基于STM32的負壓爬壁機器人控制系統設計

余凡, 王庭有，劉曉光, 周勇, 蔣曉明, 張浩

(1.昆明理工大學機電工程學院，云南昆明 650500；2.廣東省科學院智能制造研究所，廣東省現代控制技術重點實驗室，廣東廣州 510070)

0 前言

近年來，隨著建筑行業的快速發展，需要定期對特定區域高樓外墻進行安全偵察，以此來排除潛在的安全隱患。目前這些高危工作大部分都是靠人工完成，人工作業勞動強度大，工作危險性高。人們希望由爬壁機器人代替人去完成這些工作，以減少工人工作的危險性，因此負壓爬壁機器人得以廣泛應用和發展。負壓爬壁機器人(Negative Pressure Wall Climbing Robot,NPWCR)采用離心風機轉動，使負壓腔內產生負壓環境，利用內外壓力差使它吸附在墻壁上以進行工作。此外，爬壁機器人在復雜高危環境下工作時可能存在控制線纜纏繞牽絆等問題，嚴重影響負壓爬壁機器人工作的安全性，因此安全可靠的無線控制就顯得尤為重要。

為解決上述問題，本文作者設計一款無纜負壓爬壁機器人，以代替人工對高樓進行安全偵測。負壓爬壁機器人的控制系統是以微控制器STM32F103RCT6 作為核心處理器，連接其他電源、驅動、通信、攝像等功能模塊，與上位機(工業便攜式計算機)實現通信，形成一個較為完整的控制系統。通過上位機發送指令到核心處理器，從而驅動爬壁機器人執行機構進行相應動作，攝像模塊進行圖像獲取及處理，將視頻傳輸到上位機，對工作區域實時監控。

1 控制系統總體設計

負壓爬壁機器人的控制系統模塊主要包括：主控模塊、電源模塊、無線通信模塊、電機驅動模塊、風機驅動模塊、攝像頭模塊等。主控模塊是控制系統的核心，用于處理指令，控制其他輔助模塊工作。電源模塊為整個控制系統提供工作電壓，保證各個模塊的正常供電。電機驅動模塊、風機驅動模塊、攝像頭模塊等是執行機構，通過主控模塊發送指令控制其進行工作。無線通信模塊用于上位機與機器人之間無線通信?？刂葡到y框圖如圖1所示。

圖1 控制系統框圖

2 系統硬件電路設計

2.1 主控模塊

負壓爬壁機器人采用STM32F103RCT6單片機作為控制系統的核心處理器，它是一種嵌入式微控制器的集成電路。主控模塊電路原理如圖2所示。

圖2 主控模塊電路原理

主控芯片工作電壓為3.3 V，時鐘電路從PD0和PD1兩個端口接入，外部接8 MHz時鐘振蕩器，時鐘振蕩電路精確地確定振蕩頻率，它與主芯片內部的振蕩電路配合，共同組成石英晶體諧振器，從而產生主板上各個系統所必需的時鐘信號。PA13和PA14為程序下載端口，RST為復位引腳。PB0、PB1、PB6、PB7是 PWM信號輸出引腳，用于對驅動電機轉速進行控制。PA0、PA1、PA8也是PWM信號輸出引腳，用于控制云臺舵機轉動角度控制和離心風機轉速。PA2、PA3連接主控芯片和WiFi通信模塊，用于遠程無線通信。

2.2 電源模塊

電源模塊為整個控制系統提供相應的工作電壓。由于輪組驅動電機和風機工作電壓都是24 V，選用24 V鋰電給機器人供電，并通過設計基于LM2596和ASM1117的降壓電路為控制系統提供所需的5 V和3.3 V電壓。電壓轉換電路如圖3 所示。

圖3 電源模塊電壓轉換電路

2.3 無線通信模塊

無線通信模塊的作用是實現負壓爬壁機器人與上位機之間的信息交互。在控制系統中選用ESP-12E WiFi模塊作為無線網絡發射端。模塊的21號引腳RXD0、22號引腳TXD0的兩個接口用于數據通信；RXD接收數據、TXD發送數據，并分別與STM32引腳的RX2和TX2串口相連，用于數據通信。WiFi最小系統原理如圖4所示。

圖4 WiFi最小系統原理

2.4 電機驅動模塊

電機驅動模塊用來驅動輪組電機轉動，帶動負壓爬壁機器人完成前進、后退、轉彎等動作。電機驅動芯片選用BTN7971B。STM32芯片發送PWM信號到三態輸出的八路緩沖器DM74LS244WM中，根據控制信號的狀態，將總線上的地址代碼暫存起來，并輸出到電機驅動芯片BTN7971B，驅動電機運轉。電機驅動模塊電路原理如圖5所示，其中P9、P10為電機接口。

