仿生设计管道机器人的深究

赵祥至

摘  要：本文首先阐述了管道机器人设计系统设计概念，分析了管道机器人的软硬件控制系统的发展现状，提出一种管道机器人系统方案。对管道机器人系统的软硬件做出了设计，并对其管道机器人软硬件控制系统进行了调试。主要对管道机器人做出以下几点：

（1）设计管道机器人软硬件控制系统的基本要求，提出管道机器人软硬件控制系统总体方案。

（2）对管道机器人控制系统的软件进行设计。

（3）对管道机器人实物进行制作，验证本文设计的可行性，以及对管道机器人进行调试分析其设计的可行性。

关键词：管道机器人;控制系统;单片机;实物制作

第1章  管道机器人控制系统方案设计

管道机器人控制系统便为一个移动的完整的测控系统，在完整的控制系统中包含检测模块、控制模块、与之相应的驱动模块。这些模块彼此是互相关联的，其中检测模块依照机械具体构造选取合理的合适的检测方式，驱动模块依照任务需求与机械构造的具体从而设计与之对应的实际的驱动电路，控制模块就要以机械构造、检测方式、驱动模式等方面综合的考虑。

1.1管道机器人结构

基于普遍的车轮驱动的实际配置，与系统中实际的情况相结合从而设计满足本次课题设计的系统的最好的选项，当然这样的选择并不是某个方面单独的最好，然而其一定必须要充分的参考各个实际的状况（例如管道机器人实际的载重、管道机器人的材质、操控的方式和加工的手法）后从而得出的最优的设计方案。本次课题设计里，管道机器人实施清理管道的操作的时候，我们要考虑到运行的稳定性，这也是重要的一个考虑因素之一。管道机器人的机械构造设计方案示意图1-1所示。其中每个模块代表如下：1、第一固定块;2、第一外壳;3、滚轮;4、第一防水伸缩管;5、液压推杆;6、云台;7、微型摄像机;8、第一防水马达;9、第一转轴;10、第二转轴;11、双轴马达;12、第二外壳;13、第二固定块;14、第一转动块;15、控制芯片;16、微型蓄电池;17、伸缩杆;18、第二转动块;19、电磁铁;20、防滑硅胶套;21、清洁片;22、第二防水马达;23、第一固定杆;24、安装箱;25、第二固定杆;26、第三固定块;27、第一转动杆;28、第三防水马达;29、第二防水伸缩管;30、支杆;31、第二转动杆;32、微型马达;33、固定管;34、第三转动杆。

1.2 管道机器人驱动方式

驱动系统是机器人系统的动力来源，现代机器人的驱动方式主要有气动驱动、液压驱动和电动驱动三种。

气动驱动系统以压缩空气为动力源，具有气源方便，系统结构简单，运动快速活，不污染环境，适合在恶劣工况条件下工作等特点。但是由于气体具有可压缩气动驱动系统的平稳性差，高速时还需缓冲或制动装置，低速时不易控制，速度、置控制难于达到精确值。

液压驱动系统具有重量轻、惯量小、传动平稳、控制环节简单等特点。但是液压驱动系统的液压油容易泄漏，污染环境并影响机器性能，它需要单独的油源，所占空间较大，主要适用于中、大型机器人。

电动驱动系统具有传动平稳、灵活、速度快、控制简单精确、无污染、效率高、结构简单、无管路系统、维护方便等特点，适用于中、小型机器人。

采用电动驱动系统是现代机器人技术的发展趋势之一，负荷IO00N以内的中、小型机器人，绝大部分采用了电动驱动系统。在参考了国内外大量管道机器人实例，以及炮管擦洗机器人实际使用环境后，炮管擦洗机器人采用电动方式进行驱动。

1.3 管道机器人控制系统整体方案设计

管道机器人控制系统的整体设计方案经由系统中硬件的选择，进一步的确定出系统需要的硬件，主要的联系是：STM32F103RCT6是主控芯片，是全部的控制系统中的重要核心;而ESP8266 WIFI模块经由WIFI网络以手机端口进一步的接收到实际的控制信号，且将这些信号输送到主控芯片中进一步的解析;TFT LCD模块是人机交互设备从而显示出各类交互数据信息;但是，全部信号的最后处理的结果皆是传输到直流电机驱动部分，进一步的驱动电机进行运动。

1.4 本章小结

本章节里，主要的系统化地讲解硬件模块的实际选择和它的运行原理，以及硬件间构成的实际的硬件结构。就整个系统而言，正确的选择硬件是非常重要的，硬件对系统而言就像骨骼对于人体的重要性，支撑着系统的实际运行。

第2章  管道机器人控制系统的软件设计

2.1程序结构分析

经由上面章节的具体的介绍，已完成了管道机器人中硬件系统的具体设计，但无软件的支持，系统硬件便无法正常的运行工作。软件为硬件的实际灵魂，操控全部硬件系统实际工作。因此软件对于系统的重要性就某种意义来讲是比硬件还要重要的。

管道机器人内全部软件系统的设计牵涉到非常多的方面，软件系统为一个非常复杂的具体的系统，无法一次性的将全部的代码全编写出来。所以，此处进行软件代码的具体编写选择模块化的基本设计思想，把软件系统逐一的划分成子系统，然后把子系统在逐一的细化成单一功能的具体模块进一步的完成，最终把全部模块都整合为整体的大的系统，从而完成预期的所有的功能。

2.2主程序设计

程序设计中主要包含主控制构件，避障构件，中断和PWM控制的具体设计。

主控制模块：一、实现初始化工作，初始化主要的目标是初始化有循迹部分，初始化避障部分，初始化电机驱动部分，初始化主控制部分;二、单片机输送PWM进一步操控电机的实际转速和具体的转向，

PWM控制模块：本次课题设计的系统中选择PWM操控电机的实际转速。控制的过程里，确定52单片机中定时器T0内部初始值，能用不一样的占空比的实际脉冲波形的输出P0.4以及P0.5输出端口。占空比实际数值直接的影响着电机转速的快慢。

第3章  结论

目前的管道机器人控制系统通常由微控制器系统、受硬件特性约束的微控制器组成，在保证系统实时性的同时，很难满足许多复杂的控制要求。为此，本文基于stm32单片机，对无线管道机器人的通用性和实时性进行了优化和提高。证明了管道机器人系统可以在保障及时的前提下完成复杂的多任務控制。只要在wifi热点覆盖区域，无限远地服务器就可以在现实生活中应用现有的智能算法。主要对管道机器人做出以下几点：

（1）设计管道机器人软硬件控制系统的基本要求，提出管道机器人软硬件控制系统总体方案。

（2）对管道机器人控制系统的软件进行设计。

（3）对管道机器人控制系统做出的研究进行总结分析，得到本设计的有点与证实可行性。

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