一種水泵試驗(yàn)臺(tái)巡檢小車行走算法的設(shè)計(jì)

范志華劉宇彤楊光蘇成貴

(1.吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，吉林 長(zhǎng)春 130022；2北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191)

引言

水泵是一種通用機(jī)械，其應(yīng)用范圍非常廣，幾乎存在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的所有行業(yè)中，社會(huì)需求量大。提升水泵質(zhì)量，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的持續(xù)發(fā)展具有一定的促進(jìn)作用[1]。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用試驗(yàn)臺(tái)測(cè)定水泵性能參數(shù)，是一種檢測(cè)水泵綜合性能非常有效的方式。

水泵閉式試驗(yàn)臺(tái)通常由臺(tái)架、電機(jī)、聯(lián)軸器、扭矩傳感器、入口測(cè)壓管路、出口測(cè)壓管路、伸縮節(jié)、變徑管路、直管路、支撐架、流量計(jì)、閥門、穩(wěn)流密封罐、控制系統(tǒng)等部分組成[2]，各部分之間通過(guò)法蘭、彎頭連接。水泵啟動(dòng)后，管路中存在一定壓力，所以試驗(yàn)臺(tái)周圍要有試驗(yàn)人員隨時(shí)觀察管路的泄漏量與承壓能力。連接件的飛出或者高壓水從管路中竄出，都將對(duì)試驗(yàn)人員的人身安全造成危害。本文提出了一種安裝了網(wǎng)絡(luò)攝像頭的能夠?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)控制和自動(dòng)控制2種方式行走的巡檢小車算法，小車可以在試驗(yàn)臺(tái)周圍智能循跡、自動(dòng)避障，也可以由檢測(cè)人員遙控小車行走在特定區(qū)域。從而實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)人員坐在辦公室中觀察攝像頭傳過(guò)來(lái)的影像信息就可以了解水泵運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)的狀況，保障了人員安全，減少了工作量。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 功能設(shè)計(jì)

巡檢小車采用Arduino UNO R3開發(fā)板進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，集成了智能循跡、自動(dòng)避障、遙控回收和視頻監(jiān)測(cè)等功能。小車主要由行走和監(jiān)測(cè)2部分組成，行走部分由紅外循跡模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、舵機(jī)模塊、超聲測(cè)距模塊構(gòu)成，監(jiān)測(cè)部分由視頻監(jiān)測(cè)模塊構(gòu)成。巡檢小車的操作系統(tǒng)安裝在手機(jī)上，操作手機(jī)APP就能實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢小車的遙控和水泵試驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)工作情況的視頻監(jiān)測(cè)等功能。巡檢小車實(shí)物圖如圖1所示。巡檢小車主要解決了在水泵測(cè)試過(guò)程中，檢測(cè)人員在試驗(yàn)臺(tái)周圍長(zhǎng)時(shí)間走動(dòng)觀察水泵運(yùn)行狀態(tài)，管路泄漏情況，臺(tái)架的穩(wěn)定性等過(guò)程中容易造成人身安全危害的問(wèn)題。

圖1 巡檢小車實(shí)物圖

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Arduino UNO R3開發(fā)板是本巡檢小車的主控中心。R3開發(fā)板采用ATMEGA328P單片機(jī)作為核心處理器，耗電量少、成本低、安全性較高、簡(jiǎn)單靈活、便于上手，是目前Arduino平臺(tái)上最常見的一款產(chǎn)品[3]。其接口豐富，有14個(gè)數(shù)字I/O口(包含6個(gè)PWM輸出)，6個(gè)模擬I/O口，1個(gè)USB口，1個(gè)頻率為16MHz的晶體振蕩器，同時(shí)支持SPI，IIC，UART串口通信[4]。這些特點(diǎn)，使其完全能夠滿足本巡檢小車的設(shè)計(jì)需求。

