張鵬

（中海油東方石化有限責(zé)任公司 海南省東方市 572600）

近年來，因油氣管道泄露產(chǎn)生的安全事故頻發(fā)，嚴(yán)重影響了人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。造成泄露的主要原因在于傳統(tǒng)油氣管道出現(xiàn)焊縫缺陷問題，而人工檢測手段很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題所在，導(dǎo)致無法及時(shí)做好預(yù)防工作。基于此，油氣公司開始積極引入機(jī)器人技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了管道的有效巡檢，據(jù)相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)前我國利用機(jī)器人完成管道缺陷檢測的案例較少，主要檢測方式仍然停留在人工檢測方式上，但是，傳統(tǒng)超聲波檢測需要人工手持超聲波探傷儀進(jìn)行檢測，且需要始終保持平穩(wěn)的速度，長期從事此項(xiàng)工作的人員容易產(chǎn)生疲勞感，不僅無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)焊縫缺陷，且會(huì)出現(xiàn)誤判情況，造成安全事故。由此，急需引入先進(jìn)的測控技術(shù)，準(zhǔn)確檢測出焊縫缺陷，為油氣管道的正常運(yùn)輸保駕護(hù)航。

1 智能巡檢機(jī)器人測控平臺(tái)設(shè)計(jì)要求及方案

1.1 設(shè)計(jì)要求

為了有效做好管道焊縫缺陷的檢測工作，可以選擇使用智能巡檢機(jī)器人測控平臺(tái)進(jìn)行檢測，智能巡檢機(jī)器人在檢測缺陷數(shù)據(jù)后，能夠直接輸入到人機(jī)界面中，操作人員通過檢測的數(shù)據(jù)，便能夠?qū)θ毕輪栴}以及產(chǎn)生的原因進(jìn)行判斷，進(jìn)而采取有效的解決辦法。基于此，在實(shí)踐工作中，智能巡檢機(jī)器人測控平臺(tái)在設(shè)計(jì)過程中，要始終保持現(xiàn)代工業(yè)檢測標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)堅(jiān)持以下幾點(diǎn)原則：

（1）實(shí)時(shí)性。在設(shè)計(jì)智能巡檢機(jī)器人測控平臺(tái)時(shí)，需要檢測好現(xiàn)場探傷問題，并將相關(guān)數(shù)據(jù)輸入到人機(jī)界面中，通過智能手機(jī)APP 實(shí)時(shí)控制機(jī)器人的操作。這就要求硬件系統(tǒng)的主控制器能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行快速高效的處理，并針對(duì)傳感器接收到的信號(hào)及時(shí)回應(yīng)。

（2）適應(yīng)性。智能巡檢機(jī)器人測控平臺(tái)在對(duì)機(jī)器人進(jìn)行檢測過程中，會(huì)遇到較為復(fù)雜的工況，為了確保機(jī)器人可以不受影響，順利工作，需要重點(diǎn)檢測好高空焊縫缺陷問題。

（3）可擴(kuò)展性，設(shè)計(jì)智能巡檢機(jī)器人測控平臺(tái)時(shí)，需要重點(diǎn)考慮在后期研發(fā)過程中，還需要增加平臺(tái)的其他性能，由此，在設(shè)計(jì)過程中，需要保證平臺(tái)的可擴(kuò)展性特點(diǎn)。

（4）通信傳輸功能。機(jī)器人在設(shè)計(jì)過程中，要求能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)交互，數(shù)據(jù)通訊，此時(shí)，可以設(shè)計(jì)無線藍(lán)牙通信模式，從而實(shí)現(xiàn)與手機(jī)之間的數(shù)據(jù)交流，手機(jī)也能夠?qū)C(jī)器人實(shí)現(xiàn)無線控制。

