基于PIC單片機(jī)的螺旋輪式驅(qū)動(dòng)管道檢測(cè)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邵 磊 王 毅 郭寶柱 李 季 劉宏利 陳小奇

(天津理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，天津 300384)

基于PIC單片機(jī)的螺旋輪式驅(qū)動(dòng)管道檢測(cè)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邵 磊 王 毅 郭寶柱 李 季 劉宏利 陳小奇

(天津理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，天津 300384)

設(shè)計(jì)開發(fā)了一臺(tái)小型螺旋輪式驅(qū)動(dòng)管道檢測(cè)機(jī)器人。采用以PIC單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心控制器，數(shù)字式PWM作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制方式，車輪旋轉(zhuǎn)速度作為反饋量的全閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)。并利用C#語(yǔ)言開發(fā)出一套上位機(jī)控制軟件，通過(guò)Wifi無(wú)線通信的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)管道機(jī)器人的遠(yuǎn)程遙控。為了提高控制系統(tǒng)的精度和性能，采用了模糊自適應(yīng)PID控制算法。在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的運(yùn)行表明：該機(jī)器人具有很好的穩(wěn)定性和可控性。

控制系統(tǒng) 管道檢測(cè)機(jī)器人 PIC單片機(jī) 伺服控制 模糊自適應(yīng)PID控制

管道運(yùn)輸與鐵路運(yùn)輸、公路運(yùn)輸、水路運(yùn)輸、航空運(yùn)輸并稱為當(dāng)今世界的五大運(yùn)輸方式。隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的穩(wěn)步推進(jìn)，管道工業(yè)也迎來(lái)了快速發(fā)展期。而油氣管道若長(zhǎng)期使用，由管道自身缺陷和后期運(yùn)行期間發(fā)生的腐蝕穿孔、人為損壞及自然地質(zhì)災(zāi)害等因素造成的管道泄漏、爆炸事故將會(huì)增多，嚴(yán)重威脅著周邊居民人身財(cái)產(chǎn)安全和自然環(huán)境，阻礙國(guó)家正常的經(jīng)濟(jì)建設(shè)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)僅原油管道就有將近一半已使用二十年以上，管道泄漏時(shí)有發(fā)生；80%以上的燃?xì)獗ㄊ鹿实陌l(fā)生都是由管道嚴(yán)重腐蝕而穿孔漏氣所致。因此，對(duì)在建管道和已建管道實(shí)施安全檢測(cè)勢(shì)在必行[1,2]。傳統(tǒng)管道檢測(cè)都是由相關(guān)人員實(shí)施，有全面挖掘法和隨機(jī)抽樣法，工作量大，效率低下。而且有些管道位置人員無(wú)法安全到達(dá)實(shí)施監(jiān)測(cè)，比如輸送有毒化學(xué)品或內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜狹小的管道，特殊的管道環(huán)境也給管道檢測(cè)帶來(lái)了很大的困難。由此，管道檢測(cè)機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。一方面，管道檢測(cè)機(jī)器人可以憑借良好的可控性能和精準(zhǔn)的檢測(cè)設(shè)備完成對(duì)管道的在線檢測(cè)、診斷；另一方面，靈活多變的行走機(jī)構(gòu)可以保證機(jī)器人在復(fù)雜狹小的管道內(nèi)行進(jìn)，代替人工完成檢測(cè)任務(wù)，避免人員傷害[3]。目前，管道機(jī)器人的研究還屬于新興領(lǐng)域，具有廣闊的發(fā)展空間。

1 螺旋驅(qū)動(dòng)管道機(jī)器人控制系統(tǒng)

由于管道機(jī)器人普遍應(yīng)用在環(huán)境惡劣、人難以到達(dá)的管道內(nèi)，通?？刂葡到y(tǒng)采用上下位機(jī)聯(lián)合的控制方式，主要有以下3種：PLC+PLC、PC+單片機(jī)、PC+單片機(jī)+DSP。鑒于目前高性能單片機(jī)具有運(yùn)行速度較快、精度高、功能豐富、利于小型化、開發(fā)周期短及成本低等特點(diǎn)，控制系統(tǒng)采用基于PIC單片機(jī)聯(lián)合上位PC機(jī)的控制方式。傳統(tǒng)的通信方式通常采用有纜方式，通信信號(hào)強(qiáng)，但是過(guò)多的線纜極大地束縛管道機(jī)器人的移動(dòng)靈活性，增加負(fù)荷，不利于小型化。筆者采用基于Wifi無(wú)線通信的技術(shù)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)上位PC機(jī)遠(yuǎn)程遙控，也可以開發(fā)出手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式智能控制。

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

管道機(jī)器人控制系統(tǒng)基于Wifi無(wú)線通信技術(shù)，采用上位PC機(jī)+底層單片機(jī)聯(lián)合的控制方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)螺旋驅(qū)動(dòng)管道機(jī)器人的遠(yuǎn)程遙控，控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 螺旋驅(qū)動(dòng)管道機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.2底層硬件

