肖玉笛

（西北民族大學(xué)，甘肅蘭州，730106）

1 系統(tǒng)框架

本設(shè)計主要用于機器人智能探測與采集大型塑膠管道內(nèi)的數(shù)據(jù)，用戶可以通過WiFi操控機器人或者可以機器人智能離線運行。在機器人運行圖中若發(fā)現(xiàn)管道存在破損或堵塞會將此時的管道圖像拍攝想來通過WiFi模塊傳遞給上位機等待人工處理。機器人也可進行智能離線運行，運行圖中使用圖像采集模塊對環(huán)境進行拍攝，并將圖像信息傳遞給MSP430進行處理從而判斷機器人接下來的運行情況，當(dāng)檢測出圖像中有破損或很多雜質(zhì)黏合的時候，即管道出現(xiàn)破損或者堵塞，此時機器人會將圖像信息拍攝下來儲存在TF卡中，并且在MSP430通過GPS模塊建立的管道平面圖中將該點標記為損壞或者堵塞，機器人返回后，用戶可以根據(jù)采集回來的數(shù)據(jù)進行進一步的分析，從而了解到管道里的情況，編導(dǎo)管道維修人員對管道進行維修與清理工作。

管道檢測機器人由上位機和下位機兩部分組成。系統(tǒng)的框圖如圖1所示，其中上位機與下位機通過WiFi模塊相連接，通過自己編寫的軟件，實時顯示機器人的控制界面，主要包括環(huán)境圖像信息、環(huán)境溫濕度信息、照明系統(tǒng)工作信息、機器人行走速度、轉(zhuǎn)彎顯示等功能。而下位機是由以下重要幾部分組成：（1）電源模塊：由于各個模塊的標準工作電壓的不同，所以需要一個電源模塊來將輸入的15V的直流電轉(zhuǎn)化為各個模塊的工作電壓。（2）驅(qū)動模塊：使用L298N電機驅(qū)動模塊，這是一款經(jīng)典且兼顧性價比的驅(qū)動模塊。（3）圖像采集模塊：使用OPEN MV4可編程攝像頭?？梢酝ㄟ^MicroPython語言，對攝像頭編程從而實現(xiàn)需要的邏輯。攝像頭還內(nèi)置了部分圖像處理的算法，使用起來較為容易。（4）GPS模 塊：通 過HT1612Z3M3LD模塊將管道機器人的實時位置經(jīng)MSP430處理后通過WiFi模塊傳遞給上位機。（5）LCD顯示模塊：將環(huán)境圖像信息、管道機器人的運行狀態(tài)信息、環(huán)境溫濕度、有害氣體含量等信息顯示在LCD顯示屏上便于人工對管道機器人的控制。（6）環(huán)境檢測模塊：通過溫濕度傳感器與有害氣體檢測傳感器檢測出的數(shù)據(jù)傳入MSP430等待處理。（7）WiFi模塊：將環(huán)境檢測模塊檢測的數(shù)據(jù)與圖像采集模塊采集的環(huán)境數(shù)據(jù)等通過ATK-ESP8266模塊傳遞給上位機。

圖1 系統(tǒng)框架圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 控制模塊

控制模塊采用的主控芯片為美國TI公司推出的超低功耗微處理器MSP430。它的主要資源有：60KB+256B的FLASH閃存、2KB的RAM、帶有PWM輸出功能及3個捕獲/比較寄存器的16位定時器、2個串行通信接口、2個8位的并行口并且?guī)в型庵袛喙δ堋?個8位并行端口、一個12位AD轉(zhuǎn)換器等模塊。MSP430及部分周邊電路示意圖如圖2所示。最小系統(tǒng)是由保證處理器可靠工作所必需的基本電路組成的，主要包括電源電路、時鐘電路、復(fù)位電路等。本系統(tǒng)需要使用+5V和+3.3V的直流穩(wěn)壓電源，其中MSP430及部分外圍器件需要+3.3V電源，另外部分需要+5V電源。在本系統(tǒng)中，以+5V直流電壓為輸入電壓，+3.3V由+5V直接線性降壓。采用電源模塊輸出的+3.3V與+5V為系統(tǒng)供電。