圖5 電機驅動模塊電路原理

2.5 風機驅動模塊

負壓爬壁機器人的負載能力通過調節離心風機轉速來改變。風機電機選用無刷直流電機，通過脈沖寬度調制(PWM)調控其轉速，根據工作環境不同，調節風機轉速，從而改變負壓腔內外壓力差。風機接入24 V工作電壓，通過定時器從主控芯片PA8口輸出PWM脈沖波，調節脈沖寬度大小以控制離心風扇轉速。占空比越大，離心風扇轉動得越快，產生的負壓就越大，負壓爬壁機器人負載能力就越大。

2.6 攝像模塊

攝像模塊首先通過鏡頭采集圖像，再通過內部處理器處理圖像信息，信息處理好后通過STM32將視頻傳輸到上位機，以便進行遠距離監控偵察。攝像頭模塊主要包含攝像頭、圖像傳感器SENSOR、數字圖像處理器DSP、同步信號發生器、A/D 和D/A轉換電路和電源電路。攝像頭模塊工作電壓為5 V，通過控制主板為它供電?？刂贫送ㄟ^無線局域網連接攝像頭獲取監控信息，從而實現無線遠程偵察監控?？刂浦靼錚A0和PA1口輸出一定脈沖寬度的PWM波，用于控制攝像頭舵機轉動。通過調節脈沖寬度調節內部舵機的轉動角度，從而實時調節攝像頭的拍攝角度，來獲取周圍的環境信息。

3 系統軟件設計

負壓爬壁機器人控制系統程序設計采用模塊化設計思想，首先對各個模塊相關的應用程序進行編寫，當需要使用這些程序模塊時，直接在主程序調用各模塊的程序即可。

3.1 主程序設計

主程序主要完成系統中的各部分的初始化工作和各模塊子程序的調用以及時序邏輯控制工作。系統上電后，進行時鐘函數、中斷分組、串口、系統延時函數等各模塊函數的初始化。上位機與主控制板進行連接，當上位機與主控制板連接成功時，LDE燈呈現常亮狀態，連接失敗LDE燈呈現閃爍狀態。離心風扇轉動使負壓腔內外產生壓力差，機器人在內外壓差作用下吸附在墻壁上。此時機器人等待控制端給予控制指令，WiFi信號連接成功后，攝像頭開始工作，進行圖像處理，并將數據傳輸給控制端。當STM32芯片接收到上位機發送的控制指令時，控制系統啟動相應控制程序，使機器人完成相應工作。系統程序流程如圖6所示。

圖6 主程序流程

3.2 無線通信程序設計

結合硬件電路設計，通過程序編寫在上位機和主控制板之間形成協議通信，實現上位機與爬壁機器人之間無線遠距離通信。將無線通信模塊與核心處理器連接，進行串口初始化，系統進入配置模式，設置接收數據(RX2)和發送數據(TX2)的引腳。通過定時器定時發送數據，定時器時間達到后，執行定時器溢出中斷程序并完成數據傳輸。通信模塊進入RX模式，便可以接收數據。首先判斷數據是否有新的更新；然后，開始接收數據，讀取外部狀態儲存器的值并清除MAX_RT中斷標志，當數據接收完成后將數據放入串口緩存器等待發送；當通信模塊進入TX模式時，便可以發送指令，數據寫入到TX_BUT(待發送數據地址)中，系統自動讀取狀態儲存器的值，讀取完成后清除TX_DX中斷標志；達到最大發射次數后，清除TX_FIFO寄存器完成發送，整個收發過程完成。后面不斷重復上述步驟，接收和發送新的數據，從而實現上位機和主控制板之間的數據通信。無線通信數據收發流程如圖7所示。

圖7 無線通信數據收發流程

3.3 電機及風機驅動控制程序設計

電機和離心風機的驅動控制程序主要是對電機和離心風機進行PWM調速控制，通過控制PWM 脈沖占空比來調節電機運轉速度。對于驅動電機運動控制，首先進行電機端口初始化，定義引腳輸出狀態；其次，運用定時器編寫程序，輸出一個PWM脈沖波形用于對左右驅動電機轉速進行控制，在運動控制中定義L_Speed為電機左輪速度、R_Speed為電機右輪速度；當小車需要前進或后退時，左右兩輪轉動方向和轉速相同，當小車需要轉彎時，左右電機轉向相同轉速不同使用差速轉彎。

