基于STM,32自适应管道直径且配有自动棘轮收放线的管道机器人
时间：2023-04-08 13:35:05 来源：千叶帆 本文已影响人
曹维杰，赵立宏
（南华大学机械工程学院，湖南衡阳 421001）
在近几十年来，由于自动化技术的飞速发展和国民物质生活水平的显着提高，各行业的发展越来越依赖于物资运输。特别是管道运输，以其运量大、运输方便、成本低廉等优点，在国民经济中占有越来越大的比重，广泛应用于石油能源、食品加工、城市给排水、农业灌溉、核能等领域。业等领域，已被广泛使用。由于输送介质的化学腐蚀、不可抗拒的自然灾害及其自身缺陷，极有可能使输送的物料发生泄漏，造成环境污染、易燃物爆炸、能源浪费等严重事故[1-2]。因此，有必要定期检查、维护和清洁管道内部。管道监测工程需要用到管道机器人，目前，传统的管道机器人结构由中央控制器、驱动单元、通信模块、图像采集模块、承重体等组成[3-4]。其实施过程如下：操作人员接收管道机器人采集的管道路况信息，及时发出控制指令，实现对其运行轨迹和状态的控制，以及具体功能。
管道机器人是一种可沿细小管道内部或外部自动行走、携带一种或多种传感器及操作机械，在工作人员的遥控操作或计算机自动控制下，进行一系列管道作业的机、电、仪一体化系统，优点是可以实现快速运动、灵活操纵、准确判断和较低成本[5]。但传统的管道机器人存在与管道尺寸不相适应的诸多问题，与管道尺寸不完全匹配，转弯时容易发生翻车或卡死。通信模块一般采用无线蓝牙通信模块，在通信距离和工作范围上受到影响，容易出现传输信号受阻，甚至信息传输和控制中断的情况。因此，本文设计一种具有自动棘轮收放的自适应管道机器人来解决上述问题，提高管道机器人的应用性。
本文的目的是设计一套以STM32单片机为主控的自适应管线直径并配有自动棘轮收放的管线机器人。如图1所示，为了优化智能车的行驶稳定性，提高其抗倾覆能力，设计了单弹簧自动调节顶轮装置，为了避免信号传输线在管道内纠缠的问题，设计了单向棘轮绑扎装置，并结合差分驱动控制、电机PWM调速、动态画面实时传输、WiFi接收装置、无线遥控装置、精确放料装置、摄像头双自由度万向节等。该方案的设计分为系统结构设计、系统硬件设计、系统软件设计和系统测试分析4大部分[6]，由以下各章依次展开。
图1 管道机器人系统实物
1.1 系统结构设计
该机器人采用传统智能车的结构，以亚克力板为底盘材料，四轮驱动，采用微型可调速永磁直流减速电机。本文提供了一种管道直径自适应、棘轮自动收放的管道机器人，包括小车、单向棘轮线束和WiFi接收器，如图2所示，单向棘轮线束上有数据传输线，单向棘轮线束的两端通过数据传输线与小车和WiFi接收器连接。
图2 系统结构的示意图
1.2 系统结构工作原理
当小车进入管道并开始工作时，单向棘轮束线装置自动放线，如图3所示，放线长度由机器人前进的距离所决定，机器人前进多远则单向棘轮束线装置就放出多长的线，当小车检查完毕并返回时，启动高扭矩电机，使其开始工作，高扭矩电机通过固定轴带动单向棘轮顺时针转动，收线速度与小车速度一致，小车可顺利归返，当机器人进入管径大小不同的管道内部时，万向轮通过鼓簧的压弹作用，自适应管道的管径，在管道内部进行行走测试时，如果机器人经过较大障碍物时，单弹簧自动调节顶轮进行压缩运动，如图4~5所示，以保证机器人在作业过程中的行驶通过性，如果机器人在管道内部经过炮弹坑时，则单弹簧自动调节顶轮通过鼓簧的伸长来将万向轮支撑在管道顶部，以保证机器人的径向支撑力和机器人的防倾覆能力。
图3 单向棘轮束线装置的剖面示意图
图4 单弹簧自动调节顶轮结构的俯视示意图
图5 单弹簧自动调节顶轮结构的主视示意图