圖2 MSP430及部分周邊電路示意圖

MSP430的所有外圍模塊的控制都可通過特殊寄存器來實現(xiàn)，故其程序的編寫較為簡單。編程開發(fā)時通過專用的編程器CCS或者通用編輯器Keil4即可，編程語言可以選擇匯編語言或者C語言。本設(shè)計中采用的是C語言來編程。

MSP430主要功能為：對圖像采集模塊的圖像信息進行處理讓其顯示在LCD顯示模塊中、為驅(qū)動模塊提供電機運作的PWM信號、對GPS模塊的信息進行處理與回應(yīng)、對環(huán)境采集模塊的傳感器傳輸來的信息進行處理并讓其顯示在LCD模塊中方便人工進行控制。將LCD顯示的圖像數(shù)據(jù)、溫濕度傳感器檢測的數(shù)據(jù)、電機的轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)通過WiFi模塊傳給上位機讓人工了解管道的情況。

2.2 電源模塊

電源可為管道機器人提供動力，并且為控制系統(tǒng)及傳感器供電，本系統(tǒng)采用的是由15V直流電池經(jīng)過穩(wěn)壓后進行升壓降壓從而達到各個模塊的標準工作電壓的需要。本模塊采用Buck-Boost變換器即升降壓斬波電路來實現(xiàn)。該電路由一個IGBT、一個大電感、一個二極管、一個濾波電容構(gòu)成。電路極為簡單，只需要調(diào)節(jié)給IGBT的PWM信號波即可實現(xiàn)升壓與降壓的功能。值得注意的是，由于電路的構(gòu)造，使負載電壓的極性為上負下正與電源電壓極性正好相反，因此該電路也叫做反極性斬波電路，使用時為了保證輸出電壓極性與其他模塊一致，接入時將電源線與地線反接即可。

2.3 驅(qū)動模塊

驅(qū)動模塊采用的是L298N直流電機驅(qū)動模塊。此電機驅(qū)動模塊性價比極高，最大功率為20W，足夠驅(qū)動兩個電機使用，并且還有多種供電模式，可選擇版內(nèi)供電或者外接電池供電，可用供電范圍為5～35V，完全滿足本管道機器人的使用，通過的邏輯電流僅0～36mA，而MSP430的I/O輸出電流約為0～32mA完全滿足需要。L298N使用極為簡單只需給模塊供電后，將MSP430與L298N共地，使用杜邦線傳輸PWM信號即可驅(qū)動電機運作。缺點是體積較大，功耗優(yōu)化不好。L298N采用的是H橋雙路驅(qū)動，可以同時驅(qū)動兩個電機運作，本管道機器人只需要兩個L298N即可實現(xiàn)。

2.4 圖像采集模塊

圖像采集模塊使用的是OPEN MV4可編程攝像頭，OPEN MV4內(nèi)置了STM32H743VI處理器，它具有400 MHz的頻率，有1MB的RAM，有2MB的FLASH閃存。因此可以在模塊內(nèi)就內(nèi)置攝像頭的驅(qū)動程序和一部分的功能程序，這就極大地簡化了主控芯片的負荷，只需要給STM32H743VI一段可執(zhí)行的程序即可。而OPEN MV4內(nèi)置有SD卡，SD卡又可以看作一個文件系統(tǒng)，當(dāng)給模塊上電時，SD卡的文件系統(tǒng)就會自動取代STM32H743V中內(nèi)置的Flash文件系統(tǒng)，每次上電，就會運行SD卡中的main.py文件，即給OPEN MV4內(nèi)置的功能主函數(shù)。此攝像頭模塊使用的是Python編程，Python作為一門擴展性極強的語言應(yīng)用于嵌入式是毫無問題的，而對于OPEN MV4的編程由于官方提供了大部分的攝像頭基礎(chǔ)功能的函數(shù)，如圖像數(shù)據(jù)的采集處理、圖像的識別處理，圖像文件的傳輸?shù)?，這就讓其使用起來簡化的很多。

