智能巡检机器人测控平台研究

张鹏

（中海油东方石化有限责任公司 海南省东方市 572600）

近年来，因油气管道泄露产生的安全事故频发，严重影响了人们的生命财产安全。造成泄露的主要原因在于传统油气管道出现焊缝缺陷问题，而人工检测手段很难及时发现问题所在，导致无法及时做好预防工作。基于此，油气公司开始积极引入机器人技术，实现了管道的有效巡检，据相关调查数据显示，当前我国利用机器人完成管道缺陷检测的案例较少，主要检测方式仍然停留在人工检测方式上，但是，传统超声波检测需要人工手持超声波探伤仪进行检测，且需要始终保持平稳的速度，长期从事此项工作的人员容易产生疲劳感，不仅无法及时发现焊缝缺陷，且会出现误判情况，造成安全事故。由此，急需引入先进的测控技术，准确检测出焊缝缺陷，为油气管道的正常运输保驾护航。

1 智能巡检机器人测控平台设计要求及方案

1.1 设计要求

为了有效做好管道焊缝缺陷的检测工作，可以选择使用智能巡检机器人测控平台进行检测，智能巡检机器人在检测缺陷数据后，能够直接输入到人机界面中，操作人员通过检测的数据，便能够对缺陷问题以及产生的原因进行判断，进而采取有效的解决办法。基于此，在实践工作中，智能巡检机器人测控平台在设计过程中，要始终保持现代工业检测标准，同时坚持以下几点原则：

（1）实时性。在设计智能巡检机器人测控平台时，需要检测好现场探伤问题，并将相关数据输入到人机界面中，通过智能手机APP 实时控制机器人的操作。这就要求硬件系统的主控制器能够对数据进行快速高效的处理，并针对传感器接收到的信号及时回应。

（2）适应性。智能巡检机器人测控平台在对机器人进行检测过程中，会遇到较为复杂的工况，为了确保机器人可以不受影响，顺利工作，需要重点检测好高空焊缝缺陷问题。

（3）可扩展性，设计智能巡检机器人测控平台时，需要重点考虑在后期研发过程中，还需要增加平台的其他性能，由此，在设计过程中，需要保证平台的可扩展性特点。

（4）通信传输功能。机器人在设计过程中，要求能够实现人机交互，数据通讯，此时，可以设计无线蓝牙通信模式，从而实现与手机之间的数据交流，手机也能够对机器人实现无线控制。

1.2 设计方案

为了更好的实现管道焊缝缺陷的智能检测，企业积极引入了智能巡检机器人测控平台，其主要分为三个部分：

（1）机器人机械结构，在设计过程中，需要重点注意设计机器人管道爬壁功能、焊缝缺陷探伤功能、焊缝循迹功能以及缺陷扫查的功能。机器人可以借助车轮的吸附结构实现在管道壁位置的轻松移动，同时利用循迹模块也能够实现沿壁爬行功能。此时，机械臂能够完全取代人工操作，不再需要人工携带超声仪器进行检测。

（2）在设计人机界面时，需要其能够存储并显示超声检测的所有数据，供工作人员查看。操作人员能够借助人机界面查看波形数据，对焊缝缺陷问题进行判定。同时，也能够实现数据回访，为操作人员对数据的详细分析奠定良好的基础。

（3）设计运动控制系统时，需要同时开发手机端APP软件，实现智能控制机器人。二者之间可以通过无线通信技术进行信息的交互，机器人执行检测任务过程中，操作人员便能够通过手机移动APP 下达指令，控制机器人的机械臂以及前进方向，完成全方位的检测任务。

1.3 智能巡检机器人硬件平台方案选择

为确保智能检测任务顺利完成，还需要积极建立智能巡检机器人硬件平台，辅助完成检测任务。此硬件平台在设计上，由主控制器、蓝牙无线通信以及吸附方式、行走机构组成，在设计上，要求对以上结构做好选型，从而确保智能巡检机器人能够符合设计要求，完成巡检任务。

1.3.1 主控制器选择分析

根据以往研究发现，机器人控制平台中，主控制器的主控核心多为STC89Cxx 或者STM32、Samsung 系列的芯片，通过对三种芯片的资源进行对比分析发现，STM32 F103C8T6 微处理器在应用上更为有效，对比芯片内核发现，STM32F103C8T6 的内核更具优势，其主要使用Cortex-M3作为内核，达到了最低的功耗。同时，该处理器的存储空间相对较大，也能够利用Flash 实现多次擦除读写。最后，该处理器具有7 个定时器资源，具有较好的兼容性，能够最大化满足智能巡检机器人工作的要求。

