履帶式管道清潔機器人控制系統的設計與實現

彭　興，肖衛初，賀建權，陽　霞，劉　穎，梁　健，劉　源

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履帶式管道清潔機器人控制系統的設計與實現

彭興，肖衛初，賀建權，陽霞，劉穎，梁健，劉源

（湖南城市學院，湖南益陽 413002）

單片機內部集成2路PWM，8路高速10位A/D轉換，產生PWM波和實現A/D轉換，使外圍電路更簡單；采用TB6612FNG直流電機驅動模塊、RT5350無線WiFi模塊，并分別與單片機組成閉環反饋模式來進行電機控制以及信息傳輸，提高了系統工作效率。

機器人；履帶式；單片機；無線模塊

隨著電子技術的發展，對于機器人應用的領域也越來越多。管道清潔機器人具備攜帶攝像機監控管道環境、機械手臂對管道進行除塵等功能，能有效解決部分通風管道的復雜環境清潔問題。

目前，國外的管道清潔機器人已形成產業化。如美國、丹麥、日本、韓國等諸多國家均有管道清潔機器人系列產品。我國對管道清潔機器人的研究起步比較晚，與國際先進水平尚有一定的差距，但在相關科研單位的極力支持下，使之得到了迅速的發展。[1]提出一種直進輪式微型管道機器人的行走系統，該系統采用輪式移動結構，但該運動系統僅僅適用于平坦的接觸面，當遇到有一定坡度的斜面或者凸出地面的障礙物時，管道清潔機器人便不能繼續進行下面的工作，基于這些不足，[2]提出一種六輪機器人爬樓梯能力的分析，從機器人對樓梯結構的適應能力，機器人運行過程的重心和爬樓梯過程中的最大俯仰角對機器人傾覆的影響等多影響因素考慮，得出機器人能夠越障的參數。該文獻成功解決了管道清潔機器人在管道內運行過程中的越障問題；文[3]提出了一種中央空調管道清潔機器人的設計，該機器人系統采用主控制箱與PC機連接，從而控制機器人運動。但受接線約束，機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技術實現無線遙控的方法，該技術采用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行點對點通信的技術，它的主要優點是無需申請頻率的優先權，但不足的是它是一種視距傳輸，兩個通信設備之間必須對準，中間不能被其他物體阻礙，易丟失數據且傳輸速率較低；文[6]提出了在機器人上采用WiFi控制的方法，由機器人、支持WiFi的無線路由器和PC組成的硬件架構充分利用了家庭環境已經存在的PC、無線網絡等硬件資源。WiFi無線網絡技術具有集成電路簡單、功耗低、成本低廉、實現容易、對人體危害小，抗信號衰減能力強等優點。

本設計采用六輪履帶式結構，確保履帶式清潔機器人在整個運行過程的穩定性；在履帶式清潔機器人上裝上RT530無線WiFi功能模塊。此外，本設計采用低功耗的8位單片機STC12C5A60S2作為主控芯片，降低了整個系統的功耗，大大提高了本設計的實用性和可靠性。

1 系統基本工作原理

本設計的總體框架由智能手機終端、履帶式清潔機器人系統終端組成，其中手機終端由手機WIFI助手APP和WIFI功能模塊組成，履帶式清潔機器人系統終端由主控模塊、TB6612FNG直流電機驅動模塊、ZXVA消防電源監控模塊、RT5350無線WIFI模塊等組成。手機WIFI助手APP通過人為編輯動作指令，再由WIFI功能模塊負責發送指令給安裝在履帶式清潔機器人系統上的RT5350無線WIFI模塊該系統工作原理框圖如圖1所示。

圖1 履帶式管道清潔機器人系統工作原理框圖

2 主要硬件電路設計與結構優化

2.1 硬件總電路

系統硬件部分由核心控制模塊、TB6612FNG直流電機驅動模塊、RT5350WIFI模塊、攝像頭監控模塊、ZXVA消防電源監控模塊等組成，硬件系統總電路圖如圖2所示。其中核心控制模塊由STC12C5A60S2單片機和外圍電路組成，外圍電路包括晶振電路、復位電路和電源電路。