2.5 GPS模塊

GPS模塊采用的是HT1612Z3M3LD模塊，具有北斗與GPS雙模定位功能，它的體積極小，定位精度高，由于此模塊采用了AT6558R低功耗芯片，所以其功耗低，靈敏度高，由于模塊使用了0.5PRM的高精度TCXO來完成正交誤差等誤差補償，使其定位的精度變得很高，就算在信號很差的管道中也能保持良好的定位功能。內(nèi)置有LNA低噪聲信號放大器，使得其抗干擾性與定位的精準度進一步提高。GPS模塊通過實時定位將位置信息傳遞給MSP430處理后可以顯示在LCD模塊中或者用于構(gòu)建管道的平面圖等，也可以將位置信息通過WiFi模塊發(fā)送給上位機，方便人工操控管道機器人的。

2.6 LCD顯示模塊

本模塊采用的是由ALIENTEK公司推出7寸RGB接口電容觸摸屏模塊ATK-7016。該模塊分辨率為1024×600，且最高支持24位真彩顯示。由于該模塊沒有內(nèi)置顯存，因此在使用時需提供給它外部RAM來作為模塊的顯存使用。該模塊具有觸摸功能，最多可支持5點同時觸摸，因此具有較好的操控效果。該模塊尺寸為100mm×180mm，正好可以放置在管道機器人的上部當(dāng)作人工操作顯示屏來使用，主要用來顯示環(huán)境圖像、環(huán)境數(shù)據(jù)、管道機器人運行數(shù)據(jù)等。

2.7 環(huán)境監(jiān)測模塊

環(huán)境檢測模塊主要有溫度、濕度、有害氣體檢測等。本模塊中溫濕度的測量使用的是數(shù)字溫濕度傳感器DHT11，它是由一個電阻式感濕元件、一個NTC測溫元件和一個用于計算與校驗溫濕度數(shù)值的八位的單片機組成，因此它具有很高的抗干擾性，既有較高的精度。測量的濕度范圍為：20%～90%RH溫度范圍為：0℃～50℃，完全滿足本管道機器人的使用。它的體積極小，功耗極低。每個傳感器都內(nèi)置有標準校準系數(shù)，在測量結(jié)果送入八位單片機后進行校準數(shù)據(jù)計算，再通過串口傳入MSP430中處理即可。本模塊中有害氣體的檢測使用的是MQ135空氣質(zhì)量檢測傳感器，它使用二氧化錫作為氣敏材料，由于二氧化錫在清潔空氣中電導(dǎo)率低，而空氣被污染時，二氧化錫的電導(dǎo)率會上升，所以可以將電導(dǎo)率與空氣中有害物質(zhì)的含量成一個函數(shù)關(guān)系而計算出有害氣體的濃度。通過一個簡單的外圍電路即可實現(xiàn)。它可以用于檢測氨氣、硫化物、苯系蒸汽、煙霧等有害氣體，檢測的濃度范圍為：10～1000ppm。溫濕度與有害氣體的濃度檢測數(shù)據(jù)均被MSP430處理后直接顯示在LCD顯示屏上，并通過WiFi模塊將數(shù)據(jù)傳輸給上位機讓人工對數(shù)據(jù)進行記錄，從而可以避免人工進入不利于人類進去的管道中。