根据设计要求，本系统主要由STM32F103主控模块、底盘减速直流电机驱动模块、俯仰电机控制模块、电源模块和无线通信模块组成。机器人硬件设计结构如图6所示。
图6 机器人硬件设计结构
无线操作器手柄通过无线通信模块与STM32F103控制器通信，发送控制指令，控制器根据接收到的控制指令为机器人执行相应的功能。控制器接收控制直流电机命令，然后给直流电机输出信号，通过调节两侧驱动轮的转向和速度实现机器人的运动状态和运动轨迹[7]。扩展板采用专为STM32机器人研制的L298N多功能扩展板，配合STM32核心板无缝对插使用，实现无损扩展，集成双H桥L298N电机驱动芯片，能实现4个马达驱动运行和PWM软件调速，集成了L2M2596S开关电源稳压芯片，支持6～12 V宽电压输入，为整个系统提供稳定的5 V电源。同时还集成了红外接收头、有源蜂鸣器、LED显示、电源开关、支持6路舵机接口、蓝牙接口、超声波、WiFi、红外循迹、红外避障和8路5 V输出等接口。
2.1 主控模块的设计
系统选用嵌入式微处理器STM32F4103，该芯片使用ARM先进架构Cortex-M3内核，32位精简指令集的核心[8]。运行频率高达72 MHz，多达112个I/O资源和高容量的RAM存储，并集成了3个12位ADC-21通道、2个12位DAC、定时器、实时时钟等在内的整套先进外设。可使用keilC语言编译并支持TTL下载，支持STLink-SWD在线调试。4个PWM定时器用于驱动底盘4个直流电机，2个PWM定时器用于驱动云台电机，1个ADC用于底盘双H桥输出电流的过流保护，2路通信接口分别用于遥控器接收输入和调试等。
STM32F103主控模块原理如图7所示。
图7 STM32F103主控模块原理
2.2 电机驱动模块的设计
设计了一个双H桥直流驱动电路来控制机器人的运动速度和方向，如图8所示。L298N是ST公司生产的高压大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装，既可以驱动直流电机也可以驱动步进电机[9]。一颗驱动芯片可同时控制两台直流减速电机做不同的动作，在6~46 V电压范围内提供2 A电流，并具有过热自切和反馈检测功能。L298N可以直接控制电机。通过主控芯片的I/O输入设置其控制电平，可以驱动电机正转和反转。其特点是操作简单，稳定性好，能满足电机的直流大电流驱动条件。同时，L298N芯片由标准逻辑电平信号控制，具有两个使能控制端，允许或禁止器件工作，不受输入信号的影响。有逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分工作在低电压状态，可外接检测电阻，其变化可反馈至控制电路。通过调节STM32F103的I/O输入对其控制电平进行设定，从而控制机器人两侧驱动轮的转速，完成机器人在管道内的移动。图9所示为L298N内部逻辑。
图8 电机驱动模块
图9 L298N内部逻辑
2.3 电源模块的设计
稳定的电源对于一个控制系统来说是至关重要的，关系到系统能否正常运行。系统总的电源供应来自12 V锂电池，由于电路中的不同电路模块所需要的工作电压和电流容量不相同，需要进行电压调节，驱动轮电机电调为5 V供电，云台电机5 V供电，单片机STM32F103需要3.3 V低压供电[10-11]。分别使用DC-DC开关稳压芯片（LM2596S模块）和稳压芯片。LM2596是降压型电源管理单片集成电路的开关电压调节器，能够输出3 A的驱动电流，转换效率高，固定输出版本有3.3 V、5 V、12 V，可调版本可以输出小于37 V的各种电压。LM2596S模块原理和内部逻辑分别如图9、10所示。
图10 LM2596S模块原理
