無(wú)纜微型管道機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究

霍云艷 任思璟 王國(guó)新 徐益民 董金波

【摘要】針對(duì)工業(yè)上的大量細(xì)小管道由于受空間條件的限制，存在不便人工作業(yè)，檢測(cè)和維護(hù)的問題，提出了一種基于錐形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的無(wú)纜微型管道機(jī)器人的控制系統(tǒng)的解決方案，該機(jī)器人的控制系統(tǒng)以AVR單片機(jī)ATmegal16為核心處理器，利用錐形磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的外部磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，通過對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的雙向行走和速度控制。在控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上給出系統(tǒng)軟件流程圖。該系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單可靠，輕便靈活的特點(diǎn)，在微型管道檢測(cè)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】無(wú)纜；管道機(jī)器人；控制系統(tǒng)；ATmegal16單片機(jī)

引言

傳統(tǒng)管道機(jī)器人大多是輪式、腿式、仿生蠕動(dòng)式等類型，存在著行走距離短、機(jī)器人與管壁間的摩擦力大等問題。如果僅僅是縮小傳統(tǒng)機(jī)器人的尺寸，工藝上將非常困難。目前，對(duì)微型管道機(jī)器人的研究國(guó)內(nèi)外廣泛采用外磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)作為無(wú)纜驅(qū)動(dòng)的一種重要形式。相應(yīng)地選擇超磁致伸縮合金、鐵磁橡膠和釹鐵硼等磁性材料作驅(qū)動(dòng)器，利用軸線相互垂直的亥姆霍茲線圈與螺線管線圈組合構(gòu)成組合驅(qū)動(dòng)線圈，用組合驅(qū)動(dòng)線圈通電產(chǎn)生的錐型旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)微型機(jī)器人的無(wú)纜驅(qū)動(dòng)[1]。因此設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠、適用方便的機(jī)器人控制系統(tǒng)將使無(wú)纜微型管道機(jī)器人得到廣泛應(yīng)用。

1.控制系統(tǒng)的工作原理

無(wú)纜微型管道機(jī)器人控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的亥姆霍茲線圈組供電電源的控制和實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)帶動(dòng)載有線圈的小車運(yùn)動(dòng)方向控制[2]，利用軸線相互垂直的亥姆霍茲線圈與螺線管線圈構(gòu)成組合驅(qū)動(dòng)線圈，向組合驅(qū)動(dòng)線圈施加交流或直流電流進(jìn)而產(chǎn)生錐型旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來控制嵌入機(jī)器人頭部的釹鐵硼（NdFeB）永磁性材料運(yùn)動(dòng)[3]。

2.纜微型管道機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要由恒定磁場(chǎng)信號(hào)發(fā)生部分，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)信號(hào)發(fā)生部分，載有驅(qū)動(dòng)線圈的小車移動(dòng)部分組成。其中產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)的電源信號(hào)是由信號(hào)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的電源信號(hào)和載有驅(qū)動(dòng)線圈的小車移動(dòng)信號(hào)分別由旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)控制模塊和執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊實(shí)現(xiàn)。

2.1旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)控制模塊設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)是采用單片機(jī)輸出四路兩相相角相差度的信號(hào)，通過橋控制晶體管逆變，形成兩路相角相差度的正弦信號(hào)，用這兩路信號(hào)對(duì)亥姆霍茲線進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，將產(chǎn)生兩個(gè)方向相互正交相位相差度的正弦磁場(chǎng)，因?yàn)榇艌?chǎng)具有可疊加性，所以產(chǎn)生的兩正弦磁場(chǎng)相互疊加形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。該電路主要采用功率MOSFET作為開關(guān)管，通過集成芯片IR2110將AVR單片機(jī)產(chǎn)生的PWM控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成高壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)?；?片IR2110的H橋4片MOSFET的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)電路如圖1所示。

2.2執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊設(shè)計(jì)

考慮到機(jī)器人的移動(dòng)速度較慢和位移精度較高，電機(jī)的選用方面選擇直流齒輪減速電機(jī)，ATmegal6AVR 單片機(jī)輸出的 PWM 波通過L293D驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行功率放大。經(jīng)過旋轉(zhuǎn)編碼器對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行反饋，通過改變PWM波的占空比來完成直流電機(jī)加速、減速運(yùn)動(dòng)。

3.無(wú)纜微型管道機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，采用增量式數(shù)字 PID 可以對(duì)直流電機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)整，以便盡快消除速度誤差。即數(shù)字PID增量型控制算法如下式所示。

ATmega16單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)16位的具有PWM功能的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，當(dāng)單片機(jī)工作在PWM模式時(shí)，管腳輸出PWM占空比的值可以用改變OCR2的值來實(shí)現(xiàn)。

4.結(jié)語(yǔ)

本文以AVR單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)的無(wú)纜微型管道機(jī)器人控制系統(tǒng)，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，輕便靈活和成本低等優(yōu)點(diǎn)。適用于狹小管道區(qū)間，同時(shí)解決了管道機(jī)器人不能雙向行走的問題，具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]薛君妍.移動(dòng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的微型管道機(jī)器人的研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，2009.

[2]李一鳴，姜寧，劉帥.新中國(guó)成立以來中國(guó)音樂發(fā)展概述[J].藝術(shù)科技，2014（7）.8-9

[3]李一鳴，常亮，郝祁霞.高校德育實(shí)踐缺位的原因分析[J].高教論壇，2013（8）.17-18

[4]任思璟，董金波，王安華，徐益民，崔崇信.無(wú)纜泳動(dòng)式煤礦管道檢測(cè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究[J].煤礦機(jī)械，2012，06：168-170.

[5].李一鳴，王銳，李卓妮.大學(xué)生跨文化能力培養(yǎng)研究——以文理滲透為視角[J].黑龍江省政法管理干部學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，（1）.150-151

作者簡(jiǎn)介

霍云艷，女，1982年3月出生，黑龍江哈爾濱人，講師，哈爾濱金融學(xué)院計(jì)算機(jī)系。

基金項(xiàng)目

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（12541695），項(xiàng)目名稱： 雙向可移動(dòng)微型無(wú)纜管道檢測(cè)機(jī)器人的研究。