基于STM32的負(fù)壓爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

余凡, 王庭有，劉曉光, 周勇, 蔣曉明, 張浩

(1.昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，云南昆明 650500；2.廣東省科學(xué)院智能制造研究所，廣東省現(xiàn)代控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510070)

0 前言

近年來(lái)，隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展，需要定期對(duì)特定區(qū)域高樓外墻進(jìn)行安全偵察，以此來(lái)排除潛在的安全隱患。目前這些高危工作大部分都是靠人工完成，人工作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作危險(xiǎn)性高。人們希望由爬壁機(jī)器人代替人去完成這些工作，以減少工人工作的危險(xiǎn)性，因此負(fù)壓爬壁機(jī)器人得以廣泛應(yīng)用和發(fā)展。負(fù)壓爬壁機(jī)器人(Negative Pressure Wall Climbing Robot,NPWCR)采用離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使負(fù)壓腔內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓環(huán)境，利用內(nèi)外壓力差使它吸附在墻壁上以進(jìn)行工作。此外，爬壁機(jī)器人在復(fù)雜高危環(huán)境下工作時(shí)可能存在控制線纜纏繞牽絆等問(wèn)題，嚴(yán)重影響負(fù)壓爬壁機(jī)器人工作的安全性，因此安全可靠的無(wú)線控制就顯得尤為重要。

為解決上述問(wèn)題，本文作者設(shè)計(jì)一款無(wú)纜負(fù)壓爬壁機(jī)器人，以代替人工對(duì)高樓進(jìn)行安全偵測(cè)。負(fù)壓爬壁機(jī)器人的控制系統(tǒng)是以微控制器STM32F103RCT6 作為核心處理器，連接其他電源、驅(qū)動(dòng)、通信、攝像等功能模塊，與上位機(jī)(工業(yè)便攜式計(jì)算機(jī))實(shí)現(xiàn)通信，形成一個(gè)較為完整的控制系統(tǒng)。通過(guò)上位機(jī)發(fā)送指令到核心處理器，從而驅(qū)動(dòng)爬壁機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作，攝像模塊進(jìn)行圖像獲取及處理，將視頻傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，對(duì)工作區(qū)域?qū)崟r(shí)監(jiān)控。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

負(fù)壓爬壁機(jī)器人的控制系統(tǒng)模塊主要包括：主控模塊、電源模塊、無(wú)線通信模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、攝像頭模塊等。主控模塊是控制系統(tǒng)的核心，用于處理指令，控制其他輔助模塊工作。電源模塊為整個(gè)控制系統(tǒng)提供工作電壓，保證各個(gè)模塊的正常供電。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、攝像頭模塊等是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)主控模塊發(fā)送指令控制其進(jìn)行工作。無(wú)線通信模塊用于上位機(jī)與機(jī)器人之間無(wú)線通信?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

負(fù)壓爬壁機(jī)器人采用STM32F103RCT6單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心處理器，它是一種嵌入式微控制器的集成電路。主控模塊電路原理如圖2所示。

圖2 主控模塊電路原理

主控芯片工作電壓為3.3 V，時(shí)鐘電路從PD0和PD1兩個(gè)端口接入，外部接8 MHz時(shí)鐘振蕩器，時(shí)鐘振蕩電路精確地確定振蕩頻率，它與主芯片內(nèi)部的振蕩電路配合，共同組成石英晶體諧振器，從而產(chǎn)生主板上各個(gè)系統(tǒng)所必需的時(shí)鐘信號(hào)。PA13和PA14為程序下載端口，RST為復(fù)位引腳。PB0、PB1、PB6、PB7是 PWM信號(hào)輸出引腳，用于對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。PA0、PA1、PA8也是PWM信號(hào)輸出引腳，用于控制云臺(tái)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度控制和離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。PA2、PA3連接主控芯片和WiFi通信模塊，用于遠(yuǎn)程無(wú)線通信。

2.2 電源模塊

電源模塊為整個(gè)控制系統(tǒng)提供相應(yīng)的工作電壓。由于輪組驅(qū)動(dòng)電機(jī)和風(fēng)機(jī)工作電壓都是24 V，選用24 V鋰電給機(jī)器人供電，并通過(guò)設(shè)計(jì)基于LM2596和ASM1117的降壓電路為控制系統(tǒng)提供所需的5 V和3.3 V電壓。電壓轉(zhuǎn)換電路如圖3 所示。

