小型管道機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究*

□ 杜加元 □ 孟憲松 □ 閆 明 □ 郭忠峰

沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 沈陽(yáng) 110870

1 研究背景

管道作為城市建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，極大方便了人們的生活。由于管道環(huán)境的復(fù)雜性，當(dāng)管道內(nèi)部出現(xiàn)質(zhì)量問題，尤其是維修人員無法進(jìn)行人工作業(yè)的管道內(nèi)部出現(xiàn)質(zhì)量問題時(shí)，管道的維修和保養(yǎng)就成了一大難題［1］。管道機(jī)器人的出現(xiàn)在很大程度上解決了這一難題，管道機(jī)器人可以攜帶各種檢測(cè)和維修設(shè)備進(jìn)入管道內(nèi)工作，對(duì)管道內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)和維修，以保障管道的安全和暢通無阻［2-3］。

筆者設(shè)計(jì)的小型管道機(jī)器人屬于履帶式機(jī)器人，能夠攜帶可移動(dòng)式攝像頭對(duì)管道內(nèi)部的腐蝕、破損、老化等質(zhì)量問題進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)到的視頻和圖片反饋至上位機(jī)控制系統(tǒng)，在由LabVIEW軟件搭建的人工界面上顯示檢測(cè)結(jié)果。根據(jù)檢測(cè)到的結(jié)果，工作人員可以采取相應(yīng)的措施。應(yīng)用小型管道機(jī)器人時(shí)，工作人員可以通過操作人機(jī)界面上的運(yùn)動(dòng)按鈕和擋位旋鈕來控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和速度，速度表實(shí)時(shí)顯示速度值。總體而言，這是一種針對(duì)管道質(zhì)量問題的高效檢測(cè)方案，具有一定的經(jīng)濟(jì)意義與工程應(yīng)用價(jià)值。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

小型管道機(jī)器人控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，將控制系統(tǒng)分為多個(gè)獨(dú)立的功能模塊［4］，主要包括單片機(jī)控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、舵機(jī)模塊、攝像頭模塊、無線保真（Wi-Fi）通信模塊。系統(tǒng)工作時(shí)，上位機(jī)通過數(shù)據(jù)線發(fā)送命令至單片機(jī)，單片機(jī)解析并判斷是否為有效指令，然后執(zhí)行指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能。系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。

3 硬件系統(tǒng)

3.1 單片機(jī)控制模塊

Arduino UNO單片機(jī)使用廣泛，其處理器的核心是ATmega328集成電路，包括14路數(shù)字輸入輸出接口、6路模擬輸入接口、一個(gè)16 MHz晶體振蕩器、一個(gè)通用串行總線（USB）接口、一個(gè)電源插座、一個(gè)在線串行編程（ICSP）接口和一個(gè)復(fù)位按鈕［5-6］，其中 6 路數(shù)字接口可作為脈沖寬度調(diào)制（PWM）輸出使用。Arduino UNO單片機(jī)可以通過三種方式供電：外部直流電源通過電源插座供電、電池連接電源連接器的接地端和電源輸入引腳，以及USB接口直接供電，供電方式可自行選擇。

▲圖1 小型管道機(jī)器人控制系統(tǒng)架構(gòu)框圖

3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

速度是小型管道機(jī)器人的重要性能指標(biāo)之一，機(jī)器人靠直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，因此機(jī)器人性能優(yōu)劣的關(guān)鍵在于對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。若想要使機(jī)器人獲得良好的控制效果，就需要對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速采取閉環(huán)控制，采集機(jī)器人的速度信息并反饋至控制器。筆者設(shè)計(jì)的小型管道機(jī)器人采用L298N驅(qū)動(dòng)模塊，L298N驅(qū)動(dòng)模塊的引腳定義見表1。

表1 L298N驅(qū)動(dòng)模塊引腳定義

在實(shí)際操作中，IN1～1N4依次連接Arduino UNO單片機(jī)的3號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、9號(hào)輸入輸出接口，用于控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。ENA和ENB連接Arduino UNO單片機(jī)的2號(hào)、4號(hào)、7號(hào)、8號(hào)輸入輸出接口，成為兩臺(tái)電機(jī)的使能端［7］。若要驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)，則ENA、ENB都為高電平時(shí)有效，以其中一路為例，控制方式及直流電機(jī)狀態(tài)見表2。

表2 控制方式與直流電機(jī)狀態(tài)表

3.3 舵機(jī)模塊

在小型管道機(jī)器人控制系統(tǒng)中，舵機(jī)是非常重要且基礎(chǔ)的一部分，只有熟練掌握了舵機(jī)的知識(shí)，才能設(shè)計(jì)制造出帶有旋轉(zhuǎn)功能的機(jī)器設(shè)備。舵機(jī)是一種位置或角度伺服驅(qū)動(dòng)器，適用于需要角度不斷變換并可以保持的控制系統(tǒng)。

