管溝機器人自動化檢測系統設計

傅茂龍，孟 文，孟祥印，楊子鐿，郭學理

(西南交通大學 機械工程學院，成都 610031)

0 引言

機器人的發展歷史可以一直追溯到18世紀末19世紀初，英國的自動紡織機成為機器人的最早原型。直到21世紀以來，機器人技術在不斷發展，機器人技術被認為是對未來的產業具有重大意義的高新技術之一[1]。機器人是集成計算機、機械結構及自動化技術的高端智能設備[2]，機器人可以執行各種任務，從日常家務[3-4]、工業生產[5-7]、醫療設備[8-9]到極端環境檢測[10-11]。機器人為人類提高了生產效率，增強了安全性，改善了生活質量，降低了勞動成本?？偠灾?，機器人在人類生活中成為了不可或缺的一部分，成為人類最重要的輔助工具之一[12]。

隨著我國城市建設工業化、現代化和智能化的推進，越來越多的鐵路、高速公路以及城鎮都配備了排水管溝[13]。排水管溝經長期使用時，需要定期對排水管溝進行檢測，排水管溝系統錯綜復雜，使得排水管溝管理，檢修問題尤為突出。最早管溝的維修都是人工進行檢修，管溝內環境惡劣，人工進入管溝內還存在著瘴氣、塌陷等風險，導致人工檢測的效率低下[14]?，F階段結合機器人技術，出現了管溝檢測機器人代替人工進入管溝檢測[15]，管溝機器人最早出現在歐美國家，后逐漸引入國內，在沿海城市得到了廣泛的應用。

管溝檢測機器人主要是在鐵路涵洞，公路排水渠以及城市管網進行檢測，對管溝進行檢測、清潔等[16]。管溝檢測機器人攜帶一定的傳感器、攝像頭等，進入管溝檢測[17]，將管溝內的環境實時反饋給工作人員，由工作人員進行管溝缺陷的評估和分析[18]。但是現如今的管溝機器人還存在著一定的不足，例如：1)操作復雜、操作界面不夠簡潔，需要提前對工作人員進行培訓；2)信號連接不穩定、管溝內情況復雜、距離較長、傳輸的信號容易受干擾，導致指令接收錯誤和數據中斷；3)機械結構復雜、維護較為困難、機器人的零件較為昂貴，增加了機器人的成本[19]；檢測任務繁重，需要人工進行輔助檢測，無法做到完全智能化。因此，針對上述的種種問題，需要設計出一種操作簡單、通信穩定、結構簡單和智能化的管溝檢測機器人[20-21]。

為解決上述管溝機器人的種種痛點，本文設計開發了一整套的管溝機器人自動化檢測系統，該系統包含了數據處理和指令下發的PC上位機，管溝機器人本體，接收上位機命令的MCU微控制器以及各種執行器。所設計的管溝機器人自動化檢測系統可以實現管溝內部檢測，采集管溝內圖像數據、遠程指令接收，可視化交互操作界面和自動化缺陷判別等功能。研制出管溝機器人自動化檢測系統，經實際實驗測試，機器人系統可以準確地接收PC上位機的指令進行管溝檢測，以及對管溝缺陷的自動缺陷檢測。

1 管溝機器人系統

結合上述管溝機器人的檢測任務要求，設計出了一種實時性強、性能穩定的自動化檢測系統。自動化檢測系統的工作流程為：管溝機器人進入管溝內部，PC上位機對管溝機器人和線纜車發送指令，管溝機器人接收指令后進行前進、后退、抬升相機等操作，采集管溝內部的圖像信息。線纜車依據指令進行收放線纜，當機器人在管溝內部宕機時，線纜車將機器人拖回，回收管溝機器人。PC上位機實時顯示機器人的狀態，顯示管溝圖像，電機轉速，抬升角度等信息，PC作為自動化檢測的大腦，對機器人、線纜車進行控制和監控。

自動化檢測系統主要可以分為3層：決策層、管理層及執行層。決策層包含了PC上位機和控制手柄，管理層主要是MCU的微控制器，用于接收決策層的命令和上傳數據，執行層主要是各類電機和攝像機，完成對應的動作。管溝機器人自動化檢測系統的總體如圖1所示。

