LPG球罐检测爬壁机器人远程控制技术研究

郑亚东 刘朝华 金哲成 王明科 胡立强

（天津职业技术师范大学 机器人及智能装备研究院，天津 300222）

目前，随着我国社会经济的迅速发展，液化石油气（Liquefied Petroleum Gas，LPG）已经广泛应用于各个领域。大多数的LPG储存球罐采用混合式排板焊接而成。LPG球罐在使用一段时间后，常在焊缝处出现H2S应力腐蚀开裂的问题，有可能造成液化石油气泄漏、燃烧以及爆炸等安全问题[1-3]。因此，LPG球罐焊缝检测对安全生产至关重要。当前，常用的球罐焊缝检测方法仍是检测人员手握超声检测设备沿着支架进行逐层检测，导致检测人员长时间暴露在危险的环境中，直接影响检测人员的身体健康。LPG球罐的体型巨大，存在人工检测不便、劳动强度大、安全性差以及检测效率低下等问题[4]。近年来，机器人代替人完成简单重复、高危险性、高强度的劳动逐渐成为未来的发展趋势[5-6]。针对上述LPG球罐检测存在的问题，本文开发了一种远程控制的检测机器人。通过远程操控机器人进行现场作业，既可以保证工人的劳动安全，也可以提高检测效率。

LPG罐体为铁磁材料，因此可采用磁吸附爬壁机器人携带探伤设备进行检测作业。目前，很多学者对磁吸附爬壁机器人进行了研究。安会朋[7]等设计了一种永磁吸附三轮步进结合的机器人，其以AT89C51控制器为核心的控制模块采取红外通信进行遥控。但是，由于红外线本身的限制，红外线遥控无法穿过障碍物进行遥控或者以很大的角度遥控设备，导致其抗干扰能力不佳。何宏[8]等研制了一种永磁吸附爬壁机器人，其中主控制器采用S3C2440芯片，采取ZigBee技术来远程控制爬壁机器人。ZigBee的传输速度只有100 kb·s-1左右，且信号传输质量较差。滕昊[9]研制了一种磁吸附爬壁机器人，其中主控制器采用STM32F103芯片，无线通信模块选用CC1101芯片，但存在长时间接收会死机、弱信号饱和以及控制方式复杂等问题。

本文提出一种基于WiFi通信方式的履带式磁吸附爬壁机器人控制方案，对爬壁机器人控制系统进行硬件设计和软件开发，实现了对爬壁机器人的转向、定速和定距的远程控制。

1 爬壁机器人远程控制系统的整体架构

远程控制系统采用C/S架构设计，主要包括机载控制系统和上位机控制系统。控制系统总体设计框图如图1所示。

机载控制系统以STM32F103为主控芯片，主要包括电源模块、WiFi模块以及电调模块等。主控芯片主要用来控制爬壁机器人与计算机和WiFi模块的通信，输出PWM方波控制电机运动。电调模块用来驱动电机的转动。WiFi模块将TTL电平转为符合WiFi无线网络通信标准的形式[10-11]。下位机程序设计采用KeilVision5平台，为各个硬件电路模块编写程序，主要有WiFi驱动程序、串口驱动程序以及PWM控制的电调程序。

图1 控制系统总体框图

基于MFC框架设计上位机监控系统，将客户端与机载控制系统服务器连接[12]。爬壁机器人启动后，机载控制系统处于监听等待状态。上位机监控系统通过WiFi模块与其建立连接后将控制命令发给机载控制系统，从而实现机器人的转向、定速和定距的远程控制。

2 爬壁机器人机载系统硬件电路设计

STM32F103具有5个USART接口，可以灵活与外部设备进行全双工数据交换。本系统使用搭载在APB1总线上的USART3串口。通过MAX3485芯片将TTL电平转换为RS485电平，并用RS485串口与单片机进行通信。串口驱动电路原理如图2所示。

ESP8266-12F WiFi模块采用3.3 V电压输入，VCC接3.3 V供电，GND接地，GPIO0和GPIO2接10 kΩ上拉电阻，默认设置为工作模式。TXD串口发送引脚接单片机USART3的接收引脚PB11。RXD串口接收引脚接单片机USART3的发送引脚PB10。RST复位引脚默认接1 kΩ上拉电阻，低电平时有效。WiFi模块电路如图3所示。

