基于單片機的管道機器人控制系統的設計

朱思騰 楊洋 荊璽霖 錢寧波 吳東升

摘? 要：設計制造一臺管道自動檢測與修復機器人。采用STM32單片機作為機器人的主控。設計基于角度外環(huán)和轉速內環(huán)的雙環(huán)PID控制器，通過PWM控制技術調速，構成兩軸云臺的直流電機閉環(huán)控制系統?；贠PENMV攝像頭的邊緣檢測技術，識別管道內壁腐蝕區(qū)域的特征輪廓。通過兩軸云臺轉動，自動瞄準管道內壁的腐蝕區(qū)域，噴灑涂料修復該區(qū)域。機器人利用WIFI無線傳輸技術將管道內部的圖像傳輸到上位機，基于2.4G無線通信技術，實現采用遙控器進行遠程操作。經過多次測試，樣機的實驗結果表明：機器人具有良好的穩(wěn)定性和可控性，并能夠對管道進行自動檢測和修復。

關鍵詞：管道檢測與修復機器人? 兩軸云臺控制系統? STM32單片機? PID控制

中圖分類號：TP242.6 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2020）07（c）-0001-03

Abstract： A pipeline robot was designed for detection and repair. The STM32 single chip processor was used as the main controller. The double loop PID controller was designed based on the outer angle-loop and the inner speed-loop， and the speed is adjusted by the PWM controller to form the DC motor closed-loop control system of the two-axis platform. The OPENMV camera， with the edge detection technology， was used to identify the corrosion characteristic on the inner wall of the pipeline. The corrosion areas of the inner wall of the pipeline were automatically scanned by rotating the two-axis platform， and then were repaired by spraying paint. The images on the pipeline were transmitted to the upper computer by the robot with the WiFi wireless transmission technology. The remote control was operated for remote operation by the 2.4G wireless communication technology. The experimental results of the prototype show that the robot has good stability and controllability， and can automatically detect and repair the pipeline.

Key Words： Pipeline robot for detection and repair;Controlling system with the two-axis platform;STM32 single chip processor;PID controller

管道運輸是用管道作為傳輸工具的一種長距離輸送液體和氣體物資的運輸方式，是五大運輸方式之一。隨著國內經濟的快速發(fā)展，到2017年初，長輸油氣管道總里程已經達到11.7×104km[1]。2017年，國家發(fā)展改革委、國家能源局發(fā)布《中長期油氣管網規(guī)劃》，國內又迎來新一輪管道建設高峰，油氣管的規(guī)模不斷擴大[2]。但管道在使用過程中，由于管壁的腐蝕、人為損壞和自然災害等原因，容易造成泄露事故，不僅給國民經濟帶來重要損失，更會帶來巨大的社會危害。因此管道檢測和修復是關系到管道的可靠性以及提高其使用壽命的重要因素。

傳統的管道檢測使用全面挖掘法和隨機抽樣法，這兩種方法工作量大、效率低。另外，由于傳輸管道的特殊環(huán)境，絕大部分管道的內壁很難檢測和修復，因此有必要設計和制造一種管道檢測與修復的機器人，憑借其良好的性能代替工人到管道內部進行作業(yè)，既能高效完成檢測和修復的任務，又能避免人員受到傷害。

1? 機器人控制系統

管道機器人具有自動檢測模式和手動操作模式，自動檢測模式具有高效、無人的優(yōu)點。但考慮到機器人需要一定的容錯率，增加了手動操作模式，使機器人更具有實用性。

自動檢測模式是基于定位技術的控制算法，實現機器人在管道內部的自主移動，通過激光測距模塊檢測機器人與管壁兩側的距離，解算出管內行走的最優(yōu)路線，通過底盤MPU6050模塊檢測機器人底盤在x-y平面偏移的角度，控制機器人在管內的直行和轉向，實現機器人自動行走。通過設計一個兩軸云臺，使其與機器人底盤連接，用于放置噴涂裝置和攝像頭。然后通過云臺MPU6050模塊實時檢測兩軸云臺在PITCH軸、YAW軸運動的角度和角速度，實現對云臺電機的穩(wěn)定控制?；贠PENMV攝像頭的邊緣檢測技術，識別管道內壁腐蝕區(qū)域特征輪廓，通過兩軸云臺的轉動自動瞄準管道內壁腐蝕區(qū)域，噴灑涂料，實現機器人的自動檢測與修復功能。