選用SG90 9 g舵機(jī)，能產(chǎn)生周期為20 ms、寬度為1.5 ms的基準(zhǔn)信號(hào)。SG90 9 g舵機(jī)的位置等級(jí)有1 024個(gè)，舵機(jī)的有效角度范圍為0～180°，所以其控制的角度精度可以達(dá)到180/1 024。舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度通過調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比來實(shí)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)PWM信號(hào)的周期固定為20 ms，理論上脈寬范圍在1～2 ms之間，但實(shí)際上脈寬可以在0.5～2.5 ms之間，與和舵機(jī)的轉(zhuǎn)角0～180°相對(duì)應(yīng)。從時(shí)間上看，要求的脈寬控制精度為（2.5-0.5） ms/1 024≈2 μs。 用 0.5～2.5 ms的脈寬對(duì)應(yīng)0～180°的角度，且舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度與脈寬呈線性關(guān)系，則舵機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)1°，對(duì)應(yīng)的脈寬為（2.5-0.5）ms/180=11 μs，因此，定義脈寬與轉(zhuǎn)動(dòng)角度之間的關(guān)系為P=11A+500，其中P為脈寬，A為舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，500 μs為基準(zhǔn)脈寬。

編寫舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度函數(shù)程序：

上述例程實(shí)際上是在Void主函數(shù)中手動(dòng)編寫了舵機(jī)一個(gè)周期20 ms的模擬脈沖信號(hào)，因?yàn)槌绦蚴遣粩嘌h(huán)運(yùn)行的，所以Arduino UNO單片機(jī)的引腳能持續(xù)不斷地向舵機(jī)發(fā)送PWM信號(hào)，控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到指定的角度。這個(gè)程序的優(yōu)勢(shì)在于可以通過Arduino UNO單片機(jī)上不帶PWM功能的引腳來控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。定義舵機(jī)一個(gè)周期內(nèi)的脈寬為P，通過digitalWrite函數(shù)定義PWM_pin引腳為高電平有效，并編寫delayMicroseconds延時(shí)函數(shù)，延遲時(shí)間為脈寬P，即一個(gè)周期內(nèi)高電平持續(xù)的時(shí)間。用digitalWrite函數(shù)將PWM_pin引腳定義為低電平，低電平持續(xù)的時(shí)間就等于一個(gè)脈沖周期減去脈沖周期內(nèi)高電平持續(xù)的時(shí)間。因?yàn)閐elay函數(shù)單位為毫秒，脈寬P單位為微秒，所以要進(jìn)行單位換算。

3.4 攝像頭模塊

所選用的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體攝像頭集成度高，成像質(zhì)量好，使用方便，在管道機(jī)器人中應(yīng)用廣泛。小型管道機(jī)器人控制系統(tǒng)采用HD720P型智能機(jī)器人專用高清攝像頭，支持Windows操作系統(tǒng)，最大圖像分辨率為1 280像素×960像素。舵機(jī)制成云臺(tái)，然后將攝像頭固定在云臺(tái)上面，使攝像頭可以實(shí)現(xiàn)180°水平方向旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)。攝像頭采集的視頻信號(hào)通過Wi-Fi通信模塊發(fā)送至上位機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)畫面在LabVIEW軟件搭建的人工界面中顯示，供工作人員分析參考。HD720P型高清攝像頭通過每秒60幀運(yùn)動(dòng)級(jí)快門，有效地保障了畫面的流暢度，動(dòng)態(tài)效果好。這一攝像頭不需要安裝驅(qū)動(dòng)程序，即插即用，可實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的同步畫面。

3.5 Wi-Fi通信模塊

采用型號(hào)為ZYWiFi-V1.2的無線通信模塊，這一模塊采用AR9331芯片，集成度高。系統(tǒng)頻率達(dá)400 MHz，板載64 MB DDR2隨機(jī)存儲(chǔ)器、8 MB閃存，對(duì)外引出各種功能接口。模塊體積小，功耗低，發(fā)熱量小，Wi-Fi傳輸性能穩(wěn)定。

Wi-Fi通信模塊的外圍電路比較簡(jiǎn)單，僅需加上直流3.3 V電源，即可啟動(dòng)模塊，并可進(jìn)行控制。采用兩個(gè)1×192.0 mm鍍金排針接口，可將Wi-Fi通信模塊固定住，能實(shí)現(xiàn)視頻傳輸和指令雙向傳輸［8-9］。ZYWIFI-V1.2模塊的引腳定義見表3。

