基于ARM的車間環(huán)境監(jiān)測機器人設計

逯逸　胡立夫　郝中胤

關(guān)鍵詞：ARM；車間監(jiān)測；傳感器；機器人

在化工業(yè)、食品工業(yè)、紡織工業(yè)中為保障倉儲環(huán)境、工藝流程、設備性能等，對環(huán)境條件有一定要求，需要對車間的環(huán)境進行監(jiān)測，以保證生產(chǎn)活動的正常進行[1-3]。在某些產(chǎn)業(yè)中，車間可能會產(chǎn)生一些污染物，對人員健康和設備造成損害，對這些污染物進行監(jiān)測也非常必要[4]。

為解決上述問題，文獻[5] 設計了基于STM32 和阿里云的智能環(huán)境檢測系統(tǒng)，但其采集節(jié)點相對固定，不夠靈活。文獻[6] 設計了一種環(huán)境信息采集智能車，但其底盤使用履帶，移動速度和效率低，體積大不適用于車間環(huán)境。文獻[7] 使用傳感器網(wǎng)絡進行監(jiān)測，需布置大量傳感器和服務器系統(tǒng)，成本較高，不利于推廣。

本文為解決上述問題，基于ARM內(nèi)核微處理器，設計了車間環(huán)境監(jiān)測機器人。機器人使用二輪平衡底盤，具有高效率、靈活、移動速度快、通過性能強的優(yōu)點。機器人搭載了氣體傳感器模塊，溫濕度傳感器模塊，攝像頭和Wi-Fi 圖傳模塊，姿態(tài)傳感器模塊。該機器人克服了以上缺點，具有很強的實用性，為工業(yè)生產(chǎn)提供了保障。

1 系統(tǒng)總體設計

機器人系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，分為硬件層和軟件層。其中，硬件層包括運動層，控制層，通信層和感知層。感知層主要包括監(jiān)測采集環(huán)境信息的各種傳感器，控制層為基于ARM 核心的微控制器，運動層包括機器人運動的底盤電機等，通信層為Wi-Fi 圖傳模塊。

2 車間環(huán)境監(jiān)測機器人系統(tǒng)硬件設計

機器人系統(tǒng)主控采用基于ARM 核心的STM32F407處理器，該系列MCU 具有豐富的外設接口和片上資源，突出的低功耗性能和豐富的開發(fā)例程。MCU 負責與機器人硬件各層次通信和控制。包括機器人的運動控制，電機電流指令發(fā)送，氣體傳感器，溫濕度傳感器數(shù)據(jù)的采集、處理，Wi-Fi 模塊的數(shù)據(jù)上傳控制。機體姿態(tài)傳感器的數(shù)據(jù)采集和處理。

2.1 電源模塊設計

系統(tǒng)需要3.3 V，5 V 和24 V 三種規(guī)格的電源，故使用24 V 鋰聚合物電池作為機器人系統(tǒng)的電力來源。系統(tǒng)的電源分為3 個層次：24 V 電源輸入、TPS54540同步降壓5 V 電源、MT2492 同步降壓3.3 V 電源。系統(tǒng)電源樹如圖所示。

MT2492 為西安航天民芯公司開發(fā)的一款同步降壓轉(zhuǎn)換器，具有2 A輸出電流，通過反饋電阻網(wǎng)絡配置輸出電壓，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊提供的計算公式，將反饋電阻網(wǎng)絡配置為R_HS= 67.5 kΩ，R_LS=15 kΩ。

2.2 姿態(tài)傳感器模塊設計

機器人采用了平衡底盤，為保持底盤平衡直立，需測量機器人底盤姿態(tài)。姿態(tài)傳感器模塊使用MPU6050芯片進行姿態(tài)檢測。該芯片是InvenSense公司的IMU（慣性測量單元）產(chǎn)品，能同時檢測三軸加速度、角速度的運動數(shù)據(jù)以及溫度數(shù)據(jù)。利用官方提供的DMP 庫可對傳感器數(shù)據(jù)進行處理，直接通過加速度和角速度的運動數(shù)據(jù)解算出三軸的歐拉角，直接獲得底盤Yaw，Pitch，Roll 三軸的姿態(tài)數(shù)據(jù)。在芯片DMP 單元完成姿態(tài)數(shù)據(jù)解算后，會通過INT 引腳觸發(fā)單片機中斷，然后通過I2C 接口將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機，在中斷服務函數(shù)中進行姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)的接收。

2.3 氣體傳感器模塊設計

機器人具有有害氣體檢測功能，可以實時監(jiān)控車間有害氣體濃度，有害氣體檢測使用了MQ135 氣體檢測模塊。該傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫（SnO₂）。當傳感器所處環(huán)境中存在污染氣體時；傳感器的電導率隨空氣中污染氣體濃度的增加而增大。MQ135 傳感器對氨氣、硫化物、苯系蒸汽的靈敏度高，對煙霧和其它有害氣體的監(jiān)測也很理想。

通過集成的氣體傳感器模塊檢測電路即可將電導率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應的數(shù)字信號，通過電位器設置觸發(fā)閾值，當有害氣體濃度超過閾值后，模塊輸出高電平，單片機通過IO 直接讀取模塊信號輸出。