手動操作模式基于2.4G無線通信技術，實現遙控器對機器人的遠程自由操控。同時基于WIFI通信技術實時將管道內部圖像傳輸到上位機，實現基于物聯網技術的人機交互。

1.1 硬件連接系統結構

管道機器人控制系統結構如圖1所示?？刂葡到y以主控模塊為核心，進行輸入和輸出操作。主控模塊接受遙控器發(fā)送的數據，基于WIFI和2.4G無線傳輸技術，采用上位機和遙控器聯合控制的方式，實現對管道機器人的遠程遙控。主控模塊分別控制機器人的底盤和云臺。對于底盤，激光測距模塊實時檢測機器人底盤左右兩側與管道內壁的距離，反饋數據給主控模塊，主控模塊基于定位模塊的控制算法，解算出機器人在管道內部的最優(yōu)路徑，通過對電機的閉環(huán)控制，實現機器人在管道內的自動行走;對于云臺，MPU6050模塊實時檢測云臺在空間上的轉動，并反饋數據給主控模塊，主控模塊基于PID控制算法，實現閉環(huán)控制云臺電機的轉動。OPENMV模塊實時檢測管道內壁，并計算腐蝕區(qū)域坐標，反饋數據給主控模塊，通過控制云臺的轉動，自動瞄準腐蝕區(qū)，控制噴涂裝置噴灑顏料，實現機器人對管道內壁的自動檢測和修復。

1.2 控制程序設計方案

采用C語言編程，KEIL5作為編譯器，將C語言轉化成芯片可接受的二進制碼。通過JILINK仿真器，下載到芯片程序存儲器，實現機器人的可編程控制。機器人控制程序，采用定時器計時的方式，以1ms為周期循環(huán)執(zhí)行控制邏輯，運用PWM控制技術對電機速度進行控制，設置定時器的編碼器模式對光電編碼器發(fā)送的脈沖進行計數，開通了多組DMA中斷，利用DMA通道采集數據，運用多組PID控制器，實現閉環(huán)控制。

2? 云臺電機控制系統

伺服控制系統方式可分為開環(huán)、半閉環(huán)和全閉環(huán)，閉環(huán)控制系統更具穩(wěn)定性和快速響應性，相比于單閉環(huán)控制系統，雙閉環(huán)控制系統具有更好的抗擾動性。由于云臺需要極高的穩(wěn)定性，電機啟動的超調量小[3]，為了保證系統的穩(wěn)、準、快，直流調速系統普遍采用雙閉環(huán)控制方式[4]，其結構如圖2所示。

控制器采用角度外環(huán)、加速度內環(huán)的雙閉環(huán)PID控制器。對于角度閉環(huán)控制器，輸入值為設定角度，對陀螺儀進行姿態(tài)解算后得到的角度值作為真實值，輸出值傳遞給角速度環(huán)。對于角速度閉環(huán)控制器，輸入值為角度環(huán)的輸出，真實值為陀螺儀反饋的數據，輸出值通過PWM控制技術，實現對電機進行控制?；陔p閉環(huán)PID串級控制，設計云臺電機控制系統，云臺作為噴涂裝置和攝像頭模塊的載體，云臺系統的穩(wěn)定性實現了機器人在自動檢測和修復過程中的穩(wěn)定運動。

