基于nRF24L01的鋼管內(nèi)窺無(wú)損檢測(cè)機(jī)器人設(shè)計(jì)*

陳 勇，徐海達(dá)，謝星宇，周趙鳳

（浙大城市學(xué)院工程學(xué)院，杭州 310015）

0 引言

中國(guó)的鋼管產(chǎn)業(yè)的技術(shù)裝備水平、技術(shù)含量、鋼管品種規(guī)格接近強(qiáng)國(guó)水平，同時(shí)中國(guó)的鋼管產(chǎn)量占世界鋼管產(chǎn)量的50%以上［1］。不合格的焊管會(huì)對(duì)日常生產(chǎn)生活產(chǎn)生極大的危害，為保障焊管產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量，焊管的無(wú)損檢測(cè)極為重要。目前已有采用超聲、電磁和渦流等檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)焊管進(jìn)行探傷檢測(cè)［2］。本文設(shè)計(jì)的于鋼管內(nèi)窺無(wú)損檢測(cè)機(jī)器人具有適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，具有遙控操控、實(shí)時(shí)圖像采集與傳輸?shù)裙δ?，?yīng)用于焊管檢測(cè)上可減少工人工作量和提高生產(chǎn)效率。

1 總體方案

機(jī)器人基于Arduino UNO R3開(kāi)發(fā)板與nRF24L01芯片的無(wú)線信號(hào)的傳輸通訊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的小車(chē)操控，同時(shí)利用Robot－Link V5.0 MT型WiFi模塊搭配支持UVC免驅(qū)和mjpeg輸出的攝像頭完成焊管內(nèi)壁的圖像采集及傳輸?shù)娜蝿?wù)。機(jī)器人工作原理如圖1所示。

圖1 工作原理

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了簡(jiǎn)化鋼管內(nèi)窺無(wú)損檢測(cè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，便于后期的組裝、調(diào)試和升級(jí)優(yōu)化，決定使之模塊化，將小車(chē)的整體結(jié)構(gòu)分為底盤(pán)模塊和機(jī)械臂模塊兩大部分。底盤(pán)模塊實(shí)現(xiàn)小車(chē)在管道內(nèi)的移動(dòng)，機(jī)械臂模塊實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)的圖像采集。機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 機(jī)器人裝配圖和爆炸圖

底盤(pán)模塊主要由車(chē)底板、電機(jī)以及電機(jī)支架、車(chē)輪和其他連接件組裝而成。其中底板采用亞克力板，板上均布M3大小的圓孔，方便底板與其他配件組裝，并為其增加功能預(yù)留空間。為了提高機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性，使之能夠輕易避障，適應(yīng)更加惡劣的地形和環(huán)境，本文設(shè)計(jì)的異形輪具有較強(qiáng)的針對(duì)性，如圖3所示，主要由圓柱和圓錐兩部分組成，其錐形母線是與管壁的曲率半徑一致的曲線，這使得輪子能更好地貼合管道內(nèi)壁，增加摩擦力，提高了牽引力，降低了小車(chē)打滑的幾率。同時(shí)車(chē)輪的圓柱部分的保留使其可像普通車(chē)輪一樣在水平的路面上行駛。同時(shí)采用橡膠材質(zhì)，制作工藝比較成熟，橡膠在一定程度上還可以吸收地面的少量震動(dòng)。小車(chē)采用JGB37－520型電機(jī)提供動(dòng)力，能滿足其工作的動(dòng)力要求。

圖3 異形輪

機(jī)械臂模塊由圖像采集模塊、二自由度云臺(tái)、U型短板、L型短板和若干連接件按圖4所示的1、2、3順序依次連接而成?？砂凑蘸腹艿墓軓酱笮』蛘咂渌唧w情況用不同的連接件組裝，靈活性大。

圖4 機(jī)械臂模塊

其中機(jī)械臂中起到主要作用的就是舵機(jī)，是實(shí)現(xiàn)圖像大范圍采集的活動(dòng)載體，選擇合適扭矩和轉(zhuǎn)動(dòng)范圍的舵機(jī)十分重要，本文采用DS3218型數(shù)字舵機(jī)。該舵機(jī)運(yùn)行的時(shí)候可以產(chǎn)生一個(gè)周期為20 ms，寬度為1.5 ms基準(zhǔn)信號(hào)，這個(gè)基準(zhǔn)信號(hào)就是電位器的基準(zhǔn)。將獲得的直流偏置電壓與舵機(jī)內(nèi)部的電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出［3］。電壓差的數(shù)值大小決定電機(jī)的角度，正負(fù)號(hào)決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。假設(shè)電壓差的絕對(duì)值等于零，說(shuō)明當(dāng)前角度與所給角度相同，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，其工作原理如5所示。