圖3 電源模塊電壓轉(zhuǎn)換電路

2.3 無(wú)線通信模塊

無(wú)線通信模塊的作用是實(shí)現(xiàn)負(fù)壓爬壁機(jī)器人與上位機(jī)之間的信息交互。在控制系統(tǒng)中選用ESP-12E WiFi模塊作為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射端。模塊的21號(hào)引腳RXD0、22號(hào)引腳TXD0的兩個(gè)接口用于數(shù)據(jù)通信；RXD接收數(shù)據(jù)、TXD發(fā)送數(shù)據(jù)，并分別與STM32引腳的RX2和TX2串口相連，用于數(shù)據(jù)通信。WiFi最小系統(tǒng)原理如圖4所示。

圖4 WiFi最小系統(tǒng)原理

2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊用來(lái)驅(qū)動(dòng)輪組電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)負(fù)壓爬壁機(jī)器人完成前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作。電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選用BTN7971B。STM32芯片發(fā)送PWM信號(hào)到三態(tài)輸出的八路緩沖器DM74LS244WM中，根據(jù)控制信號(hào)的狀態(tài)，將總線上的地址代碼暫存起來(lái)，并輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片BTN7971B，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路原理如圖5所示，其中P9、P10為電機(jī)接口。

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路原理

2.5 風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

負(fù)壓爬壁機(jī)器人的負(fù)載能力通過(guò)調(diào)節(jié)離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)改變。風(fēng)機(jī)電機(jī)選用無(wú)刷直流電機(jī)，通過(guò)脈沖寬度調(diào)制(PWM)調(diào)控其轉(zhuǎn)速，根據(jù)工作環(huán)境不同，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而改變負(fù)壓腔內(nèi)外壓力差。風(fēng)機(jī)接入24 V工作電壓，通過(guò)定時(shí)器從主控芯片PA8口輸出PWM脈沖波，調(diào)節(jié)脈沖寬度大小以控制離心風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。占空比越大，離心風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)得越快，產(chǎn)生的負(fù)壓就越大，負(fù)壓爬壁機(jī)器人負(fù)載能力就越大。

2.6 攝像模塊

攝像模塊首先通過(guò)鏡頭采集圖像，再通過(guò)內(nèi)部處理器處理圖像信息，信息處理好后通過(guò)STM32將視頻傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，以便進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)控偵察。攝像頭模塊主要包含攝像頭、圖像傳感器SENSOR、數(shù)字圖像處理器DSP、同步信號(hào)發(fā)生器、A/D 和D/A轉(zhuǎn)換電路和電源電路。攝像頭模塊工作電壓為5 V，通過(guò)控制主板為它供電?？刂贫送ㄟ^(guò)無(wú)線局域網(wǎng)連接攝像頭獲取監(jiān)控信息，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線遠(yuǎn)程偵察監(jiān)控。控制主板PA0和PA1口輸出一定脈沖寬度的PWM波，用于控制攝像頭舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖寬度調(diào)節(jié)內(nèi)部舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，從而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)攝像頭的拍攝角度，來(lái)獲取周圍的環(huán)境信息。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

負(fù)壓爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，首先對(duì)各個(gè)模塊相關(guān)的應(yīng)用程序進(jìn)行編寫，當(dāng)需要使用這些程序模塊時(shí)，直接在主程序調(diào)用各模塊的程序即可。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序主要完成系統(tǒng)中的各部分的初始化工作和各模塊子程序的調(diào)用以及時(shí)序邏輯控制工作。系統(tǒng)上電后，進(jìn)行時(shí)鐘函數(shù)、中斷分組、串口、系統(tǒng)延時(shí)函數(shù)等各模塊函數(shù)的初始化。上位機(jī)與主控制板進(jìn)行連接，當(dāng)上位機(jī)與主控制板連接成功時(shí)，LDE燈呈現(xiàn)常亮狀態(tài)，連接失敗LDE燈呈現(xiàn)閃爍狀態(tài)。離心風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)使負(fù)壓腔內(nèi)外產(chǎn)生壓力差，機(jī)器人在內(nèi)外壓差作用下吸附在墻壁上。此時(shí)機(jī)器人等待控制端給予控制指令，WiFi信號(hào)連接成功后，攝像頭開(kāi)始工作，進(jìn)行圖像處理，并將數(shù)據(jù)傳輸給控制端。當(dāng)STM32芯片接收到上位機(jī)發(fā)送的控制指令時(shí)，控制系統(tǒng)啟動(dòng)相應(yīng)控制程序，使機(jī)器人完成相應(yīng)工作。系統(tǒng)程序流程如圖6所示。

圖6 主程序流程

3.2 無(wú)線通信程序設(shè)計(jì)

