火電廠水冷壁爬壁檢測(cè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u26064火電廠水冷壁爬壁檢測(cè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例 1103351.1控制對(duì)象 1299001.2控制系統(tǒng)的硬件分析 231131.2.1主控制器 2259431.2.2遠(yuǎn)程通訊模塊選擇 2318521.2.3直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選擇 335821.2.4數(shù)據(jù)傳輸模塊選擇 4227261.2.5電磁離合器選擇 5118081.2.6超聲波探傷儀和超聲波傳感器 5123971.2.7微動(dòng)開(kāi)關(guān) 5307611.2.8攝像頭模塊 6296921.2.9主控制器引腳分配 727191.3控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 8242781.3.1機(jī)器人狀態(tài)流程圖 8139541.3.2機(jī)器人關(guān)鍵流程 12機(jī)器人之所以和普通機(jī)械相比更為自動(dòng)化、智能化，是因?yàn)闄C(jī)器人擁有控制系統(tǒng)。機(jī)器人的主控器就是機(jī)器人的腦子，機(jī)器人的傳感器就是機(jī)器人的眼睛、鼻子、皮膚，機(jī)器人的電源就是機(jī)器人的心臟，而機(jī)器人的電機(jī)就是機(jī)器人的肌肉，機(jī)器人的機(jī)架是機(jī)器人的骨骼，機(jī)器人的齒輪就是它的韌帶。本章將選定機(jī)器人控制系統(tǒng)的電子元器件，并完成機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。1.1控制對(duì)象本設(shè)計(jì)機(jī)器人的主要任務(wù)是利用攝像頭模塊和超聲波探傷儀對(duì)水冷壁進(jìn)行檢測(cè)。由于水冷壁的結(jié)構(gòu)同其他磁質(zhì)壁面不一樣，不利于選用蓄電池。所以采用直流便攜式鋰電池作為電源，控制方法采用藍(lán)牙遠(yuǎn)程遙控。機(jī)器人的遠(yuǎn)程遙控通過(guò)藍(lán)牙模塊HC-05，工作中必須保證機(jī)器人平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)并檢測(cè)出暗縫是否存在，運(yùn)動(dòng)通過(guò)主軸兩端的2個(gè)鏈輪實(shí)現(xiàn)。要實(shí)現(xiàn)檢測(cè)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向，這需要機(jī)器人自身的2個(gè)電磁離合器發(fā)揮作用。為了避免機(jī)器人撞到其他地方損壞，在檢測(cè)機(jī)器人前端和后端各安裝1個(gè)共2個(gè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)緊急停車(chē)。為了提高避障的能力，在機(jī)器人頂部上安裝2個(gè)超聲波傳感器HR-04，避免碰到障礙碰撞。分析得到：機(jī)器人的控制對(duì)象有藍(lán)牙模塊，1個(gè)直流減速電機(jī)、2個(gè)電磁離合器，一個(gè)微型攝像頭，2個(gè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)和2個(gè)超聲波傳感器共9個(gè)控制對(duì)象。這9個(gè)電子元器件有需要的控制引腳。藍(lán)牙模塊需要接通訊串口TXD、RXD，還有VCC與GND。一個(gè)直流電機(jī)則需要2個(gè)I/O口，超聲波傳感器需要2個(gè)輸入引腳用來(lái)傳遞模擬量的輸入，攝像頭和微動(dòng)開(kāi)關(guān)各需要1個(gè)I/O口。因此，機(jī)器人控制系統(tǒng)的控制對(duì)象一共有9個(gè)，共需要2個(gè)串口的輸入輸出引腳，2個(gè)模擬量輸入引腳，一共需要個(gè)9個(gè)I/O口。1.2控制系統(tǒng)的硬件分析1.2.1主控制器控制器是一種主控設(shè)備，可以根據(jù)芯片內(nèi)部程序或按特定順序改變控制電路中電機(jī)的啟停、轉(zhuǎn)速甚至方向。此外，一些控制器還可以處理數(shù)字或模擬物理信號(hào)。它是決策機(jī)構(gòu)中發(fā)出命令的，起著協(xié)調(diào)機(jī)器各部分實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)功能的作用。