以5 V输出为例，当VO由于Vi的波动大于5 V时，反馈检测电阻R1上的电压将大于1.235 V，此电压Vr1与基准电压Vref通过误差放大器，将Vref-Vr1（为负数）的值放大，这样即使微小的误差也会被检测到。然后送入比较器与一锯齿波比较，比较器即对应输出高低电平控制后级的latch，如图12所示，占空比增大。比较输出为1时latch输出低电平，比较输出为0时latch输出高电平，相当于对比较器输出取反，实际latch类似于一个SR触发器，比较器输出接到R输入。那么三极管基极接收到的PWM占空比减小，由BUCK电路的结论可知，占空比减小，输出电压减小，从而使输出处于动态平衡，稳定在5 V。
图12 比较器状态
使用KeilµVision 5软件开发系统选用C语言编程，主要控制模块程序包括推杆运动程序、倾斜控制程序、驱动轮电机控制程序，以及其他功能电机控制程序。系统配置和初始化程序包括时钟配置、延时函数初始化、串口初始化、定时器初始化[12-13]。在库函数中，定义几个代表机器人不同控制状态的成员函数。采用ps2无线操作器作为控制器，利用无线通信模块传输控制命令。本设计数据意义对照表1。
表1 数据意义对照表
当有按键按下，对应位为“0”，其他位为“1”，例如当键“SELECT”被按下时，Data[3]=11111110B。
电机驱动程序流程如图13所示。机器人启动后，操作员根据机器人实时状态操作无线操作器上的功能按钮对机器人进行实时控制。当无线机械手柄发出动作信号时，控制器评估是否接收到信号，如果接收到信号，则根据接收到的信号评估机器人应该执行什么动作，以控制各个模块的相互协作，其中包括推杆运动模块、云台控制模块、驱动轮电机控制模块和其他功能电机控制模块等[14-15]，最终实现机器人与无线操作器按键相应的功能。
图13 电机驱动程序流程
对于自主遥控导航通过性能实验，采用了以下方案，通过在管道中预设一个终点，利用安装在机器人上的4自由度摄像头，确认是否准确到达目的地后，启动自主遥控导航功能，测试管道机器人的移动，操作如图14所示。
图14 遥控和稳定性测试
由于单弹簧顶轮大大增强了机器人的驱动稳定性，单向棘轮线束装置运行良好，保证了摄像头采集和输出信号的稳定性，通过系统集成和经过上述测试得到的数据进行了对比分析。如表2所示。
表2 测试的完成度分析
经过多次测试，确定该管道机器人具有优越的管道驱动稳定性，能够准确地导航到指定目标点。试验中出现故障的原因是收放线装置中的数据线与齿板纠缠在一起导致卡死，导致无法顺利到达目标点。遥控导航的效率大于96%，所以导航模块实现得很好。
本文介绍了一种基于STM32F103具有自适应管道直径且配有自动棘轮束线装置的管道机器人，重点阐述了系统结构设计、系统硬件模块设计、系统软件设计。其中，在结构设计上，单弹簧自动调节顶轮可使机器人自适应一定范围大小的管道直径，提高了机器人在工作过程中的行驶稳定性。单向棘轮束线装置，避免了信号传输线在管道内部缠绕的问题，同时提升了机器人在工作过程中的数据传输质量。同时，在硬件模块设计中，驱动模块双H型电路设计为机器人实现二维空间内做任意方向的移动及物料的精准投放、单向棘轮束线控制、摄像头双自由度云台控制等提供了硬件基础。在系统软件设计上，选用KeilµVision 5软件开发系统，采用C语言编程，实现的控制模块包括推杆的单自由度的往复横向运动、云台的双自由度运动、驱动轮电机的驱动等。同时，通过一系列的误差分析，其中包括孔径公差所带来的误差、摩擦所引起的误差、和制造所导致的误差3部分进行了简单的分析，确保了整个系统的正常运行。
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