探析智能巡检机器人测控平台的设计应用

侯海英 亿嘉和科技股份有限公司

1 智能巡检机器人测控平台总体设计

智能巡检机器人测控平台设计要体现出实时性、适应性和可扩展性，能够较好地应用于管道焊缝缺陷的智能检测，主要包括以下构件：(1）机器人机械结构。通过机器人车轮上的吸附机构和循迹模块在管道壁面沿焊缝爬行，由机械臂的超声探伤模块进行焊缝缺陷的检测。(2）运动控制系统。利用APP软件的无线通信技术进行机器人主控制器的通信设计，通过移动APP发送不同控制指令的方式，实时控制机器人的行进状态和机械臂扫查动作，全方位地检测焊缝缺陷。（3）人机界面。通过RS－232/RS－485通讯接口采集和存储焊缝缺陷信息，通过人机界面显示的波形数据判断机器人检测焊缝的缺陷。

2 智能巡检机器人硬件设计

2.1 主控制器选型设计。主控制器STM32F103C8T6的内核为Cortex-M3，存储器为64KbFlash，定时器7个，接口资源包括有两个I2C接口、3个USART接口、2个SPI接口，体现出功耗低、兼容性好的优势特点，控制机器人进行焊缝循迹、与移动APP进行通信，完成机器人移动控制和机械臂的动作控制，较好地满足智能巡检机器人的性能需求。同时，选用L298N驱动模块进行四路直流电机的驱动，接受单片机的实时控制，通过单片机向驱动板发送变化的高低电平，实现对电机的正反转控制。另外，选用XL4015稳压芯片，为机器人的机械臂提供稳定的工作电压，使之承受较大的电流。并采用USB转串口电路进行核心控制板的供电，实现与外设的信息交换。数据存储空间较大，拥有64KbFlash的数据存储空间，能够进行重复性的擦除读写操作。

2.2 行走机构设计。为了确保机器人工作过程中能够在管道壁灵活自如地行走，可以选取四轮式机构，采用驱动四个车轮的移动方式，通过对车轮分散布置一定数目的磁铁，可以实现可靠性吸附和平稳运动，转向更加方便和易于控制，相较于多足步行式机构和履带式机构有不可比拟的优势。同时，机器人采用六自由度机械臂的控制，通过左右移动、前后移动、定点移动、环绕移动的方式，进行探测点的多方位、多角度扫查检测，利用机械臂的多自由度特性进行管道盲区的扫查，提高焊缝缺陷检测的准确率。通过在程序中调整高电平的脉冲信号时间，即可使舵机按照预定的角度进行工作，实现对机械臂的控制。

2.3 吸附方式设计。考虑到智能巡检机器人在管道壁面工作中会携带缺陷探伤检测模块、机械臂等负载，一旦机器人从管道壁脱落则会导致机器人损毁的现象。为此，结合工业生产中的油气管道大多是由钢板焊接而成，因而可以采用磁铁吸附的方式，较好地适宜机器人进行爬壁行走，体现出负载能力大、易于控制的特点，并无须消耗过多的能量。

2.4 壁面静力学分析。由于吸附力过大会阻碍机器人的爬动，吸附力过小会使机器人从管道壁面滑落，为此要进行机器人的壁面静力学分析，选取适宜的机器人吸附力。当爬壁机器人水平吸附于管道壁面时，测量可知，机器人总质量为4Kg，重心距离墙面的距离为300mm，摩擦系数为0.5，左右量车轮间距为200mm，通过计算可知，每个车轮平均产生的吸附力最小为40N。当爬壁机器人垂直吸附于管道壁面时，前后轮之间的中心距为250mm，前轮比后轮的吸附力要大，每一个车轮最少要提供48N的吸附力，方可实现机器人安全的爬行。