1.2 設(shè)計(jì)方案

為了更好的實(shí)現(xiàn)管道焊縫缺陷的智能檢測，企業(yè)積極引入了智能巡檢機(jī)器人測控平臺(tái)，其主要分為三個(gè)部分：

（1）機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)過程中，需要重點(diǎn)注意設(shè)計(jì)機(jī)器人管道爬壁功能、焊縫缺陷探傷功能、焊縫循跡功能以及缺陷掃查的功能。機(jī)器人可以借助車輪的吸附結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在管道壁位置的輕松移動(dòng)，同時(shí)利用循跡模塊也能夠?qū)崿F(xiàn)沿壁爬行功能。此時(shí)，機(jī)械臂能夠完全取代人工操作，不再需要人工攜帶超聲儀器進(jìn)行檢測。

（2）在設(shè)計(jì)人機(jī)界面時(shí)，需要其能夠存儲(chǔ)并顯示超聲檢測的所有數(shù)據(jù)，供工作人員查看。操作人員能夠借助人機(jī)界面查看波形數(shù)據(jù)，對(duì)焊縫缺陷問題進(jìn)行判定。同時(shí)，也能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)回訪，為操作人員對(duì)數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析奠定良好的基礎(chǔ)。

（3）設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，需要同時(shí)開發(fā)手機(jī)端APP軟件，實(shí)現(xiàn)智能控制機(jī)器人。二者之間可以通過無線通信技術(shù)進(jìn)行信息的交互，機(jī)器人執(zhí)行檢測任務(wù)過程中，操作人員便能夠通過手機(jī)移動(dòng)APP 下達(dá)指令，控制機(jī)器人的機(jī)械臂以及前進(jìn)方向，完成全方位的檢測任務(wù)。

1.3 智能巡檢機(jī)器人硬件平臺(tái)方案選擇

為確保智能檢測任務(wù)順利完成，還需要積極建立智能巡檢機(jī)器人硬件平臺(tái)，輔助完成檢測任務(wù)。此硬件平臺(tái)在設(shè)計(jì)上，由主控制器、藍(lán)牙無線通信以及吸附方式、行走機(jī)構(gòu)組成，在設(shè)計(jì)上，要求對(duì)以上結(jié)構(gòu)做好選型，從而確保智能巡檢機(jī)器人能夠符合設(shè)計(jì)要求，完成巡檢任務(wù)。

1.3.1 主控制器選擇分析

根據(jù)以往研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人控制平臺(tái)中，主控制器的主控核心多為STC89Cxx 或者STM32、Samsung 系列的芯片，通過對(duì)三種芯片的資源進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，STM32 F103C8T6 微處理器在應(yīng)用上更為有效，對(duì)比芯片內(nèi)核發(fā)現(xiàn)，STM32F103C8T6 的內(nèi)核更具優(yōu)勢，其主要使用Cortex-M3作為內(nèi)核，達(dá)到了最低的功耗。同時(shí)，該處理器的存儲(chǔ)空間相對(duì)較大，也能夠利用Flash 實(shí)現(xiàn)多次擦除讀寫。最后，該處理器具有7 個(gè)定時(shí)器資源，具有較好的兼容性，能夠最大化滿足智能巡檢機(jī)器人工作的要求。

1.3.2 選擇行走機(jī)構(gòu)

智能巡檢機(jī)器人在選擇行走機(jī)構(gòu)時(shí)，要求能夠靈活移動(dòng)，且具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，以下三種行走機(jī)構(gòu)在應(yīng)用上具有一定優(yōu)勢。

（1）履帶式。履帶式即要求機(jī)器人借助鏈條連接好車輪，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，讓車輪前進(jìn)，進(jìn)而帶動(dòng)履帶。履帶式機(jī)構(gòu)具有速度快，能夠輕松跨越障礙的優(yōu)勢，同時(shí)，如果將其與磁鐵吸附方式有效結(jié)合起來，則機(jī)器人的吸附力會(huì)更強(qiáng)。履帶式結(jié)構(gòu)的機(jī)器人在設(shè)計(jì)上更為復(fù)雜，且轉(zhuǎn)向不夠靈活，也會(huì)出現(xiàn)打滑情況，在應(yīng)用時(shí)還需要慎重選擇。