因此，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選擇主控器是最重要的。它的性能決定了控制系統(tǒng)的計(jì)算能力、輸入輸出串口數(shù)的上限以及程序存儲(chǔ)和操作的空間。在選擇主控制器時(shí)，還應(yīng)充分考慮控制對(duì)象所需的引腳數(shù)。本設(shè)計(jì)選用了ArduinoNANO的控制器模塊。ArduinoNANO是一個(gè)基于MicrochipATmega328p8位微控制器芯片硬件開(kāi)發(fā)板的開(kāi)源超小型simpleI/O平臺(tái)。ATmega328PNANO的芯片共有32個(gè)引腳。其形狀如下圖所示。控制器最突出的特點(diǎn)是體積小。該控制器雖然體積小，但功能強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的輕量化設(shè)計(jì)要求。根據(jù)MCU引腳的功能，共有8個(gè)模擬輸入引腳、22個(gè)數(shù)字I/O端口和6個(gè)通道。1.2.2遠(yuǎn)程通訊模塊選擇水冷壁檢測(cè)屬于高空作業(yè)，對(duì)檢測(cè)人員的身體素質(zhì)和輔助設(shè)備的安全要求高，人工成本高，安全風(fēng)險(xiǎn)大。使用遙控器可以大大降低人工檢測(cè)的成本，使檢測(cè)更加安全高效。遠(yuǎn)程控制采用開(kāi)環(huán)控制，與自動(dòng)控制相比，具有控制簡(jiǎn)單、研發(fā)成本低等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)地面控制員的輔助判斷，工作可以順利完成。本設(shè)計(jì)選用HC－05藍(lán)牙模塊作為遙控器與機(jī)器人之間的數(shù)據(jù)傳輸通道，通過(guò)藍(lán)牙模塊的專(zhuān)用控制手柄實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制。該模塊是一臺(tái)主從一體機(jī)，人們因?yàn)樗挠猛居址Q無(wú)線串口模塊。與其他無(wú)線傳輸模塊相比，該模塊具有連接速度快、使用簡(jiǎn)單、成本低、封裝緊湊等優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用于各種場(chǎng)合。產(chǎn)品參數(shù)如下：表1.1HC-05藍(lán)牙模塊參數(shù)表控制系統(tǒng)包含一個(gè)輸出電壓為3.3V的引腳（17），通過(guò)該引腳可以直接訪問(wèn)主控制器。不需要重新設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電路。使整個(gè)控制系統(tǒng)的電路更加簡(jiǎn)單，節(jié)約了成本。HC－05藍(lán)牙模塊的電路圖如下所示。圖1.2HC-05電氣原理圖1.2.3直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選擇TB6612本設(shè)計(jì)使用8.4V的2S電池電源。因此，考慮工作電壓為7.2-12v的驅(qū)動(dòng)模塊TB6612FNG。圖1.3TB6612模塊電氣原理圖該芯片來(lái)自東芝半導(dǎo)體公司，采用高電流MOSFET-H橋結(jié)構(gòu)，集成度高。它可以同時(shí)駕駛直流電機(jī)的兩條通道[11]。因此，本設(shè)計(jì)中的兩個(gè)夾緊電機(jī)可以由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，只需控制啟停、正反轉(zhuǎn)，因此接線時(shí)不需要連接PWM端口。驅(qū)動(dòng)模塊如下所示。與其他電機(jī)驅(qū)動(dòng)相比，lv6612的驅(qū)動(dòng)電流輸出更穩(wěn)定，可以連續(xù)輸出，峰值為0。芯片中集成了低電壓檢測(cè)電路和熱關(guān)斷電路，使用更安全可靠[15]。1.2.4數(shù)據(jù)傳輸模塊選擇本設(shè)計(jì)選用藍(lán)牙模塊作為無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊。由于其使用簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)，本設(shè)計(jì)預(yù)留了兩種操作模式：可使用藍(lán)牙的智能設(shè)備和無(wú)線藍(lán)牙手柄。