基于超聲波的管道阻塞物檢測機器人系統(tǒng)設(shè)計

黃春耀，王清輝，任宜

（龍巖學院，福建龍巖，364000）

0 引言

本文從管道檢測機器人系統(tǒng)設(shè)計出發(fā)，整個系統(tǒng)含有上位機和下位機，上位機由PC機實現(xiàn)，限篇幅本文重點論述基于超聲波的管道檢測機器人系統(tǒng)下位機系統(tǒng)設(shè)計。

1 管道檢測的特殊性及基于超聲波的管道檢測機器人系統(tǒng)設(shè)計的可行性

1.1 基于超聲波的管道檢測機器人系統(tǒng)設(shè)計的可行性

現(xiàn)代技術(shù)的快速發(fā)展為系統(tǒng)在技術(shù)上成為可行。一方面超聲波測距技術(shù)成熟，使得超聲波來設(shè)計各類檢測系統(tǒng)成為可能，精確的測量是超聲波的一個特點。另一方面，單片機處理能力增強和通信技術(shù)的發(fā)展，無線通信得到充分的應用，使得在管道內(nèi)的阻塞物狀態(tài)數(shù)據(jù)可通過無線通信實時傳輸?shù)浇邮斩?，通過接收端進行分析處理?；诔暡ǖ臋z測技術(shù)+現(xiàn)代通信技術(shù)，使管道檢測機器人系統(tǒng)設(shè)計成為可行[1]。

1.2 超聲波測距原理

超聲波是通過運用反射的方法來測量距離的，系統(tǒng)在工作時把超聲波傳感器與反射物要放在同一條水平線上發(fā)射超聲波，同時要記錄時間，超聲波在空氣中傳達時有信號反射回來、說明超聲波在反射信號回來之前已經(jīng)抵達測量物、在反射脈沖收到后終止計時即可，被測量物之間的距離可以通過超聲波的傳播速度及所計時間算出[2]。測量距離用D表示，即公式為：

2 基于超聲波的管道檢測機器人系統(tǒng)構(gòu)成分析

2.1 下位機構(gòu)成

下位機結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖中可知下位機主要由STC15單片機模塊、超聲波測距模塊、MOS電路控制模塊、鋰電池充電管理模塊、無線通信模塊和測速模塊等部分組成[3]。

超聲波測距模塊：在系統(tǒng)設(shè)計時選取了四個（左、右、前和上）超聲波雙探頭安裝在小車上同時檢測的工作方式，分別測量與障礙物的距離。如碰到前面有障礙物，前面測距模塊數(shù)值改變；如遇管中有沉積泥沙，上方測距模塊數(shù)值改變。

MOS電路模塊：負責機器人系統(tǒng)前進、轉(zhuǎn)彎或返回控制，接收單片機指令。

鋰電池充電管理模塊：運用升壓模塊提供穩(wěn)定的5V電壓給系統(tǒng)使用，管理鋰電池的充放電。

無線通信模塊：負責單片機與上位機之間數(shù)據(jù)傳輸。

測速模塊：采集機械人系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，計算出機器人系統(tǒng)運行的距離。

STC15單片機模塊：是系統(tǒng)的核心部件，對采集的各種數(shù)據(jù)進行分析并上傳PC上位機，由上位機解析出機器人系統(tǒng)運行的狀態(tài)，給工作人員實時查看。

下位機軟件：負責采集數(shù)據(jù)并借助通信模塊，將數(shù)據(jù)上傳到上位機處理。

圖1 下位機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計圖

系統(tǒng)硬件電路主要由超聲波接口電路、單片機控制器、電源及充電管理接口、MOS電路控制接口、無線通信接口等電路組成。其中充電管理接口、MOS電路控制接口、無線通信接口比較難設(shè)計，在文中重點論述。

2.2.1 MOS電路控制

MOS電路控制模塊原理圖如圖2所示，該模塊LMOTO連接在P13引腳，RMOTO連接P14引腳，還與鋰電池充電管理電路模塊、升壓模塊相連，MOS的輸出電流來驅(qū)動電機，MOS在控制電路中的工作狀態(tài)是截止狀態(tài)、擊穿狀態(tài)、導通狀態(tài)等[4]。