（2）多足步行式。在設(shè)計(jì)多足步行式爬壁機(jī)器人時(shí)，為了能夠讓機(jī)器人自由移動(dòng)，需要設(shè)計(jì)多個(gè)吸盤以及長腿，借助其交替移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)步行。此設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)在于能夠靈活的運(yùn)動(dòng)，且輕松跨越障礙，適合用于工業(yè)環(huán)境較為復(fù)雜的區(qū)域。但是，多個(gè)吸盤以及長腿也會(huì)加重機(jī)器人的重量，導(dǎo)致機(jī)器人的移動(dòng)速度以及轉(zhuǎn)向速度緩慢，不僅增加了設(shè)計(jì)的成本，且在爬壁時(shí)的穩(wěn)定性也較差，不適用于爬壁作業(yè)。

（3）四輪式。相比于以上兩種機(jī)器人，四輪式機(jī)器人在設(shè)計(jì)上較為簡單，其主要借助電機(jī)的力量驅(qū)使車輪移動(dòng)，其能夠輕松控制移動(dòng)的方向，成本相對(duì)較低，且具有一定的可靠性，可在多種工業(yè)作業(yè)中應(yīng)用。

1.3.3 選擇吸附方式

機(jī)器人在作業(yè)時(shí)，需要吸附到管道壁面，但是，在吸附時(shí)，也會(huì)因自身攜帶的負(fù)載導(dǎo)致其從管道壁脫落，從而摔壞影響正常工作。為了有效避免此類問題出現(xiàn)，要求在機(jī)器人設(shè)計(jì)過程中，選擇正確的吸附方式，從而保證機(jī)器人能夠順利完成檢測的過程。機(jī)器人吸附方式主要包括磁鐵、化學(xué)、膠、靜電、機(jī)械等方式，其中，磁鐵吸附更容易掌控，且能夠負(fù)載更多，無需消耗過多的能量，但是，其因體積較大，無法脫離導(dǎo)磁面自由行走。而靜電吸附方式具有安全性高且工作效率高的優(yōu)勢，但是其只適合在光滑鋼制壁面內(nèi)行走，操控困難。化學(xué)吸附方式以及膠吸附方式都具有高效性，且操作簡便，但是化學(xué)吸附對(duì)材料的要求較高，需要定期更換，而膠吸附要求對(duì)壁面清潔度的要求較高，且適應(yīng)能力較差。機(jī)械吸附方式具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，其對(duì)管道壁面的要求不高，但是其吸附能力不強(qiáng)，爬壁效果差，無法攜帶重物。在工業(yè)油氣管道中，鋼板是主要焊接材料，對(duì)比以上吸附方式發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人在爬壁行走時(shí)，選擇磁鐵吸附方式更為適用。

1.3.4 選擇機(jī)器人控制方式

機(jī)器人在工作中，還需要進(jìn)行人工控制，保證其能夠準(zhǔn)確無誤的完成巡檢工作。其中無線控制以及有線控制是較為常見的方式，無線控制技術(shù)具有靈活方便的優(yōu)勢，且可擴(kuò)展性較強(qiáng)，但是信號(hào)在傳輸過程中容易受到干擾，且范圍有限。而有線控制雖然能夠傳輸更遠(yuǎn)的距離，且不容易受到干擾，但是其線路較為繁瑣，容易損壞，局限性較大。通過對(duì)機(jī)器人工作環(huán)境的分析，發(fā)現(xiàn)無線控制更適合在工廠內(nèi)使用。

在實(shí)際應(yīng)用中，借助移動(dòng)APP變能夠?qū)C(jī)器人進(jìn)行操控，且APP 可安裝在安卓系統(tǒng)的手機(jī)上，具有靈活、多變的優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)二次開發(fā)。在APP 界面中，使用者可以對(duì)APP 功能進(jìn)行布局，安裝自己想要的功能，從而更好的控制機(jī)器人的移動(dòng)以及動(dòng)作。

1.3.5 選擇無線通信技術(shù)

