彭　興，肖衛(wèi)初，賀建權(quán)，陽　霞，劉　穎，梁　健，劉　源

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履帶式管道清潔機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

彭興，肖衛(wèi)初，賀建權(quán)，陽霞，劉穎，梁健，劉源

（湖南城市學(xué)院，湖南益陽 413002）

單片機(jī)內(nèi)部集成2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生PWM波和實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，使外圍電路更簡單；采用TB6612FNG直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、RT5350無線WiFi模塊，并分別與單片機(jī)組成閉環(huán)反饋模式來進(jìn)行電機(jī)控制以及信息傳輸，提高了系統(tǒng)工作效率。

機(jī)器人；履帶式；單片機(jī)；無線模塊

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，對于機(jī)器人應(yīng)用的領(lǐng)域也越來越多。管道清潔機(jī)器人具備攜帶攝像機(jī)監(jiān)控管道環(huán)境、機(jī)械手臂對管道進(jìn)行除塵等功能，能有效解決部分通風(fēng)管道的復(fù)雜環(huán)境清潔問題。

目前，國外的管道清潔機(jī)器人已形成產(chǎn)業(yè)化。如美國、丹麥、日本、韓國等諸多國家均有管道清潔機(jī)器人系列產(chǎn)品。我國對管道清潔機(jī)器人的研究起步比較晚，與國際先進(jìn)水平尚有一定的差距，但在相關(guān)科研單位的極力支持下，使之得到了迅速的發(fā)展。[1]提出一種直進(jìn)輪式微型管道機(jī)器人的行走系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用輪式移動(dòng)結(jié)構(gòu)，但該運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)僅僅適用于平坦的接觸面，當(dāng)遇到有一定坡度的斜面或者凸出地面的障礙物時(shí)，管道清潔機(jī)器人便不能繼續(xù)進(jìn)行下面的工作，基于這些不足，[2]提出一種六輪機(jī)器人爬樓梯能力的分析，從機(jī)器人對樓梯結(jié)構(gòu)的適應(yīng)能力，機(jī)器人運(yùn)行過程的重心和爬樓梯過程中的最大俯仰角對機(jī)器人傾覆的影響等多影響因素考慮，得出機(jī)器人能夠越障的參數(shù)。該文獻(xiàn)成功解決了管道清潔機(jī)器人在管道內(nèi)運(yùn)行過程中的越障問題；文[3]提出了一種中央空調(diào)管道清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)，該機(jī)器人系統(tǒng)采用主控制箱與PC機(jī)連接，從而控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。但受接線約束，機(jī)器人清理范圍存在明顯的局限性，基于這些不足，文[4]提出了一種利用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線遙控的方法，該技術(shù)采用ISM頻段中的2.5G頻率，其衍射能力弱，穿墻能力也弱，并且價(jià)格相對昂貴，抗干擾能力差，如果采用915M、869M信道則容易受射頻干擾；文[5]提出了一種利用紅外線進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)通信的技術(shù)，它的主要優(yōu)點(diǎn)是無需申請頻率的優(yōu)先權(quán)，但不足的是它是一種視距傳輸，兩個(gè)通信設(shè)備之間必須對準(zhǔn)，中間不能被其他物體阻礙，易丟失數(shù)據(jù)且傳輸速率較低；文[6]提出了在機(jī)器人上采用WiFi控制的方法，由機(jī)器人、支持WiFi的無線路由器和PC組成的硬件架構(gòu)充分利用了家庭環(huán)境已經(jīng)存在的PC、無線網(wǎng)絡(luò)等硬件資源。WiFi無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有集成電路簡單、功耗低、成本低廉、實(shí)現(xiàn)容易、對人體危害小，抗信號(hào)衰減能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

本設(shè)計(jì)采用六輪履帶式結(jié)構(gòu)，確保履帶式清潔機(jī)器人在整個(gè)運(yùn)行過程的穩(wěn)定性；在履帶式清潔機(jī)器人上裝上RT530無線WiFi功能模塊。此外，本設(shè)計(jì)采用低功耗的8位單片機(jī)STC12C5A60S2作為主控芯片，降低了整個(gè)系統(tǒng)的功耗，大大提高了本設(shè)計(jì)的實(shí)用性和可靠性。