圖1 管溝機器人自動化檢測系統框圖

1)決策層：決策層主要是用于接收工業攝像機的圖像信息，可視化機器人信息，接收機器人數據和下發控制指令。

2)管理層：管理層包含了管溝機器人本體和線纜車兩大部分，機器人本體又包含機器人車身和機器人云臺，機器人本體內部采取CAN總線通信進行信息交互。管理層和決策層之間采取RS485總線進行通信，接收決策層的指令。

3)執行層：執行層主要是各類電機、LED燈和傳感器、接收MCU的控制信號，完成對應的動作。

2 管溝機器人系統硬件設計

2.1 PC工控機外圍電路設計

PC工控機承擔了主要的視覺檢測以及運動控制任務，首先接收工業攝像機的圖像信息和機器人本體傳輸的狀態信息，然后通過得到的數據標注出管道缺陷類型和位置，計算出機器人本體所需要的電機速度，最后通過RS485下發指令給機器人本體，機器人本體控制相應執行設備完成作業。

PC工控機現階段主要的接口是USB，分析上述需求，需要將USB轉換成接收視頻的同軸電纜和RS485總線通信。具體設計如下：

1)USB轉同軸電纜：USB轉同軸電纜中使用的是美樂威的USB Capture SDI Gen 2，輸入接口支持SDI/HD/3G-SDI，本項目使用的是3G-SDI，最高支持的傳輸距離是150 m。采集的最高分辨率為20 481 080，采集的幀率最高支持120 fps，主機的接口為USB3.0，兼容USB2.0，主機即插即用，自動檢測輸入信號。USB Capture SDI Gen 2如圖2所示。

圖2 美樂威USB Capture SDI Gen 2

2)USB轉RS485：USB轉RS485的硬件電路基本方案是先將USB的DP和DM差分信號轉換成TTL串口TX/RX，再將TX/RX轉換成RS485的A和B，最終完成USB協議到RS485協議的轉換。

如圖3所示，使用CH340E芯片將USB轉換成TTL的串行通信TX/RX，CH340E內置時鐘無需外部另接晶振，是MSOP-10的微小型的貼片封裝。TTL轉RS485的芯片選擇SP3485EN-L，是SOIC-8的貼片小型封裝，利用CH340E的TNOW引腳對SP3485EN-L的接收和發送DE進行控制。USB轉RS485還添加了LED燈指示現在是否工作，添加濾波電容對USB進來的5 V進行濾波處理。

圖3 USB轉RS485原理圖

2.2 控制手柄硬件設計

控制手柄作為決策系統的其中一部分，設計的最初目的是方便工作人員在現場對機器人進行控制，通過選擇不同的按鍵實現不同的功能。設計的整體思路是手柄+接收發送器配合，當檢測出按鍵按下時，對應的接收發送器通過RS485總線發出相應的指令。如圖4所示，選取STM32F103C8T6作為發送接收器的主控芯片，選取索尼的PS2進行反向破譯，當PS2手柄的按鍵按下，通過2.4 G無線的接收器，MCU接收到按鍵按下的信息，發出對應的指令。

圖4 控制手柄硬件框圖

2.3 管溝機器人車身硬件設計

隧道管溝機器人車身的硬件系統主要是以MCU的主控器為核心，通過接收上層決策系統下發的指令，完成相應的動作。隧道管溝機器人的MCU的主控板是實現電機等閉環控制的基礎，通過一些采樣電路、通信電路和傳感器模塊，完成對隧道管溝機器人的運動控制。本小節中，機器人的車身硬件設計考慮從機器人車身的控制需求和實際環境特性出發，機器人車身主要負責的是機器人本體的前進、后退、轉彎和云臺的升降。車身的主控MCU接收到決策系統下發的指令，實現對應的操作以及回復PC工控機的數據請求。

依據上述的要求，機器人本體車身的硬件要求有如下幾點：

1)MCU主控制器電路；

2)RS485接口電路；

3)CAN接口電路。

隧道管溝機器人本體車身硬件結構如圖5所示。

圖5 機器人本體車身硬件結構框圖

2.4 電源供電電路設計

隧道管溝機器人本體車身需要的電壓有：MCU的3.3 V、CAN和RS485接口電路的5 V、繼電器的12 V、光耦隔離的PWM輸出的12 V和電機所需的24 V。綜上所述，機器人本體所需要的供電方案有：24 V-DCDC-12 V、24 V-DCDC-5 V和5 V-LDO-3.3 V。