近年來，我國科學(xué)技術(shù)水平在不斷發(fā)展進(jìn)步，無線通信技術(shù)也得到了不斷革新，當(dāng)前市場上無線通信技術(shù)主要包括ZigBee、藍(lán)牙、Wi-Fi 以及紅外技術(shù)。其中紅外技術(shù)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，且電力消耗較少，但是其接受信號(hào)的距離<7 米，無法進(jìn)行多方位的傳輸。而HC-D5 藍(lán)牙技術(shù)也具有功耗低的優(yōu)勢，其能夠快速傳輸信息，能夠?qū)崿F(xiàn)雙向通信，但是，信號(hào)傳輸?shù)木嚯x相對(duì)較短，這也是其存在的主要缺點(diǎn)。Wi-Fi 無線通信技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)長距離的信號(hào)傳輸，但是在使用時(shí)，還需要額外安裝路由器才能夠使用，且與其他無線通信技術(shù)相比，價(jià)格相對(duì)較高。ZigBee 技術(shù)具有一定可靠性、安全性，同時(shí)功耗較低，在應(yīng)用上有一定優(yōu)勢，但是在使用時(shí)也需要耗費(fèi)較高的成本，信號(hào)穿透力較弱，且穩(wěn)定性差。

通過對(duì)以上無線通信技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，HC-D5 藍(lán)牙技術(shù)的優(yōu)勢相對(duì)突出，適合應(yīng)用在智能巡檢機(jī)器人的操控上。

1.4 選擇智能巡檢機(jī)器人軟件平臺(tái)

智能巡檢機(jī)器人測控平臺(tái)在包括硬件結(jié)構(gòu)外，還包括系統(tǒng)軟件，例如移動(dòng)APP、單片機(jī)程度以及人機(jī)界面三種開發(fā)軟件。

1.4.1 開發(fā)單片機(jī)程序

在單片機(jī)程序開發(fā)中，適合使用C 語言編程，從而對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)、調(diào)試。C 語言程序編寫后不能直接存放于單片機(jī)內(nèi)，還需要借助編譯C 語言軟件，轉(zhuǎn)換成微控制單元可執(zhí)行二進(jìn)制代碼才能夠正常使用。在編寫時(shí)，需要建立內(nèi)核頭、HAL 庫、外設(shè)、啟動(dòng)等多個(gè)子文件，編寫完畢后，還需要進(jìn)行調(diào)試、修改。確認(rèn)無誤后，就可以生成HEX 文件，借助USB 數(shù)據(jù)線連接機(jī)器人，從而將HEX 文件下載存儲(chǔ)到單片機(jī)中使用。

1.4.2 移動(dòng)APP Eclipse 以及Android Studio 軟件是移動(dòng)APP 主要開發(fā)軟件，二者在功能上存在很大的不同，其中Eclipse 軟件的功能較多，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)頁開發(fā)以及制作電腦游戲，雖然如此，其APP 界面與真機(jī)效果還是存在很大差異，且運(yùn)行速度也較為緩慢。當(dāng)刪除文件后，編輯的記錄也會(huì)隨之清空，用戶體驗(yàn)較差。而Android Studio 軟件雖然目前只針對(duì)安卓系統(tǒng)開發(fā)，但是與Eclipse 開發(fā)工具相比，其功能上做出了很大的改進(jìn)。首先，界面較為清晰，能夠快速修改，也能夠保留用戶修改的痕跡以及記錄，具有撤銷功能。二者對(duì)比發(fā)現(xiàn)，Android Studio 軟件更適用于移動(dòng)APP 研發(fā)，其不僅構(gòu)建效率較高，且系統(tǒng)具有較高的兼容性，價(jià)值A(chǔ)VD 模擬器的應(yīng)用，能夠模擬手機(jī)完成調(diào)試。

借助Android Studio 軟件開發(fā)的手機(jī)APP 軟件，通過藍(lán)牙與機(jī)器人連接，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械臂掃查功能，同時(shí)控制機(jī)器人的前進(jìn)、后退以及停止這些基本動(dòng)作。

