小直徑一體化涂覆機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要 就管道內(nèi)涂層破壞引起的管道腐蝕、石油天然氣泄漏等問題，以一款小直徑管道一體化涂覆機(jī)器人為研究對象，針對一般機(jī)器人控制系統(tǒng)不穩(wěn)定、控制誤差大等缺陷，建立了一種新的控制系統(tǒng)和PID控制算法，分析硬件電路、控制系統(tǒng)和軟件運(yùn)行程序的邏輯，建立控制系統(tǒng)的仿真模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：機(jī)器人控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性高、魯棒性好、控制誤差小，可以更加高效準(zhǔn)確地完成管道內(nèi)的噴涂作業(yè)，并具有材料利用率高、環(huán)境友好性、可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞 PID控制算法 涂覆機(jī)器人 管道 涂層 魯棒性 環(huán)境友好性

中圖分類號(hào) TP242.3"" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A"" 文章編號(hào) 1000 3932（2025）01 0056 08

油氣管道在石油和天然氣運(yùn)輸過程中具有重要作用，保持管道涂層的完整性對于確保油氣運(yùn)輸操作的安全和效率至關(guān)重要。傳統(tǒng)的涂層修復(fù)方法存在工作效率低、復(fù)雜管道形態(tài)適應(yīng)性差、對工人健康傷害性大等缺點(diǎn)。目前，國內(nèi)外對于機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究取得了一定的進(jìn)展，但仍存在一些缺點(diǎn)。其中，部分控制系統(tǒng)缺乏足夠的智能化和自主化能力，導(dǎo)致機(jī)器人在處理復(fù)雜管道環(huán)境時(shí)的應(yīng)對能力不足；另外，傳統(tǒng)PID控制方法和模糊控制技術(shù)在穩(wěn)定性和精準(zhǔn)度方面有一定效果，但在面對管道環(huán)境的非線性和高度不確定性時(shí)表現(xiàn)不佳，一些管道機(jī)器人的控制系統(tǒng)缺乏對多樣化管道結(jié)構(gòu)的適應(yīng)能力，因此難以滿足各種復(fù)雜管道的實(shí)際應(yīng)用需求。

針對上述問題，筆者建立了小直徑管道一體化涂覆機(jī)器人控制系統(tǒng)，采用一種新型控制系統(tǒng)和PID控制算法，以期有效增強(qiáng)機(jī)器人在管道內(nèi)作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定性，同時(shí)能夠更為準(zhǔn)確地應(yīng)對復(fù)雜、不確定性高的管道環(huán)境，為機(jī)器人更高效地完成管道噴涂作業(yè)提供新思路。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

涂覆機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)行走部分采用履帶式結(jié)構(gòu)［1］，與傳統(tǒng)的剛性履帶式行走結(jié)構(gòu)不同，設(shè)計(jì)有多關(guān)節(jié)自調(diào)節(jié)柔性結(jié)構(gòu)和可控平行四連桿結(jié)構(gòu)，使其能夠輕松通過變曲率半徑管道、T形管道等，具有高牽引力和出色的越障能力。機(jī)器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用模塊化布局和多節(jié)串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，將控制模塊、輔助模塊、供能模塊等所需器件集成到一個(gè)箱體內(nèi)，然后使箱體與調(diào)節(jié)模塊、噴涂模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和檢測模塊串接形成本體，既保證機(jī)器人在油氣輸送管道彎道處保持良好的機(jī)動(dòng)性和通過能力又優(yōu)化了機(jī)器人在管道內(nèi)部的重心位置。

履帶式頂壁管道機(jī)器人的張緊方法可分為機(jī)械自適應(yīng)性張緊和反饋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)張緊［2］。本研究的涂覆機(jī)器人采用較為簡單的機(jī)械自適應(yīng)性張緊結(jié)構(gòu)，即在行走模塊中引入可控平行四連桿機(jī)構(gòu)，其張緊原理是依靠轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)處扭簧的張力，使主從動(dòng)輪壓緊管壁，產(chǎn)生相互作用力而實(shí)現(xiàn)張緊，允許機(jī)器人自主調(diào)整其徑向尺寸以適應(yīng)不同的管道直徑［2］。