對于離心風機轉速控制，當系統上電后，風機模塊初始化，系統進入風機調速程序，對風機轉速是否達到程序設定轉速進行判斷。當轉速不足時增加轉速，達到設定轉速后，再執行后面的操作。風機轉速通過調節PWM脈沖寬度進行控制，風機調速控制程序利用高級定時器1編寫，通過PA8口輸出20 kHz的PWM矩形波，輸出的脈沖占空比越大，風機轉速就越大。當負壓爬壁機器人工作時，通過控制端可以手動調節PA8口輸出的PWM脈沖占空比，從而控制風機轉速，進而增大或者減小負壓腔內的負壓。風機初始化程序轉速設定為50%，在它工作過程中，可以根據工作環境，自行調節風機轉速，以適應不同的工作環境。PWM調速控制流程如圖8所示。

圖8 PWM調速控制流程

3.4 上位機軟件設計

上位機軟件主要分為三大板塊：小車的運動控制部分、風機的調速控制部分、攝像頭的視頻監控部分。上位機軟件界面如圖9所示。

圖9 上位機軟件界面

上位機用于來操控爬壁機器人進行運動和控制執行機構進行相應工作。打開負壓爬壁機器人開關電源，運行上位機軟件，連接無線網絡，當無線網絡連接成功后，上位機便可以向核心處理器發送控制信號，遠程無線操控負壓爬壁機器人運動，同時可通過攝像頭獲取視頻信息，將視頻經過處理后傳輸到上位機顯示，以對周圍環境進行實時監控。當需要手動調節風機轉速時，可以通過上位機風機調速按鈕向主控芯片發送控制信號，進而調節風機的轉速?？赏ㄟ^控制上下舵機的轉動角度，來改變攝像頭的位置，擴大攝像頭的視覺監控范圍，以便于從上位機獲得更多環境信息。

4 系統調試與實驗測試

負壓爬壁機器人結構框架采用尼龍塑料加工，整體更加輕盈，機器人質量為1.6 kg、尺寸為240 mm×240 mm×96 mm，機器人運動機構采用履帶傳動式，運動更加平穩。對其各功能模塊進行測試，首先檢查各個模塊接線是否完好，開啟電源開關，將爬壁機器人放置在墻壁上，通過上位機操控爬壁機器人運動，觀察其運動情況、風機調速、視頻傳輸、云臺舵機等是否正常工作，并根據實際工作狀況修改程序以對機器人進行調整，直至其所有功能達到預期效果。在系統各個功能模塊調試完成后，進行整體實驗測試。

4.1 速度測試

對負壓爬壁機器人的最大運行速度和最小轉彎半徑進行測試，結果如表1所示。

表1 負壓爬壁機器人速度測試結果

由表1可知：負壓爬壁機器人直線運動時，最大運行速度為0.11 m/s；原地轉彎運動時，最小轉彎半徑為0.17 m，最大運行速度為0.09 m/s。

4.2 轉向測試

利用卷尺和量角器對負壓爬壁機器人進行轉向測量，在相同轉動角度下，測試不同差速單位脈寬時機器人的轉彎狀況，結果如表2所示。

表2 負壓爬壁機器人轉向測試結果

由表2可知：負壓爬壁機器人在最小差速單位時運行速度為0.04 m/s、在最大差速單位時運行速度為0.08 m/s，爬壁機器人轉向速度可調，轉彎靈活。

4.3 壁面適應性測試

為測試所設計的負壓爬壁機器人在壁面的運動狀況，在生活中3種常見的壁面上進行測試，分別為玻璃壁面、粉刷墻面、瓷磚壁面。

經過實驗測試，負壓爬壁機器人在玻璃壁面、白色粉刷墻面、瓷磚壁面(寬度約4 mm，深度約3 mm)三種壁面均可以穩定吸附，并且運動靈活。負壓爬壁機器人整體具有穩定的吸附性，在測試過程中控制系統一切正常，可以完成無線遠距離偵察監控工作。壁面測試如圖10—圖12所示。

圖10 玻璃壁面 圖11 粉刷墻面 圖12 瓷磚壁面

5 結論

利用STM32核心控制器設計了一套負壓爬壁機器人控制系統，詳細介紹了該控制系統的硬件與軟件設計過程，最后對負壓爬壁機器人整體進行了系統測試，驗證了所設計的爬壁機器人控制系統的可行性。該控制系統可以驅動負壓爬壁機器人在不同壁面靈活移動，具有良好的穩定性。通過各種功能模塊共同作用，實現了負壓爬壁機器人的連續運動、無線通信、視頻實時監控等功能，為開發多功能負壓爬壁機器人提供了參考。