片的控制指令的數據信息，實現主控芯片對機械臂運動姿態(tài)的控制。機器人使用5 個自由度的機械臂，由5 個舵機共同構成，通過改變舵機旋轉的角度，實現機械臂的運動姿態(tài)控制。機械臂和攝像頭控制云臺一共由7個舵機組成。

2.3 電機驅動

圖2 所示為BTN 電機驅動電路。機器人使用BTN7971B 芯片作為地下道勘測機器人的電機驅動電路的控制芯片。BTN 設計的驅動電路耐壓值可達到45 V，通過的最大電流達到80 A，由其構成的H橋驅動電路，可以驅動較大功率的電機。BTN7971B集成的驅動IC具有自動保護的功能，在檢測到過壓、過流、過溫等致命故障時，可自動關閉或者調整內部的開關管，強行停止或限流運行，起到保護驅動電機的作用。機器人地盤采用12 V 大扭矩的減速電機，該電機的啟動電壓電流比較大，其堵轉產生的電流大。BTN7971B 所設計H 橋驅動電路，可以輸出較大的電壓和電流，滿足驅動電機的參數要求。所以采用BTN7971B電機驅動芯片作為本系統的驅動芯片。

圖2 BTN電機驅動電路

2.4 無線充電

無線充電模塊包括發(fā)射端和接收端，發(fā)射端與24 V的充電器的輸出接口連接，接收端與電源管理電路的無線充電的輸入口連接。無線充電模塊可以給電源管理電路供電和給鋰電池充電。在管道內設置一個無線充電的接口，機器人就能夠在管道內完成充電，便于機器人在管道內長期工作，節(jié)省機器人在充電過程中搬運過程的時間和返程的電量消耗。

3 軟件設計

3.1 視覺獲取

使用英偉達開發(fā)板作為機器人攝像頭采集視頻傳輸的硬件部分。在英偉達開發(fā)板上安裝Ubuntu 系統，并在系統上配置了運行代碼所需要的Python 環(huán)境和各種協議所需的安裝包，采用TCP/IP 協議作為傳輸的載體[7]。如圖3 所示。視頻傳輸的過程首先是要確定上位機的IP 地址，在英偉達開發(fā)板的運行代碼上輸入上位機的IP 地址和設定的端口號。開始運行英偉達開發(fā)板上的程序，嘗試連接上位機的圖像接收服務器并判斷是否連接成功，并打印相關連接信息。如果連接成功，則開啟攝像頭，否則結束代碼進程。將攝像頭采集的每一幀圖片進行大小處理和壓縮處理，把壓縮的圖片數據轉換成numpy 格式的數據，再轉成二進制數據，獲取二進制數據的長度，將根據二進制數據長度打包轉換成TCP/IP 協議發(fā)送的字符串數據[8]。并將圖片的字符串數據到服務器上。然后就可以在上位機上看到下水道的詳細信息。

圖3 攝像頭采集視頻傳輸程序流程

3.2 機械臂抓取

地下道勘測機器人的機械臂主控芯片使用的是STM32F103C8T6 的單片機，通過串口中斷采集主控芯片發(fā)送的控制指令，采取中斷處理各種主要算法，其中包括控制機械臂運動和攝像頭云臺的運動。中斷處理可以提高程序的運行效率和確保程序運行的實時性。如圖4 所示。機械臂控制板上的芯片接收動作指令后，其根據指令選擇具體的機械臂或者攝像頭云臺的控制軸，再輸出對應的PWM 值。通過修改PWM信號值來控制機械臂上的舵機旋轉不同的角度，從而控制機械臂的運動姿態(tài)[9]。在控制機械臂和攝像頭云臺的過程中，由于機械臂和攝像頭云臺的運動的范圍廣，很容易由于某個軸的舵機的旋轉角度過大，導致機械臂將機器人的控制板撞壞或者攝像頭云臺導致攝像頭損壞等因素，所以還需要對每一個軸的舵機進行范圍限制。

