管道机器人的设计与制作

江汉大学物理与信息工程学院 周敬龙 章 红 熊高文 陈徵豪 王 鼎

管道机器人的设计与制作

江汉大学物理与信息工程学院 周敬龙 章 红 熊高文 陈徵豪 王 鼎

针对诸多行业面临管道内部环境难以监控以及清洁维护的问题，本设计主要完成管道机器人的设计与制作。管道机器人主要由行进机构、监控机构、控制机构、无线遥控机构、清洁机构和供电机构等组成。32位微控制器MK60作为主控模块，控制实现机器人的各种动作；采用WiFi网络摄像头，可以在手机端显示机器人采集到的管道内部的实时环境信息；利用LoRa无线传输模块实现无线通信，同时结合基于Qt开发的PC机遥控系统，可以远程遥控管道机器人在管道内部自由灵活的行进，并执行清洁、维护的指令。

管道机器人；wifi网络摄像头；无线遥控；上位机

1.引言

目前，在许多行业（比如石油业、核工业、中央空调）中，管道的使用数量快速的增长，但是管道在使用过程中会因为压力、侵蚀等外来作用，对管道的使用造成一定的影响，特别在核工业，尤其需要定期检测和安全评估管道内部环境，防止安全事故的发生.但是管道所处环境十分复杂，而且用户不方便进入管道内部工作，这就需要管道机器人代替用户进入管道内部进行清洁、维护等工作，并将管道内部实时环境信息反馈至上位机或者手机端，让用户能够实时的了解管道内部环境。

2.管道机器人系统设计方案

本设计的管道机器人主要由几个部分组成，分别是机器人主控、供电机构、无线摇控、进行机构、监控机构和清洁机构。

2.1 电路设计

2．1．1 电源管理模块电路设计

本设计选用的是7.2V/2000mA的镍—铬电池供电，而电机驱动电路、摄像头需要5V供电，MCU、液晶屏以及LoRa模块是3.3V供电，所以选用了LM2940和AMS1117两款稳压芯片来调节电压,其中LM2940将7.2V转换成5V,AMS1117将5V转换成。

2．1．2 主控电路设计

本设计选用的Freescale的32位微控制器MK60DN512 ZVLL10，接口资源如表1所示：

表1 接口资源表

电路板总体电路设计的PCB 3D视图如图1所示：

图1主控电路板总体设计PCB图

2．1．3 驱动电路设计

机器人使用的电机型号是33GB-520-18.7, 由于电机的供电电压是DC6-12V，较为稳定，为了增大驱动电流，达到良好的驱动能力，本设计制作的基于MOS管驱动，其中包括由74HC08构成的隔离电路和HIP4082组成的驱动部分，以及由4片MOS管组成的全桥电路，承载电流超过10A,可以高效率发挥电机性能。

2.2 软件设计

2．2．1 基于Qt的PC端机器人无线控制系统的UI界面设计

为了实现机器人无线控制的多样化，并能够在PC端控制操作机器人的需求，本设计利用跨平台的QT软件开发了一套能够在PC端控制机器人的应用程序。PC端机器人无线控制系统是通过操作PC机上的串口，利用串口通信以及LoRa无线传输，来实现对机器人无线控制。串口是PC机上一种通用的设备通信协议,而串口通信是指外设和PC机之间，通过控制线、数据信号线、VCC、GND等，按位进行数据信息传输的一种通信模式。其中，数据位、波特率、奇偶校验位、停止位是串口通信最关键的配置参数信息。对于两个需要进行通信的串口，这些参数必须匹配正确无误。无线控制系统UI界面如图2所示：

图2 PC端机器人无线控制系统的UI界面

2．2．2 无线通信程序设计

由于无线传输的稳定性及传输距离、误码率等问题，我们将nrf2401、蓝牙模块、LoRa、WIFI模块四种常用的无线通信模块对比后，最终选用了LoRa。LoRa 是LPWAN通信技术中的一种，是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。LoRaWAN是 LoRa联盟推出的一个基于开源的MAC层协议的低功耗广域网标准。这一技术可以为电池供电的无线设备提供局域、全国或全球的网络。

2．2．3 机器人控制程序设计

为了简化机器人的机械结构，本设计放弃了传统的转向舵机作为机器人行进机构的方法，而是采用两个电机，配合差速来实现机器人的控制，控制电机的信号为PWM。

图3 管道机器人

3.测试结果

用户可以在遥控器和上位机两套控制机构下操作机器人，机器人在接收到用户发送的指令后，可以在管道内灵活的行进，并完成管道清洁和维护等相关操作。其次，用户可以在智能手机端接收到机器人上wifi网络摄像头反馈至APP上的实时管道环境信息，实现监控的功能。当管道发生异常或者破裂等情形，机器人会给出报警，提示用户及时处理，防止危险事故的发生。管道机器人如图3所示：

4.总结

用管道机器人代替用户进行工作，首先，可以提升操作的安全性，可以实时监测环境，保证人身安全；其次，可以提高工作的便捷性。因为管道一般口径较小，人无法进入工作，采用上位机和无线通信技术，可以方便快捷的进行信息传递和数据交流。因此，利用管道机器人代替人工操作是十分有必要的。同时，随着人工智能时代的不断发展，对于机器人这类智能产品的需求也越来越大。

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