鄭亞?wèn)| 劉朝華 金哲成 王明科 胡立強(qiáng)

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 機(jī)器人及智能裝備研究院，天津 300222）

目前，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，液化石油氣（Liquefied Petroleum Gas，LPG）已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。大多數(shù)的LPG儲(chǔ)存球罐采用混合式排板焊接而成。LPG球罐在使用一段時(shí)間后，常在焊縫處出現(xiàn)H2S應(yīng)力腐蝕開裂的問(wèn)題，有可能造成液化石油氣泄漏、燃燒以及爆炸等安全問(wèn)題[1-3]。因此，LPG球罐焊縫檢測(cè)對(duì)安全生產(chǎn)至關(guān)重要。當(dāng)前，常用的球罐焊縫檢測(cè)方法仍是檢測(cè)人員手握超聲檢測(cè)設(shè)備沿著支架進(jìn)行逐層檢測(cè)，導(dǎo)致檢測(cè)人員長(zhǎng)時(shí)間暴露在危險(xiǎn)的環(huán)境中，直接影響檢測(cè)人員的身體健康。LPG球罐的體型巨大，存在人工檢測(cè)不便、勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全性差以及檢測(cè)效率低下等問(wèn)題[4]。近年來(lái)，機(jī)器人代替人完成簡(jiǎn)單重復(fù)、高危險(xiǎn)性、高強(qiáng)度的勞動(dòng)逐漸成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)[5-6]。針對(duì)上述LPG球罐檢測(cè)存在的問(wèn)題，本文開發(fā)了一種遠(yuǎn)程控制的檢測(cè)機(jī)器人。通過(guò)遠(yuǎn)程操控機(jī)器人進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，既可以保證工人的勞動(dòng)安全，也可以提高檢測(cè)效率。

LPG罐體為鐵磁材料，因此可采用磁吸附爬壁機(jī)器人攜帶探傷設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)作業(yè)。目前，很多學(xué)者對(duì)磁吸附爬壁機(jī)器人進(jìn)行了研究。安會(huì)朋[7]等設(shè)計(jì)了一種永磁吸附三輪步進(jìn)結(jié)合的機(jī)器人，其以AT89C51控制器為核心的控制模塊采取紅外通信進(jìn)行遙控。但是，由于紅外線本身的限制，紅外線遙控?zé)o法穿過(guò)障礙物進(jìn)行遙控或者以很大的角度遙控設(shè)備，導(dǎo)致其抗干擾能力不佳。何宏[8]等研制了一種永磁吸附爬壁機(jī)器人，其中主控制器采用S3C2440芯片，采取ZigBee技術(shù)來(lái)遠(yuǎn)程控制爬壁機(jī)器人。ZigBee的傳輸速度只有100 kb·s-1左右，且信號(hào)傳輸質(zhì)量較差。滕昊[9]研制了一種磁吸附爬壁機(jī)器人，其中主控制器采用STM32F103芯片，無(wú)線通信模塊選用CC1101芯片，但存在長(zhǎng)時(shí)間接收會(huì)死機(jī)、弱信號(hào)飽和以及控制方式復(fù)雜等問(wèn)題。

本文提出一種基于WiFi通信方式的履帶式磁吸附爬壁機(jī)器人控制方案，對(duì)爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)爬壁機(jī)器人的轉(zhuǎn)向、定速和定距的遠(yuǎn)程控制。

1 爬壁機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，主要包括機(jī)載控制系統(tǒng)和上位機(jī)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

機(jī)載控制系統(tǒng)以STM32F103為主控芯片，主要包括電源模塊、WiFi模塊以及電調(diào)模塊等。主控芯片主要用來(lái)控制爬壁機(jī)器人與計(jì)算機(jī)和WiFi模塊的通信，輸出PWM方波控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)。電調(diào)模塊用來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。WiFi模塊將TTL電平轉(zhuǎn)為符合WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)的形式[10-11]。下位機(jī)程序設(shè)計(jì)采用KeilVision5平臺(tái)，為各個(gè)硬件電路模塊編寫程序，主要有WiFi驅(qū)動(dòng)程序、串口驅(qū)動(dòng)程序以及PWM控制的電調(diào)程序。