2.4.1 24 V-DCDC-12 V

24 V轉12 V的DCDC方案選擇的開關電源芯片是，LM2678S-12 V，是TI(德州儀器)推出的新型的DCDC芯片。LM2678S-12 V具有內置電阻調節，固定輸出12 V電壓，輸入的電壓從8～40 V。具有高達92%的轉換效率，260 kHz的固定轉換頻率，待機電流僅為50 μA，使用的溫度范圍為-40～+125°，能夠滿足絕大部分的使用要求，而且使用起來簡單，無需外接太多元器件即可完成轉換。使用LM2678S-12 V進行轉換的電路如圖6所示。

圖6 24 V-DCDC-12 V

2.4.2 24 V-DCDC-5 V

依據上述針對一些接口電路的供電需求，需要將24 V轉換成5 V給CAN接口芯片供電?？紤]到經濟實惠、穩定可靠的要求，選擇了這款LM2595S-5.0RG，TO263的貼片封裝。LM2595S-5.0RG是一款經典的PWM控制的DCDC(穩壓電源轉換器)，具有3 A的大電流驅動能力，相較于其他芯片具有高效率、較低的紋波和高線性的調節率等特點。該芯片的占空比調節范圍為0～100%，寬輸入電壓從0～45 V，有3.3 V、5 V和12 V的固定輸出版本和可調輸出版本。項目中使用的是5 V的固定輸入版本，具有150 kHz的固定的工作頻率，內置了電流過流保護和過溫防護，還帶有ON-OFF的遲滯開關功能，單價便宜，適用于多種設備。項目中使用LM2595S-5.0RG將24 V轉換成5 V的電路原理如圖7所示。

圖7 24 V-DCDC-5 V電路原理圖

2.4.3 5 V-LDO-3.3 V

考慮到MCU主控芯片需要的電源紋波更小，所以不能選擇DCDC方案，應該選擇LDO方案。LDO(低壓差線性穩定器)體積更小、精度更高、紋波更小，但是轉換效率不高。綜上所述，LDO不宜壓降太大，所以選擇上文中24 V-DCDC-5 V后的5 V作為芯片的輸入電壓。本項目選擇的芯片是較為實惠的UMW(友臺半導體)的AMS1117-3.3的固定輸出版本，輸出的電流為1 A，具有電流過流保護，輸出電壓的精度控制在2%以內，工作溫度范圍為-40～+125 ℃。AMS1117-3.3的使用比較簡單，一般為3個引腳、一個輸入、一個輸出和接地。輸出端接入兩個電容進行濾波，輸出接兩個電容進行去耦，AMS1117-3.3的使用電路如圖8所示。

圖8 5 V-LDO-3.3 V電路原理圖

2.5 CAN接口電路

CAN總線是一種支持多主多從的分布式實時串行通信，因為其通信的高可靠性和高性能得到了廣泛的應用，因本項目中機器人本體內部通信選擇了CAN總線，所以需要對CAN接口電路進行設計。

本項目選用的CAN收發器是PHILIPS(飛利浦)推出的高銷量的TJA1050T，這款CAN收發器完全兼容了“ISO 11898”標準，最高速率可達1 Mbaud，具有輸入保護和熱保護，支持的電壓為3.3～5 V，最高支持110個節點，不使用的節點不干擾總線傳輸。CAN收發器的使用原理如圖9所示。

圖9 CAN接口電路

TJA1050T在本項目使用的電源輸入為5 V，圖中CAN收發電路在點對點通信時，CAN_H和CAN_L直接需要串接120 Ω，提升抗干擾的能力，確?？偩€能夠快速進入隱形狀態，以及消除反射的能力。當CAN作為其中一個端點時，需要去除120 Ω，這時候只需要將JP2插針的跳線帽拔除即可，這樣CAN接口電路既可點對點通信，也可多機通信。

2.6 RS485接口電路

RS485接口電路和CAN接口電路一致，都是采取差模傳輸方式，差模傳輸方式在傳輸過程中兩條雙絞線受到的干擾是同時存在的，在接收端接收雙絞線的電平進行差值計算，相較于傳統的共模傳輸，大大增強了傳輸的抗干擾性。