圖4 機械臂的控制代碼程序流程

3.3 4G通信

4G 模塊基于4G 網絡、支持TD-LTE 和FDD-LTE 等LTE 網絡制式的通信模塊統稱。具有通信速度快、網絡頻譜寬、通信靈活等特點。4G 模塊在硬件上將射頻、基帶集成在一塊PCB 小板上，完成無線接收、發(fā)射、基帶信號處理功能。軟件上通過4GLTE 網絡傳輸，對下位機modbus 數據進行傳輸到服務器端，支持心跳包，注冊包功能。并可支持軟件支持語音撥號、短信收發(fā)、撥號聯網等功能。4G 模塊通過高速聯網，將所有終端業(yè)務數據及設備運行狀態(tài)實時傳輸到業(yè)務中心，通過管理監(jiān)控平臺，實時監(jiān)測終端設備運行狀態(tài)，因為機器人需要進行圖像回傳，數據量比較大，所以選擇高速的4G通信來進行數據傳輸，使機器人的實時通信得到保障[10]。

3.4 遠程控制

圖5 所示為遠程控制流程。遠程控制是地下道勘測機器人的核心部分，其原理是通過綁定PC 端的IP 地址和端口，等待與4G模塊連接，完成網絡通信。遠程控制負責控制整個機器人的行動，其中包括機器人的行駛、機械臂的夾取、攝像頭的角度調整等。上位機的遠程控制是通過TCP/IP 協議與4G 模塊連接，4G 模塊將獲取到的控制指令通過串口發(fā)送到主控單片機上，主控單片機根據控制指令執(zhí)行相應的動作，從而實現遠程控制[11]。由于機器人的遠程控制是通過廣域網控制的，而電腦本身的IP 地址是在局域網內的，所以要進行內網映射，即把電腦的IP地址和端口號映射到外網上，4G模塊連接外網的IP 地址和端口號，實現與上位機的遠程部分網絡通信。遠程控制由3 部分組成，分別為小車控制、機械臂控制、攝像頭控制，均通過發(fā)送不同的控制指令來實現不同功能的控制。發(fā)送控制指令的方式有兩種，一種是通過鼠標點擊GUI 界面的按鈕，發(fā)送控制指令；另外一種是通過按下鍵盤的按鍵，發(fā)送控制指令。

圖5 遠程控制流程

3.5 上位機編寫

圖6 所示為本系統配套的電腦端上位機，它是基于QT采用Python開發(fā)的，通過點擊按鈕實現控制機器人、攝像頭獲取圖像、機械臂控制等功能[12]。上位機的程序使用雙線程的形式，使用兩次TCP協議分別對遠程視頻監(jiān)控部分和遠程控制部分進行網絡通信，兩個線程獨立運行互不干擾。

圖6 上位機界面

4 調試評估

機器人的遠程控制是通過廣域網控制的，而PC 端的IP 地址是在局域網內，上位機與4G 模塊通信需要將PC 端內網的IP 和端口變成外網的IP 和端口，才可以實現廣域網的遠程控制。

通過使用路由俠端口映射軟件，可以把PC端內網的IP地址與端口映射到外網上，端口映射界面如圖7所示。

圖7 路由俠端口映射界面

調試時先打開上位機軟件界面，在界面內輸入PC端本地的地址和固定的端口號，點擊啟動圖像傳輸的按鈕，啟動圖像傳輸服務器。在英偉達開發(fā)板上，修改程序里面上位機的IP地址和端口號。然后運行圖像傳輸的程序，等待與上位機圖像接收服務器連接。如果通信連接成功，則發(fā)送圖像到服務器端。通過上位機界面的視頻顯示窗口可以判斷是否連接成功，如果有圖像顯示則代表已經與服務器連接，客戶端和服務器都正常工作，如圖8所示。如果沒有則要檢查服務器與客戶端的IP 地址和端口號是否相同且是否連接在同一個局域網內。圖9所示為地下道勘測機器人實物。

圖8 上位機遠程視頻傳輸

圖9 地下道勘測機器人實物

5 結束語

本文設計實現了基于STM32 的地下道勘測機器人智能控制系統。通過攝像頭采集圖像信息，上傳到電腦本地，實現遠程的視頻監(jiān)控，根據接收的圖像數據，確定機器人下一步要執(zhí)行的動作和需要行駛的方向，通過上位機發(fā)送對應動作控制指令到單片機上，單片機接收上位機發(fā)送數據并處理數據。然后根據指示命令實現遠程控制機器人的行動與機械臂的夾取。同時利用QT5 平臺開發(fā)上位機，上位機與機器人的控制系統通過TCP/IP 協議通信，使用該協議通信能夠通過網絡傳輸數據，增大機器人遠程控制的范圍，最終實現下水道的高效清理。