2.4 溫濕度傳感器模塊設計

為了保證生產(chǎn)需要，監(jiān)測車間的溫濕度，機器人搭載了DHT12 溫濕度傳感器模塊，該模塊為集成了微處理器的數(shù)字信號輸出型傳感器。在傳感器內(nèi)部同時集成了溫度傳感器，濕度傳感器和1 個8 位的高性能單片機。傳感器元件包括1 個電容式感濕元件和一個NTC 測溫元件。該模塊應用集成微處理器內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行數(shù)據(jù)的采集，通過I2C 接口進行數(shù)據(jù)輸出。該傳感器模塊成本低，可以同時進行相對濕度和溫度測量，大大降低了機器人的生產(chǎn)成本。

2.5 Wi-Fi圖傳模塊設計

機器人需要進行遠程操控和數(shù)據(jù)上傳，考慮到機器人在車間環(huán)境下工作，故選用Wi-Fi 攝像頭圖傳模塊，同時上傳攝像頭采集到的圖像和機器人數(shù)據(jù)。攝像頭圖傳模塊采用ESP32-CAM，模塊基于ESP32 微處理器，該處理器運算能力高達600DMIPS，該模塊集成了Wi-Fi 圖傳，串口傳輸和攝像頭，可以直接在上位機軟件進行圖像和上傳數(shù)據(jù)的查看。模塊采用802.1.1 通信標準，傳輸速度可以達到150 bit/s。該模塊使用5 V 電源進行供電，串口波特率設置為115 200，機器人傳感器數(shù)據(jù)上傳使用串口進行傳輸，在使用時，將客戶端接入模塊的無線熱點，啟動模塊配套的客戶端即可。

數(shù)據(jù)直接以字符串形式進行傳輸，刷新頻率為20 Hz，既保證了數(shù)據(jù)上傳實時性，也避免占用過多上傳信道帶寬。在串口上傳的數(shù)據(jù)中，/n 為數(shù)據(jù)的起始位，“有害氣體”，“溫度”，“濕度”為數(shù)據(jù)名稱，數(shù)據(jù)名稱后接數(shù)字即為該數(shù)據(jù)的值。

3車間環(huán)境監(jiān)測機器人系統(tǒng)軟件設計

機器人系統(tǒng)的軟件部分包括初始化程序，傳感器數(shù)據(jù)采集程序，上位機數(shù)據(jù)上傳程序，遙控程序，底盤控制程序。

因機器人軟件包含多個線程，故軟件系統(tǒng)基于Freertos 開發(fā)，通過Freertos 的時間片調(diào)度功能，實現(xiàn)毫秒級時間尺度上的并行處理。

軟件初始化程序?qū)纹瑱C各個外設進行初始化，使各個傳感器進入工作狀態(tài)，初始化Freertos，運行各個線程。

傳感器數(shù)據(jù)采集程序?qū)⒏鱾€傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行處理，處理成字符串后通過串口發(fā)送到上位機。

遙控程序?qū)⑼ㄟ^串口采集的數(shù)據(jù)設置機器人底盤的運動狀態(tài)，實現(xiàn)機器人底盤的運動控制。

底盤控制程序通過底盤控制器控制底盤的運動。

3.1底盤控制器設計

平衡底盤使用底盤控制器進行底盤的運動控制，為保證底盤的通過性能和穩(wěn)定性，采用了滑模控制和PID控制相結(jié)合的方法。底盤控制器采用滑?？刂破鬟M行平衡底盤角度的鎮(zhèn)定，PID 控制器進行平衡底盤速度的鎮(zhèn)定，滑?？刂破骱蚉ID 控制器組成了一個串級結(jié)構(gòu)?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)框圖如圖5 所示。

數(shù)字式PID 控制器可通過連續(xù)域的PID 控制器離散化得到，在此使用梯形法進行離散化得到。

4 車間環(huán)境監(jiān)測機器人測試

為了對機器人的總體功能和通過性能進行驗證，選擇了實驗室環(huán)境對機器人功能進行驗證。

首先對機器人的通過性能進行實驗。模擬車間的道路環(huán)境，在機器人前進的路徑上設置了高度為150 mm的落差，觀察到的機器人運動姿態(tài)如圖6 所示：

機器人在通過落差時，由于受到落差的干擾，姿態(tài)發(fā)生了偏移，接觸地面后即很快恢復了直立穩(wěn)定狀態(tài)。

對機器人的數(shù)據(jù)采集功能進行測試。將機器人通電后再將機器人置于實驗室環(huán)境中進行測試，通過Wi-Fi模塊建立系統(tǒng)與上位機的聯(lián)系，使機器人數(shù)據(jù)采集和上傳功能處于正常工作狀態(tài)。在上位機采集到的回傳數(shù)據(jù)如圖7 所示：

機器人通過Wi-Fi 模塊的串口通信功能，將數(shù)據(jù)回傳給機器人的上位機，實現(xiàn)了環(huán)境數(shù)據(jù)采集上傳功能。

5 結(jié)束語

基于ARM 內(nèi)核微處理器，設計了車間環(huán)境監(jiān)測機器人的軟硬件系統(tǒng)，經(jīng)過實驗驗證，機器人底盤具有較強的通過性能，可以適應復雜的車間環(huán)境。機器人通過搭載的傳感器進行環(huán)境數(shù)據(jù)測量，能夠及時地回傳采集到的數(shù)據(jù)，完成車間環(huán)境監(jiān)測任務，具有很強的實用性，滿足工業(yè)生產(chǎn)過程車間中的環(huán)境監(jiān)測需求，為工業(yè)生產(chǎn)提供了保障。