圖2 MOS電路控制接口原理圖

2.2.2 無線通信電路

如圖3所示是無線收發(fā)模塊電路原理圖。根據(jù)設(shè)計的要求本系統(tǒng)收發(fā)無線模塊采用2.4GLC12S收發(fā)一體無線串口透傳模塊，實現(xiàn)中短距離的接收和發(fā)送數(shù)據(jù)[5]，在本設(shè)計中用無線收發(fā)模塊來接收和發(fā)送小車在管道內(nèi)行走過程中測得的數(shù)據(jù)，傳送和接收上位機的指令，連接在單片機的P31、P30、P32、P33引腳。

圖3 無線通信接口電路原理圖

2.2.3 鋰電池充電管理接口電路

如圖4所示是鋰電池充電管理電路模塊電路圖，該模塊與MOS電路控制模塊、升壓模塊相連，設(shè)計電路選用了TP4056完整的單節(jié)鋰離子電池、它是恒流恒壓的線性充電器[6]，恒流恒壓充電管理主要由它負責。

3 下位機軟件設(shè)計

3.1 程序主流程圖

在圖5主程序流程圖中系統(tǒng)通電后，按下啟動按鈕，系統(tǒng)程序初始化，超聲波發(fā)射脈沖開始計時并開啟中斷，當障礙物接收到脈沖信號后反射回來，經(jīng)單片機模塊處理后，通過無線通信模塊上傳上位機接收端接收并顯示當前周圍狀態(tài)。由上位機根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)定值判斷測量值是否大于設(shè)定值，然后把數(shù)據(jù)以波形的形式顯示到上位機上，并分析出是否存在阻塞物。

3.2 無線通信

無線通信模塊分為下位機和上位機模塊，工作過程主要有：（1）下位機模塊負責單片機控制模塊采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機模塊，將接收到的數(shù)據(jù)傳送到PC上位機進行處理并顯示；（2）PC上位機處理數(shù)據(jù)，然后根據(jù)需要將指令傳送給下位機。

圖4 TP4056鋰電池充電管理接口電路圖

圖5 主程序流程圖

4 上位機軟件

上位機的檢測數(shù)據(jù)顯示采用VB編程實現(xiàn)。如下圖6所示，將小車行走過程中檢測的數(shù)據(jù)采用曲線的方式進行實時顯示并作出初步判斷。

小車檢測的數(shù)據(jù)也可以通過軟件中的查看數(shù)據(jù)進行查看，如圖7所示。

從上位機數(shù)據(jù)處理上看，當前方測距數(shù)值大于系統(tǒng)設(shè)定值時（處于無窮大時），可不顯示數(shù)值，左右上方測得的數(shù)值不變時，說明管道內(nèi)無阻塞物；當前方測距數(shù)值變小，左右測距數(shù)據(jù)相加值不變時，說明管道正處在轉(zhuǎn)彎位置，需讓管道檢測機器人做轉(zhuǎn)彎運行；當前方測距大于設(shè)定值，左右測距值不變，上方測距值變小時，說明管道內(nèi)有堆積物存在如泥沙、石子之類的阻塞物，等等，可通過在上位機中進行狀態(tài)的設(shè)定，來改變檢測機器人的運動狀態(tài)并傳送相應的指令。

圖7 查看歷史測量數(shù)據(jù)顯示圖

圖6 小車實時檢測數(shù)據(jù)曲線圖

5 結(jié)束語

基于超聲波的管道阻塞物檢測機器人系統(tǒng)設(shè)計完成，系統(tǒng)的總體功能已基本實現(xiàn)。系統(tǒng)可通過PC上位機對測得數(shù)據(jù)進行處理并顯示，判斷管道四周是否有阻塞物存在。下表1是系統(tǒng)在運行過程中測得的一組數(shù)據(jù)，用于本次檢測設(shè)計的是四個超聲波同時檢測真實值與測量值情況。

表1 真實值與測量值之間的關(guān)系

從表中可以看出，系統(tǒng)測量值誤差小，基本可以用于管道內(nèi)阻塞物的檢測，提高管道檢測的工作效率，能方便管理人員掌握管道內(nèi)阻塞物情況并進行及時的處理。

本系統(tǒng)雖然以管道阻塞物檢測作為設(shè)計對象，只要稍加修改即可用于其它領(lǐng)域，如液位、井深等方面使用，具有一定的擴展性和推廣價值。