2.5 机器人控制方式设计。智能巡检机器人采用无线控制方式实施远程控制，控制端选用灵活多变、后期二次开发较强的移动APP软件，控制端操作人员仅需利用手中的安卓手机即可进行机器人移动状态和实时动作的控制，体现方便快捷的应用特点。

2.6 无线通信方式。智能巡检机器人测控平台选取HC－05蓝牙模块作为移动APP和控制电路板间的通信，体现其低功耗、快速传输、支持双向通信的特点。

3 智能巡检机器人软件平台设计

3.1 单片机程序开发软件平台

智能巡检机器人测控软件平台采用最新的Keil uVision5软件编译器，运用C语言进行机器人的软件编写，能够将程序代码编译为微控制单元可执行的二进制代码，构建启动文件、外设和HAL库相关文件、内核头文件、用户程序文件等，并进行程序修改和调试，生成HEX文件并下载到单片机进行验证。

3.2 移动APP开发软件平台。智能巡检机器人测控平台采用全新的Android Studio软件，仅面向安卓移动APP进行开发，能够帮助用户进行APP软件的快速开发和后续调试，并基于IntelliJ IDEA的集成环境进行软件开发，通过功能丰富的AVD模拟器进行程序调试和移动APP开发。这款采用Android Studio软件开发的基于安卓手机的APP软件，可以通过手机蓝牙和HC-05蓝牙模块相匹配和链接，实现对智能巡检机器人测控平台的远程控制，能够利用机械臂扫查模块控制机器人的前进、停止、后退等操作。

3.3 人机界面开发软件平台。采用LabVIEW软件进行人机界面的开发，利用LabVIEW软件的数据采集、信号处理、串口通信等功能进行开发设计，基于串口通信原理，调取相应的图形模块开发人机界面，设计相关通信协议进行数据接收操作，较好地简化开发流程，提高软件平台开发效率。

4 智能巡检机器人测控平台软件设计

4.1 主控制器程序设计。要进行系统的初始化设置和GPIO设置，设计和开发串口通信、通信协议、定时器及相关控制子程序，依照任务优先级次序进行任务处理，实现对智能巡检机器人的控制。在六自由度机械臂程序控制的过程中，可以采用单个定时器中断法，将舵机内部生成的20xl的基准信号进行分解，由每一份时间完成一个舵机的控制。

4.2 基于Android手机无线控制。在基于安卓手机的APP开发过程中，要安装Android Studio客户端和Android SDK软件开发工具，配置环境变量和页面布局，进行Java程序和相关资源的编译，生成APK包并安装于安卓手机，实现对机械臂动作控制和机器人行进状态的控制。同时，采用UART异步通信方式进行通信，在手机蓝牙和HC-05配对连接之后进行指令接收和处理执行。

4.3 基于LabVIEW的人机界面设计。要设计基于LabVIEW的人机界面，实时接收探伤仪传送的数据，以波形的方式显示数据信息，并对接收到的波形数据进行存储，进行焊缝缺陷检测的后续检查，提高焊缝缺陷检测的准确度。并通过数据的多次回放操作，进行检测缺陷结果的分析，实现智能巡检机器人测控平台的改进和优化。具体操作流程包括有：启动系统登录；输入正确的用户名和密码后自动进入到检测界面；并设置系统串口通信参数实现通信。

5 小结

综上所述，传统的人工缺陷检测劳动强度大、效率低，为此要结合工业油气管道实际工况条件，提出智能巡检机器人测控平台的设计和应用总体方案，选取采用STM32F103C8T6主控芯片、四轮驱动磁铁吸附和EE－SX671A型光电传感器的爬壁机器人，利用Android studio软件和Java语言，实现移动APP的开发和设计，通过手机自带的蓝牙功能进行数据通信和指令发送，远程无线控制智能巡检机器人的移动状态和机械臂转动。后续还要将平台样机置于实际油气管道中进行功能测试，减小机器人的体型，并与图像处理技术相结合设计机器人循迹模块，进一步优化机器人的机械结构，使之适应复杂的工况条件。