3? 經典PID控制器

3.1 原理介紹

比例積分微分控制，簡稱PID控制，是最早發(fā)展起來的控制策略之一，其算法簡單、可靠性高，PID控制系統原理圖如圖3所示。根據給定值和實際輸出值構成控制偏差，將偏差按比例、積分和微分通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制。

圖3中，r（t）：PID控制器設定值如下。

r'（t）：系統的實際值;

e（t）：設定值與實際值構成控制偏差值（e（t）=r（t）-y（t））

u（t）：PID控制器輸出值

y（t）：系統的實際輸出值

軟件模擬PID控制器的控制規(guī)律為：

式中，KP：控制器的比例系數;Ti：控制器的積分時間;Td：控制器的微分時間;P-比例環(huán)節(jié)，比例環(huán)節(jié)是對偏差瞬間做出反應，使控制量向減少偏差的方向變化;I-積分環(huán)節(jié)，積分環(huán)節(jié)是對偏差進行累計計算，消除系統的偏差;D-微分環(huán)節(jié)，微分環(huán)節(jié)是根據偏差的變化趨勢預先給出適當的糾正，阻止偏差變化。

PID控制算法可以分為位置式PID和增量式PID控制算法[5]。位置式PID控制算法的輸出與整個過去的狀態(tài)有關，用到了誤差的累加值，而增量式PID的輸出只與當前值和前兩次值的誤差有關，考慮到執(zhí)行機構不帶積分部件，所以選用位置式PID控制算法。由于是運用在單片機上，需要將公式進行離散化處理。位置式PID控制算法經離散化處理后的公式為：

3.2 PID參數調節(jié)

應用PID控制最重要的步驟就是進行PID參數的選取和調整，通過對PID控制器參數的整定，使得系統滿足一定的標稱性能和期望的輸出狀態(tài)[6]。

對于比例環(huán)節(jié)。控制作用的強弱取決于比例系數KP。比例系數KP越大，控制作用越強，則過渡過程越快，控制過程的靜態(tài)偏差也就越小;但是KP越大，也越容易產生振蕩，破壞系統的穩(wěn)定性。

積分環(huán)節(jié)的調節(jié)作用雖然會消除靜態(tài)誤差，但也會降低系統的響應速度，增加系統的超調量。積分常數越小，積分的積累作用越弱，這時系統在過渡時不會產生振蕩;但是減小積分常數會減慢靜態(tài)誤差的消除過程，消除偏差所需的時間也較長，但可以減少超調量，提高系統的穩(wěn)定性。

微分環(huán)節(jié)的作用是阻止偏差的變化，根據偏差的變化趨勢進行控制，偏差變化得越快，微分控制器的輸出就越大，能在偏差值變大之前進行修正。微分作用的引入，將有助于減小超調量，克服振蕩，使系統趨于穩(wěn)定，加快了系統的跟蹤速度。

4? 結語

自主研發(fā)了基于STM32單片機控制，可實現智能檢測和遠程遙控的履帶式管道機器人?；诩す鉁y距技術，通過定位控制算法，解算出最優(yōu)路徑，實現了機器人在管道內的自動行走。基于OPENMV模塊的邊緣檢測技術，實現了機器人對管道內壁腐蝕區(qū)域的自動檢測。云臺作為攝像頭模塊和噴涂裝置的載體，基于經典PID算法，設計角度和角速度為反饋量的雙閉環(huán)云臺控制系統，實現了云臺的穩(wěn)定、可控。通過云臺的運動自動瞄準腐蝕區(qū)域，控制噴涂裝置進行噴涂工作，實現了機器人對管道內壁的自動修復。經過理論分析和實驗測試，基本實現了對管道內部的自動檢測和修復。

參考文獻

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[3] 顧亭亭，張明霞.淺析直流電機雙閉環(huán)調速系統的設計[J].機電信息，2019（5）：28-29.

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[6] 葉政.PID控制器參數整定方法研究及其應用[D].北京：北京郵電大學，2016.