圖1 控制系統(tǒng)總體框圖

基于MFC框架設(shè)計(jì)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，將客戶端與機(jī)載控制系統(tǒng)服務(wù)器連接[12]。爬壁機(jī)器人啟動(dòng)后，機(jī)載控制系統(tǒng)處于監(jiān)聽等待狀態(tài)。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)WiFi模塊與其建立連接后將控制命令發(fā)給機(jī)載控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向、定速和定距的遠(yuǎn)程控制。

2 爬壁機(jī)器人機(jī)載系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

STM32F103具有5個(gè)USART接口，可以靈活與外部設(shè)備進(jìn)行全雙工數(shù)據(jù)交換。本系統(tǒng)使用搭載在APB1總線上的USART3串口。通過(guò)MAX3485芯片將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS485電平，并用RS485串口與單片機(jī)進(jìn)行通信。串口驅(qū)動(dòng)電路原理如圖2所示。

ESP8266-12F WiFi模塊采用3.3 V電壓輸入，VCC接3.3 V供電，GND接地，GPIO0和GPIO2接10 kΩ上拉電阻，默認(rèn)設(shè)置為工作模式。TXD串口發(fā)送引腳接單片機(jī)USART3的接收引腳PB11。RXD串口接收引腳接單片機(jī)USART3的發(fā)送引腳PB10。RST復(fù)位引腳默認(rèn)接1 kΩ上拉電阻，低電平時(shí)有效。WiFi模塊電路如圖3所示。

爬壁機(jī)器人使用12 V直流減速電機(jī)，采用兩個(gè)有刷電調(diào)驅(qū)動(dòng)。將信號(hào)線和地線連接到單片機(jī)上，兩個(gè)電調(diào)的信號(hào)線接到單片機(jī)的引腳PB6和PB7上，最終單片機(jī)輸出PWM信號(hào)對(duì)兩個(gè)電調(diào)進(jìn)行控制。電調(diào)會(huì)根據(jù)接收的信號(hào)發(fā)出相應(yīng)的提示音，當(dāng)信號(hào)接收成功后，可根據(jù)后續(xù)接收到的信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)信號(hào)的變化控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，可形成兩個(gè)電機(jī)之間的差速，完成對(duì)方向的控制。電調(diào)控制模塊原理如圖4所示。

圖2 串口驅(qū)動(dòng)電路圖

圖3 WiFi模塊電路圖

圖4 電調(diào)控制電路圖

3 爬壁機(jī)器人機(jī)載系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 串口通信程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)與WiFi模塊之間采用串口中斷的方式進(jìn)行通信。在中斷服務(wù)函數(shù)中，通過(guò)一個(gè)數(shù)組ARRAY_RX[]、一個(gè)16位的全局變量USART3_RX_STA和一個(gè)基本定時(shí)器來(lái)管理串口數(shù)據(jù)。

當(dāng)接收到WiFi模塊發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)時(shí)，先把數(shù)據(jù)保存到ARRAY_RX[]中，同時(shí)USART3_RX_STA中記錄接收到的有效數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，之后使能一個(gè)定時(shí)器6。若100 ms后沒有新數(shù)據(jù)傳入，則觸發(fā)定時(shí)器更新中斷，將USART3_RX_STA的第15位標(biāo)記，而后數(shù)據(jù)接收結(jié)束，等待其他程序?qū)⒃撐磺宄?。此外，?dāng)數(shù)據(jù)過(guò)大超出ARRAY_RX[]的大小時(shí)，強(qiáng)制接收結(jié)束。

3.2 基于PWM的電調(diào)程序設(shè)計(jì)

對(duì)定時(shí)器和電調(diào)進(jìn)行初始化，根據(jù)電調(diào)的驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)，將定時(shí)器時(shí)鐘初始化為50 Hz，并調(diào)節(jié)占空比，依次給電調(diào)一個(gè)高油門信號(hào)和低油門信號(hào)，完成初始化電調(diào)。上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)給單片機(jī)，單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)并將讀取到的數(shù)據(jù)賦值給ARR自動(dòng)重裝載寄存器，后與CCR捕獲寄存器值進(jìn)行比較發(fā)送PWM方波。