1.3.2 选择行走机构

智能巡检机器人在选择行走机构时，要求能够灵活移动，且具有较强的适应能力，通过对比发现，以下三种行走机构在应用上具有一定优势。

（1）履带式。履带式即要求机器人借助链条连接好车轮，利用电机驱动方式，让车轮前进，进而带动履带。履带式机构具有速度快，能够轻松跨越障碍的优势，同时，如果将其与磁铁吸附方式有效结合起来，则机器人的吸附力会更强。履带式结构的机器人在设计上更为复杂，且转向不够灵活，也会出现打滑情况，在应用时还需要慎重选择。

（2）多足步行式。在设计多足步行式爬壁机器人时，为了能够让机器人自由移动，需要设计多个吸盘以及长腿，借助其交替移动，实现步行。此设计的主要优点在于能够灵活的运动，且轻松跨越障碍，适合用于工业环境较为复杂的区域。但是，多个吸盘以及长腿也会加重机器人的重量，导致机器人的移动速度以及转向速度缓慢，不仅增加了设计的成本，且在爬壁时的稳定性也较差，不适用于爬壁作业。

（3）四轮式。相比于以上两种机器人，四轮式机器人在设计上较为简单，其主要借助电机的力量驱使车轮移动，其能够轻松控制移动的方向，成本相对较低，且具有一定的可靠性，可在多种工业作业中应用。

1.3.3 选择吸附方式

机器人在作业时，需要吸附到管道壁面，但是，在吸附时，也会因自身携带的负载导致其从管道壁脱落，从而摔坏影响正常工作。为了有效避免此类问题出现，要求在机器人设计过程中，选择正确的吸附方式，从而保证机器人能够顺利完成检测的过程。机器人吸附方式主要包括磁铁、化学、胶、静电、机械等方式，其中，磁铁吸附更容易掌控，且能够负载更多，无需消耗过多的能量，但是，其因体积较大，无法脱离导磁面自由行走。而静电吸附方式具有安全性高且工作效率高的优势，但是其只适合在光滑钢制壁面内行走，操控困难。化学吸附方式以及胶吸附方式都具有高效性，且操作简便，但是化学吸附对材料的要求较高，需要定期更换，而胶吸附要求对壁面清洁度的要求较高，且适应能力较差。机械吸附方式具有较强的适应能力，其对管道壁面的要求不高，但是其吸附能力不强，爬壁效果差，无法携带重物。在工业油气管道中，钢板是主要焊接材料，对比以上吸附方式发现，机器人在爬壁行走时，选择磁铁吸附方式更为适用。

1.3.4 选择机器人控制方式

机器人在工作中，还需要进行人工控制，保证其能够准确无误的完成巡检工作。其中无线控制以及有线控制是较为常见的方式，无线控制技术具有灵活方便的优势，且可扩展性较强，但是信号在传输过程中容易受到干扰，且范围有限。而有线控制虽然能够传输更远的距离，且不容易受到干扰，但是其线路较为繁琐，容易损坏，局限性较大。通过对机器人工作环境的分析，发现无线控制更适合在工厂内使用。

在实际应用中，借助移动APP变能够对机器人进行操控，且APP 可安装在安卓系统的手机上，具有灵活、多变的优势，能够实现二次开发。在APP 界面中，使用者可以对APP 功能进行布局，安装自己想要的功能，从而更好的控制机器人的移动以及动作。

1.3.5 选择无线通信技术

近年来，我国科学技术水平在不断发展进步，无线通信技术也得到了不断革新，当前市场上无线通信技术主要包括ZigBee、蓝牙、Wi-Fi 以及红外技术。其中红外技术具有较强的抗干扰能力，且电力消耗较少，但是其接受信号的距离<7 米，无法进行多方位的传输。而HC-D5 蓝牙技术也具有功耗低的优势，其能够快速传输信息，能够实现双向通信，但是，信号传输的距离相对较短，这也是其存在的主要缺点。Wi-Fi 无线通信技术能够实现长距离的信号传输，但是在使用时，还需要额外安装路由器才能够使用，且与其他无线通信技术相比，价格相对较高。ZigBee 技术具有一定可靠性、安全性，同时功耗较低，在应用上有一定优势，但是在使用时也需要耗费较高的成本，信号穿透力较弱，且稳定性差。