表3 ZYWIFI-V1.2模塊引腳定義

4 程序設(shè)計(jì)

4.1 單片機(jī)程序

在Arduino UNO單片機(jī)程序設(shè)計(jì)時(shí)，一般情況下，先進(jìn)行初始條件設(shè)置，如設(shè)置波特率、中斷條件，以及定義各個(gè)引腳的屬性等。然后進(jìn)入主循環(huán)結(jié)構(gòu)，在主循環(huán)結(jié)構(gòu)中接收和處理數(shù)據(jù)、執(zhí)行命令、收集和發(fā)送數(shù)據(jù)。

當(dāng)LabVIEW軟件向Arduino UNO單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，Arduino UNO單片機(jī)會(huì)將實(shí)時(shí)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)存放在接收數(shù)據(jù)緩沖器中，再利用相關(guān)算法將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行命令，從而改變機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如向左、向右運(yùn)動(dòng)，改變運(yùn)行速度或進(jìn)行比例積分微分調(diào)節(jié)等。當(dāng)Arduino UNO單片機(jī)收集完相關(guān)的環(huán)境參數(shù)后，會(huì)將準(zhǔn)備發(fā)送的數(shù)據(jù)存放于發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器，等待程序去執(zhí)行發(fā)送命令。同時(shí)，Arduino UNO單片機(jī)會(huì)根據(jù)小型管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行必要的調(diào)節(jié)，如當(dāng)機(jī)器人向前或向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，Arduino UNO單片機(jī)會(huì)通過比例積分微分調(diào)節(jié)去控制機(jī)器人左右輪的速度，使其保持一致。整個(gè)控制過程是不斷循環(huán)進(jìn)行的，程序流程如圖3所示。

▲圖3 單片機(jī)控制程序流程圖

4.2 上位機(jī)程序

筆者采用LabVIEW軟件進(jìn)行上位機(jī)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，上位機(jī)主程序結(jié)構(gòu)為順序結(jié)構(gòu)+While循環(huán)+時(shí)間結(jié)構(gòu)。首先通過設(shè)置的串口號(hào)來初始化串口通信，LabVIEW軟件程序框圖中，View函數(shù)設(shè)置為波特率9 600 Baud、數(shù)據(jù)位8、奇偶校驗(yàn)無、停止位1、流量控制無。然后程序進(jìn)入While循環(huán)和事件循環(huán)，不斷檢測(cè)是否有事件得到相應(yīng)并執(zhí)行。最后關(guān)閉串口通信。在程序框圖中，需要對(duì)串口進(jìn)行配置，并根據(jù)不同的按鍵通過串口發(fā)出不同的命令，Arduino UNO單片機(jī)收到串口數(shù)據(jù)，然后解析命令代碼執(zhí)行相應(yīng)的命令［10］。

為了更好地實(shí)現(xiàn)通信，制訂通信協(xié)議為幀頭+命令碼+操作碼。0X55為幀頭，0XAA為遙控命令，操作碼中0X00為前進(jìn)，0X10為后退，0X20為左轉(zhuǎn)，0X30為右轉(zhuǎn)，0X40為停止，0X50為速度擋1，0X60為速度擋2，0X70為速度擋 3，0X80為速度擋 4，0X90為速度擋5。機(jī)器人前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止運(yùn)動(dòng)的程序框圖界面相似。小型管道機(jī)器人人機(jī)界面設(shè)計(jì)如圖4所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者基于LabVIEW軟件和Arduino UNO單片機(jī)設(shè)計(jì)了小型管道機(jī)器人控制系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計(jì)思路，將控制系統(tǒng)分為多個(gè)獨(dú)立的功能模塊，不同模塊之間通過網(wǎng)絡(luò)互連實(shí)現(xiàn)信息的交換。這一小型管道機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要功能如下。

（1）采用HD720P型高清攝像頭實(shí)時(shí)捕捉管道內(nèi)視頻圖像，將圖像信息通過Wi-Fi通信模塊傳至上位機(jī)控制系統(tǒng)，并在線顯示視頻圖像供工作人員參考。

（2）利用圖形化編程軟件LabVIEW設(shè)計(jì)了小型管道機(jī)器人速度擋位旋鈕開關(guān)和控制機(jī)器人各個(gè)運(yùn)動(dòng)方向的按鈕，可非常方便靈活地控制機(jī)器人在管道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度和方向。

（3）機(jī)器人在管道內(nèi)運(yùn)行過程中，速度值通過Arduino UNO單片機(jī)發(fā)送至上位機(jī)，并在人機(jī)界面上進(jìn)行顯示。

▲圖4 小型管道機(jī)器人人機(jī)界面

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