電調(diào)出廠時(shí)對(duì)電機(jī)做保護(hù)，使電調(diào)可接收的PWM信號(hào)范圍為40%～100%。當(dāng)占空比為73%時(shí)，電調(diào)處于中心點(diǎn)學(xué)習(xí)位置，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速為零，實(shí)驗(yàn)室測(cè)得占空比與行進(jìn)速度的關(guān)系分別如表1和表2所示。

表1 占空比與前進(jìn)速度對(duì)應(yīng)表

表2 占空比與后退速度對(duì)應(yīng)表

利用MATLAB數(shù)值分析軟件對(duì)爬壁機(jī)器人速度和占空比做二次擬合，得到占空比與行進(jìn)速度關(guān)系曲線圖，如圖5和圖6所示。由此計(jì)算占空比與行進(jìn)速度的函數(shù)關(guān)系式，可得：式中：yF表示前進(jìn)速度與占空比的函數(shù)關(guān)系式；yB表示后退速度與占空比的函數(shù)關(guān)系式；x為爬壁機(jī)器人行進(jìn)速度；yF和yB為單片機(jī)輸出PWM的占空比。

圖5 爬壁機(jī)器人前進(jìn)速度與占空比關(guān)系曲線圖

圖6 爬壁機(jī)器人后退速度與占空比關(guān)系曲線圖

4 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)使用Visual Studio平臺(tái)下的MFC框架開發(fā)。MFC是面向?qū)ο蟮暮瘮?shù)庫(kù)，可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)者操作步驟，直接利用現(xiàn)有的函數(shù)庫(kù)設(shè)計(jì)出窗口化的應(yīng)用程序。

爬壁機(jī)器人的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖7所示。輸入服務(wù)器IP地址和端口地址后，點(diǎn)擊連接按鈕，顯示連接服務(wù)器成功。在“定速”“定距”框中輸入數(shù)據(jù)，按下“確定行程”按鈕后，計(jì)算機(jī)將編輯框中的速度值按式（1）和式（2）進(jìn)行計(jì)算轉(zhuǎn)化，并以特定格式發(fā)送給單片機(jī)。單片機(jī)根據(jù)接收到的比較值設(shè)定占空比，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。在上位機(jī)按下“前進(jìn)”“后退”“左轉(zhuǎn)”“右轉(zhuǎn)”“停止”按鈕，可以實(shí)時(shí)控制爬壁機(jī)器人的各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

圖7 上位機(jī)監(jiān)控界面圖

5 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)上電后，各模塊電源指示燈亮起，說(shuō)明系統(tǒng)供電正常。上位機(jī)的監(jiān)控界面輸入設(shè)定的速度和距離后，通過(guò)無(wú)線路由器將控制命令發(fā)送給單片機(jī)，隨后爬壁機(jī)器人按照上位機(jī)界面設(shè)定的速度和距離上、下、左、右進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。爬壁機(jī)器人實(shí)測(cè)圖片如圖8所示。

1 000 m3球罐圓心處直徑26.50 m，總高（含支腿）37.84 m，球罐頂點(diǎn)到上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的距離40 m，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)環(huán)境空曠。在空曠地帶爬壁機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制范圍可達(dá)100 m，在較多障礙物遮擋時(shí)，機(jī)器人遠(yuǎn)程控制范圍可達(dá)60 m，滿足檢測(cè)需求。遠(yuǎn)程測(cè)試如圖9所示。

圖8 爬壁機(jī)器人實(shí)測(cè)圖

圖9 爬壁機(jī)器人遠(yuǎn)程實(shí)測(cè)圖

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)LPG球罐檢測(cè)爬壁機(jī)器人遠(yuǎn)程控制的需求，研制了一種基于WiFi的無(wú)線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)爬壁機(jī)器人的無(wú)線遠(yuǎn)程遙控，滿足了對(duì)LPG球罐爬壁檢測(cè)的需求。通過(guò)遠(yuǎn)程操控機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，檢測(cè)人員可以實(shí)時(shí)控制爬壁機(jī)器人的速度與方向，既保證了工人的勞動(dòng)安全，也極大地提高了檢測(cè)效率。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行和重復(fù)實(shí)驗(yàn)，該遠(yuǎn)程控制方法能滿足實(shí)際的要求，但系統(tǒng)仍有缺陷，如機(jī)器人轉(zhuǎn)向的靈活性較差，因此后續(xù)可以對(duì)此加以優(yōu)化。