基于STM32F745四輪管道機器人設(shè)計與實現(xiàn)

袁麗娟 于玲

摘要：為提高管道機器人行走的穩(wěn)定性，并提高管道機器人的實時處理能力，本論文提出了基于STM32F745+LM629的全新雙核控制模式。四輪管道機器人控制器以LM629為處理核心，把STM32F745從復(fù)雜的工作當(dāng)中解脫出來，實現(xiàn)部分的信號處理算法和LM629的控制邏輯，并響應(yīng)中斷，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和存儲實時信號。

關(guān)鍵詞：管道機器人;伺服;陀螺儀

中圖分類號：TM301? ? 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）27-0139-04

Abstract： In order to improve the walking stability and the real-time processing ability of pipeline robot， a new dual core controller based on stm32f745 + LM629 is proposed in this paper. With LM629 as the processing core， the controller of the four-wheel pipeline robot can free stm32f745 from the complicated work， realizes part of the signal processing algorithm and LM629 control logic， and responds to the interrupt to realize data communication and real-time signal storage.

Key words： pipeline robot; servo; gyro

1 引言

管道機器人是一種攜帶多種智能傳感器，并且可以沿著管道內(nèi)部自主行走，在總控條件下完成一系列管道內(nèi)工作的機電一體的自動化系統(tǒng)[1-3]。

管道機器人的研究開始于20世紀40年代，國外管道機器人技術(shù)于90年代初得到了迅猛發(fā)展，并制造了多種研發(fā)樣機，取得了大量的研究成果[4-6]。管道機器人的使用，不僅可以提高管道清理的效率，而且對于改善勞動條件，減輕勞動強度，提高作業(yè)效率，降低作業(yè)成本，保障人身安全都有著十分重要的意義。

管道機器人算法是機器人的靈魂，管道機器人必須采用一定的人工智能算法才能準(zhǔn)確地從管道一點到達管道另外一點，整個過程中，只有多種人智能算法的參與，才能保證管道機器人自主行走，實現(xiàn)點對點的巡檢，運動過程中又必須實時傳輸圖像采集和溫度采集結(jié)果[7-8]。

微處理器是管道巡檢機器人的核心部分，是巡檢機器人的大腦，管道內(nèi)的溫度、煙霧、位置信息和電機狀態(tài)信息等都需要經(jīng)過微處理器處理并做出相應(yīng)的判斷。

國內(nèi)對管道機器人的研究只是剛剛起步，受主控器影響，處理速度較慢，穩(wěn)定性較差，均處于實驗室樣機設(shè)計階段，離大規(guī)模使用具有一定的距離。

本論文為了解決上述問題，研發(fā)了一種基于STM32F745+LM629雙核控制的四輪驅(qū)動管道巡檢機器人，依靠其攜帶的溫度采集系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)和無線傳輸裝置，自主在管道中導(dǎo)航，并實現(xiàn)電纜巡檢，發(fā)現(xiàn)問題及時上報總站處理器。

2 基于STM32F745+LM629四輪管道機器人

STM32F745是STMicroelectronics 所生產(chǎn)的全新STM32F7 MCU系列產(chǎn)品，是全球第一個量產(chǎn)且擁有32位元ARM Cortex-M7處理器的微控制器。Cortex-M7是Cortex-M系列產(chǎn)品中最新推出且效能最高的處理器核心，STM32F745 配備擁有浮點運算單位及DSP擴充功能的Cortex-M7核心，運算速度最高 216MHz。STM32F745將ARM Cortex-M7效能超越早期核心（譬如Cortex-M4）的優(yōu)勢運用到極致，效能達到將近DSP 兩倍，使此 MCU 非常適合用于要求高速或多通道電機控制之應(yīng)用。

LM629是National semiconductor生產(chǎn)的一款專用于精密運動控制的PWM芯片，具有多種管腳和多種封裝，在LM629芯片內(nèi)部集成了數(shù)字式運動控制的全部功能，使得實現(xiàn)一個精準(zhǔn)、快速的伺服控制系統(tǒng)的任務(wù)變得輕松、容易，LM629相對于其他芯片具有以下特性：工作頻率為6MHz和8MHz，工作溫度范圍為-40℃～+85℃ ，使用5V電源;32位的位置、速度和加速度存器;8位分辨率的PWM脈寬調(diào)制輸出;16位可編程數(shù)字PID控制器;內(nèi)部的梯形速度發(fā)生器;該芯片可實時修改速度、目標(biāo)位置和PID控制參數(shù);實時可編程中斷;可編程微分項采樣間隔;對增量碼盤信號進行四倍頻;可設(shè)置于速度或位置伺服兩種工作狀態(tài)。上述特點使得LM629特別適合應(yīng)用于四輪驅(qū)動管道機器人伺服運動控制中。

在吸收國外管道機器人先進設(shè)計思想的基礎(chǔ)上，本文在STM32F745的管道機器人運動控制器基礎(chǔ)上引入伺服驅(qū)動器LM629，控制器以LM629為伺服控制處理核心，實現(xiàn)管道機器人快速行走時時四周軸伺服電機同步信號的實時處理，論文設(shè)計的控制器原理框圖如圖1所示：其中的電機X通過齒輪控制左邊的兩運動輪，電機Y通過齒輪控制右邊的兩運動輪，形成新型兩軸四輪管道機器人。

3 四輪管道機器人導(dǎo)航原理

為了能夠精確導(dǎo)引管道機器人自動進入檢測區(qū)域， 本發(fā)明采用兩套傳感器導(dǎo)航模式（磁導(dǎo)航+激光導(dǎo)航），所發(fā)明的管道機器人二維結(jié)構(gòu)如圖2所示。

為了精確判斷管道的損害位置，本四輪機器人采用雙導(dǎo)航模式：磁導(dǎo)航傳感器M1時刻檢測管道中的導(dǎo)航磁條，并依此傳感器作為短距離范圍的第一導(dǎo)航判據(jù)，當(dāng)導(dǎo)航磁條不存在或?qū)Ш狡x距離較大時，激光位移傳感器器LSF開始作用，激光雷達判斷前進方向與左右管壁的距離以及一些特征標(biāo)志物，為管道機器人長距離直線運動提供導(dǎo)航依據(jù)并修正現(xiàn)有的距離誤差，并為管道機器人前進障礙物的判別提供依據(jù)以及停車做判據(jù)。