通風管道清掃機器人的開發設計

鞏鐸　曹祥　陳楚坪　陳嘯林

摘 要 本項目所研制的系統以單片機MSP430為主控芯片，利用相應的傳感控制技術，采用輪式移動機構；配有高速旋轉的清掃機構，裝有攝像頭以及照明燈；采用無線控制方式，由操作人員在管道外進行控制。結合創新機械結構，加大除塵清掃范圍，可以充分彌補現有通風管道清掃機的缺陷，達到智能化。

關鍵詞 單片機；傳感控制技術；攝像頭；智能化

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）14-0013-02

1 作品介紹

1.1 作品背景

據調查報告顯示，通風管道經長時間使用后會產生大量的灰塵、污垢等，進而會衍生大量的細菌等。這大大的影響通風管道的通風性能，更嚴重的是細菌隨送風系統吹進室內，污染室內的空氣、傳播疾病，嚴重影響人們身心健康。人長期呆在這樣的空間里，易患呼吸道疾病，頭暈、乏力，免疫力下降等狀況，還容易感染皮膚病。因此，對通風管道的定期清掃是非常必要的。

由于通風管道的結構復雜，大小不一，要對其進行清掃非人力所能及的，故而開發一款輕巧的機器對通風管道進行清掃是非常必要的。

1.2 創造目的

1）提高設備的智能化，通過車身上的攝像頭進行管道圖像掃描，保存管道地圖，建立相應的數學模型，實現清掃的最佳路徑，努力實現通風管道清掃機器人的自主清掃，盡最大努力減少人為控制。

2）采用橫向單排旋轉硬毛刷清掃底層，結合機械臂上的毛刷清掃頂層及其四周，加大對通風管道的清掃范圍。

3）結合3G網絡，實現攝像頭圖像實時傳輸，方便人為觀察管道內的情況，以及對清掃時可能出現的突發事件，提供人為處理參考信息。

2 作品方案

受建筑物樓層高度的限制，通風管道的形狀主要有圓形和方形，管道的規格也各有不同，最扁平的管道高度僅150 mm左右。而企業廠房一般樓層較高，為了減小送風阻力，會采用圓形截面的管道。因此通風管道清掃機器人設計指標確定為矩形管高度150～650 mm和圓管最小直徑 350 mm能適應大多數通風管道尺寸。系統結構圖如圖1所示，機器人分為以下幾個部分。

3 系統硬件設計

3.1 系統處理CPU

主控芯片：由于整體機械結構以及控制的要求，我們采用MSP430這款超低功耗單片機作為主控芯片，降低我們的系統功耗，而且內部資源豐富，處理速度快，能夠提供多路的PWM控制信號。

輔助芯片：本作品需應用攝像頭采集技術，結合工作環境的特點，我們采用TQ2440這款開發板，穩定的性能，過硬的質量，豐富的擴展接口，足夠我們進行圖像的采集和處理。

3.2 圖像采集裝置

由于通風管道的光線較弱，我們在鏡頭旁邊加了照明裝置，并跟換廣角較大的鏡頭，增大視野且在鏡頭前端安裝濾光片解決反光引起的問題。為了能更好的觀察管道情況，攝像頭我們安裝在車上的機械手上，可360度旋轉，進而查看管道情況。

3.3 報警保護裝置

考慮通風管道大多環境復雜惡劣，機器在應對特殊情況出意外時，為了保護系統的安全，我們安裝了防護裝置。當機器運作時，出現電壓過低，電流過大，短路等易損壞機器情況，防護裝置立刻啟用，發出報警聲音并切斷控制電源。報警電路由如下幾種。

過電流保護：采用過電流繼電器，當電流高于整定值時，繼電器動作，進而出發保護電路；

短路保護：利用一個晶體管來采樣輸出電壓，根據輸出電壓在短路前后的狀態變化 判斷是否發生短路；

欠壓保護：采用電壓比較器電路，當檢測電壓小于比較值時，比較電路運作，驅動報警保護電路，如圖2所示。

4 系統軟件設計

本系統軟件流程主要由以下兩部分實現。

4.1 自動控制

系統初始化，攝像頭開始對管道情況進行判斷，根據管道的實際情況，輔助芯片計算出最佳的自主清掃途徑，并通過串口發送相應的指令控制車體工作；同時，采集到的圖像通過3G網絡實時傳送到終端，供給人參考應對突發狀況。由于每幀圖像的計算量不大，我們運用逐幀并行的方法。并且測取了大量的現場數據，通過MATLAB對測取得數據進行擬合處理，得到的相應的關系。

4.2 人工操作

完成第一階段后，機器停止工作，進入第二模式，等待控制指令。此時攝像頭繼續采集管道圖像發送給終端，機器不運行。工作人員通過終端得到的信息，發送相應的指令控制機器工作。

參考文獻

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