2.8 WiFi模塊

WiFi模塊的是ATK-ESP8266，它是由ALIENTEK公司開發(fā)的一款UART-WiFi模塊， 該模塊采用串口與其他設(shè)備進行通信，內(nèi)置有TCP/IP協(xié)議棧，實現(xiàn)了串口數(shù)據(jù)與WiFi之間的轉(zhuǎn)換。使用該模塊，將傳統(tǒng)的串口數(shù)據(jù)通過WIFI來進行傳輸，本管道機器人中主要使用WIFI來傳輸圖像信息與人工發(fā)出的控制信息等。該模塊兼容了3.3V與5V的系統(tǒng)，可以非常方便地連接上管道機器人。該模塊的工作頻率為2.4GHz，發(fā)射功率約為11～18dbm，板載有PCB天線，因此體積較小約為29mm×19mm，該尺寸放置在管道機器人的右后方剛剛好。主要使用的無線標準為IEEE 802.11b，最高支持54Mbps的無線傳輸速率，完全可以滿足本管道機器人的數(shù)據(jù)傳輸要求，該模塊的WiFi工作模式有：WiFi STA、WiFi AP、WiFi STA+WiFi AP三種工作模式，從而使得模塊可以快速構(gòu)建WiFi數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆桨?，方便管道機器人與上位機之間的連接。本模塊作用主要是通過WiFi模塊將LCD顯示的信息與環(huán)境信息傳遞到上位機，從而通過人工判斷小車接下來的運行情況與記錄環(huán)境的數(shù)據(jù)等。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的程序框圖如圖3所示，首先管道機器人進行初始化，初始化完畢后等待人工通過上位機發(fā)送運行信息，若為人工控制，則管道機器人完全由人工通過WIFI來控制其運行。此時只需如果能夠通過同步來的圖像與環(huán)境的各種信息來進行遙控機器人運行即可。若十秒內(nèi)沒有收到上位機發(fā)來的運行信息或者運行信息為機器人智能控制，則機器人會根據(jù)圖像信息判斷前方是否堵塞而選擇繼續(xù)運行或者將堵塞的圖片信息發(fā)送給上位機等待人工處理的結(jié)果，若此時存在第二個通道，則機器人會直接進入第二通道繼續(xù)進行管道的勘探與測量工作。若此時沒有發(fā)生堵塞，機器人會檢測環(huán)境空氣有害氣體含量，若有害氣體含量超過整定值，機器人會通過WiFi發(fā)送警報信息給上位機等待人工處理。機器人運行過程中的所有圖像信息、環(huán)境溫濕度信息、機器人運行狀態(tài)信息等都會在LCD顯示屏中顯示出來。并且WiFi模塊會實時將LCD顯示屏上的信息傳遞給上位機。由于WiFi存在極限控制距離，當(dāng)機器人即將超出控制距離時，會等待人工信號，若需要傳遞來運行信號為撤退，則機器人會通過由GPS模塊得到位置信息通過MSP430構(gòu)建管道平面圖并撤離。若傳遞來運行信號為離線智能運行，則機器人會啟動離線智能運行模式，會自動判斷是否有路線通過，并且將所拍攝的圖像信息與環(huán)境數(shù)據(jù)儲存在TF儲存卡中，等待返回后人工處理。

圖3 系統(tǒng)程序框圖

如圖4所示為部分主程序，程序中展現(xiàn)了LCD的顯示程序與WiFi的接收與傳遞信息的程序，在一個正常運行的死循環(huán)內(nèi)，會將溫濕度傳感器傳遞來的信息分別儲存到兩個字符數(shù)組WenDu_Str與ShiDu_Str中，有害氣體檢測模塊傳遞來的信息經(jīng)MSP430處理后變成字符數(shù)據(jù)儲存在YouHaiQiTi_Str中，之后通過LCD顯示函數(shù)LCD_ShowString將其顯示在LCD顯示屏上。由于圖像信息較為復(fù)雜，并不是單獨的字符數(shù)據(jù)，所以在此編寫了一個子程序Tu_LCD()來進行將圖像信息顯示在LCD顯示屏上的功能。WIFI()函數(shù)的功能是主動將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機。并且在程序運行狀態(tài)中，接收WIFI信號與接收環(huán)境檢測模塊傳遞來的溫濕度等信息都是通過中斷函數(shù)來接收的，在此處不過多展示。

圖4 部分程序示意圖

4 結(jié)束語

本設(shè)計中的管道機器人功能尤為強大，不僅實現(xiàn)了自動智能運行，又實現(xiàn)了復(fù)雜情況人工控制。兩種運行方式足以適應(yīng)絕大部分管道地形，而有害氣體的檢測功能極大地保障了管道維修人員的人身安全，通過小車的運行軌跡構(gòu)建的管道平面數(shù)據(jù)極大地方便了管道維修人員對管道進行保養(yǎng)與維護。因此，在不久的將來管道檢測機器人將會完全代替人工進行管道的檢測，甚至可能還會出現(xiàn)管道維修機器人，可完全代替人工進行這項成本高危險系數(shù)大的工作。