1.4.3 開發(fā)人機(jī)界面

在開發(fā)人機(jī)界面時(shí)，一般會(huì)使用到C 語言開發(fā)以及LabVIEW 軟件開發(fā)，C 語言在應(yīng)用上，要求編程人員具有較高的技術(shù)水平，需要完成復(fù)雜的編程，由此，對(duì)比之下，應(yīng)用LabVIEW 軟件更為方便、快捷。LabVIEW 軟件主要借助圖形化編程對(duì)軟件進(jìn)行開發(fā)，完成數(shù)據(jù)采集以及串口通信的任務(wù)。如果實(shí)驗(yàn)條件不足以完成軟件開發(fā)，則可以選擇在LabVIEW 軟件中調(diào)取軟件，完成實(shí)驗(yàn)仿真任務(wù)。此外，LabVIEW 軟件不僅語言簡單，且能夠最大化簡化開發(fā)的流程，編程也較為簡單，由此，應(yīng)用較多。

2 智能巡檢機(jī)器人測控平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電路設(shè)計(jì)

智能巡檢機(jī)器人測控平臺(tái)在設(shè)計(jì)過程中，要求具備循跡以及爬壁功能，由此，在電路設(shè)計(jì)上，要求能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)傳輸功能、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路功能以及信號(hào)采集電路功能等，在設(shè)計(jì)上，要求按照以下模塊完成，見圖1。

圖1：硬件平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

2.2 電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

STM32 單片機(jī)I/O 口中，因其引腳電壓電流均低于正常值，無法帶動(dòng)12V 直流電機(jī)的運(yùn)行，由此，在設(shè)計(jì)過程中，要求選擇最為合適的驅(qū)動(dòng)模塊，例如L293D 以及L298N，L293D 適合4.5-36V 供電范圍，而L298N 適用于5-35V 供電范圍內(nèi)，同時(shí)，前者的輸出電壓范圍更廣，輸出電流功率更強(qiáng)，由此，L298N 驅(qū)動(dòng)模塊更適合應(yīng)用在此次設(shè)計(jì)中。此外，L298N 模塊也能夠作為大功率設(shè)備驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用，不僅操作上較為簡單便捷，同時(shí)也能夠接受單片機(jī)的控制。

2.2.2 主控制器設(shè)計(jì)

智能巡檢機(jī)器人測控平臺(tái)主控制器芯片應(yīng)用STM32 F103C8T6，同時(shí)與8M 外部晶振連接好，STM32F103C8T6芯片具有低耗、低壓等優(yōu)勢，同時(shí)擁有48 個(gè)引腳，有效實(shí)現(xiàn)了功能擴(kuò)展。智能巡檢機(jī)器人測控平臺(tái)可達(dá)到72MHz 的工作頻率，能夠?qū)崿F(xiàn)快速數(shù)據(jù)處理功能。將此芯片用于智能巡檢機(jī)器人測控平臺(tái)中，能夠?qū)崿F(xiàn)焊縫循跡功能，同時(shí)能夠與手機(jī)移動(dòng)APP 建立連接，實(shí)現(xiàn)通信功能。

2.2.3 電路系統(tǒng)

為保證機(jī)器人能夠順利完成任務(wù)，需要有電源電路作為基礎(chǔ)，硬件電路設(shè)計(jì)上，需要使用不同的模塊，每個(gè)模塊的電壓電流都會(huì)有所不同，由此，做好電源電路的設(shè)計(jì)工作很有必要。硬件設(shè)計(jì)上，要求STM32 芯片達(dá)到3.3V 的電壓，機(jī)械臂達(dá)到5V 電壓，電流達(dá)到0.2A，當(dāng)電源供電需求發(fā)生變化時(shí)，需要更換電壓以及芯片，確保系統(tǒng)能夠順利運(yùn)行。

2.2.4 USB 轉(zhuǎn)串口電路設(shè)計(jì)

當(dāng)前許多筆記本電腦上未設(shè)計(jì)RS-232 通信串口，為了能夠與其他設(shè)備相連接，需要在設(shè)計(jì)單片機(jī)電路時(shí)，應(yīng)用CH340芯片，完成計(jì)算機(jī)USB端口向串口的電路轉(zhuǎn)換工作。