圖2 硬件總電路原理圖

2.2 驅動模塊電路

本設計采用TB6612FNG直流電機驅動模塊驅動兩個直流電機M1、M2，TB6612FNG直流電機驅動模塊電路圖如圖2所示。TB6612FNG直流電機驅動模塊的主要引腳功能：AINl/AIN2、BIN1/BIN2、PWMA/PWMB為控制信號輸入端;AO1/A02、B01/B02為2路電機控制輸出端;STBY為正常工作/待機狀態控制引腳；VM(4.5～15 V)和VCC(2.7～5.5 V)分別為電機驅動電壓輸入和邏輯電平輸入端。TB6612FNG直流電機驅動模塊與單片機組成電機控制單元，單片機的定時器B能夠產生4路PWM輸出作為AIN1/AIN2和BIN1/BIN2端口的控制信號，且PWM占空比的大小能夠決定輸出電壓平均值，進而決定電機的轉速大小。該模塊工作時STBY引腳置為高電平；AIN1和AIN2電壓保持不變，調整PWM引腳的輸入信號可進行電機單向速度控制；置PWM引腳為高電平，并調整AIN1和AIN2的輸入信號可進行電機雙向速度控制。

2.3 RT5350WIFI模塊電路

本設計所使用的RT5350無線WiFi模塊是基于通用串行接口的符合網絡標準的嵌入式模塊，內置TCP/IP協議棧，能夠實現用戶串口、以太網、無線網（WIFI）3個接口之間的任意透明轉換。該模塊有五種低功耗工作模式：1）AP模式：默認的工作模式。在這種模式下，該模塊是一個無線接入點；2）Router模式：在這種模式下，該模塊是相當于一個無線路由器，有線接口作為廣域網，無線局域網。多個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，無線信號的中繼和放大，并形成新的無線網絡覆蓋區域，并最終擴展無線網絡的覆蓋范圍的目的；4）Bridge（橋接）模式：在這種模式下，使用設備的橋接功能，第一的RM04無線網絡，與前端建立一個無線連接，然后發送無線信號，形成新的無線覆蓋，可以有效的解決信號弱和盲點和其他無線信號覆蓋問題；5）Client模式：在這種模式下工作的AP的無線客戶端，相當于一個無線網卡。

WiFi模塊建立連接后，當沒有數據傳輸時，就將其工作模式置為AP模式，當主設備(智能手機WiFi終端)需要再次傳輸數據時，需要向從設備(RT5350無線WIFI模塊)發送退出命令。從設備退出AP模式后，即可與主設備進行數據信息傳輸交換。如圖3為RT5350無線WIFI模塊電路圖，RT5350無線WIFI模塊的RXD引腳與單片機串口的TXD引腳相連，RT5350無線WIFI模塊的TXD引腳與單片機的RXD引腳相連，并設置了一個LED指示燈，當RT5350無線WIFI模塊上電后，藍色指示燈閃爍，當RT5350無線WIFI模塊與手機連接成功后，指示燈常亮。

圖3 RT5350無線WiFi模塊電路原理圖

2.4 行走系統結構優化

本設計在以往清潔器機器人的基礎上，對其運行結構進行進一步的優化，實質具有一定的地形適應能力，提高其工作平穩性。圖4是履帶式清潔機器人行進結構示意圖。它由1個驅動輪和5個行進輪組成，該結構最大長度24CM，高度7CM，前端與地面形成40度的弧角。在平面上運行時，以驅動輪帶動行進輪前進；在遇到障礙時，可利用自身結構適應一定的障礙地形，不會像其他輪式清潔機器人在通過障礙物時發生側翻或者停止前進。如圖5是履帶式清潔機器人越障示意圖，對履帶式清潔機器人系統的順利越過障礙的過程進行了圖解。

