基于STM32F745四輪管道機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

袁麗娟 于玲

摘要：為提高管道機(jī)器人行走的穩(wěn)定性，并提高管道機(jī)器人的實(shí)時(shí)處理能力，本論文提出了基于STM32F745+LM629的全新雙核控制模式。四輪管道機(jī)器人控制器以LM629為處理核心，把STM32F745從復(fù)雜的工作當(dāng)中解脫出來，實(shí)現(xiàn)部分的信號(hào)處理算法和LM629的控制邏輯，并響應(yīng)中斷，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和存儲(chǔ)實(shí)時(shí)信號(hào)。

關(guān)鍵詞：管道機(jī)器人;伺服;陀螺儀

中圖分類號(hào)：TM301? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）27-0139-04

Abstract： In order to improve the walking stability and the real-time processing ability of pipeline robot， a new dual core controller based on stm32f745 + LM629 is proposed in this paper. With LM629 as the processing core， the controller of the four-wheel pipeline robot can free stm32f745 from the complicated work， realizes part of the signal processing algorithm and LM629 control logic， and responds to the interrupt to realize data communication and real-time signal storage.

Key words： pipeline robot; servo; gyro

1 引言

管道機(jī)器人是一種攜帶多種智能傳感器，并且可以沿著管道內(nèi)部自主行走，在總控條件下完成一系列管道內(nèi)工作的機(jī)電一體的自動(dòng)化系統(tǒng)[1-3]。

管道機(jī)器人的研究開始于20世紀(jì)40年代，國外管道機(jī)器人技術(shù)于90年代初得到了迅猛發(fā)展，并制造了多種研發(fā)樣機(jī)，取得了大量的研究成果[4-6]。管道機(jī)器人的使用，不僅可以提高管道清理的效率，而且對(duì)于改善勞動(dòng)條件，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高作業(yè)效率，降低作業(yè)成本，保障人身安全都有著十分重要的意義。

管道機(jī)器人算法是機(jī)器人的靈魂，管道機(jī)器人必須采用一定的人工智能算法才能準(zhǔn)確地從管道一點(diǎn)到達(dá)管道另外一點(diǎn)，整個(gè)過程中，只有多種人智能算法的參與，才能保證管道機(jī)器人自主行走，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的巡檢，運(yùn)動(dòng)過程中又必須實(shí)時(shí)傳輸圖像采集和溫度采集結(jié)果[7-8]。

微處理器是管道巡檢機(jī)器人的核心部分，是巡檢機(jī)器人的大腦，管道內(nèi)的溫度、煙霧、位置信息和電機(jī)狀態(tài)信息等都需要經(jīng)過微處理器處理并做出相應(yīng)的判斷。

國內(nèi)對(duì)管道機(jī)器人的研究只是剛剛起步，受主控器影響，處理速度較慢，穩(wěn)定性較差，均處于實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)設(shè)計(jì)階段，離大規(guī)模使用具有一定的距離。

本論文為了解決上述問題，研發(fā)了一種基于STM32F745+LM629雙核控制的四輪驅(qū)動(dòng)管道巡檢機(jī)器人，依靠其攜帶的溫度采集系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)和無線傳輸裝置，自主在管道中導(dǎo)航，并實(shí)現(xiàn)電纜巡檢，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)上報(bào)總站處理器。

2 基于STM32F745+LM629四輪管道機(jī)器人

STM32F745是STMicroelectronics 所生產(chǎn)的全新STM32F7 MCU系列產(chǎn)品，是全球第一個(gè)量產(chǎn)且擁有32位元ARM Cortex-M7處理器的微控制器。Cortex-M7是Cortex-M系列產(chǎn)品中最新推出且效能最高的處理器核心，STM32F745 配備擁有浮點(diǎn)運(yùn)算單位及DSP擴(kuò)充功能的Cortex-M7核心，運(yùn)算速度最高 216MHz。STM32F745將ARM Cortex-M7效能超越早期核心（譬如Cortex-M4）的優(yōu)勢(shì)運(yùn)用到極致，效能達(dá)到將近DSP 兩倍，使此 MCU 非常適合用于要求高速或多通道電機(jī)控制之應(yīng)用。

LM629是National semiconductor生產(chǎn)的一款專用于精密運(yùn)動(dòng)控制的PWM芯片，具有多種管腳和多種封裝，在LM629芯片內(nèi)部集成了數(shù)字式運(yùn)動(dòng)控制的全部功能，使得實(shí)現(xiàn)一個(gè)精準(zhǔn)、快速的伺服控制系統(tǒng)的任務(wù)變得輕松、容易，LM629相對(duì)于其他芯片具有以下特性：工作頻率為6MHz和8MHz，工作溫度范圍為-40℃～+85℃ ，使用5V電源;32位的位置、速度和加速度存器;8位分辨率的PWM脈寬調(diào)制輸出;16位可編程數(shù)字PID控制器;內(nèi)部的梯形速度發(fā)生器;該芯片可實(shí)時(shí)修改速度、目標(biāo)位置和PID控制參數(shù);實(shí)時(shí)可編程中斷;可編程微分項(xiàng)采樣間隔;對(duì)增量碼盤信號(hào)進(jìn)行四倍頻;可設(shè)置于速度或位置伺服兩種工作狀態(tài)。上述特點(diǎn)使得LM629特別適合應(yīng)用于四輪驅(qū)動(dòng)管道機(jī)器人伺服運(yùn)動(dòng)控制中。

在吸收國外管道機(jī)器人先進(jìn)設(shè)計(jì)思想的基礎(chǔ)上，本文在STM32F745的管道機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器基礎(chǔ)上引入伺服驅(qū)動(dòng)器LM629，控制器以LM629為伺服控制處理核心，實(shí)現(xiàn)管道機(jī)器人快速行走時(shí)時(shí)四周軸伺服電機(jī)同步信號(hào)的實(shí)時(shí)處理，論文設(shè)計(jì)的控制器原理框圖如圖1所示：其中的電機(jī)X通過齒輪控制左邊的兩運(yùn)動(dòng)輪，電機(jī)Y通過齒輪控制右邊的兩運(yùn)動(dòng)輪，形成新型兩軸四輪管道機(jī)器人。

3 四輪管道機(jī)器人導(dǎo)航原理

為了能夠精確導(dǎo)引管道機(jī)器人自動(dòng)進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域， 本發(fā)明采用兩套傳感器導(dǎo)航模式（磁導(dǎo)航+激光導(dǎo)航），所發(fā)明的管道機(jī)器人二維結(jié)構(gòu)如圖2所示。

為了精確判斷管道的損害位置，本四輪機(jī)器人采用雙導(dǎo)航模式：磁導(dǎo)航傳感器M1時(shí)刻檢測(cè)管道中的導(dǎo)航磁條，并依此傳感器作為短距離范圍的第一導(dǎo)航判據(jù)，當(dāng)導(dǎo)航磁條不存在或?qū)Ш狡x距離較大時(shí)，激光位移傳感器器LSF開始作用，激光雷達(dá)判斷前進(jìn)方向與左右管壁的距離以及一些特征標(biāo)志物，為管道機(jī)器人長(zhǎng)距離直線運(yùn)動(dòng)提供導(dǎo)航依據(jù)并修正現(xiàn)有的距離誤差，并為管道機(jī)器人前進(jìn)障礙物的判別提供依據(jù)以及停車做判據(jù)。