圖5 舵機(jī)工作原理

3 機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1.1 主控板以及擴(kuò)展板

Arduino Uno是一款基于ATmega328P的單片機(jī)控制板［4］。Bigfish擴(kuò)展板和擴(kuò)展板Birdmen是“探索者”平臺(tái)設(shè)備中的兩塊綜合擴(kuò)展板，通過(guò)擴(kuò)展板連接的電路可靠穩(wěn)定。

Arduino UNO R3硬件主板與擴(kuò)展板Bigfish、擴(kuò)展板Birdmen各接口是一一對(duì)應(yīng)的，只要上下堆疊即可使用。

3.1.2 nRF24L01與通信

nRF24L01是一款工作在2.4～2.5 GHz通用ISM頻段的單片無(wú)線收發(fā)器芯片，可以通過(guò)SPI接口設(shè)置其輸出功率、協(xié)議的設(shè)置和頻道選擇等。Arduino Uno與nRF24L01連接如圖6所示。

圖6 Arduino發(fā)送端、接收端與nRF24L01無(wú)線芯片連接

Arduino Uno與nRF24L01之間的通信采用SPI方式。由Motorola公司提出的一種同步串行數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)［5］。使用RF24庫(kù)的SPI的通信過(guò)程簡(jiǎn)述如下。

（1）進(jìn)行初始化，使用const uint64＿t pipe＝0xE8 E8F0F0E1LL語(yǔ)句定義一個(gè)通道（其中“0xE8E8F0F0 E1LL”可替換為其他傳輸通道編號(hào)），每個(gè)設(shè)備都會(huì)自動(dòng)配對(duì)一樣通道編號(hào)設(shè)備。然后用RF24.begin（）語(yǔ)句開(kāi)啟芯片，使芯片處于工作狀態(tài)。

（2）發(fā)送數(shù)據(jù)。調(diào)用RF24.openWritingPipe（uint64＿t pipe），這個(gè)參數(shù)是之前一開(kāi)始定義的傳輸通道編號(hào)，然后調(diào)用RF24.write（const void*buf，uint8＿t len）來(lái)傳輸信息。

（3）接收數(shù)據(jù)。調(diào)用RF24.openReadingPipe（int num，uint64＿t pipe）來(lái)聲明接收數(shù)據(jù)的通道（可用共6個(gè)渠道），調(diào)用RF24.startListening（）方法來(lái)開(kāi)始接收數(shù)據(jù)，調(diào)用RF24.available（）來(lái)知道是否有信息傳進(jìn)來(lái)，若有數(shù)據(jù)傳輸，返回true，否則返回false。數(shù)據(jù)內(nèi)容可以調(diào)用RF24.read（void*buf，uint8＿t len）來(lái)獲取。

3.2 功能實(shí)現(xiàn)

3.2.1 實(shí)現(xiàn)遙控移動(dòng)與轉(zhuǎn)向

（1）搖桿控制

利用擴(kuò)展板Birdmen上的雙搖桿分別實(shí)現(xiàn)小車(chē)的移動(dòng)控制和云臺(tái)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。具體操作方式如圖7所示。

圖7 搖桿操作方式

擴(kuò)展板Birdmen上的雙搖桿實(shí)質(zhì)上是兩個(gè)搖桿電位器，擴(kuò)展板Birdmen上的每個(gè)單獨(dú)的搖桿有2個(gè)輸入接口和2個(gè)模擬量輸出接口。輸入接口包括電壓＋5 V接口和接GND接口，模擬量輸出接口包括1個(gè)對(duì)應(yīng)X軸電壓變化量的接口和1個(gè)對(duì)應(yīng)Y軸電壓變化量接口。每個(gè)10 kΩ的電位器的阻值會(huì)隨著搖桿擺動(dòng)的方向及其程度的不同而變化。搖桿電阻器在初始狀態(tài)下接通5 V電壓后，模擬量接口X、Y輸出的數(shù)字量映射為電壓是2.5 V左右，當(dāng)搖桿在X軸方向偏移時(shí)，輸出的電壓值在0～5 V之間變化；當(dāng)搖桿在Y軸方向偏移時(shí)輸出電壓值的變化和搖桿在X軸方向偏移時(shí)類(lèi)似。

（2）機(jī)器人移動(dòng)與轉(zhuǎn)向

本文采用4電機(jī)驅(qū)動(dòng)，此方案是指4個(gè)車(chē)輪由單獨(dú)的電機(jī)各自驅(qū)動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)不同驅(qū)動(dòng)電機(jī)或不同組驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)向，而改變各車(chē)輪組的運(yùn)行速度或者轉(zhuǎn)動(dòng)方向（即差速原理），實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在復(fù)雜彎管道內(nèi)的差動(dòng)轉(zhuǎn)向功能［5］。這個(gè)方案具有過(guò)彎管時(shí)電機(jī)控制多樣化和電機(jī)布置方式多樣化等特點(diǎn)。