本巡檢小車的程序設(shè)計(jì)是運(yùn)用Arduino語(yǔ)言在電腦上完成編譯，并通過(guò)開發(fā)板上的USB口將程序下載到中央處理器中，由中央處理器運(yùn)行程序使小車完成其相應(yīng)的功能。小車共采用2塊Arduino UNO R3，1塊主要負(fù)責(zé)指令信號(hào)、傳感器數(shù)據(jù)的采集以及對(duì)于舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)；1塊主要負(fù)責(zé)通過(guò)輸出使能信號(hào)以及PWM信號(hào)，控制L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)而驅(qū)動(dòng)小車進(jìn)行多樣的運(yùn)動(dòng)。兩板之間通過(guò)串口通信相連接，用于在手動(dòng)控制時(shí)傳遞手柄的信號(hào)，控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了對(duì)小車攝像頭云臺(tái)的控制，完成了攝像頭從不同角度來(lái)觀察水泵試驗(yàn)臺(tái)的各個(gè)關(guān)鍵部位的運(yùn)行情況。為了減少視頻傳輸延時(shí)，小車攝像頭不經(jīng)過(guò)中央處理器，而是通過(guò)WIFI直接對(duì)接到手機(jī) APP的后臺(tái)端口[5]。

2 行走部分模塊選擇

2.1 紅外循跡模塊

選用智能小車避障傳感器模塊作為紅外循跡模塊，該傳感器模塊對(duì)環(huán)境光線適應(yīng)能力強(qiáng)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電位器上的旋鈕改變探測(cè)距離，具有抗干擾能力強(qiáng)、容易安裝、操作便捷等特點(diǎn)[6]。該模塊有效探測(cè)距離2～30cm，檢測(cè)角度35°。實(shí)物圖見圖2。

圖2 紅外循跡模塊

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

本巡檢小車選用L298N直流步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，其可以控制直流電機(jī)的方向和速度。大容量濾波電容、續(xù)流保護(hù)二極管是這款驅(qū)動(dòng)板的一個(gè)特點(diǎn)，并且其驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，發(fā)熱量低，這些優(yōu)勢(shì)保證了小車運(yùn)行的可靠性。實(shí)物圖見圖3。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

2.3 舵機(jī)模塊

選用MG996R金屬標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)作為本巡檢小車的舵機(jī)模塊，其速度慢、扭力大、精度高，性能穩(wěn)定附帶自鎖功能，確保在信號(hào)不穩(wěn)定因素下不會(huì)失控，實(shí)物圖見圖4。舵機(jī)的控制需要1個(gè)20ms左右的時(shí)基脈沖，該脈沖的高電平部分一般為0.5～2.5ms的角度控制脈沖部分，總間隔為2ms。本設(shè)計(jì)采用180°角度伺服，對(duì)應(yīng)的控制關(guān)系見表1。

圖4 MG996R 舵機(jī)

表1 控制關(guān)系

2.4 超聲測(cè)距模塊

選用HC-SR04超聲波測(cè)距傳感器作為本巡檢小車的超聲測(cè)距模塊，其安裝方便、材料堅(jiān)固、耐腐蝕、精度高、使用壽命長(zhǎng)。實(shí)物圖見圖5。

圖5 HC-SR04超聲波測(cè)距傳感器

2.5 手柄

本設(shè)計(jì)選用PS2手柄，其是4軸12按鍵、雙高精度模擬搖桿設(shè)計(jì)，使操作更加便捷。實(shí)物圖見圖6。

圖6 PS2手柄

3 行走方式設(shè)計(jì)

3.1 方案設(shè)計(jì)

為了保證水泵試驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)各種突發(fā)狀況的發(fā)生，將巡檢小車的行走方式設(shè)計(jì)為手動(dòng)和自動(dòng)2種控制模式。手動(dòng)控制采用與常見的遙控車類似的設(shè)計(jì)方案，將PS2手柄通過(guò)紅外信號(hào)接收器與單片機(jī)開發(fā)板相連。利用PS2手柄發(fā)出的信號(hào)來(lái)控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而改變機(jī)械臂的形態(tài)以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的目標(biāo)，也可以通過(guò)2個(gè)開發(fā)板之間的串口通信實(shí)現(xiàn)PS2手柄對(duì)于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。