通过对以上无线通信技术优缺点的对比发现，HC-D5 蓝牙技术的优势相对突出，适合应用在智能巡检机器人的操控上。

1.4 选择智能巡检机器人软件平台

智能巡检机器人测控平台在包括硬件结构外，还包括系统软件，例如移动APP、单片机程度以及人机界面三种开发软件。

1.4.1 开发单片机程序

在单片机程序开发中，适合使用C 语言编程，从而对操作系统进行维护、调试。C 语言程序编写后不能直接存放于单片机内，还需要借助编译C 语言软件，转换成微控制单元可执行二进制代码才能够正常使用。在编写时，需要建立内核头、HAL 库、外设、启动等多个子文件，编写完毕后，还需要进行调试、修改。确认无误后，就可以生成HEX 文件，借助USB 数据线连接机器人，从而将HEX 文件下载存储到单片机中使用。

1.4.2 移动APP Eclipse 以及Android Studio 软件是移动APP 主要开发软件，二者在功能上存在很大的不同，其中Eclipse 软件的功能较多，能够实现网页开发以及制作电脑游戏，虽然如此，其APP 界面与真机效果还是存在很大差异，且运行速度也较为缓慢。当删除文件后，编辑的记录也会随之清空，用户体验较差。而Android Studio 软件虽然目前只针对安卓系统开发，但是与Eclipse 开发工具相比，其功能上做出了很大的改进。首先，界面较为清晰，能够快速修改，也能够保留用户修改的痕迹以及记录，具有撤销功能。二者对比发现，Android Studio 软件更适用于移动APP 研发，其不仅构建效率较高，且系统具有较高的兼容性，价值AVD 模拟器的应用，能够模拟手机完成调试。

借助Android Studio 软件开发的手机APP 软件，通过蓝牙与机器人连接，能够实现机械臂扫查功能，同时控制机器人的前进、后退以及停止这些基本动作。

1.4.3 开发人机界面

在开发人机界面时，一般会使用到C 语言开发以及LabVIEW 软件开发，C 语言在应用上，要求编程人员具有较高的技术水平，需要完成复杂的编程，由此，对比之下，应用LabVIEW 软件更为方便、快捷。LabVIEW 软件主要借助图形化编程对软件进行开发，完成数据采集以及串口通信的任务。如果实验条件不足以完成软件开发，则可以选择在LabVIEW 软件中调取软件，完成实验仿真任务。此外，LabVIEW 软件不仅语言简单，且能够最大化简化开发的流程，编程也较为简单，由此，应用较多。

2 智能巡检机器人测控平台硬件设计

2.1 电路设计

智能巡检机器人测控平台在设计过程中，要求具备循迹以及爬壁功能，由此，在电路设计上，要求能够实现信号传输功能、电机驱动电路功能以及信号采集电路功能等，在设计上，要求按照以下模块完成，见图1。

图1：硬件平台总体设计

2.2 电路系统设计

2.2.1 驱动模块设计

STM32 单片机I/O 口中，因其引脚电压电流均低于正常值，无法带动12V 直流电机的运行，由此，在设计过程中，要求选择最为合适的驱动模块，例如L293D 以及L298N，L293D 适合4.5-36V 供电范围，而L298N 适用于5-35V 供电范围内，同时，前者的输出电压范围更广，输出电流功率更强，由此，L298N 驱动模块更适合应用在此次设计中。此外，L298N 模块也能够作为大功率设备驱动电机使用，不仅操作上较为简单便捷，同时也能够接受单片机的控制。

2.2.2 主控制器设计

智能巡检机器人测控平台主控制器芯片应用STM32 F103C8T6，同时与8M 外部晶振连接好，STM32F103C8T6芯片具有低耗、低压等优势，同时拥有48 个引脚，有效实现了功能扩展。智能巡检机器人测控平台可达到72MHz 的工作频率，能够实现快速数据处理功能。将此芯片用于智能巡检机器人测控平台中，能够实现焊缝循迹功能，同时能够与手机移动APP 建立连接，实现通信功能。