圖4 行走系統結構圖

圖5 越障示意圖

3 系統軟件設計

系統上電后首先進行各個模塊的初始化設定，包括端口的初始化配置和寄存器的初始化配置。采用定時器B輸出兩路頻率固定且占空比可調的PWM信號來控制履帶式清潔機器人行駛的速度，通過配置CCAP0寄存器設定PWM信號的頻率為1KHZ，通過配置CCAPM0 、CCAPM1兩個寄存器來改變兩路PWM信號的占空比從而改變履帶式清潔機器人行駛的速度，初始化配置CCAPM0 = 0x42，CCAPM1 = 0x42；對于RT5350WiFi模塊的初始化配置中，首先進行模塊的端口配置，進而初始化串口配置，設定波特率的值為9600bps，并允許串口的發送和接收中斷；初始配置履帶式清潔機器人為上電靜止狀態，程序運行完系統的初始化后，繼而進入while主循環中進行各個模塊的數據處理，如圖6所示為履帶式清潔機器人控制系統主流程圖。

圖6 系統主程序流程圖

4 實驗結果與分析

履帶式管道清潔機器人控制系統的實驗樣機如圖7所示。履帶式管道清潔機器人的頂部為一塊STC12C5A60S2單片機最小系統板，由它控制整個系統的正常運行。在核心板的周圍分布有ZXVA消防電源監控模塊、TB6612FNG直流電機驅動模塊、RT5350無線WiFi模塊等。RT5350無線WiFi模塊能否實現無線遙控機器人系統完成前進、后退、加速、減速、左轉、右轉、啟動/停止清潔電機、實時監控拍攝；系統能否順利跨越障礙等功能。

圖7 履帶式清潔機器人控制系統實驗樣機圖

4.1 路徑測試

首先在智能手機上安裝智能WiFi控軟件，提示安裝成功后，打開該軟件，將模塊的TXD端連接單片機的串口接收引腳，RXD端連接單片機的串口發送引腳，此時給安裝在履帶式清潔機器人上的RT5350無線WiFi模塊上電，這時模塊進入AT命令響應狀態，藍燈閃爍，程序中完成了對RT5350無線WiFi模塊的初始化配置后，打開手機WiFi功能自動搜索周圍的WiFi信號并進行連接，若手機連接到RT5350無線WiFi模塊后，及時打開智能WiFi控軟件，如圖8所示，軟件開始界面會提示輸入RT5350無線WiFi模塊IP地址及本設計所用到的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，界面即提示與手機連接成功，進入控制界面。

圖8 WiFi模塊IP地址圖

圖9 手機WiFi助手界面

圖10所示為WiFi遙控機器人前進、后退和轉彎測試圖。程序中設定機器人初始狀態停止，當RT5350無線WiFi模塊與手機連接成功后，按界面的向上按鈕，智能手機的RT5350無線WiFi模塊模塊將會發送特定的指令給機器人終端，機器人終端再對該指令進行判斷和處理，進而使機器人向前行駛；與此類似，當按界面的向下、向左和向右按鈕時，機器人將分別進行后退、左轉彎和右轉彎行駛。由圖10可知，該清潔機器人具有前進、后退、左轉和右轉等路徑行走功能。

圖10手機WiFi遙控機器人路徑測試圖

4.2 清潔效果測試

履帶式清潔機器人采用與管道相適應的清潔刷，通過驅動直流電機帶動清潔刷，從而對管道進行清潔。如圖11所示為模擬履帶式清潔機器人在管道內部工作圖。表1記錄了履帶式清潔機器人系統進行管道清潔作業的次數對清潔效果的影響。

a)機器人到達管道清潔位置 b）機器人進行清潔

圖11模擬履帶式清潔機器人在管道內部工作圖

表1 清潔效果示意表

5 結論

本文提出了一種履帶式管道清潔機器人系統，該系統采用低功耗的STC12C5A60S2單片機作為系統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行數據處理，該無線模塊有效解決了管道內信號傳輸困難的問題。通過對該履帶式清潔機器人系統的功能測試表明：該管道清潔機器人具備攜帶攝像機監控管道環境、機械手臂對管道進行除塵，實時通訊等功能，能有效解決部分通風管道的復雜環境清潔問題。

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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

湖南省大學生研究性學習和創新性實驗計劃項目（項目編號：湘教通〔2014〕248號430）。

彭興（1992-），男，湖南湘陰人，研究方向：智能電子系統。