結(jié)合硬件電路設(shè)計(jì)，通過(guò)程序編寫在上位機(jī)和主控制板之間形成協(xié)議通信，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與爬壁機(jī)器人之間無(wú)線遠(yuǎn)距離通信。將無(wú)線通信模塊與核心處理器連接，進(jìn)行串口初始化，系統(tǒng)進(jìn)入配置模式，設(shè)置接收數(shù)據(jù)(RX2)和發(fā)送數(shù)據(jù)(TX2)的引腳。通過(guò)定時(shí)器定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，定時(shí)器時(shí)間達(dá)到后，執(zhí)行定時(shí)器溢出中斷程序并完成數(shù)據(jù)傳輸。通信模塊進(jìn)入RX模式，便可以接收數(shù)據(jù)。首先判斷數(shù)據(jù)是否有新的更新；然后，開(kāi)始接收數(shù)據(jù)，讀取外部狀態(tài)儲(chǔ)存器的值并清除MAX_RT中斷標(biāo)志，當(dāng)數(shù)據(jù)接收完成后將數(shù)據(jù)放入串口緩存器等待發(fā)送；當(dāng)通信模塊進(jìn)入TX模式時(shí)，便可以發(fā)送指令，數(shù)據(jù)寫入到TX_BUT(待發(fā)送數(shù)據(jù)地址)中，系統(tǒng)自動(dòng)讀取狀態(tài)儲(chǔ)存器的值，讀取完成后清除TX_DX中斷標(biāo)志；達(dá)到最大發(fā)射次數(shù)后，清除TX_FIFO寄存器完成發(fā)送，整個(gè)收發(fā)過(guò)程完成。后面不斷重復(fù)上述步驟，接收和發(fā)送新的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和主控制板之間的數(shù)據(jù)通信。無(wú)線通信數(shù)據(jù)收發(fā)流程如圖7所示。

圖7 無(wú)線通信數(shù)據(jù)收發(fā)流程

3.3 電機(jī)及風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)

電機(jī)和離心風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制程序主要是對(duì)電機(jī)和離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行PWM調(diào)速控制，通過(guò)控制PWM 脈沖占空比來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度。對(duì)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制，首先進(jìn)行電機(jī)端口初始化，定義引腳輸出狀態(tài)；其次，運(yùn)用定時(shí)器編寫程序，輸出一個(gè)PWM脈沖波形用于對(duì)左右驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，在運(yùn)動(dòng)控制中定義L_Speed為電機(jī)左輪速度、R_Speed為電機(jī)右輪速度；當(dāng)小車需要前進(jìn)或后退時(shí)，左右兩輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)速相同，當(dāng)小車需要轉(zhuǎn)彎時(shí)，左右電機(jī)轉(zhuǎn)向相同轉(zhuǎn)速不同使用差速轉(zhuǎn)彎。

對(duì)于離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制，當(dāng)系統(tǒng)上電后，風(fēng)機(jī)模塊初始化，系統(tǒng)進(jìn)入風(fēng)機(jī)調(diào)速程序，對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速是否達(dá)到程序設(shè)定轉(zhuǎn)速進(jìn)行判斷。當(dāng)轉(zhuǎn)速不足時(shí)增加轉(zhuǎn)速，達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速后，再執(zhí)行后面的操作。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速通過(guò)調(diào)節(jié)PWM脈沖寬度進(jìn)行控制，風(fēng)機(jī)調(diào)速控制程序利用高級(jí)定時(shí)器1編寫，通過(guò)PA8口輸出20 kHz的PWM矩形波，輸出的脈沖占空比越大，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速就越大。當(dāng)負(fù)壓爬壁機(jī)器人工作時(shí)，通過(guò)控制端可以手動(dòng)調(diào)節(jié)PA8口輸出的PWM脈沖占空比，從而控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而增大或者減小負(fù)壓腔內(nèi)的負(fù)壓。風(fēng)機(jī)初始化程序轉(zhuǎn)速設(shè)定為50%，在它工作過(guò)程中，可以根據(jù)工作環(huán)境，自行調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，以適應(yīng)不同的工作環(huán)境。PWM調(diào)速控制流程如圖8所示。

圖8 PWM調(diào)速控制流程

3.4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件主要分為三大板塊：小車的運(yùn)動(dòng)控制部分、風(fēng)機(jī)的調(diào)速控制部分、攝像頭的視頻監(jiān)控部分。上位機(jī)軟件界面如圖9所示。