自動(dòng)控制采用紅外循跡模塊與超聲波測(cè)距模塊相結(jié)合的方案，紅外循跡模塊用于實(shí)現(xiàn)小車按照人為預(yù)設(shè)的軌跡行進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)循跡的目的；超聲波測(cè)距模塊用于對(duì)小車前方的距離進(jìn)行測(cè)算，但距離過(guò)小時(shí)，小車會(huì)逐漸減速直至停止，用于對(duì)于障礙物的規(guī)避。

3.2 程序設(shè)計(jì)

3.2.1 工作原理

手動(dòng)控制根據(jù)搖桿方向?qū)崿F(xiàn)小車的移動(dòng)。自動(dòng)控制通過(guò)按動(dòng)手柄上的L3按鍵實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)模式的轉(zhuǎn)換，在自動(dòng)控制時(shí)，只需要將小車的2個(gè)紅外循跡模塊置于軌跡線兩側(cè)即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的循跡避障功能。

3.2.2 手動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)

控制小車運(yùn)動(dòng)的信號(hào)主要采用2塊板之間的串口通信來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中2號(hào)板，用于讀取1號(hào)板搖桿位置改變的串行信號(hào)，即而通過(guò)控制L289N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

算法邏輯：1號(hào)板讀取PS2信號(hào)→發(fā)送信號(hào)給2號(hào)板→2號(hào)板讀取→控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。示例代碼如下。

1號(hào)板：

void PS2_control(void) {

if (error == 1)

return;

if (type != 1)

return;

ps2x.read_gamepad(false, vibrate);

int Y2,X2,Y1,X1;

Y2 = ps2x.Analog(PSS_LY);

X2 = ps2x.Analog(PSS_LX);

Y1 = ps2x.Analog(PSS_RY);

X1 = ps2x.Analog(PSS_RX);

if (Y1 < 5 && X1 > 0 && X1 < 255)

{

Serial.print("#");

delay(5);

}

}

2號(hào)板：

void Up(){

digitalWrite(L1_IN2,HIGH);

digitalWrite(L1_IN1,LOW);

digitalWrite(R1_IN4,HIGH);

digitalWrite(R1_IN3,LOW);

analogWrite(pwm_L1,pwmspeed);

analogWrite(pwm_L2,pwmspeed);

}

void loop()

{

if(a==1&&Serial.available())

{

c=Serial.read();

switch (c)

{

case ‘#’: {

Up();

Serial.println("u");

break;

}

}

}

3.2.3 自動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)

小車的自動(dòng)控制主要基于紅外循跡模塊與超聲波測(cè)距模塊的配合，通過(guò)開發(fā)板讀取到傳感器的數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行處理與判斷，進(jìn)而通過(guò)輸出使能信號(hào)與PWM信號(hào)到L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以改變電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向與轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)循跡與避障，示例代碼如下。

傳感器模塊的信號(hào)讀?。?/p>

int x1,x2;

float distance=200;

x1=digitalRead(xj_1);

x2=digitalRead(xj_2);

digitalWrite(T_pin,LOW);

delayMicroseconds(2);

digitalWrite(T_pin,HIGH);

delayMicroseconds(10);

digitalWrite(T_pin,LOW);

int pwmspeed=int(pwmspeed_1*(double(distance)/

double(400)));

int pwmlowspeed=pwmlowspeed_2*(double

(distance/double(400)));

if(x1==1&&x2==0)

{

digitalWrite(L1_IN1,HIGH);

digitalWrite(L1_IN2,LOW);

digitalWrite(R1_IN3,HIGH);

digitalWrite(R1_IN4,LOW);

analogWrite(pwm_L1,pwmlowspeed);

analogWrite(pwm_L2,pwmspeed);

}

3.3 仿真模擬

為了證明所編寫的控制代碼邏輯成立可行性，減少現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的工作量，分別進(jìn)行了2種方式的仿真模擬。