1 系統(tǒng)基本工作原理

本設(shè)計(jì)的總體框架由智能手機(jī)終端、履帶式清潔機(jī)器人系統(tǒng)終端組成，其中手機(jī)終端由手機(jī)WIFI助手APP和WIFI功能模塊組成，履帶式清潔機(jī)器人系統(tǒng)終端由主控模塊、TB6612FNG直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、ZXVA消防電源監(jiān)控模塊、RT5350無線WIFI模塊等組成。手機(jī)WIFI助手APP通過人為編輯動(dòng)作指令，再由WIFI功能模塊負(fù)責(zé)發(fā)送指令給安裝在履帶式清潔機(jī)器人系統(tǒng)上的RT5350無線WIFI模塊該系統(tǒng)工作原理框圖如圖1所示。

圖1 履帶式管道清潔機(jī)器人系統(tǒng)工作原理框圖

2 主要硬件電路設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 硬件總電路

系統(tǒng)硬件部分由核心控制模塊、TB6612FNG直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、RT5350WIFI模塊、攝像頭監(jiān)控模塊、ZXVA消防電源監(jiān)控模塊等組成，硬件系統(tǒng)總電路圖如圖2所示。其中核心控制模塊由STC12C5A60S2單片機(jī)和外圍電路組成，外圍電路包括晶振電路、復(fù)位電路和電源電路。

圖2 硬件總電路原理圖

2.2 驅(qū)動(dòng)模塊電路

本設(shè)計(jì)采用TB6612FNG直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)M1、M2，TB6612FNG直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路圖如圖2所示。TB6612FNG直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的主要引腳功能：AINl/AIN2、BIN1/BIN2、PWMA/PWMB為控制信號(hào)輸入端;AO1/A02、B01/B02為2路電機(jī)控制輸出端;STBY為正常工作/待機(jī)狀態(tài)控制引腳；VM(4.5～15 V)和VCC(2.7～5.5 V)分別為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓輸入和邏輯電平輸入端。TB6612FNG直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊與單片機(jī)組成電機(jī)控制單元，單片機(jī)的定時(shí)器B能夠產(chǎn)生4路PWM輸出作為AIN1/AIN2和BIN1/BIN2端口的控制信號(hào)，且PWM占空比的大小能夠決定輸出電壓平均值，進(jìn)而決定電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小。該模塊工作時(shí)STBY引腳置為高電平；AIN1和AIN2電壓保持不變，調(diào)整PWM引腳的輸入信號(hào)可進(jìn)行電機(jī)單向速度控制；置PWM引腳為高電平，并調(diào)整AIN1和AIN2的輸入信號(hào)可進(jìn)行電機(jī)雙向速度控制。

2.3 RT5350WIFI模塊電路

本設(shè)計(jì)所使用的RT5350無線WiFi模塊是基于通用串行接口的符合網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口、以太網(wǎng)、無線網(wǎng)（WIFI）3個(gè)接口之間的任意透明轉(zhuǎn)換。該模塊有五種低功耗工作模式：1）AP模式：默認(rèn)的工作模式。在這種模式下，該模塊是一個(gè)無線接入點(diǎn)；2）Router模式：在這種模式下，該模塊是相當(dāng)于一個(gè)無線路由器，有線接口作為廣域網(wǎng)，無線局域網(wǎng)。多個(gè)無線客戶端可以共享一條ADSL線路；3）中繼模式：在這種模式下，使用的繼電器模塊的無線功能，無線信號(hào)的中繼和放大，并形成新的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域，并最終擴(kuò)展無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍的目的；4）Bridge（橋接）模式：在這種模式下，使用設(shè)備的橋接功能，第一的RM04無線網(wǎng)絡(luò)，與前端建立一個(gè)無線連接，然后發(fā)送無線信號(hào)，形成新的無線覆蓋，可以有效的解決信號(hào)弱和盲點(diǎn)和其他無線信號(hào)覆蓋問題；5）Client模式：在這種模式下工作的AP的無線客戶端，相當(dāng)于一個(gè)無線網(wǎng)卡。