移動(dòng)具體控制方式如圖8所示。

圖8 差速原理

在Arduino中調(diào)用pinMode（D5，OUTPUT）（“D5”處可替換成任意D系列接口，即與直流電機(jī)連接的擴(kuò)展板Bigfish接口）初始化擴(kuò)展板Bigfish接口。調(diào)用digitalWrite（D5，HIGH／LOW）使D5接口輸入高／低電平，因?yàn)橹绷麟姍C(jī)有兩個(gè)針腳，所以要再使用該語(yǔ)句，但該語(yǔ)句的“D5”要替換成另一個(gè)D系列接口，比如digitalWrite（D6，HIGH／LOW），這樣才可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)／停轉(zhuǎn)。當(dāng)兩個(gè)針腳輸出有壓差的時(shí)候，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

（3）二自由度云臺(tái)的控制

如圖9所示，該云臺(tái)由2個(gè)舵機(jī)組成，具有2個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，分別可以繞圖中1軸和2軸旋轉(zhuǎn)，兩個(gè)舵機(jī)分別有180°的旋轉(zhuǎn)角度，將圖中位置設(shè)置為舵機(jī)的中間位置，則每個(gè)舵機(jī)可以旋轉(zhuǎn)范圍為－90°～90°。當(dāng)右舵機(jī)保在中間位置時(shí)左舵機(jī)可繞2軸上下旋轉(zhuǎn)180°，當(dāng)右舵機(jī)繞1軸旋轉(zhuǎn)90°的時(shí)候左舵機(jī)繞2軸轉(zhuǎn)動(dòng)90°，此時(shí)左舵機(jī)可繞2軸左右旋轉(zhuǎn)180°，從而使得攝像頭可以在空間中的半球內(nèi)區(qū)域旋轉(zhuǎn)。將圖像采集模塊安裝在二自由度云臺(tái)上，滿足圖像采集的任務(wù)要求。

圖9 二自由度舵機(jī)云臺(tái)

在Arduino中調(diào)用Servo庫(kù)中的Servo number（“number”可輸入任意英文／數(shù)字名稱）定義舵機(jī)名稱，調(diào)用number.attach（3）（“3”處可替換成可輸出PWM波的任意D系列接口）語(yǔ)句將舵機(jī)名稱與Arduino的I／O接口相綁定。調(diào)用number.write（90）（“90”處可任意替換為0～180范圍內(nèi)的數(shù)字）控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)至的角度值。

3.2.2 實(shí)現(xiàn)圖像采集與傳輸

視頻傳輸采用基于MTK7620N芯片的Robot－Link V5.0 MT型WiFi模塊，預(yù)刷open wrt固件，采用DSSS、OFDM、BPSK、QPSK、CCK和QAM基帶調(diào)制技術(shù)，能自適應(yīng)路由器等設(shè)備的無(wú)線熱點(diǎn)。支持MIMO技術(shù)，最大連接速率可達(dá)300 Mb／s。外接2T2R雙天線，傳輸距離可達(dá)30 m。

為配合該模塊，圖像采集由支持UVC免驅(qū)和mjpeg輸出的攝像頭來(lái)實(shí)現(xiàn)。模塊與攝像頭通過(guò)USB接口連接。模塊與攝像頭需要5 V供電，因此直接由Arduino 5 V輸出供電，連接方式如圖10所示。

圖10 圖傳模塊與arduino接線方法

與Robot－Link V5.0 MT型WiFi模塊有配套的圖像顯示軟件，其客戶端界面如圖11所示。只要電腦連接上wifi－robots.com開(kāi)頭的信號(hào)即可使用，軟件還支持拍照及錄像功能。

圖11 圖像顯示軟件客戶端界面

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在通信和供電兩個(gè)方面上，使用無(wú)線模塊和電池供電，避免長(zhǎng)距離的電纜外接，減少小車(chē)負(fù)重，便于小車(chē)行進(jìn)。機(jī)器人上安裝的攝像頭帶有轉(zhuǎn)動(dòng)功能，遠(yuǎn)程操作器可以操作攝像頭方位調(diào)整動(dòng)作，支持對(duì)管道進(jìn)行全方位掃描。通過(guò)Arduino與nRF24L01的數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控，對(duì)小車(chē)進(jìn)行靈活、精準(zhǔn)地控制，并為管內(nèi)檢測(cè)提供了一種可行的方案；機(jī)器人車(chē)型也為鋼管內(nèi)窺無(wú)損檢測(cè)機(jī)器人提供了一個(gè)可拓展可實(shí)踐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。