RS485通信是一種半雙工的通信方式，傳輸的具體最遠可以達到1 500 m，傳輸的共模電壓范圍為-6～+6 V，傳輸的最高速率能夠達到10 Mbps，理論最多的接收節點可達128個，本項目中主要是利用RS485總線進行機器人外部通信的構建。

本項目使用的RS485收發器接口芯片是TI(德州儀器)的SN75176BDR，采取的封裝是SOP8的貼片封裝，符合且超出了國際的ANSI標準，具有三狀態的驅動和接收，具有熱關斷的保護措施，5 V的電源供電，比較適合在嘈雜的環境下的長距離的通信。本項目中RS485使用的電路原理如圖10所示。

圖10 RS485接口電路

RS485和CAN接口電路一樣，都需要增加電阻提升抗干擾性，所以在JP4當中增添了120 Ω，當作為點對點通信時，需要將跳線帽連接JP4，使得120添加進電路中。當作為其中一個節點時，不需要額外的串接電阻，這時將JP4的跳線帽拔下，即可完成作為一個節點進行使用。JP4巧妙的設計使得整個隧道管溝機器人自動化系統能夠完成外部多機的遠距離通信。

2.7 電機驅動隔離光耦電路

直流無刷電機、直流無刷驅動器以及驅動的電路原理如圖11所示，為保證隔離MCU主控電路，添加光耦進行電路隔離，防止電機旋轉產生的反電動勢燒壞MCU。

圖11 電機驅動隔離光耦電路

圖12 RS485總線報文結構示意圖

2.8 硬件設計的主要參數

自動化管溝檢測系統的PC為聯想工控機，CPU為i5-9300H，顯卡為RTX 1050Ti。管溝機器人本體的MCU芯片為STM32F407ZET6，控制手柄的MCU芯片為STM32F103C8T6，線纜車的MCU芯片為STM32F407IGT6。相機為索尼工業攝像機，支持1 080 P 30 Hz和720 P 60 Hz兩種格式視頻。機器人內部CAN通信選擇的芯片為TJA1050T，外部RS485總線通信的芯片為SN75176BDR。云臺步進電機為鳴志ML42HS2L4240的42步進電機，機器人行走的直流無刷電機為AM-BL45100AE2406空心杯無刷電機。結合上述的基礎器件，所設計的硬件電路基本符合設計需求，能夠滿足遠距離的RS485通信、多機的CAN通信、100 m同軸電纜視頻傳輸，滿足自動化管溝檢測所需要的功能。

3 機器人系統總線傳輸協議設計

依據上一小節的硬件設計要求，隧道管溝機器人本體內部采取CAN總線，機器人外部采取RS485總線。

3.1 CAN總線協議制定

CAN總線是一種串行的協議總線，CAN總線的標識位決定了消息的優先級和對應的功能，利用CAN總線的非破壞性的仲裁機制，高優先級的消息繼續發送，低優先級的消息停止發送。CAN總線在消息出錯后會自動重發，CAN總線的效率非常高而且比較穩定。

在本項目中，主要選擇的是CAN總線的數據幀格式，最高支持的數據大小為8 byte。CAN總線的數據幀分成了標準幀和擴展幀，數據幀由7個部分組成，分別是：起始段(SOF)、仲裁段、控制段、數據段(0～8 byte)、CRC校驗段和結束段(EOF)，擴展幀比標準幀在仲裁段上多了18 bit，仲裁段從11 bit變成了29 bit。

利用CAN總線的仲裁機制，也將接入CAN總線的設備仲裁段進行編號，如表1所示。

表1 自定義CAN協議設備ID

本項目中將每一個CAN設備節點設計成一個三層的對象，底層驅動層提供CAN的收發接口，底層驅動只負責數據的發送與接收，不用關心數據的類型和大小。共享內存被應用程序和驅動共享，共享內存中保存了設備的數據，應用層負責修改和復位共享內存里的數據，將修改完成后的數據保存在共享內存中，最后再由應用層交付給底層驅動層進行發送。

3.2 RS485總線協議制定

管溝機器人車體、線纜車和決策系統之間采取RS485的電氣接口，RS-485是在485遠程傳輸方式上規定了電氣屬性，為了保證遠距離傳輸，RS485設計為差分傳輸，抑制了共模干擾。

