霍云艷 任思璟 王國新 徐益民 董金波

【摘要】針對工業(yè)上的大量細小管道由于受空間條件的限制，存在不便人工作業(yè)，檢測和維護的問題，提出了一種基于錐形旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動的無纜微型管道機器人的控制系統(tǒng)的解決方案，該機器人的控制系統(tǒng)以AVR單片機ATmegal16為核心處理器，利用錐形磁場實現(xiàn)對機器人的外部磁場驅(qū)動，通過對執(zhí)行機構(gòu)的控制實現(xiàn)機器人的雙向行走和速度控制。在控制系統(tǒng)硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上給出系統(tǒng)軟件流程圖。該系統(tǒng)具有簡單可靠，輕便靈活的特點，在微型管道檢測方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】無纜；管道機器人；控制系統(tǒng)；ATmegal16單片機

引言

傳統(tǒng)管道機器人大多是輪式、腿式、仿生蠕動式等類型，存在著行走距離短、機器人與管壁間的摩擦力大等問題。如果僅僅是縮小傳統(tǒng)機器人的尺寸，工藝上將非常困難。目前，對微型管道機器人的研究國內(nèi)外廣泛采用外磁場驅(qū)動作為無纜驅(qū)動的一種重要形式。相應(yīng)地選擇超磁致伸縮合金、鐵磁橡膠和釹鐵硼等磁性材料作驅(qū)動器，利用軸線相互垂直的亥姆霍茲線圈與螺線管線圈組合構(gòu)成組合驅(qū)動線圈，用組合驅(qū)動線圈通電產(chǎn)生的錐型旋轉(zhuǎn)磁場實現(xiàn)對微型機器人的無纜驅(qū)動[1]。因此設(shè)計簡單可靠、適用方便的機器人控制系統(tǒng)將使無纜微型管道機器人得到廣泛應(yīng)用。

1.控制系統(tǒng)的工作原理

無纜微型管道機器人控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)對形成旋轉(zhuǎn)磁場的亥姆霍茲線圈組供電電源的控制和實現(xiàn)對直流電機帶動載有線圈的小車運動方向控制[2]，利用軸線相互垂直的亥姆霍茲線圈與螺線管線圈構(gòu)成組合驅(qū)動線圈，向組合驅(qū)動線圈施加交流或直流電流進而產(chǎn)生錐型旋轉(zhuǎn)磁場來控制嵌入機器人頭部的釹鐵硼（NdFeB）永磁性材料運動[3]。

2.纜微型管道機器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)主要由恒定磁場信號發(fā)生部分，旋轉(zhuǎn)磁場信號發(fā)生部分，載有驅(qū)動線圈的小車移動部分組成。其中產(chǎn)生恒定磁場的電源信號是由信號發(fā)生器實現(xiàn)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的電源信號和載有驅(qū)動線圈的小車移動信號分別由旋轉(zhuǎn)磁場控制模塊和執(zhí)行機構(gòu)模塊實現(xiàn)。

2.1旋轉(zhuǎn)磁場控制模塊設(shè)計

旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動電源的設(shè)計是采用單片機輸出四路兩相相角相差度的信號，通過橋控制晶體管逆變，形成兩路相角相差度的正弦信號，用這兩路信號對亥姆霍茲線進行驅(qū)動，將產(chǎn)生兩個方向相互正交相位相差度的正弦磁場，因為磁場具有可疊加性，所以產(chǎn)生的兩正弦磁場相互疊加形成旋轉(zhuǎn)磁場。該電路主要采用功率MOSFET作為開關(guān)管，通過集成芯片IR2110將AVR單片機產(chǎn)生的PWM控制信號轉(zhuǎn)換成高壓驅(qū)動信號?；?片IR2110的H橋4片MOSFET的旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動電路如圖1所示。

2.2執(zhí)行機構(gòu)模塊設(shè)計

考慮到機器人的移動速度較慢和位移精度較高，電機的選用方面選擇直流齒輪減速電機，ATmegal6AVR 單片機輸出的 PWM 波通過L293D驅(qū)動芯片進行功率放大。經(jīng)過旋轉(zhuǎn)編碼器對直流電機轉(zhuǎn)速進行反饋，通過改變PWM波的占空比來完成直流電機加速、減速運動。

3.無纜微型管道機器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

在直流電機閉環(huán)調(diào)速的系統(tǒng)軟件設(shè)計中，采用增量式數(shù)字 PID 可以對直流電機的速度進行調(diào)整，以便盡快消除速度誤差。即數(shù)字PID增量型控制算法如下式所示。

ATmega16單片機內(nèi)部有一個16位的具有PWM功能的定時/計數(shù)器，當單片機工作在PWM模式時，管腳輸出PWM占空比的值可以用改變OCR2的值來實現(xiàn)。

4.結(jié)語

本文以AVR單片機為核心設(shè)計的無纜微型管道機器人控制系統(tǒng)，具有設(shè)計簡單，輕便靈活和成本低等優(yōu)點。適用于狹小管道區(qū)間，同時解決了管道機器人不能雙向行走的問題，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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作者簡介

霍云艷，女，1982年3月出生，黑龍江哈爾濱人，講師，哈爾濱金融學(xué)院計算機系。

基金項目

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目（12541695），項目名稱： 雙向可移動微型無纜管道檢測機器人的研究。