爬壁机器人使用12 V直流减速电机，采用两个有刷电调驱动。将信号线和地线连接到单片机上，两个电调的信号线接到单片机的引脚PB6和PB7上，最终单片机输出PWM信号对两个电调进行控制。电调会根据接收的信号发出相应的提示音，当信号接收成功后，可根据后续接收到的信号驱动电机转动。根据信号的变化控制电机转动的速度，可形成两个电机之间的差速，完成对方向的控制。电调控制模块原理如图4所示。

图2 串口驱动电路图

图3 WiFi模块电路图

图4 电调控制电路图

3 爬壁机器人机载系统软件设计

3.1 串口通信程序设计

单片机与WiFi模块之间采用串口中断的方式进行通信。在中断服务函数中，通过一个数组ARRAY_RX[]、一个16位的全局变量USART3_RX_STA和一个基本定时器来管理串口数据。

当接收到WiFi模块发来的数据时，先把数据保存到ARRAY_RX[]中，同时USART3_RX_STA中记录接收到的有效数据个数，之后使能一个定时器6。若100 ms后没有新数据传入，则触发定时器更新中断，将USART3_RX_STA的第15位标记，而后数据接收结束，等待其他程序将该位清除。此外，当数据过大超出ARRAY_RX[]的大小时，强制接收结束。

3.2 基于PWM的电调程序设计

对定时器和电调进行初始化，根据电调的驱动特点，将定时器时钟初始化为50 Hz，并调节占空比，依次给电调一个高油门信号和低油门信号，完成初始化电调。上位机发送数据给单片机，单片机读取数据并将读取到的数据赋值给ARR自动重装载寄存器，后与CCR捕获寄存器值进行比较发送PWM方波。

电调出厂时对电机做保护，使电调可接收的PWM信号范围为40%～100%。当占空比为73%时，电调处于中心点学习位置，此时电机转速为零，实验室测得占空比与行进速度的关系分别如表1和表2所示。

表1 占空比与前进速度对应表

表2 占空比与后退速度对应表

利用MATLAB数值分析软件对爬壁机器人速度和占空比做二次拟合，得到占空比与行进速度关系曲线图，如图5和图6所示。由此计算占空比与行进速度的函数关系式，可得：式中：yF表示前进速度与占空比的函数关系式；yB表示后退速度与占空比的函数关系式；x为爬壁机器人行进速度；yF和yB为单片机输出PWM的占空比。

图5 爬壁机器人前进速度与占空比关系曲线图

图6 爬壁机器人后退速度与占空比关系曲线图

4 上位机监控系统设计

上位机监控系统使用Visual Studio平台下的MFC框架开发。MFC是面向对象的函数库，可以简化设计者操作步骤，直接利用现有的函数库设计出窗口化的应用程序。

爬壁机器人的上位机监控系统界面如图7所示。输入服务器IP地址和端口地址后，点击连接按钮，显示连接服务器成功。在“定速”“定距”框中输入数据，按下“确定行程”按钮后，计算机将编辑框中的速度值按式（1）和式（2）进行计算转化，并以特定格式发送给单片机。单片机根据接收到的比较值设定占空比，从而控制电机转速。在上位机按下“前进”“后退”“左转”“右转”“停止”按钮，可以实时控制爬壁机器人的各种运动状态。

图7 上位机监控界面图

5 系统调试

系统上电后，各模块电源指示灯亮起，说明系统供电正常。上位机的监控界面输入设定的速度和距离后，通过无线路由器将控制命令发送给单片机，随后爬壁机器人按照上位机界面设定的速度和距离上、下、左、右进行运动。爬壁机器人实测图片如图8所示。

1 000 m3球罐圆心处直径26.50 m，总高（含支腿）37.84 m，球罐顶点到上位机监控系统的距离40 m，现场检测环境空旷。在空旷地带爬壁机器人的远程控制范围可达100 m，在较多障碍物遮挡时，机器人远程控制范围可达60 m，满足检测需求。远程测试如图9所示。

图8 爬壁机器人实测图

图9 爬壁机器人远程实测图

6 结语

针对LPG球罐检测爬壁机器人远程控制的需求，研制了一种基于WiFi的无线远程控制系统，实现了对爬壁机器人的无线远程遥控，满足了对LPG球罐爬壁检测的需求。通过远程操控机器人现场作业，检测人员可以实时控制爬壁机器人的速度与方向，既保证了工人的劳动安全，也极大地提高了检测效率。通过长时间的运行和重复实验，该远程控制方法能满足实际的要求，但系统仍有缺陷，如机器人转向的灵活性较差，因此后续可以对此加以优化。