2.2.5 藍(lán)牙模塊電路設(shè)計(jì)

為完成移動(dòng)APP 與單片機(jī)之間的通信，需要在智能巡檢機(jī)器人測控平臺(tái)中涉及藍(lán)牙模塊。本設(shè)計(jì)中的藍(lán)牙模塊為HC-05，電壓在3.3-6V 之間，4800-1382400 波特率，ISM 頻段保持在2.4GHz。在實(shí)際應(yīng)用中，用戶可以根據(jù)自己的不同需求設(shè)置不同的工作模式，HC-05 藍(lán)牙串課通訊模塊可以設(shè)計(jì)為自動(dòng)連接或者命令響應(yīng)的模式，當(dāng)處于命令響應(yīng)模式時(shí)，操作者可以直接發(fā)送AT 指令到模塊中，實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定。藍(lán)牙模式中分別設(shè)有VCC、TX、GND 以及RX 四個(gè)引腳，主控制器RX 能夠與TX 連接，而主控制器TX 能夠與RX連接起來，VCC 與5V 電源連接起來，GND 接地連接。

為確保HC-05 藍(lán)牙模塊能夠有效連接移動(dòng)APP，在連接正確電路后，還需要設(shè)置好單片機(jī)串口，確保單片機(jī)程序能夠順利編寫。同時(shí)，安卓手機(jī)APP 上，需要打開藍(lán)牙功能，并匹配到MAC 地址。最后，將手機(jī)與HC-05 連接起來，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊功能。連接成功后，LED 指示燈會(huì)保持慢閃狀態(tài)。

2.2.6 復(fù)位電路設(shè)計(jì)

復(fù)位電路的功能即初始化系統(tǒng)，避免機(jī)器有死機(jī)、程序跑飛等故障出現(xiàn)。在具體設(shè)計(jì)過程中，需要使用手動(dòng)以及上電復(fù)位兩種方式，上電復(fù)位會(huì)在系統(tǒng)上電的瞬間，達(dá)到最大的充電電流，電容會(huì)出現(xiàn)短路，同時(shí)RST 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)復(fù)位。手動(dòng)復(fù)位過程中，要求先完成上電復(fù)位操作，并將RST 與VCC 之間連接起來，實(shí)現(xiàn)高電平的復(fù)位。

2.2.7 循跡模塊設(shè)計(jì)

在油氣管道中，會(huì)存在弧焊焊縫循跡模塊，在設(shè)計(jì)上，要求重點(diǎn)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)以及電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先，在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題上，要求在機(jī)器人前段的兩側(cè)位置分別放置兩路光電傳感器，并于傳感器中間安裝夾持焊縫擋板，擋板在設(shè)計(jì)上要求能夠?qū)崿F(xiàn)左右滑動(dòng)，如果焊縫有偏移的情況發(fā)生，則擋板能夠借助傳感器完成整體設(shè)計(jì)工作。在選擇光電傳感器時(shí)，應(yīng)該選擇EE-SX671A 槽型，確保擋板在滑動(dòng)時(shí)能夠借助凹槽完成傳輸，完成設(shè)計(jì)的要求。其次，在電路設(shè)計(jì)工作中，要求對(duì)光電傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保其擁有L、GND、VCC、OUTPUT 四個(gè)引腳，并分別對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中L 端設(shè)計(jì)懸空，VCC 端需要與5V 電壓相連接，傳感器OUTPUT 引腳分別與單片機(jī)PAO 以及PAI 口有效連接起來。當(dāng)傳感器在工作中，就會(huì)發(fā)射紅外光到紅外發(fā)射端中，在此狀態(tài)下的傳感器引腳會(huì)有高電平輸出。如果凹槽中有物體穿過時(shí)，紅外光就無法直接發(fā)射出來，此時(shí)光電開關(guān)就能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)行，發(fā)送低電平到單片機(jī)引腳中。借助此原理，機(jī)器人便能夠在焊縫中實(shí)現(xiàn)正常移動(dòng)，如果中間有擋板相隔，就會(huì)將傳感器隔開，單片機(jī)此時(shí)就會(huì)直接發(fā)送命令到電機(jī)中。如果機(jī)器人出現(xiàn)左移情況，擋板就會(huì)將右側(cè)傳感器擋住，發(fā)送低電平到單片機(jī)中，此時(shí)便能夠證明機(jī)器人有偏移情況。在出現(xiàn)偏移后，單片機(jī)便能夠暫停右側(cè)電機(jī)的運(yùn)行，直到機(jī)器人能夠恢復(fù)正常運(yùn)行軌道，才能夠保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