圖9 上位機(jī)軟件界面

上位機(jī)用于來(lái)操控爬壁機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)工作。打開(kāi)負(fù)壓爬壁機(jī)器人開(kāi)關(guān)電源，運(yùn)行上位機(jī)軟件，連接無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接成功后，上位機(jī)便可以向核心處理器發(fā)送控制信號(hào)，遠(yuǎn)程無(wú)線操控負(fù)壓爬壁機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，同時(shí)可通過(guò)攝像頭獲取視頻信息，將視頻經(jīng)過(guò)處理后傳輸?shù)缴衔粰C(jī)顯示，以對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)需要手動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，可以通過(guò)上位機(jī)風(fēng)機(jī)調(diào)速按鈕向主控芯片發(fā)送控制信號(hào)，進(jìn)而調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?？赏ㄟ^(guò)控制上下舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，來(lái)改變攝像頭的位置，擴(kuò)大攝像頭的視覺(jué)監(jiān)控范圍，以便于從上位機(jī)獲得更多環(huán)境信息。

4 系統(tǒng)調(diào)試與實(shí)驗(yàn)測(cè)試

負(fù)壓爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)框架采用尼龍塑料加工，整體更加輕盈，機(jī)器人質(zhì)量為1.6 kg、尺寸為240 mm×240 mm×96 mm，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用履帶傳動(dòng)式，運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)。對(duì)其各功能模塊進(jìn)行測(cè)試，首先檢查各個(gè)模塊接線是否完好，開(kāi)啟電源開(kāi)關(guān)，將爬壁機(jī)器人放置在墻壁上，通過(guò)上位機(jī)操控爬壁機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，觀察其運(yùn)動(dòng)情況、風(fēng)機(jī)調(diào)速、視頻傳輸、云臺(tái)舵機(jī)等是否正常工作，并根據(jù)實(shí)際工作狀況修改程序以對(duì)機(jī)器人進(jìn)行調(diào)整，直至其所有功能達(dá)到預(yù)期效果。在系統(tǒng)各個(gè)功能模塊調(diào)試完成后，進(jìn)行整體實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

4.1 速度測(cè)試

對(duì)負(fù)壓爬壁機(jī)器人的最大運(yùn)行速度和最小轉(zhuǎn)彎半徑進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

表1 負(fù)壓爬壁機(jī)器人速度測(cè)試結(jié)果

由表1可知：負(fù)壓爬壁機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，最大運(yùn)行速度為0.11 m/s；原地轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)時(shí)，最小轉(zhuǎn)彎半徑為0.17 m，最大運(yùn)行速度為0.09 m/s。

4.2 轉(zhuǎn)向測(cè)試

利用卷尺和量角器對(duì)負(fù)壓爬壁機(jī)器人進(jìn)行轉(zhuǎn)向測(cè)量，在相同轉(zhuǎn)動(dòng)角度下，測(cè)試不同差速單位脈寬時(shí)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎狀況，結(jié)果如表2所示。

表2 負(fù)壓爬壁機(jī)器人轉(zhuǎn)向測(cè)試結(jié)果

由表2可知：負(fù)壓爬壁機(jī)器人在最小差速單位時(shí)運(yùn)行速度為0.04 m/s、在最大差速單位時(shí)運(yùn)行速度為0.08 m/s，爬壁機(jī)器人轉(zhuǎn)向速度可調(diào)，轉(zhuǎn)彎靈活。

4.3 壁面適應(yīng)性測(cè)試

為測(cè)試所設(shè)計(jì)的負(fù)壓爬壁機(jī)器人在壁面的運(yùn)動(dòng)狀況，在生活中3種常見(jiàn)的壁面上進(jìn)行測(cè)試，分別為玻璃壁面、粉刷墻面、瓷磚壁面。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，負(fù)壓爬壁機(jī)器人在玻璃壁面、白色粉刷墻面、瓷磚壁面(寬度約4 mm，深度約3 mm)三種壁面均可以穩(wěn)定吸附，并且運(yùn)動(dòng)靈活。負(fù)壓爬壁機(jī)器人整體具有穩(wěn)定的吸附性，在測(cè)試過(guò)程中控制系統(tǒng)一切正常，可以完成無(wú)線遠(yuǎn)距離偵察監(jiān)控工作。壁面測(cè)試如圖10—圖12所示。

圖10 玻璃壁面 圖11 粉刷墻面 圖12 瓷磚壁面

5 結(jié)論

利用STM32核心控制器設(shè)計(jì)了一套負(fù)壓爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了該控制系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)過(guò)程，最后對(duì)負(fù)壓爬壁機(jī)器人整體進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)的可行性。該控制系統(tǒng)可以驅(qū)動(dòng)負(fù)壓爬壁機(jī)器人在不同壁面靈活移動(dòng)，具有良好的穩(wěn)定性。通過(guò)各種功能模塊共同作用，實(shí)現(xiàn)了負(fù)壓爬壁機(jī)器人的連續(xù)運(yùn)動(dòng)、無(wú)線通信、視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能，為開(kāi)發(fā)多功能負(fù)壓爬壁機(jī)器人提供了參考。