工業自動化領域在以RS485作為硬件層上建立的應用層協議Modbus，Modbus是一種串行通信的應用層協議，目前已經在工業自動化中使用非常廣泛。Modbus是一主多從的應用層協議，Master是主機，其他總線上的都是Slave(從機)，每一個從機都擁有自己的設備地址，所有通信均由主機發起，從機不能主動發起通信，從機與從機也無法通信。

本項目參照Modbus RTU協議，定義管溝機器人系統的應用層協議，如下所示，報文每個段的描述如圖2所示。報文段的固定幀頭是0x55，固定數值，節點地址總共5個，分別是：PC工控機為主機，地址為0x00，控制手柄地址為0x01，隧道管溝機器人本體地址為0x02，線纜車的地址為0x03以及一個廣播地址0xFF。設備地址是某一個節點內部的地址，例如機器人本體內部的直流無刷電機地址定義為0x01，抬升的步進電機為0x02。CRC16是CRC的一種校驗方法，選取的多項式是8 005，多項式為x16+x15+x2+1。

4 管溝機器人系統軟件設計

4.1 決策層PC上位機軟件設計

PC上位機是整個管溝機器人自動化系統的大腦，作為決策層的主控制器，它負責傳感器的數值監控，管溝回傳視頻的實時缺陷檢測，工程信息數據的讀取和保存以及作為RS485通信協議的主站。綜合上述功能需求，PC上位機的軟件設計主要包含5大部分：控制部分、運動監控、缺陷檢測、信息管理和協議主站，PC上位機的功能如圖13所示。

圖13 PC上位機功能示意圖

4.2 決策層控制手柄軟件設計

控制手柄作為管溝機器人決策層的輔助工具，其主要任務是幫助工作人員在現場控制機器人本體以及線纜車的運行，控制手柄的軟件設計主要包括掃描按鍵、讀取按鍵值和發送指令。

嵌入式掃描按鍵的方式有外部中斷掃描和狀態機FIFO按鍵掃描，本項目使用的索尼PS2的按鍵多達16個，若使用外部中斷掃描需要使用中斷號16個，這對于MCU控制器是一筆不小的資源消耗，綜上所述，選擇了狀態機FIFO方式進行按鍵掃描。

狀態機全稱為有限狀態機，是嵌入式領域一種常用的編程思想，狀態機將一個復雜的問題轉換成階段性問題，每個階段有不同的處理方法。將按鍵的狀態分為：松開、抖動、按下、長按、重復按和釋放，通過反復檢測按鍵狀態實現軟件消抖、長按和重復按功能。

4.3 管理層機器人軟件設計

管溝機器人管理層的軟件設計主要是對于MCU控制板的程序設計，主要的任務有以下幾部分：操作系統移植、協議棧構建及多線程程序運行。

4.3.1 RTOS的移植

MCU的RTOS選擇的是RT-Thread，RT-Thread是中國在2006年開發的開源中立、社區發展起來的一款實時操作系統。RT-Thread的移植步驟主要分為4個步驟：配置系統時鐘、實現OS節拍、BSP板級初始化和堆內存初始化。

4.3.2 協議棧移植

協議棧的移植主要是將自定義的CAN，RS485協議的CAN_Init.c、CAN_Init.h、CAN_BSP.c、CAN_BSP.h、RS485_Init.c、RS485_Init.h、RS485_BSP.c、RS485_BSP.h等文件添加進不同的控制板工程。CAN_Init和RS485_Init提供了CAN、RS485的底層驅動層，驅動層為上層應用提供接受和發送功能。CAN_BSP和RS485_BSP提供了項目內的協議解析規則，設備ID和消息組包功能，應用程序直接調用該文件的API即可接入總線協議。

4.3.3 多線程程序運行

利用RT-Thread的多線程機制，在MCU控制器中創建了4個線程，分別是：主線程、空閑線程、消息處理線程及PID計算線程。主線程用于處理主要任務和創建其他線程，例如外設初始化、堆棧初始化、初始化線程、啟動線程和LED閃爍，LED閃爍用于顯示MCU是否正常工作?？臻e線程用于監測MCU運行狀態，記錄系統空閑時間，當長期未接收到RS485的指令時，UART_IT_RXNE空閑標志位置位1，開始計時，當空閑線程的運行時間達到所設置的空閑時間上限，將一些耗能設備進行關閉。消息處理線程對中斷中接收到的消息進行處理，對協議進行解析后，執行相應的動作。