3.3.1 QuartusII仿真模擬

3.3.1.1 輸入輸出變量

通過(guò)VHDL語(yǔ)言，利用FPGA的知識(shí)，對(duì)于巡檢小車的整體進(jìn)行了脈沖波形信號(hào)的仿真模擬，輸入輸出的變量見圖7。

圖7 輸入輸出變量圖

Choose：用于選擇自動(dòng)模式與手動(dòng)模式，當(dāng)為高電平時(shí)為手動(dòng)模式，當(dāng)為低電平時(shí)為自動(dòng)控制模式。

clk_pwm，clk_time：2個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，用于pwm調(diào)速。

distant：三位二進(jìn)制數(shù)，用于模擬超聲波測(cè)距模塊讀取到的距離信號(hào)。

en_1，en_2：電機(jī)的使能信號(hào)，一高一低時(shí)電機(jī)可以轉(zhuǎn)動(dòng)。

motor_1，motor_2：電機(jī)的輸出信號(hào)，采用pwm調(diào)速。

position：用于記錄運(yùn)動(dòng)方向(前后)的信號(hào)。

switch：四維二進(jìn)制數(shù)，用于模擬PS2手柄的搖桿。

xj_1，xj_2：模擬2個(gè)紅外循跡模塊的信號(hào)。

3.3.1.2 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果由調(diào)速、減速避障、循跡轉(zhuǎn)彎和手動(dòng)控制4種。

調(diào)速：改變clk_pwm的頻率，觀察到motor_1與motor_2的占空比發(fā)生率變化，占空比的改變可以帶來(lái)1個(gè)周期內(nèi)平均電壓的改變，可以實(shí)現(xiàn)車速的改變，同理，僅僅改變一側(cè)的車速，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)于轉(zhuǎn)彎的控制。仿真的波形如圖8所示。

圖8 調(diào)速的仿真結(jié)果

減速避障：控制clk_pwm的頻率不變，改變?nèi)欢M(jìn)制數(shù)distance的值，觀察到motor_1與motor_2的占空比發(fā)生了改變，仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 減速避障的仿真結(jié)果

循跡轉(zhuǎn)彎：改變其它變量不變，改變xj_1與xj_2的值，觀察到僅有1個(gè)電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)，在實(shí)物上表現(xiàn)為小車轉(zhuǎn)彎。仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 循跡轉(zhuǎn)彎的仿真結(jié)果

手動(dòng)控制：當(dāng)choose為高電平時(shí)，改變四位二進(jìn)制數(shù)switch的值，可以觀察到電機(jī)輸出前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等形式，仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 手動(dòng)控制的仿真結(jié)果

3.3.2 Protues 仿真模擬

考慮到僅利用QuartusII進(jìn)行仿真雖然可以得到預(yù)期的結(jié)果，但是波形圖不夠直觀反映小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，設(shè)計(jì)時(shí)又采用了Protues對(duì)于自動(dòng)控制部分進(jìn)行了仿真。通過(guò)改變超聲波測(cè)距模塊讀取到的距離信號(hào)，可以觀察到2個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生了變化，改變2個(gè)高線平開關(guān)(用于模擬循跡模塊的信號(hào))，可以觀察到，2個(gè)電機(jī)出現(xiàn)了轉(zhuǎn)速差，即實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)彎。利用Protues進(jìn)行仿真的電路如圖12。

圖12 仿真模擬電路圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的水泵試驗(yàn)臺(tái)巡檢小車，通過(guò)多次調(diào)試、改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了在水泵試驗(yàn)臺(tái)周圍智能循跡、自動(dòng)避障和視頻監(jiān)測(cè)，并可通過(guò)人工遙控停留在重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行視頻監(jiān)測(cè)。使用Arduino平臺(tái)，能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工作的需要快速修改巡檢小車的程序代碼，使小車能夠更好地適應(yīng)不同檢測(cè)環(huán)境，代替了人工巡檢，提高了工作效率，降低了風(fēng)險(xiǎn)。