通风管道清扫机器人的开发设计

巩铎　曹祥　陈楚坪　陈啸林

摘 要 本项目所研制的系统以单片机MSP430为主控芯片，利用相应的传感控制技术，采用轮式移动机构；配有高速旋转的清扫机构，装有摄像头以及照明灯；采用无线控制方式，由操作人员在管道外进行控制。结合创新机械结构，加大除尘清扫范围，可以充分弥补现有通风管道清扫机的缺陷，达到智能化。

关键词 单片机；传感控制技术；摄像头；智能化

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）14-0013-02

1 作品介绍

1.1 作品背景

据调查报告显示，通风管道经长时间使用后会产生大量的灰尘、污垢等，进而会衍生大量的细菌等。这大大的影响通风管道的通风性能，更严重的是细菌随送风系统吹进室内，污染室内的空气、传播疾病，严重影响人们身心健康。人长期呆在这样的空间里，易患呼吸道疾病，头晕、乏力，免疫力下降等状况，还容易感染皮肤病。因此，对通风管道的定期清扫是非常必要的。

由于通风管道的结构复杂，大小不一，要对其进行清扫非人力所能及的，故而开发一款轻巧的机器对通风管道进行清扫是非常必要的。

1.2 创造目的

1）提高设备的智能化，通过车身上的摄像头进行管道图像扫描，保存管道地图，建立相应的数学模型，实现清扫的最佳路径，努力实现通风管道清扫机器人的自主清扫，尽最大努力减少人为控制。

2）采用横向单排旋转硬毛刷清扫底层，结合机械臂上的毛刷清扫顶层及其四周，加大对通风管道的清扫范围。

3）结合3G网络，实现摄像头图像实时传输，方便人为观察管道内的情况，以及对清扫时可能出现的突发事件，提供人为处理参考信息。

2 作品方案

受建筑物楼层高度的限制，通风管道的形状主要有圆形和方形，管道的规格也各有不同，最扁平的管道高度仅150 mm左右。而企业厂房一般楼层较高，为了减小送风阻力，会采用圆形截面的管道。因此通风管道清扫机器人设计指标确定为矩形管高度150～650 mm和圆管最小直径 350 mm能适应大多数通风管道尺寸。系统结构图如图1所示，机器人分为以下几个部分。

3 系统硬件设计

3.1 系统处理CPU

主控芯片：由于整体机械结构以及控制的要求，我们采用MSP430这款超低功耗单片机作为主控芯片，降低我们的系统功耗，而且内部资源丰富，处理速度快，能够提供多路的PWM控制信号。

辅助芯片：本作品需应用摄像头采集技术，结合工作环境的特点，我们采用TQ2440这款开发板，稳定的性能，过硬的质量，丰富的扩展接口，足够我们进行图像的采集和处理。

3.2 图像采集装置

由于通风管道的光线较弱，我们在镜头旁边加了照明装置，并跟换广角较大的镜头，增大视野且在镜头前端安装滤光片解决反光引起的问题。为了能更好的观察管道情况，摄像头我们安装在车上的机械手上，可360度旋转，进而查看管道情况。

3.3 报警保护装置

考虑通风管道大多环境复杂恶劣，机器在应对特殊情况出意外时，为了保护系统的安全，我们安装了防护装置。当机器运作时，出现电压过低，电流过大，短路等易损坏机器情况，防护装置立刻启用，发出报警声音并切断控制电源。报警电路由如下几种。

过电流保护：采用过电流继电器，当电流高于整定值时，继电器动作，进而出发保护电路；

短路保护：利用一个晶体管来采样输出电压，根据输出电压在短路前后的状态变化 判断是否发生短路；

欠压保护：采用电压比较器电路，当检测电压小于比较值时，比较电路运作，驱动报警保护电路，如图2所示。

4 系统软件设计

本系统软件流程主要由以下两部分实现。

4.1 自动控制

系统初始化，摄像头开始对管道情况进行判断，根据管道的实际情况，辅助芯片计算出最佳的自主清扫途径，并通过串口发送相应的指令控制车体工作；同时，采集到的图像通过3G网络实时传送到终端，供给人参考应对突发状况。由于每帧图像的计算量不大，我们运用逐帧并行的方法。并且测取了大量的现场数据，通过MATLAB对测取得数据进行拟合处理，得到的相应的关系。

4.2 人工操作

完成第一阶段后，机器停止工作，进入第二模式，等待控制指令。此时摄像头继续采集管道图像发送给终端，机器不运行。工作人员通过终端得到的信息，发送相应的指令控制机器工作。

参考文献

[1]杨权子.机械装配[M].北京：机械工业出版社，2012.

[2]黄智伟，王兵，朱卫华.ARM微控制器应用设计与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2012.

[3]（美）冈萨雷斯，等著.数字图像处理的MATLAB实现[M].阮秋琦译.清华大学出版社，2013.

[4]席爱民.模糊控制技术[M].西安电子科技大学出版社，2010.

[5]唐继贤，杨扬.MSP430超低功耗16位单片机开发实例[M].北京航空航天大学出版社，2014.endprint