一种管道作业机器人的嵌入式系统设计

刘嘉伟++++董伉伉

摘 要： 管道作业机器人是为了解决小型管道内作业困难的问题而设计的。本文介绍了该机器人的嵌入式系统设计，包括硬件电路设计和软件设计。经多次试验和实际使用测试证明其具有稳定可靠、操作简单、经济实用等特点。

关键词： 管道作业 嵌入式系统 可靠实用

1.引言

目前楼宇中普遍存在管道内作业困难的情况，如：下水管道易堵塞且难清理、管道内电缆走线困难、管道塌陷后的狭小空间内勘测作业困难等。在此背景下，管道作业机器人从生活中的实际问题出发，设计并实现对管道堵塞等问题合理解决的系统。该机器人通过机械设计、硬件电路设计、控制程序设计和上位机操作平台设计最终实现。该管道作业机器人系统包括多轮式行走结构、清理执行机构、基于STM32F103RBT6单片机的嵌入式控制系统、机器人供电系统和基于windows系统的上位机操作平台，系统融合单片机嵌入式技术、机械设计技术、运动控制技术、通信技术和计算机软件技术等多学科结构。该管道作业机器人最大作业距离为100m，能够出色完成在水平、竖直、U型、十字形等管道内的可靠行走和高效工作，且具备操作简单，经济实用等优点。

2.硬件电路设计

2.1系统电源设计

管道作业机器人以电能作为动力。因为机器人在狭小的管道内工作，所以必须保证机器人的重量尽量小，还要保证电能在传输过程的损耗尽量小，输出电压能够使机器人各部分正常工作。因此，将机器人供电电源模块分为两部分：一部分在地上，直接输入220V交流电，经电源模块转换为24V直流电后由电线传送给管道内的机器人，再由机器人内部的电源转换模块降至12V，供电机驱动模块使用；另一部分将转换后得到的12VDC转换为3.3VDC作为单片机工作电源。电源转换原理框图如图1所示。

2.2主控单元设计

机器人主控单元采用意法半导体公司的STM32F103RBT6单片机。STM32F103RBT6单片机是一款32位MCU，基于ARM Cortex-M3内核及拥有丰富且强劲的外围，且STM32F103RBT6为LQFP64封装，体积小，编程简单。在该机器人系统中，STM32F103RBT6单片机作为机器人的“大脑”，通过一定的程序算法，实现机器人的运动控制、与上位机的通信和喷水嘴等工具的控制等功能，发挥着主要作用。控制系统框图如图2所示。

2.3电机驱动单元设计

电机驱动模块是为了满足机器人在管道内行进而设计的。机器人需要在复杂的管道内行进，会出现竖直管道、十字形管道、U型管道等情况，需要选取体积小且扭矩大的电机。该机器人采用PWM调速方式，但选取的电机需要12V直流电驱动，单片机产生的PWM控制信号的高电平只有3.3V，且不具备驱动能力，所以需要增加电机驱动电路。该机器人采用常用的H桥驱动电路，此处采用TI公司的电机驱动集成芯片DRV8848。DRV8848是一款集成了双路H桥的电机驱动器，最大驱动电流为2A（并联模式下驱动电流为4A），且具有体积小、外围电路简单等优点。该机器人的电机驱动模块总共包含3路相同的DRV8848驱动电路，单片机共需产生12路单独的PWM驱动信号。

2.4传感检测单元设计

传感检测单元主要包括陀螺仪角度传感器模块和摄像头图像采集模块。机器人在行进过程中有时需要旋转不同的角度以适应管网中不同类型的弯管，这时就必须保证机器人在完成转弯动作后仍保持正确的姿态。如果机器人采用开环控制，机器人在行进过程中就会出现偏转等不可控的情况，因此机器人的行进必须采用闭环控制，一般可通过对电机转速闭环实现但集成有编码器的电机价格高昂，体积较大。因此，该机器人采用不含编码器的电机而选用陀螺仪模块实现，通过陀螺仪实时计算机器人所转过的角度从而实现对机器人的控制。该陀螺仪模块选用MPU-6050模块，MPU-6050整合3轴陀螺仪、3轴加速器，可准确追踪快速与慢速动作，准确测量出机器人在空间中的角度，满足控制需求。

摄像头图像采集模块是为实时传输管道内图像至上位机操作平台而设计的。摄像头镜头采用防水设计，拥有4颗高亮LED灯，可调节亮度，摄像头可以自动白平衡并且具有自动曝光功能，图像的亮度、对比、色调、彩度可调整。摄像头采用高品质双层屏蔽线，线长达100m，方式信号衰减，隔离外部电磁干扰，外接式USB2.0接口设计，即插即用。

2.5通信单元设计

通信单元用于实现上位机操作平台和机器人间的数据和命令传输。摄像头数据的传输采用USB协议传输，可直接在上位机操作平台上读取图像。控制命令的传输采用RS485通信协议，RS485的通信距离较长，最大无中继传输距离为1200m，而机器人最大通信距离只需100m，完全能满足目标需求且不需加中继器。另外，RS485通信方式较简单，实现比较容易，信号传输比较稳定。RS485通信模块选取美信公司生产的MAX485芯片，其具有低功耗、通讯稳定、小体积等优点。

3.软件设计

3.1控制单元设计

基于STM32F103RBT6单片机的控制单元需要实现的主要功能包括与上位机的通信、对电机的控制、对高压水枪的控制，其中对电机的控制最复杂。图3为控制单元的总体程序流程图。

3.2操作平台设计

基于windows的上位机操作平台主要实现操作人员对机器人的远程控制。上位机操作平台主要包括摄像头采集画面的显示、控制命令的发送等，方便操作人员实时掌握管道内的情况并及时控制机器人做出相应的动作。图4为上位机操作平台的程序流程图。

4.总结与展望

以管道清理工作为例，通过多次试验证明该机器人能够适应直径为10至20cm的不同管道且能完成管道清理工作，所需时间较短，在直道内完全清理障碍物需要5分钟，在U型管处的障碍物完全清理需要8分钟。机器人最大工作距离为100m，能满足大多数管道清理工作的需求。

虽然目前制作的机器人已经能够满足实际需求，但因为机器人的供电、摄像图像回传和通信均采用有线方式，再加上高压水枪的水管，这些对机器人的行进有较大的影响。因此，经广泛查阅资料及讨论后决定认为可采用电力载波技术将电缆线合三为一，减小线缆对机器人的影响。

参考文献：

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基金项目：国家级大学生创新创业训练计划资助项目（项目编号：201410058028）。