基于超聲波的管道阻塞物檢測機器人系統設計

黃春耀，王清輝，任宜

（龍巖學院，福建龍巖，364000）

0 引言

本文從管道檢測機器人系統設計出發，整個系統含有上位機和下位機，上位機由PC機實現，限篇幅本文重點論述基于超聲波的管道檢測機器人系統下位機系統設計。

1 管道檢測的特殊性及基于超聲波的管道檢測機器人系統設計的可行性

1.1 基于超聲波的管道檢測機器人系統設計的可行性

現代技術的快速發展為系統在技術上成為可行。一方面超聲波測距技術成熟，使得超聲波來設計各類檢測系統成為可能，精確的測量是超聲波的一個特點。另一方面，單片機處理能力增強和通信技術的發展，無線通信得到充分的應用，使得在管道內的阻塞物狀態數據可通過無線通信實時傳輸到接收端，通過接收端進行分析處理。基于超聲波的檢測技術+現代通信技術，使管道檢測機器人系統設計成為可行[1]。

1.2 超聲波測距原理

超聲波是通過運用反射的方法來測量距離的，系統在工作時把超聲波傳感器與反射物要放在同一條水平線上發射超聲波，同時要記錄時間，超聲波在空氣中傳達時有信號反射回來、說明超聲波在反射信號回來之前已經抵達測量物、在反射脈沖收到后終止計時即可，被測量物之間的距離可以通過超聲波的傳播速度及所計時間算出[2]。測量距離用D表示，即公式為：

2 基于超聲波的管道檢測機器人系統構成分析

2.1 下位機構成

下位機結構如圖1所示。從圖中可知下位機主要由STC15單片機模塊、超聲波測距模塊、MOS電路控制模塊、鋰電池充電管理模塊、無線通信模塊和測速模塊等部分組成[3]。

超聲波測距模塊：在系統設計時選取了四個（左、右、前和上）超聲波雙探頭安裝在小車上同時檢測的工作方式，分別測量與障礙物的距離。如碰到前面有障礙物，前面測距模塊數值改變；如遇管中有沉積泥沙，上方測距模塊數值改變。

MOS電路模塊：負責機器人系統前進、轉彎或返回控制，接收單片機指令。

鋰電池充電管理模塊：運用升壓模塊提供穩定的5V電壓給系統使用，管理鋰電池的充放電。

無線通信模塊：負責單片機與上位機之間數據傳輸。

測速模塊：采集機械人系統運行數據，計算出機器人系統運行的距離。

STC15單片機模塊：是系統的核心部件，對采集的各種數據進行分析并上傳PC上位機，由上位機解析出機器人系統運行的狀態，給工作人員實時查看。

下位機軟件：負責采集數據并借助通信模塊，將數據上傳到上位機處理。

圖1 下位機系統結構圖

2.2 系統硬件電路設計圖

系統硬件電路主要由超聲波接口電路、單片機控制器、電源及充電管理接口、MOS電路控制接口、無線通信接口等電路組成。其中充電管理接口、MOS電路控制接口、無線通信接口比較難設計，在文中重點論述。

2.2.1 MOS電路控制

MOS電路控制模塊原理圖如圖2所示，該模塊LMOTO連接在P13引腳，RMOTO連接P14引腳，還與鋰電池充電管理電路模塊、升壓模塊相連，MOS的輸出電流來驅動電機，MOS在控制電路中的工作狀態是截止狀態、擊穿狀態、導通狀態等[4]。

圖2 MOS電路控制接口原理圖

2.2.2 無線通信電路

如圖3所示是無線收發模塊電路原理圖。根據設計的要求本系統收發無線模塊采用2.4GLC12S收發一體無線串口透傳模塊，實現中短距離的接收和發送數據[5]，在本設計中用無線收發模塊來接收和發送小車在管道內行走過程中測得的數據，傳送和接收上位機的指令，連接在單片機的P31、P30、P32、P33引腳。

圖3 無線通信接口電路原理圖

2.2.3 鋰電池充電管理接口電路

如圖4所示是鋰電池充電管理電路模塊電路圖，該模塊與MOS電路控制模塊、升壓模塊相連，設計電路選用了TP4056完整的單節鋰離子電池、它是恒流恒壓的線性充電器[6]，恒流恒壓充電管理主要由它負責。

3 下位機軟件設計

3.1 程序主流程圖

在圖5主程序流程圖中系統通電后，按下啟動按鈕，系統程序初始化，超聲波發射脈沖開始計時并開啟中斷，當障礙物接收到脈沖信號后反射回來，經單片機模塊處理后，通過無線通信模塊上傳上位機接收端接收并顯示當前周圍狀態。由上位機根據系統的設定值判斷測量值是否大于設定值，然后把數據以波形的形式顯示到上位機上，并分析出是否存在阻塞物。

3.2 無線通信

無線通信模塊分為下位機和上位機模塊，工作過程主要有：（1）下位機模塊負責單片機控制模塊采集到的數據發送給上位機模塊，將接收到的數據傳送到PC上位機進行處理并顯示；（2）PC上位機處理數據，然后根據需要將指令傳送給下位機。

圖4 TP4056鋰電池充電管理接口電路圖

圖5 主程序流程圖

4 上位機軟件

上位機的檢測數據顯示采用VB編程實現。如下圖6所示，將小車行走過程中檢測的數據采用曲線的方式進行實時顯示并作出初步判斷。

小車檢測的數據也可以通過軟件中的查看數據進行查看，如圖7所示。

從上位機數據處理上看，當前方測距數值大于系統設定值時（處于無窮大時），可不顯示數值，左右上方測得的數值不變時，說明管道內無阻塞物；當前方測距數值變小，左右測距數據相加值不變時，說明管道正處在轉彎位置，需讓管道檢測機器人做轉彎運行；當前方測距大于設定值，左右測距值不變，上方測距值變小時，說明管道內有堆積物存在如泥沙、石子之類的阻塞物，等等，可通過在上位機中進行狀態的設定，來改變檢測機器人的運動狀態并傳送相應的指令。

圖7 查看歷史測量數據顯示圖

圖6 小車實時檢測數據曲線圖

5 結束語

基于超聲波的管道阻塞物檢測機器人系統設計完成，系統的總體功能已基本實現。系統可通過PC上位機對測得數據進行處理并顯示，判斷管道四周是否有阻塞物存在。下表1是系統在運行過程中測得的一組數據，用于本次檢測設計的是四個超聲波同時檢測真實值與測量值情況。

表1 真實值與測量值之間的關系

從表中可以看出，系統測量值誤差小，基本可以用于管道內阻塞物的檢測，提高管道檢測的工作效率，能方便管理人員掌握管道內阻塞物情況并進行及時的處理。

本系統雖然以管道阻塞物檢測作為設計對象，只要稍加修改即可用于其它領域，如液位、井深等方面使用，具有一定的擴展性和推廣價值。