2.2.3 电路系统

为保证机器人能够顺利完成任务，需要有电源电路作为基础，硬件电路设计上，需要使用不同的模块，每个模块的电压电流都会有所不同，由此，做好电源电路的设计工作很有必要。硬件设计上，要求STM32 芯片达到3.3V 的电压，机械臂达到5V 电压，电流达到0.2A，当电源供电需求发生变化时，需要更换电压以及芯片，确保系统能够顺利运行。

2.2.4 USB 转串口电路设计

当前许多笔记本电脑上未设计RS-232 通信串口，为了能够与其他设备相连接，需要在设计单片机电路时，应用CH340芯片，完成计算机USB端口向串口的电路转换工作。

2.2.5 蓝牙模块电路设计

为完成移动APP 与单片机之间的通信，需要在智能巡检机器人测控平台中涉及蓝牙模块。本设计中的蓝牙模块为HC-05，电压在3.3-6V 之间，4800-1382400 波特率，ISM 频段保持在2.4GHz。在实际应用中，用户可以根据自己的不同需求设置不同的工作模式，HC-05 蓝牙串课通讯模块可以设计为自动连接或者命令响应的模式，当处于命令响应模式时，操作者可以直接发送AT 指令到模块中，实现参数设定。蓝牙模式中分别设有VCC、TX、GND 以及RX 四个引脚，主控制器RX 能够与TX 连接，而主控制器TX 能够与RX连接起来，VCC 与5V 电源连接起来，GND 接地连接。

为确保HC-05 蓝牙模块能够有效连接移动APP，在连接正确电路后，还需要设置好单片机串口，确保单片机程序能够顺利编写。同时，安卓手机APP 上，需要打开蓝牙功能，并匹配到MAC 地址。最后，将手机与HC-05 连接起来，实现数据通讯功能。连接成功后，LED 指示灯会保持慢闪状态。

2.2.6 复位电路设计

复位电路的功能即初始化系统，避免机器有死机、程序跑飞等故障出现。在具体设计过程中，需要使用手动以及上电复位两种方式，上电复位会在系统上电的瞬间，达到最大的充电电流，电容会出现短路，同时RST 实现自动复位。手动复位过程中，要求先完成上电复位操作，并将RST 与VCC 之间连接起来，实现高电平的复位。

2.2.7 循迹模块设计

在油气管道中，会存在弧焊焊缝循迹模块，在设计上，要求重点对机械结构以及电路进行设计。首先，在机械结构设计问题上，要求在机器人前段的两侧位置分别放置两路光电传感器，并于传感器中间安装夹持焊缝挡板，挡板在设计上要求能够实现左右滑动，如果焊缝有偏移的情况发生，则挡板能够借助传感器完成整体设计工作。在选择光电传感器时，应该选择EE-SX671A 槽型，确保挡板在滑动时能够借助凹槽完成传输，完成设计的要求。其次，在电路设计工作中，要求对光电传感器进行设计，确保其拥有L、GND、VCC、OUTPUT 四个引脚，并分别对其进行设计。其中L 端设计悬空，VCC 端需要与5V 电压相连接，传感器OUTPUT 引脚分别与单片机PAO 以及PAI 口有效连接起来。当传感器在工作中，就会发射红外光到红外发射端中，在此状态下的传感器引脚会有高电平输出。如果凹槽中有物体穿过时，红外光就无法直接发射出来，此时光电开关就能够实现运行，发送低电平到单片机引脚中。借助此原理，机器人便能够在焊缝中实现正常移动，如果中间有挡板相隔，就会将传感器隔开，单片机此时就会直接发送命令到电机中。如果机器人出现左移情况，挡板就会将右侧传感器挡住，发送低电平到单片机中，此时便能够证明机器人有偏移情况。在出现偏移后，单片机便能够暂停右侧电机的运行，直到机器人能够恢复正常运行轨道，才能够保证系统正常运行。

3 智能巡检机器人测控平台软件设计

3.1 主控制器程序设计

3.1.1 设计系统的主程序

完整的系统中，需要涉及到硬件电路连接问题，同时，也会涉及到系统程序设计，这对系统能否正常运行起关键作用。智能巡检机器人的主要工作内容就是借助HC-05 蓝牙模块与安卓手机APP 联合应用，实现通信功能。借助移动APP 能够控制机器人的动作以及行进方向。同时，也能够对检测状态下的机器人自动沿管道埋弧焊缝循迹。基于此，在设计主系统程序时，需要重点设置GPIO、通信协议、定时器，同时初始化系统，实现串口通信功能等等。