硬件部分主要包括主控模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、測(cè)速模塊、通信模塊和電源模塊。

主控模塊采用美國(guó)微芯(Microchip)公司生產(chǎn)的8位高檔單片機(jī)PIC18F25K22作為底層核心控制器[4]，一方面輸出控制信號(hào)給驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并采集、處理檢測(cè)元件返回的數(shù)據(jù)，另一方面通過(guò)Wifi無(wú)線傳輸方式上傳數(shù)據(jù)給上位機(jī)，同時(shí)接收上位機(jī)或手機(jī)APP發(fā)出的控制指令。

驅(qū)動(dòng)模塊選用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司(NS)生產(chǎn)的一款專用于運(yùn)動(dòng)控制的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片LMD18200，可接收PIC單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)、方向信號(hào)和制動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度控制、方向控制和啟?？刂?。

通信模塊選用的是國(guó)產(chǎn)的一款低成本、低功耗、小尺寸Wifi無(wú)線通信模塊USR-C322[5]，其信號(hào)覆蓋范圍廣、傳輸速度快、穩(wěn)定性好，已有廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)[6]。通過(guò)網(wǎng)頁(yè)設(shè)置該模塊的工作方式為透?jìng)髂Ｊ?，組網(wǎng)方式為STA，即可將物理設(shè)備連接到Wifi網(wǎng)絡(luò)上，實(shí)現(xiàn)嵌入式控制系統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信。當(dāng)單片機(jī)與該通信模塊經(jīng)UART串口連接后，上位機(jī)和手機(jī)APP就可以對(duì)管道機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)選用直流有刷減速電機(jī)。

電源模塊選用3節(jié)可充電鋰電池18650，不僅減輕了機(jī)器人的負(fù)載也增加了機(jī)器人在管道內(nèi)運(yùn)行的靈活性，避免了傳統(tǒng)拖纜供電方式的束縛。

1.3上位機(jī)軟件

控制系統(tǒng)的上位機(jī)軟件是基于Win7 32位操作系統(tǒng)，利用C#語(yǔ)言開發(fā)出的一套窗體式控制軟件，用于接收、顯示下位機(jī)傳送的檢測(cè)數(shù)據(jù)和圖像信息，并向下位機(jī)發(fā)出控制指令[7]。手機(jī)APP則是基于安卓系統(tǒng)，以上位機(jī)為服務(wù)器，利用Java語(yǔ)言開發(fā)。二者都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)螺旋驅(qū)動(dòng)管道機(jī)器人的遠(yuǎn)程遙控。上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

2 伺服控制

按控制方式不同，伺服系統(tǒng)可以分為開環(huán)、半閉環(huán)和全閉環(huán)3種[8]。為了提高系統(tǒng)精度，使之具備良好的穩(wěn)定性和快速響應(yīng)性，控制系統(tǒng)采用了以PIC單片機(jī)為控制核心，直流有刷電機(jī)為執(zhí)行元件，管道機(jī)器人(車輪速)為被控對(duì)象，霍爾測(cè)速元件為檢測(cè)裝置的全閉環(huán)速度型伺服控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程

圖3 螺旋驅(qū)動(dòng)管道機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

常用輪速計(jì)算方法有測(cè)頻法和側(cè)周法。測(cè)頻法適用于測(cè)量輪速比較高的場(chǎng)合，測(cè)周法適用于測(cè)量輪速比較低的場(chǎng)合，筆者采用測(cè)周法進(jìn)行測(cè)速。具體方法是在車輪上安裝一個(gè)或多個(gè)磁鋼片，車輪近處安裝霍爾元件。當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，霍爾傳感器感知到磁鋼片的磁場(chǎng)時(shí)，會(huì)發(fā)出一個(gè)可由單片機(jī)接收的脈沖[9]。利用單片機(jī)CCP2模塊的捕捉功能，計(jì)時(shí)兩次脈沖的時(shí)間間隔，所得時(shí)間即車輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周的時(shí)間，而機(jī)器人直線行進(jìn)速度V的計(jì)算式為：

(1)

式中c——一個(gè)車輪周長(zhǎng)的移動(dòng)距離內(nèi)，霍爾傳感器發(fā)出脈沖的次數(shù)；

L——機(jī)器人車輪周長(zhǎng)，mm；

R——機(jī)器人車輪直徑，mm；

t——兩個(gè)脈沖的時(shí)間間隔，s。

3 控制算法

3.1模糊自適應(yīng)PID控制算法

3.1.1原理介紹

實(shí)際管道受自身質(zhì)量、外界腐蝕等不確定因素影響，螺旋驅(qū)動(dòng)管道機(jī)器人控制過(guò)程比較復(fù)雜且易變，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，傳統(tǒng)PID控制效果不佳。而采用模糊自適應(yīng)PID控制[10～12]，即根據(jù)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)的反饋情況，經(jīng)模糊推理來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)PID控制參數(shù)的在線調(diào)整，則可以較好地解決此類問題，其控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 模糊自適應(yīng)PID控制器結(jié)構(gòu)