WiFi模塊建立連接后，當(dāng)沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，就將其工作模式置為AP模式，當(dāng)主設(shè)備(智能手機(jī)WiFi終端)需要再次傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，需要向從設(shè)備(RT5350無線WIFI模塊)發(fā)送退出命令。從設(shè)備退出AP模式后，即可與主設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳輸交換。如圖3為RT5350無線WIFI模塊電路圖，RT5350無線WIFI模塊的RXD引腳與單片機(jī)串口的TXD引腳相連，RT5350無線WIFI模塊的TXD引腳與單片機(jī)的RXD引腳相連，并設(shè)置了一個(gè)LED指示燈，當(dāng)RT5350無線WIFI模塊上電后，藍(lán)色指示燈閃爍，當(dāng)RT5350無線WIFI模塊與手機(jī)連接成功后，指示燈常亮。

圖3 RT5350無線WiFi模塊電路原理圖

2.4 行走系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

本設(shè)計(jì)在以往清潔器機(jī)器人的基礎(chǔ)上，對其運(yùn)行結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，實(shí)質(zhì)具有一定的地形適應(yīng)能力，提高其工作平穩(wěn)性。圖4是履帶式清潔機(jī)器人行進(jìn)結(jié)構(gòu)示意圖。它由1個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和5個(gè)行進(jìn)輪組成，該結(jié)構(gòu)最大長度24CM，高度7CM，前端與地面形成40度的弧角。在平面上運(yùn)行時(shí)，以驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)行進(jìn)輪前進(jìn)；在遇到障礙時(shí)，可利用自身結(jié)構(gòu)適應(yīng)一定的障礙地形，不會(huì)像其他輪式清潔機(jī)器人在通過障礙物時(shí)發(fā)生側(cè)翻或者停止前進(jìn)。如圖5是履帶式清潔機(jī)器人越障示意圖，對履帶式清潔機(jī)器人系統(tǒng)的順利越過障礙的過程進(jìn)行了圖解。

圖4 行走系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖5 越障示意圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行各個(gè)模塊的初始化設(shè)定，包括端口的初始化配置和寄存器的初始化配置。采用定時(shí)器B輸出兩路頻率固定且占空比可調(diào)的PWM信號(hào)來控制履帶式清潔機(jī)器人行駛的速度，通過配置CCAP0寄存器設(shè)定PWM信號(hào)的頻率為1KHZ，通過配置CCAPM0 、CCAPM1兩個(gè)寄存器來改變兩路PWM信號(hào)的占空比從而改變履帶式清潔機(jī)器人行駛的速度，初始化配置CCAPM0 = 0x42，CCAPM1 = 0x42；對于RT5350WiFi模塊的初始化配置中，首先進(jìn)行模塊的端口配置，進(jìn)而初始化串口配置，設(shè)定波特率的值為9600bps，并允許串口的發(fā)送和接收中斷；初始配置履帶式清潔機(jī)器人為上電靜止?fàn)顟B(tài)，程序運(yùn)行完系統(tǒng)的初始化后，繼而進(jìn)入while主循環(huán)中進(jìn)行各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)處理，如圖6所示為履帶式清潔機(jī)器人控制系統(tǒng)主流程圖。

圖6 系統(tǒng)主程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

履帶式管道清潔機(jī)器人控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖7所示。履帶式管道清潔機(jī)器人的頂部為一塊STC12C5A60S2單片機(jī)最小系統(tǒng)板，由它控制整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在核心板的周圍分布有ZXVA消防電源監(jiān)控模塊、TB6612FNG直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、RT5350無線WiFi模塊等。RT5350無線WiFi模塊能否實(shí)現(xiàn)無線遙控機(jī)器人系統(tǒng)完成前進(jìn)、后退、加速、減速、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、啟動(dòng)/停止清潔電機(jī)、實(shí)時(shí)監(jiān)控拍攝；系統(tǒng)能否順利跨越障礙等功能。