3.1.2 GPIO 口

GPIO 口可以根据用户的不同需求，完成输入以及输出两个功能。每一个GPIO 口分别设有两个32 位配置寄存器，一个16 位复位寄存器、32 位锁定寄存器，还有一个32 位置位或者复位寄存器。在对这些寄存器设置后，就能够分别实现输入浮空、上拉、下拉功能，以及推挽式复用、输出，模拟输入、开漏输出以及复用功能。

3.1.3 设计配置寄存器

一般情况下，智能巡检机器人51 单片机I/O 口会设置8位寄存器，实现输入输出功能。但是针对STM32 单片机，需要设定好输出模式，才能够实现寻址操作，由此，在对单片机IO 口进行操控前，需要设计好配置寄存器。

3.2 LabVIEW人机界面设计

3.2.1 功能设计

为了满足用户的需要，在对LabVIEW 人机界面进行设计时，要求重点设计数据的接收、存储以及回放三个功能。确保探伤仪发送的波形图表数据能够被机器所接收，并进行存储，为检测人员后续的检查做好铺垫。最后，数据回放功能能够实现多次回放，检修人员可以反复观看，查看是否有其他未发现的缺陷存在，对测控平台进行全面的优化处理。

3.2.2 实践操作

人与计算机能够实现信息互通的重要平台就是人机界面，在此界面中，能够直接显示出焊缝缺陷相关数据，方便用户查看。在实际操作上，首先需要登录启动系统，输入用户名及密码，而后就会出现检测界面，对系统串口的通信参数进行设定后，就能够实现实时通信功能。

3.2.3 对登录功能进行监测

人机界面的登录权限仅限于操作人员，为了避免非操作人员登录，对数据以及界面造成损坏，在登录上还需要设计出安全登录。当用户名与密码匹配时，便能够顺利登录监测系统，如果输入错误，则系统会自动提示需要重新输入正确密码或者用户名，否则无法进入。

3.2.4 串口通信函数

为了实现不同设备之间信息传递功能，在设计上可以选择使用串口通信功能。例如，需要对VISA 写入函数、配置串口函数以及关闭函数、读取函数进行设计，完成操作。

3.2.5 VISA 串口配置及步骤

对VISA 串口进行配置，能够有效实现串口通信，在信息的传输中，需要严格按照通信的相关规则执行。首先，应该初始化计算机通信端口以及外围设备的通信端口，并对其数据位、波特率、奇偶校验位等内容进行重新设计。串口配置时，其顶端位置有一个启动终止符，在设计上，应注意不能启用此终止符。在设计串口通信时，要严格按照配置、读写、关闭串口三个步骤完成。

3.2.6 人机界面

人机界面系统在运行过程中，能够使用顺序结构显示出系统的登录界面，借助调用函数形式完成串口程序。人机界面的显示面板上包括数据波形显示、串口参数设置以及功能按键、数据接收缓冲区以及探头探伤参数几个部分构成。数据位、波特率以及COM 口是串口的主要参数。波形图表的主要功能即显示所接收到的数据信息。接收缓冲区的主要作用即以十六进制将收到的数据信息显示出来，从而让用户能够对数据进行查看。功能按键的主要作用及实现数据回放、保存以及停止采集、运行等功能。保存数据的按键能够存储所采集的数据，如果用户需要查看，就可以使用回放功能查看已经保存的数据信息。

3.3 Android手机无线控制

近年来，智能手机已经普及，为了能够对机器人进行实时遥控，本平台在设计上选择在Android 手机上安装软件，并与单片机HC-05 实现蓝牙匹配，进而通过手机发送前进、后退等简单的指令。在APP 人机交互界面的设计上，为了方便使用者使用，需要保证简洁化以及人性化。

4 结束语

综上所述，传统油气管道焊缝缺陷检测中，长期依靠人工使用超声检测方法进行检测，不仅会有误判的风险，且长期从事此项工作的人员也会因辐射问题出现身体疾病。为了保证油气的顺利运输，急需有一项新技术引入完成检测工作。智能巡检机器人测控平台的引入，不仅有效改善了传统人工检测的风险，同时能够实现多角度灵活检测，为油气的正常运输提供了一定便利。经实验研究，发现本测控平台检测的数据结果，达到了预期结果，有效预防了焊缝缺陷的发生。