控制單元接收來自上位機(jī)的命令并產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)來控制驅(qū)動(dòng)單元和噴涂單元執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力通過一對錐齒輪換向后輸出，由控制單元輸出的方向信號(hào)和PWM波控制主動(dòng)輪以相應(yīng)的速度沿管壁前進(jìn)或后退［2］。噴涂單元中的噴槍具有360°自由旋轉(zhuǎn)噴霧功能，可進(jìn)行全方位的管道噴涂。

涂覆機(jī)器人的具體工作過程及原理：當(dāng)機(jī)器人進(jìn)入管道時(shí)，首先通過控制模塊控制調(diào)節(jié)模塊使行走模塊張緊，當(dāng)壓力傳感器反饋值達(dá)到設(shè)定值后停止調(diào)節(jié)［3］，此時(shí)行走模塊各履帶緊貼管道內(nèi)壁；同時(shí)控制檢測模塊和驅(qū)動(dòng)輪同時(shí)開啟，通過檢測模塊使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的同時(shí)不斷向控制模塊發(fā)送收集的數(shù)據(jù)信息，當(dāng)檢測到管道缺陷后，噴涂模塊啟動(dòng)進(jìn)行維護(hù)作業(yè)［3］；面對微小變徑管道，機(jī)器人通過壓縮調(diào)節(jié)模塊中的彈簧能夠毫不費(fèi)力地通過，并通過控制模塊調(diào)節(jié)其3個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的速度，結(jié)合行走模塊的靈活多關(guān)節(jié)自調(diào)整結(jié)構(gòu)和可控平行四連桿機(jī)構(gòu)平穩(wěn)地通過彎道。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)以中央控制箱體為核心，內(nèi)嵌核心電路板，核心電路板由主控芯片、編碼器、噴涂裝置等重要外部設(shè)備的通信接口組成。同時(shí)，核心電路板還集成了全局供電模組，由鋰電池組接入，通過DC DC變換器將電池組電壓分別降至各模塊所需電壓，為整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)供電。

2.1 控制系統(tǒng)硬件組成

主控芯片選用STM32F429微控制器（以下簡稱STM32），具有Cortex M4內(nèi)核，內(nèi)嵌DSP和FPU單元，同時(shí)還帶有Chrom ART加速器、FSMC等功能，可執(zhí)行高速計(jì)算、信號(hào)處理等功能。

在供電系統(tǒng)中，電源由22.2 V鋰電池組組成，輸入到核心電路板后，通過3路DC DC變換器分別提供24、12、5 V供電，其中，24、12 V分別給主軸電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，5 V通過兩路LDO降壓至3.3 V分別給STM32和傳感器模塊供電，以保證機(jī)器人系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

步進(jìn)電機(jī)采用H橋驅(qū)動(dòng)芯片DRV8825，通過脈沖寬度調(diào)制（PWM）的方式控制輸出，可以根據(jù)需要調(diào)整脈沖寬度，從而準(zhǔn)確地控制步進(jìn)電機(jī)的方向和旋轉(zhuǎn)速度，如圖2所示。有刷電機(jī)采用HIP4082芯片，通過MOS管組成H橋，HIP4082通過輸入控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)橋臂的開關(guān)操作，為每個(gè)橋臂提供兩個(gè)輸出，分別連接到上半橋和下半橋，輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，進(jìn)行有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)（圖3）。

在各級(jí)穩(wěn)壓電路中，考慮到當(dāng)電壓差值較大且電流較大時(shí)，采用LDO的降壓方式會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱嚴(yán)重的情況，因此在供電單元采用DC DC降壓方案。DC DC轉(zhuǎn)換器通過開關(guān)電源機(jī)制，能夠在顯著的電壓差異下實(shí)現(xiàn)高效能的電壓轉(zhuǎn)換。這種轉(zhuǎn)換方式有效規(guī)避了LDO在較大壓降下所面臨的高能量損耗和熱產(chǎn)生問題。如圖4所示，通過輸出端反饋電阻采樣和輸出端、輸入端多級(jí)濾波電容進(jìn)行紋波濾除，可以確保輸出電壓的穩(wěn)定性和紋波抑制，同時(shí)輸出端使用了電感和電容構(gòu)成的RC濾波器，減少了電路中輸入輸出間的電壓波動(dòng)和噪聲。