圖7 履帶式清潔機(jī)器人控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)圖

4.1 路徑測試

首先在智能手機(jī)上安裝智能WiFi控軟件，提示安裝成功后，打開該軟件，將模塊的TXD端連接單片機(jī)的串口接收引腳，RXD端連接單片機(jī)的串口發(fā)送引腳，此時(shí)給安裝在履帶式清潔機(jī)器人上的RT5350無線WiFi模塊上電，這時(shí)模塊進(jìn)入AT命令響應(yīng)狀態(tài)，藍(lán)燈閃爍，程序中完成了對RT5350無線WiFi模塊的初始化配置后，打開手機(jī)WiFi功能自動(dòng)搜索周圍的WiFi信號(hào)并進(jìn)行連接，若手機(jī)連接到RT5350無線WiFi模塊后，及時(shí)打開智能WiFi控軟件，如圖8所示，軟件開始界面會(huì)提示輸入RT5350無線WiFi模塊IP地址及本設(shè)計(jì)所用到的RT5350無線WiFi模塊的匹配密碼，如圖9所示，輸入密碼配對成功后，界面即提示與手機(jī)連接成功，進(jìn)入控制界面。

圖8 WiFi模塊IP地址圖

圖9 手機(jī)WiFi助手界面

圖10所示為WiFi遙控機(jī)器人前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎測試圖。程序中設(shè)定機(jī)器人初始狀態(tài)停止，當(dāng)RT5350無線WiFi模塊與手機(jī)連接成功后，按界面的向上按鈕，智能手機(jī)的RT5350無線WiFi模塊模塊將會(huì)發(fā)送特定的指令給機(jī)器人終端，機(jī)器人終端再對該指令進(jìn)行判斷和處理，進(jìn)而使機(jī)器人向前行駛；與此類似，當(dāng)按界面的向下、向左和向右按鈕時(shí)，機(jī)器人將分別進(jìn)行后退、左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎行駛。由圖10可知，該清潔機(jī)器人具有前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)等路徑行走功能。

圖10手機(jī)WiFi遙控機(jī)器人路徑測試圖

4.2 清潔效果測試

履帶式清潔機(jī)器人采用與管道相適應(yīng)的清潔刷，通過驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)帶動(dòng)清潔刷，從而對管道進(jìn)行清潔。如圖11所示為模擬履帶式清潔機(jī)器人在管道內(nèi)部工作圖。表1記錄了履帶式清潔機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行管道清潔作業(yè)的次數(shù)對清潔效果的影響。

a)機(jī)器人到達(dá)管道清潔位置 b）機(jī)器人進(jìn)行清潔

圖11模擬履帶式清潔機(jī)器人在管道內(nèi)部工作圖

表1 清潔效果示意表

5 結(jié)論

本文提出了一種履帶式管道清潔機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用低功耗的STC12C5A60S2單片機(jī)作為系統(tǒng)控制芯片以及全雙工通信的RT5350無線WiFi模塊作為無線模塊，該控制芯片能快速有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，該無線模塊有效解決了管道內(nèi)信號(hào)傳輸困難的問題。通過對該履帶式清潔機(jī)器人系統(tǒng)的功能測試表明：該管道清潔機(jī)器人具備攜帶攝像機(jī)監(jiān)控管道環(huán)境、機(jī)械手臂對管道進(jìn)行除塵，實(shí)時(shí)通訊等功能，能有效解決部分通風(fēng)管道的復(fù)雜環(huán)境清潔問題。

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Design of the Control System in Pipeline-Cleaning Robots with Tracks

(Hunan City University , Yiyang Hunan 413002)

The internal structure of MCU having integrated 2-way PWM with 8-way and 10-bit high-speed A/D conversion generates the PWM wave, which completes A/D conversion and makes the peripheral circuit simpler. By using TB6612FNG dc motor driving module and RT5350 wireless WiFi module that forms the closed-loop feedback mode to control motor and transmit information, the system’s working efficiency is enhanced.

Robot; tracks; MCU ; Wireless module

（責(zé)任編輯：廖建勇）

TG580.23+5

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2016.06.035

1672–7304(2016)06–0079–04

湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：湘教通〔2014〕248號(hào)430）。

彭興（1992-），男，湖南湘陰人，研究方向：智能電子系統(tǒng)。