智能設(shè)備的范圍可以擴(kuò)展到帶有藍(lán)牙的手機(jī)或電腦，它們可以與藍(lán)牙模塊配對(duì)并發(fā)送信號(hào)。它們通過(guò)藍(lán)牙直接與模塊通信，然后通過(guò)串口向主控器發(fā)送指令。主控器接收并處理指令，然后直接控制相應(yīng)對(duì)象的動(dòng)作來(lái)完成控制。與其它控制方法相比，該方法不僅簡(jiǎn)單快捷，而且成本低廉，使控制更加靈活方便，大大方便了操作人員的工作。1.2.5電磁離合器選擇圖1.4電磁離合器DLD-6B選擇DLD-6B，孔直徑為12mm，A為67.5mm，C為38mm，為53.5mm，是33.5mm，直接和鏈輪聯(lián)接安裝。該電磁離合器高效節(jié)能，高品質(zhì)，低損耗，經(jīng)久耐用。1.2.6超聲波探傷儀和超聲波傳感器超聲波探傷儀采取便攜式RJUT-500,該探傷儀整機(jī)尺寸較小，外形尺寸僅，整機(jī)質(zhì)量1，內(nèi)置可充電鋰電池，垂直線性誤差范圍，探頭分辨率，性能優(yōu)異。超聲波傳感器選擇SC-SR04。它采用高端運(yùn)放SGM324，使HC-SR04具有更寬的工作電壓，在同樣的測(cè)距下工作電流更小(3mA)，軟件和硬件兼容的優(yōu)點(diǎn)。1.2.7微動(dòng)開(kāi)關(guān)微動(dòng)開(kāi)關(guān)是一種體積小、開(kāi)關(guān)行程小的特殊電氣開(kāi)關(guān)，又稱靈敏開(kāi)關(guān)。微動(dòng)開(kāi)關(guān)產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于各類(lèi)高壓輸變電、高鐵、自動(dòng)化設(shè)備等電氣控制操作機(jī)構(gòu)，特別是在限位開(kāi)關(guān)的電力機(jī)構(gòu)。微動(dòng)開(kāi)關(guān)產(chǎn)品作為開(kāi)關(guān)控制和聯(lián)動(dòng)的重要附件，對(duì)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定運(yùn)行起著極其重要的作用[12]。在本設(shè)計(jì)中，在墊塊上安裝微動(dòng)開(kāi)關(guān)，幫助判斷夾爪墊塊與桁架管壁的緊密接觸，防止機(jī)器人滑動(dòng)造成損失。考慮到安裝尺寸和使用環(huán)境，選擇手柄長(zhǎng)度為13.5的小型微動(dòng)開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)參數(shù)是1A和125V。形狀和尺寸如下圖所示。圖1.6微動(dòng)開(kāi)關(guān)外形及尺寸圖1.2.8攝像頭模塊為了保證后續(xù)使用的便利，本設(shè)計(jì)采用了ESP32-CAM攝像頭模塊，該模塊工作可靠。它具有天線切換、濾波器管理、電源模塊等功能，廣泛應(yīng)用于無(wú)線控制和物聯(lián)網(wǎng)。攝像頭模塊支持視頻、程序控制和Wi-Fi圖像上傳。下圖顯示了esp32CAM攝像頭模塊的形狀和尺寸規(guī)格。圖1.7ESP32-CAM攝像頭外形及尺寸1.2.9主控制器引腳分配在選擇了控制系統(tǒng)的硬件后，就需要分配整個(gè)系統(tǒng)主控制器的管腳和每個(gè)控制對(duì)象所需的管腳。確保各硬件能正常使用，同時(shí)也保證主控制器引腳分配合理。最后，將各設(shè)備與主控制器相應(yīng)的引腳連接，得到整個(gè)檢測(cè)機(jī)器人的狀態(tài)。單片機(jī)的引腳分配如下表1.2所示。表1.2I/O口分配表元器件名稱I/O口分配情況I/O口控制要求HC-05藍(lán)牙模塊D0,D1UART串口通訊TB6612電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊D7,D8高低電平輸出HC-SR04-1A4,A5模擬量輸入HC-SR04-2A6,A7模擬量輸入ESP32-CAMD13高低電平輸出、數(shù)字量輸入微動(dòng)開(kāi)關(guān)1D11高低電平輸出微動(dòng)開(kāi)關(guān)2D12高低電平輸出電磁離合器1D2,D3高低電平輸出電磁離合器2D5,D6高低電平輸出然后用AutoCAD對(duì)控制系統(tǒng)引腳圖進(jìn)行繪制，得到圖1.8如下所示：圖1.8控制系統(tǒng)引腳圖1.3控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)在控制系統(tǒng)，軟件和硬件密不可分。