單片機(jī)的時(shí)鐘和機(jī)器人的傳感器對供電要求極高，它們工作時(shí)都需要精確的時(shí)間基準(zhǔn)來保證系統(tǒng)穩(wěn)定，電源的任何波動(dòng)都可能使晶振起振異常，影響時(shí)鐘信號(hào)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，進(jìn)一步影響系統(tǒng)的控制與反饋機(jī)制。由于單片機(jī)和傳感器所需電流較小，不會(huì)因?yàn)榇髩翰詈洼^大電流造成過大的功耗和發(fā)熱問題，因此在給單片機(jī)、傳感器等低功耗模塊供電時(shí)，采用了低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）方案（圖5），LDO模塊以其出色的電源抑制比（PSRR）和負(fù)載調(diào)整率，能有效地屏蔽來自輸入電源的噪聲，保證輸出電壓的穩(wěn)定。

2.2 控制系統(tǒng)原理

由于系統(tǒng)長時(shí)間運(yùn)行，并且每個(gè)電機(jī)都不能保證參數(shù)和性能相同，此外還有摩擦力、作業(yè)環(huán)境等外部因素的影響，此時(shí)需要設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的精準(zhǔn)控制。

本研究采用魯棒性強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)的PID控制系統(tǒng)。PID控制系統(tǒng)由比例控制器、積分控制器和微分控制器組成。在系統(tǒng)中，利用對應(yīng)控制系統(tǒng)的檢測傳感器值作為反饋量，使PID系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的控制，有助于消除穩(wěn)態(tài)誤差，更好地適應(yīng)外部環(huán)境，保證在惡劣環(huán)境條件下也可以穩(wěn)定作業(yè)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

在PID控制系統(tǒng)中，首先通過Aimset（設(shè)定的目標(biāo)值）和Getact（獲取當(dāng)前值）求誤差Error，即：

Error=Aimset-Getact（1）

通過調(diào)節(jié)比例系數(shù)P的大小來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)速度［4］，可以得出：

P=P×Error（2）

其中，P為比例輸出值，通過輸入合適的P可以使系統(tǒng)的響應(yīng)速度期望達(dá)到最大。

但是單一的比例調(diào)節(jié)不足以消除穩(wěn)態(tài)誤差，積分控制可以通過對累積的誤差進(jìn)行積分并輸出：

I=I×Error（3）

式（3）中I作為積分控制系數(shù)，通過輸出調(diào)整量實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定可控。

微分控制器可通過微分控制器系數(shù)D與Error和上一次的系統(tǒng)誤差Error_Last的差乘積得到：

D=D×（Error-Error_Last）（4）

將式（2）～（4）求和可以得到最終輸出值

Output：

Output=P+I+D（5）

2.3 運(yùn)動(dòng)控制策略

通過上述理論設(shè)計(jì)了兩套PID系統(tǒng)。如圖6所示，以 STM32 為核心，各系統(tǒng)通過各傳感器模塊反饋數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

涂覆機(jī)器人控制系統(tǒng)利用PID控制實(shí)現(xiàn)壓力和速度的調(diào)節(jié)，通過PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換器將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)碾妷盒盘?hào)，然后使用逆變器控制兩個(gè)不同類型的電機(jī)（BLDC電機(jī)和PMSM電機(jī)）。BLDC和PMSM電機(jī)分別受PID速度控制的調(diào)節(jié)，而升降壓模塊則控制電壓的變化，以供應(yīng)給電機(jī)所需的電壓?？刂葡到y(tǒng)仿真模型如圖7所示，驗(yàn)證了控制算法的有效性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性［5］。

如圖8所示，在PID控制系統(tǒng)1中，通過給定壓力目標(biāo)值，由管道附著控制器輸出PWM信號(hào)給連桿機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)主軸電機(jī)，再由壓力傳感器將數(shù)據(jù)反饋給控制器。

如圖9所示，在PID控制系統(tǒng)2中，通過給定目標(biāo)速度，由速度控制器輸出PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)行走電機(jī)，由方向編碼器采集輪速最終反饋回速度控制器。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