3 智能巡檢機(jī)器人測控平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主控制器程序設(shè)計(jì)

3.1.1 設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主程序

完整的系統(tǒng)中，需要涉及到硬件電路連接問題，同時(shí)，也會(huì)涉及到系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)，這對(duì)系統(tǒng)能否正常運(yùn)行起關(guān)鍵作用。智能巡檢機(jī)器人的主要工作內(nèi)容就是借助HC-05 藍(lán)牙模塊與安卓手機(jī)APP 聯(lián)合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)通信功能。借助移動(dòng)APP 能夠控制機(jī)器人的動(dòng)作以及行進(jìn)方向。同時(shí)，也能夠?qū)z測狀態(tài)下的機(jī)器人自動(dòng)沿管道埋弧焊縫循跡?；诖?，在設(shè)計(jì)主系統(tǒng)程序時(shí)，需要重點(diǎn)設(shè)置GPIO、通信協(xié)議、定時(shí)器，同時(shí)初始化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)串口通信功能等等。

3.1.2 GPIO 口

GPIO 口可以根據(jù)用戶的不同需求，完成輸入以及輸出兩個(gè)功能。每一個(gè)GPIO 口分別設(shè)有兩個(gè)32 位配置寄存器，一個(gè)16 位復(fù)位寄存器、32 位鎖定寄存器，還有一個(gè)32 位置位或者復(fù)位寄存器。在對(duì)這些寄存器設(shè)置后，就能夠分別實(shí)現(xiàn)輸入浮空、上拉、下拉功能，以及推挽式復(fù)用、輸出，模擬輸入、開漏輸出以及復(fù)用功能。

3.1.3 設(shè)計(jì)配置寄存器

一般情況下，智能巡檢機(jī)器人51 單片機(jī)I/O 口會(huì)設(shè)置8位寄存器，實(shí)現(xiàn)輸入輸出功能。但是針對(duì)STM32 單片機(jī)，需要設(shè)定好輸出模式，才能夠?qū)崿F(xiàn)尋址操作，由此，在對(duì)單片機(jī)IO 口進(jìn)行操控前，需要設(shè)計(jì)好配置寄存器。

3.2 LabVIEW人機(jī)界面設(shè)計(jì)

3.2.1 功能設(shè)計(jì)

為了滿足用戶的需要，在對(duì)LabVIEW 人機(jī)界面進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要求重點(diǎn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)以及回放三個(gè)功能。確保探傷儀發(fā)送的波形圖表數(shù)據(jù)能夠被機(jī)器所接收，并進(jìn)行存儲(chǔ)，為檢測人員后續(xù)的檢查做好鋪墊。最后，數(shù)據(jù)回放功能能夠?qū)崿F(xiàn)多次回放，檢修人員可以反復(fù)觀看，查看是否有其他未發(fā)現(xiàn)的缺陷存在，對(duì)測控平臺(tái)進(jìn)行全面的優(yōu)化處理。

3.2.2 實(shí)踐操作

人與計(jì)算機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)信息互通的重要平臺(tái)就是人機(jī)界面，在此界面中，能夠直接顯示出焊縫缺陷相關(guān)數(shù)據(jù)，方便用戶查看。在實(shí)際操作上，首先需要登錄啟動(dòng)系統(tǒng)，輸入用戶名及密碼，而后就會(huì)出現(xiàn)檢測界面，對(duì)系統(tǒng)串口的通信參數(shù)進(jìn)行設(shè)定后，就能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)通信功能。

