管道蛇形清潔機器人控制系統設計

于海文 王斌 郭巖寶

（中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院 北京市 102200）

1 引言

在管道清潔工作中，復雜的管道形狀對管道內壁的污垢清潔造成了極大地困難。本文依據其復雜環境的需求，設計了以STM32單片機為核心、多個傳感器和模塊融合的蛇形機器人控制系統，實現了機器人遠程控制以及對管道內環境信息采集和處理等功能[1]。

2 控制系統

2.1 控制系統總體結構

為了滿足油污管道環境清潔機器人的控制需求，設計了管道蛇形清潔機器人，如圖1 所示，控制系統上層部分是監控系統，通過Gprs 無線模塊將控制指令發送給主控系統，如游動、拐彎、清潔等。主控系統檢測到的視頻信號和超聲震蕩強度波形信號分別通過2.4G的無線收發模塊和Gprs 模塊傳輸給監控系統顯示。主控模塊通過Gprs 模塊無線遙控從動系統完成機器人的移動、清潔等功能。

2.1.1 主控系統

主控系統主要由STM32 單片機、Gprs 無線通信模塊、高頻超聲波清潔模塊以及傳感器組成。主控系統通過Gprs 無線模塊控制渦輪電機工作推動機器人在管道內游走，當機器人頭部的攝像頭檢測到管道內部油污后，主控模塊控制超聲波發生器和振子黑片啟動完成清潔工作[2]。壓電傳感器檢測超聲波清洗裝置的聲波強度。各模塊與主控板的連接圖如圖2 所示。

2.1.2 從控系統

從控系統使用高速ARM 處理芯片，可同時控制多路PWM 舵機運動。從控系統通過Gprs 無線模塊從接收到主控系統的信號指令后，通過PWM 信號控制蛇形機器人各個關節機構的運動。

2.2 步態控制

本文采用Serpenoid 蛇形曲線來規劃蛇形機器人的步態運動軌跡。蛇形機器人采用單關節自由度設計，關節與關節之間由一個舵機控制單方向擺動和一個伺服電機控制其轉動。根據機器人游走時的Serpenoid 曲線，確定其波形推進函數。

Serpenoid 曲線的曲率方程為：

式中，Kn為曲線傳播過程中“S”波形的數量；α0為清潔機器人的初始彎角；L 為清潔機器人的總長；S 為蛇形機器人沿Serpenoid 曲線方向上的位移大小。

為了方便研究和計算，可將式（1）簡化為：

式中，x=-α0；為Serpenoid 曲線初始曲率，由（2）可知，曲率ρ 隨S 的變化而變化，當傳播過程中“S”波形數量一定時，曲率主要由波形的初始彎角決定。

將曲率公式積分可得偏轉角公式，即對式（2）積分，可得清潔機器人前進S 長度時頭部相對于前進方向的偏轉角方程。

圖1：機器人控制系統結構圖

圖2：各模塊與主控板的連接圖

圖3：機器人作業示意圖

圖4：管道蛇形機器人結構圖

圖5：超聲波信號反射檢測圖

由（3）可知，固定參數y 和z 的值，參數x 變化，相對應的Serpenoid 曲線也隨之而變，由此可得y，z 不變時，x 值越大，清潔機器人前進過程中擺動的幅值越大，并且單個“S”波形越長。

2.3 超聲波清洗模塊控制

超聲波清洗模塊利用多頻超聲波發生器和135KHz 高頻振子黑片相結合的原理實現清潔管道作業。135KHz 超聲波發生器置于管道外部，作業狀態下，超聲波發生器將135KHz 的交流電轉換成超聲頻電振蕩信號后，通過電纜輸送給超聲波換能裝置，蛇形機器人游走帶動超聲波清洗模塊完成清洗工作[3-4]。如圖3 所示。

3 試驗平臺搭建測試

3.1 管道清潔機器人搭建

試驗所需的管道蛇形清潔機器人的結構圖如圖4 所示，該機器人部分結構由3D 打印機打印而成，既符合質量輕的特點又節省了成本。

3.2 清潔效果檢測實驗

本文通過回波反射法來檢測判斷管道蛇形清潔機器人的清潔效果。

發射信號經過超聲波換能裝置的探頭到機器人清洗模塊的外殼，一部分能量脈沖回傳至超聲波換能裝置的接受探頭。其第三個峰值到第二個峰值，為超聲波脈沖信號經過管道內部的液體以及管道內壁油污層返回的二倍時間值，其他的反射時間值因為幅值較微弱，被濾波電路處理后可忽略。電路實際測量的返回脈沖電壓的峰值是第2 次峰值與第3 次峰值之間的時間差，即后面兩峰值T2，根據時間T2 得到污垢的厚度。

式（4）中，Vs為污垢中的傳播速度為4581m/s，為最后確定的管道內壁的污垢厚度。

3.3 清洗試驗仿真結果

通過超聲波反射法來檢測污垢，檢測探頭即可發射脈沖信號，也可以接受脈沖信號。在檢測系統中，管道壁的厚度是已知的，設其厚度為H1。STM32 單片機采集到二者回波信息的時間差為T。超聲波回波檢查電路的信號接收波形如圖5 所示，其中a 為信號穿透污垢后返回的信號，b 為信號穿透管壁后返回的信號，通過計算b、c 兩點波峰的時間點差值，根據公式（4）可得到污垢的厚度[5-7]。

由于管道內壁的污垢主要以鐵銹為主，管道蛇形清洗機器人的外殼主要以鋁制材料為主。將鐵銹、鋁和水聲速的和取平均值，將該平均值作為實驗污垢超聲波傳播速度參量，即VS的參考值為4581m/s，約為4581mm/μs。在計算最終污垢厚度的平均值時，首先將偏差較大的數據剔除，然后將剩余的數據取平均值操作，得到該污垢測試點最終的厚度值為：

4 結論

本文針對管道蛇形清潔機器人控制系統平臺進行了設計，該平臺實現了管道蛇形清潔機器人的蜿蜒、翻轉和拐彎的運動步態以及無線遠程控制機器人對管道內壁完成清洗和數據的采集，證明了該平臺具有較好的擴展性和可行性。通過實驗和仿真分析驗證了無線通信的實時性和準確性，以及清潔機器人在管道環境中良好的運動穩定性和清潔能力，為工業和生活管道提供有效的清潔保證，并在太空機器管道的清潔工作上具有良好的應用前景。