噴涂機(jī)器人的軟件包括上位機(jī)的控制平臺(tái)和下位機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制軟件兩部分，并通過CAN通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)兩者間的有效通信。軟件設(shè)計(jì)采用模塊化思想，不僅便于程序的調(diào)試與修改［6］，也利于程序的擴(kuò)展。上位機(jī)控制平臺(tái)采用LabVIEW作為開發(fā)環(huán)境，下位機(jī)則基于STM32控制器，運(yùn)行多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，以確保各項(xiàng)任務(wù)能夠精準(zhǔn)協(xié)調(diào)與執(zhí)行。

3.1 上位機(jī)操作界面

在 LabVIEW 環(huán)境下建立管道涂覆機(jī)器人的上位機(jī)操作界面，包括噴涂控制部分、傳感器數(shù)據(jù)顯示部分、管道內(nèi)部狀況圖像、信息窗口等［7］。在噴涂控制面板上用按鈕或手柄控制機(jī)器人的噴涂行為，包括手動(dòng)或自主導(dǎo)航控制噴涂設(shè)備，實(shí)現(xiàn)噴涂前進(jìn)、后退、過彎等動(dòng)作。機(jī)器人的狀態(tài)信息和傳感器數(shù)據(jù)也會(huì)在界面上實(shí)時(shí)顯示，以便操作人員對機(jī)器人系統(tǒng)的整體狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和控制［7］。上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程如圖10所示。

3.2 STM32控制程序

為了實(shí)現(xiàn)對噴涂機(jī)器人的高效控制，采用多任務(wù)系統(tǒng)作為其核心控制架構(gòu)，旨在集成并優(yōu)化多個(gè)關(guān)鍵任務(wù)的處理，包括機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制、內(nèi)部和外部的通信交互以及從各種傳感器獲取的數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與精細(xì)處理。在此框架下，選用FreeRTOS操作系統(tǒng)作為任務(wù)管理的基石，該系統(tǒng)通過其內(nèi)置的任務(wù)調(diào)度機(jī)制，動(dòng)態(tài)地為每個(gè)任務(wù)分配執(zhí)行優(yōu)先級(jí)，確保在任意給定時(shí)刻，都能依據(jù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)和任務(wù)的緊急程度，合理決策并執(zhí)行最為關(guān)鍵的任務(wù)?？刂瞥绦蛄鞒倘鐖D11所示。

機(jī)器人啟動(dòng)時(shí)，首先進(jìn)行外部設(shè)備初始化，包括傳感器、噴涂設(shè)備等關(guān)鍵組件的初始化。接著系統(tǒng)將創(chuàng)建任務(wù)并分配優(yōu)先級(jí)，確保各項(xiàng)任務(wù)嚴(yán)格按照既定邏輯順序展開。隨后，啟動(dòng)任務(wù)調(diào)度器，等待上位機(jī)發(fā)送指令。上位機(jī)通信任務(wù)分為發(fā)送和接收兩部分。在發(fā)送任務(wù)中，涂覆機(jī)器人將噴涂數(shù)據(jù)一次性寫入發(fā)送緩沖區(qū)，并通過串口發(fā)送給上位機(jī)［7］。接收任務(wù)則負(fù)責(zé)接收上位機(jī)發(fā)送的指令，并進(jìn)行解析，根據(jù)指令執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)［7］。

對于噴涂控制任務(wù)，機(jī)器人根據(jù)接收到的指令計(jì)算噴涂參數(shù)，并將參數(shù)輸出給噴涂設(shè)備，啟動(dòng)噴涂作業(yè)。同時(shí)，機(jī)器人會(huì)通過傳感器實(shí)時(shí)反饋噴涂過程中的管道表面情況，以及噴涂效果是否達(dá)到預(yù)期。達(dá)到預(yù)期噴涂效果，噴涂任務(wù)即結(jié)束完成。如圖12所示，傳感器數(shù)據(jù)的獲取［8］、處理和計(jì)算通過STM32中的定時(shí)器定期進(jìn)行，確保獲取的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤。這些數(shù)據(jù)會(huì)被存儲(chǔ)在緩存區(qū)中，用于感知管道表面的條件和機(jī)器人自身的狀態(tài)，以便及時(shí)調(diào)整噴涂參數(shù)和作業(yè)策略。