3.2.3 對(duì)登錄功能進(jìn)行監(jiān)測

人機(jī)界面的登錄權(quán)限僅限于操作人員，為了避免非操作人員登錄，對(duì)數(shù)據(jù)以及界面造成損壞，在登錄上還需要設(shè)計(jì)出安全登錄。當(dāng)用戶名與密碼匹配時(shí)，便能夠順利登錄監(jiān)測系統(tǒng)，如果輸入錯(cuò)誤，則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提示需要重新輸入正確密碼或者用戶名，否則無法進(jìn)入。

3.2.4 串口通信函數(shù)

為了實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備之間信息傳遞功能，在設(shè)計(jì)上可以選擇使用串口通信功能。例如，需要對(duì)VISA 寫入函數(shù)、配置串口函數(shù)以及關(guān)閉函數(shù)、讀取函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成操作。

3.2.5 VISA 串口配置及步驟

對(duì)VISA 串口進(jìn)行配置，能夠有效實(shí)現(xiàn)串口通信，在信息的傳輸中，需要嚴(yán)格按照通信的相關(guān)規(guī)則執(zhí)行。首先，應(yīng)該初始化計(jì)算機(jī)通信端口以及外圍設(shè)備的通信端口，并對(duì)其數(shù)據(jù)位、波特率、奇偶校驗(yàn)位等內(nèi)容進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。串口配置時(shí)，其頂端位置有一個(gè)啟動(dòng)終止符，在設(shè)計(jì)上，應(yīng)注意不能啟用此終止符。在設(shè)計(jì)串口通信時(shí)，要嚴(yán)格按照配置、讀寫、關(guān)閉串口三個(gè)步驟完成。

3.2.6 人機(jī)界面

人機(jī)界面系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，能夠使用順序結(jié)構(gòu)顯示出系統(tǒng)的登錄界面，借助調(diào)用函數(shù)形式完成串口程序。人機(jī)界面的顯示面板上包括數(shù)據(jù)波形顯示、串口參數(shù)設(shè)置以及功能按鍵、數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)以及探頭探傷參數(shù)幾個(gè)部分構(gòu)成。數(shù)據(jù)位、波特率以及COM 口是串口的主要參數(shù)。波形圖表的主要功能即顯示所接收到的數(shù)據(jù)信息。接收緩沖區(qū)的主要作用即以十六進(jìn)制將收到的數(shù)據(jù)信息顯示出來，從而讓用戶能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行查看。功能按鍵的主要作用及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回放、保存以及停止采集、運(yùn)行等功能。保存數(shù)據(jù)的按鍵能夠存儲(chǔ)所采集的數(shù)據(jù)，如果用戶需要查看，就可以使用回放功能查看已經(jīng)保存的數(shù)據(jù)信息。

3.3 Android手機(jī)無線控制

近年來，智能手機(jī)已經(jīng)普及，為了能夠?qū)C(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)遙控，本平臺(tái)在設(shè)計(jì)上選擇在Android 手機(jī)上安裝軟件，并與單片機(jī)HC-05 實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙匹配，進(jìn)而通過手機(jī)發(fā)送前進(jìn)、后退等簡單的指令。在APP 人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)上，為了方便使用者使用，需要保證簡潔化以及人性化。

4 結(jié)束語

綜上所述，傳統(tǒng)油氣管道焊縫缺陷檢測中，長期依靠人工使用超聲檢測方法進(jìn)行檢測，不僅會(huì)有誤判的風(fēng)險(xiǎn)，且長期從事此項(xiàng)工作的人員也會(huì)因輻射問題出現(xiàn)身體疾病。為了保證油氣的順利運(yùn)輸，急需有一項(xiàng)新技術(shù)引入完成檢測工作。智能巡檢機(jī)器人測控平臺(tái)的引入，不僅有效改善了傳統(tǒng)人工檢測的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)多角度靈活檢測，為油氣的正常運(yùn)輸提供了一定便利。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)本測控平臺(tái)檢測的數(shù)據(jù)結(jié)果，達(dá)到了預(yù)期結(jié)果，有效預(yù)防了焊縫缺陷的發(fā)生。