圖4中，e(t)為被控系統(tǒng)輸入輸出的速度偏差，ec(t)為速度偏差率，作為模糊控制器的雙輸入量。模糊控制器輸出的是PID控制參數(shù)的調(diào)整量，而PID控制器的輸出值是調(diào)整量(KP0、KI0、KD0)與初始量(ΔKP、ΔKI、ΔKD)的矢量和。

(2)

3.1.2模型分析

選用直流有刷電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，電機(jī)轉(zhuǎn)速與電樞電壓之間的傳遞函數(shù)為[13]：

(3)

式中CeФ——電機(jī)電勢(shì)系數(shù),V·s/rad；

Ta——電磁時(shí)間常數(shù),s；

Tm——機(jī)電時(shí)間常數(shù),s。

代入電機(jī)參數(shù)計(jì)算后可得：

(4)

管道檢測(cè)機(jī)器人車輪直線速度與驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的關(guān)系為：

V=nπ(D-2R)tanα

(5)

式中D——管道內(nèi)徑，m；

n——減速電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，r/min；

R——驅(qū)動(dòng)輪的半徑，m；

α——驅(qū)動(dòng)輪與管道軸線夾角，(°)。

通過(guò)工程整定[14]，PID控制參數(shù)KP、KI、KD初始設(shè)定為20、5、0.8。

3.1.3模糊控制器設(shè)計(jì)

輸入量。以速度反饋偏差值e(t)和偏差率ec(t)作為模糊控制器的輸入量[15,16]。

模糊化。輸入量的論域均為[-6,6]，變換因子分別為0.3,0.03。模糊空間分割為7個(gè)等級(jí)，分別為“負(fù)大”、“負(fù)中”、“負(fù)小”、“零”、“正小”、“正中”、“正大”。

隸屬度函數(shù)。兩個(gè)輸入量為三角形隸屬度函數(shù)，一個(gè)輸出量為高斯型隸屬度函數(shù)[17]。

模糊規(guī)則庫(kù)。在長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和專家理論分析的基礎(chǔ)上建立。

模糊推理。采用Mamdani推理方法。

清晰化。采用重心法解模糊。

3.2Matlab仿真

Matlab仿真后與傳統(tǒng)PID控制方法的對(duì)比如圖5所示。

圖5 傳統(tǒng)PID控制與模糊自適應(yīng)PID控制仿真對(duì)比

由圖5分析可知，在相同控制參數(shù)的條件下，相比于傳統(tǒng)PID控制，模糊自適應(yīng)PID控制可以有效地降低系統(tǒng)超調(diào)量，縮短響應(yīng)時(shí)間。尤其是在遇到短時(shí)突發(fā)干擾的情況下，受模糊控制器的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)仍可以快速地恢復(fù)到正常狀態(tài)，波動(dòng)幅度小，展現(xiàn)出良好的魯棒性、穩(wěn)定性和抗干擾性。

4 樣機(jī)模擬測(cè)試

管道機(jī)器人組裝完畢后，按下開關(guān)按鈕通電。打開上位機(jī)機(jī)器人控制軟件的界面，點(diǎn)擊Start開始按鈕，準(zhǔn)備聯(lián)網(wǎng)通信。待聯(lián)網(wǎng)成功后，界面可以正常顯示管道機(jī)器人上傳的各項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)。通過(guò)點(diǎn)擊不同速度的擋位按鈕、移動(dòng)方向按鈕來(lái)控制機(jī)器人在管道內(nèi)的移動(dòng)。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，上位機(jī)可以有效地控制機(jī)器人在傾斜、垂直管道內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，不會(huì)下溜、打滑。同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的變速、換向等控制功能，如圖6所示。

圖6 機(jī)器人在傾斜、垂直管道內(nèi)的移動(dòng)

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者自主研發(fā)出一臺(tái)基于PIC單片機(jī)+上位機(jī)(包括主PC機(jī)和手機(jī)APP)聯(lián)合控制，可實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信遠(yuǎn)程遙控的螺旋輪式驅(qū)動(dòng)管道機(jī)器人。其控制系統(tǒng)采用模糊自適應(yīng)PID算法和以車輪旋轉(zhuǎn)速度為反饋量的全閉環(huán)速度型伺服控制系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該樣機(jī)可以在傾斜、垂直的管道內(nèi)穩(wěn)定可控的運(yùn)行，基本實(shí)現(xiàn)了本研究的設(shè)計(jì)功能，為今后管道檢測(cè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用做出有益的探索。

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ControlSystemofScrewWheel-drivenRobotsforPipelineInspectionBasedonPICSCM

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2016-03-01(修改稿)

天津市科技計(jì)劃項(xiàng)目(15ZXZNGX00140)