4 控制系統(tǒng)仿真分析

為了深入評估機(jī)器人控制系統(tǒng)的控制性能，進(jìn)行了一系列的仿真實(shí)驗(yàn)，通過關(guān)鍵的控制性能指標(biāo)包括力矩、速度、加速度等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，繪制出隨時(shí)間變化的特征曲線［9］，從而揭示機(jī)器人在執(zhí)行復(fù)雜運(yùn)動(dòng)任務(wù)時(shí)的軌跡精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)及系統(tǒng)穩(wěn)定性等關(guān)鍵特性。圖13展示了力矩與時(shí)間的關(guān)系，反映了控制系統(tǒng)在不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)對力矩需求的精確調(diào)控能力；圖14、15分別描繪了速度和加速度隨時(shí)間的變化，這兩幅圖共同展現(xiàn)了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的平滑性與連續(xù)性。這些曲線的形態(tài)不僅映射了機(jī)器人的動(dòng)態(tài)行為，而且為評估其運(yùn)動(dòng)控制的精確度提供了量化依據(jù)。

在穩(wěn)定性分析方面，圖16呈現(xiàn)了控制系統(tǒng)誤差隨時(shí)間的演變過程，清晰地展示了系統(tǒng)如何有效地將誤差控制在較小范圍內(nèi)，并逐步趨向收斂，證明了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性與可靠性。

魯棒性的評估則是通過Bode圖（圖17）實(shí)現(xiàn)的，直觀地揭示了控制系統(tǒng)在面對外部不確定因素干擾時(shí)所展現(xiàn)出的抗干擾能力。Bode圖的分析結(jié)果證實(shí)了系統(tǒng)在復(fù)雜多變的作業(yè)環(huán)境中仍能保持良好的性能表現(xiàn)，這為涂覆機(jī)器人在實(shí)際工業(yè)場景中的應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的理論支撐。

通過對噴涂機(jī)器人在管道內(nèi)作業(yè)時(shí)的仿真模擬曲線分析，證明了控制系統(tǒng)表現(xiàn)穩(wěn)定且魯棒性較好。力矩曲線穩(wěn)定，速度和加速度曲線平滑，誤差波動(dòng)小，穩(wěn)定裕度與時(shí)間曲線表現(xiàn)良好，表明控制系統(tǒng)對機(jī)器人運(yùn)動(dòng)具有高響應(yīng)性和準(zhǔn)確性，能夠在長時(shí)間作業(yè)中保持穩(wěn)定性，確保了作業(yè)的準(zhǔn)確性和可靠性，為管道作業(yè)提供了可靠支持。

5 結(jié)束語

通過仿真實(shí)驗(yàn)建立模型，并對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像分析，驗(yàn)證了新控制系統(tǒng)在穩(wěn)定性、魯棒性和控制誤差方面的顯著改進(jìn)。表明設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠使機(jī)器人更加高效、準(zhǔn)確地完成管道內(nèi)的噴涂作業(yè)，同時(shí)具備材料利用率高、環(huán)境友好、可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)為管道涂覆機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了有力的理論支持，為相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用提供了有益的參考。

參 考 文 獻(xiàn)

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（收稿日期：2024-05-08，修回日期：2024-06-20）

Control System Design for Small diameter Integrated Coating Robots

LI Li pinga， XUE Hao yuana， ZHANG Zhe tongb， DONG Kang xinga

（a. School of Mechanical Science and Engineering； b. School of Electrical and Information

Engineering， Northeast Petroleum University）

Abstract"" Aiming at the corrosion and leakage of oil amp; gas pipelines caused by coating damage inside pipelines， a small diameter integrated coating robot was taken as the object of study. Considering both instability and control errors of conventional robot control systems， a new control system and PID control algorithm were proposed， including analyzing the hardware circuit and control system design， discussing the logic of software running program and establishing a simulation model for the control system. The results show that， the robot control system exhibits good stability and robustness together with small control errors. It can efficiently and accurately complete spraying operations inside pipelines while demonstrating high material utilization， environmental friendliness and strong controllability.

Key words"" PID control algorithm， coating robot， pipeline， coating， robustness， environmental friendliness