4.3.4 直流無刷電機PID控制軟件設計

在MCU的控制板上實現直流無刷電機的PID速度控制算法，需要考慮MCU的資源少以及計算速度慢等問題，因此，將原有的位置式PID改成了增量式PID。增量式的PID算法如下所示：

△u(v)=u(v)-u(v-1)=Kp[e(v)-e(v-1)]+

(1)

在MCU中使用增量式PID有以下幾個優點：1)計算時間更短，無需計算當前轉速和目標轉速的差值，只需要計算前一時刻的輸出量的差值，更符合MCU的實時性要求；2)增量式PID無需保存歷史數據，只需要最近3次的PID輸出值，同時也大大節約了MCU的資源；3)增量式PID在實現的過程中無需考慮積分飽和微分噪聲的情況，使控制器更穩定，性能更好。

在MCU中定義PID結構體{PID_t}，設置定時器時間為50 ms，即每50 ms使用霍爾傳感器對直流無刷電機進行一次速度采樣，同時更新電機電壓PWM的占空比。

圖14為PID計算線程的運行流程圖，每隔50 ms更新一次PID計算值。

圖14 直流無刷電機PID算法執行流程

5 自動化管溝檢測系統測試

Qt搭建的PC上位機如圖15所示，軟件主界面中間為管溝機器人的攝像機顯示部分，軟件主界面下方為機器人的控制按鍵，包括機器人的前進后退和速度選擇。右邊三列按鍵為機器人云臺的動作控制，包括云臺升降、旋轉等動作。

圖15 PC上位機測試界面

主界面下方圓盤為機器人前置LED燈光旋鈕，旋鈕控制燈光強度。

自動化管溝檢測系統的測試主要包括以下幾部分：

1)RS485的遠程通信；

2)CAN的多機通信；

3)PC接收同軸電纜視頻。

調節電機和燈光的RS485示例協議如下：[0x55 0x00 0x05 0x51 0x02 0x00 CRC_H CRC_L]；[0x55 0x00 0x05 0x55 0x05 0x00 CRC_H CRC_L]，第4字節為對應的設備，第5字節為設備的對應操作。PC向機器人發送上述協議，機器人進行云臺抬升和調節LED燈光等操作，實現機器人的遠程控制。

CAN通信協議示例如下所示：[0xF1 0x01 0x00 0x01 0x00 0x00 0x00 0x00]，CAN數據幀第1～2字節為具體設備ID，第4個字節為操作命令。上述CAN協議為控制直流無刷電機正向旋轉，控制管溝機器人前進。

圖15右邊為工程屬性信息，Qt利用SQLite3小型數據庫，存儲每一個工程的具體信息。

綜上所述，所設計的管溝機器人系統整體運行過程可靠，可以穩定可靠地完成管溝檢測的任務，解決了管溝機器人系統的不足之處。

6 結束語

本文以PC和MCU微處理器為核心部件，結合相關的攝像機，傳感器和電機等，搭建了管溝檢測機器人的自動化檢測系統。首先分析了機器人技術和管溝的城市化建設的發展，針對現有的管溝機器人系統的痛點，開發了一整套的管溝機器人系統。首先明確了管溝機器人的整體系統框架，分析機器人所需要的硬件，使用EDA軟件設計出機器人所需的硬件。分析對應的MCU的功能，移植實時操作系統RT-Thread，將MCU的任務劃分為多線程，提高軟件的實時性和性能。利用有限狀態機的思想，設計按鍵的FIFO按鍵掃描框架，減少中斷占用，提高效率。在MCU中添加增量式的PID調速算法，提高了機器人的運動控制精度，加強了機器人的運動控制性能。

針對管溝的復雜環境，在人工無法完成檢測的任務時，管溝機器人將發揮它的作用，代替人工去管溝內檢測，提高工作效率，保護工作人員的生命安全。本文設計的管溝檢測機器人自動化系統，可以在人工的輔助下完成對應的操作，未來將更進一步地提升機器人系統的效率和性能，為工作人員提供更為完善的檢測服務。