硬件決定了機(jī)器人控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)什么樣的功能，而軟件即程序則是控制硬件按一定邏輯運(yùn)行，相互配合完成給定任務(wù)的關(guān)鍵。它們就像人體的肌肉和血液。沒(méi)有任何一方，他們都不能工作。它們是控制系統(tǒng)都不可缺少的一部分。本章節(jié)在現(xiàn)有機(jī)器人硬件的基礎(chǔ)上完成控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括機(jī)器人狀態(tài)流程圖和程序流程圖的研究，以及機(jī)器人關(guān)鍵控制流程控制程序的編譯。1.3.1機(jī)器人狀態(tài)流程圖機(jī)器人在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中需要滿足的動(dòng)作有三個(gè)，即在壁面上爬行、通過(guò)傳感器避障、探測(cè)并拍攝圖片。通過(guò)可使用藍(lán)牙的智能設(shè)備，在機(jī)器人工作前先確定藍(lán)牙是否連接，然后確定好機(jī)器人的初始狀態(tài)[13]。機(jī)器人總體控制流程圖如下：圖1.1機(jī)器人整體控制流程圖因此我們要在藍(lán)牙控制以前，先確定機(jī)器人初始狀態(tài)，確定機(jī)器人的各個(gè)參數(shù)初始值的定義，以便后續(xù)檢測(cè)時(shí)可以獲得正確的反饋量來(lái)調(diào)試程序。接下來(lái)，根據(jù)機(jī)器人預(yù)定動(dòng)作確定每個(gè)控制對(duì)象的狀態(tài)流程圖。1、初始化機(jī)器人，檢查藍(lán)牙模塊HC-05能否數(shù)據(jù)傳輸藍(lán)牙模塊成功連接決定機(jī)器人是否能夠接收到地面操控者的指令，所以這是整個(gè)機(jī)器人是否能夠被控制的基礎(chǔ)。所以在機(jī)器人啟動(dòng)以后最首要的任務(wù)便是調(diào)整初始狀態(tài)，檢查藍(lán)牙模塊是否連接成功。機(jī)器人藍(lán)牙模塊上電狀態(tài)流程圖如下：藍(lán)牙模塊的成功連接決定了機(jī)器人能否接收地面控制器的指令。這是整個(gè)機(jī)器人能否被控制的基礎(chǔ)。所以機(jī)器人啟動(dòng)后，最重要的任務(wù)就是先初始化機(jī)器人，再檢查藍(lán)牙模塊是否成功傳輸數(shù)據(jù)。機(jī)器人藍(lán)牙模塊上電流程圖如下所示:.圖1.2上電時(shí)狀態(tài)流程圖2、控制機(jī)器人在壁面運(yùn)行機(jī)器人的動(dòng)作應(yīng)在藍(lán)牙初始化和成功連接后開(kāi)始。為了避免機(jī)器人在控制過(guò)程中的控制中斷，機(jī)器人的前進(jìn)和后退都由手機(jī)控制。當(dāng)發(fā)送指令向前或向后移動(dòng)時(shí)，電機(jī)會(huì)向前或向后轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)流程圖如下：圖1.3前進(jìn)后退狀態(tài)流程圖3、控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向的改變作為履帶式機(jī)器人，它的左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)通過(guò)一側(cè)履帶速度減慢甚至降為0而另外一邊速度不變實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)。所以機(jī)器人的轉(zhuǎn)向完全可以通過(guò)電磁離合器的通電斷電來(lái)實(shí)現(xiàn)。機(jī)器人轉(zhuǎn)向狀態(tài)流程圖如下。圖1.4轉(zhuǎn)向狀態(tài)流程圖控制機(jī)器人避障作為爬壁機(jī)器人，在運(yùn)行到頂部的時(shí)候需要停止運(yùn)動(dòng)和作業(yè)，這些功能的實(shí)現(xiàn)需要超聲波傳感器、微動(dòng)開(kāi)關(guān)的合作。機(jī)器人避障狀態(tài)流程圖如下。圖1.5避障狀態(tài)流程圖控制機(jī)器人采集圖像本設(shè)計(jì)采用ESP32-CAM攝像頭，該攝像頭拓展性好，體積小，節(jié)約空間，還可以進(jìn)行編程提升功能。攝像頭只需要在指定位置接收到指令后收集圖片，因此ESP32-CAM能夠滿足要求。機(jī)器人采集圖像狀態(tài)流程圖如下圖1.6所示。圖1.6采集圖像狀態(tài)流程圖1.3.2機(jī)器人關(guān)