管溝機器人自動化檢測系統(tǒng)設(shè)計

傅茂龍，孟 文，孟祥印，楊子鐿，郭學(xué)理

(西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，成都 610031)

0 引言

機器人的發(fā)展歷史可以一直追溯到18世紀(jì)末19世紀(jì)初，英國的自動紡織機成為機器人的最早原型。直到21世紀(jì)以來，機器人技術(shù)在不斷發(fā)展，機器人技術(shù)被認(rèn)為是對未來的產(chǎn)業(yè)具有重大意義的高新技術(shù)之一[1]。機器人是集成計算機、機械結(jié)構(gòu)及自動化技術(shù)的高端智能設(shè)備[2]，機器人可以執(zhí)行各種任務(wù)，從日常家務(wù)[3-4]、工業(yè)生產(chǎn)[5-7]、醫(yī)療設(shè)備[8-9]到極端環(huán)境檢測[10-11]。機器人為人類提高了生產(chǎn)效率，增強了安全性，改善了生活質(zhì)量，降低了勞動成本。總而言之，機器人在人類生活中成為了不可或缺的一部分，成為人類最重要的輔助工具之一[12]。

隨著我國城市建設(shè)工業(yè)化、現(xiàn)代化和智能化的推進，越來越多的鐵路、高速公路以及城鎮(zhèn)都配備了排水管溝[13]。排水管溝經(jīng)長期使用時，需要定期對排水管溝進行檢測，排水管溝系統(tǒng)錯綜復(fù)雜，使得排水管溝管理，檢修問題尤為突出。最早管溝的維修都是人工進行檢修，管溝內(nèi)環(huán)境惡劣，人工進入管溝內(nèi)還存在著瘴氣、塌陷等風(fēng)險，導(dǎo)致人工檢測的效率低下[14]。現(xiàn)階段結(jié)合機器人技術(shù)，出現(xiàn)了管溝檢測機器人代替人工進入管溝檢測[15]，管溝機器人最早出現(xiàn)在歐美國家，后逐漸引入國內(nèi)，在沿海城市得到了廣泛的應(yīng)用。

管溝檢測機器人主要是在鐵路涵洞，公路排水渠以及城市管網(wǎng)進行檢測，對管溝進行檢測、清潔等[16]。管溝檢測機器人攜帶一定的傳感器、攝像頭等，進入管溝檢測[17]，將管溝內(nèi)的環(huán)境實時反饋給工作人員，由工作人員進行管溝缺陷的評估和分析[18]。但是現(xiàn)如今的管溝機器人還存在著一定的不足，例如：1)操作復(fù)雜、操作界面不夠簡潔，需要提前對工作人員進行培訓(xùn)；2)信號連接不穩(wěn)定、管溝內(nèi)情況復(fù)雜、距離較長、傳輸?shù)男盘柸菀资芨蓴_，導(dǎo)致指令接收錯誤和數(shù)據(jù)中斷；3)機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護較為困難、機器人的零件較為昂貴，增加了機器人的成本[19]；檢測任務(wù)繁重，需要人工進行輔助檢測，無法做到完全智能化。因此，針對上述的種種問題，需要設(shè)計出一種操作簡單、通信穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單和智能化的管溝檢測機器人[20-21]。

為解決上述管溝機器人的種種痛點，本文設(shè)計開發(fā)了一整套的管溝機器人自動化檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含了數(shù)據(jù)處理和指令下發(fā)的PC上位機，管溝機器人本體，接收上位機命令的MCU微控制器以及各種執(zhí)行器。所設(shè)計的管溝機器人自動化檢測系統(tǒng)可以實現(xiàn)管溝內(nèi)部檢測，采集管溝內(nèi)圖像數(shù)據(jù)、遠程指令接收，可視化交互操作界面和自動化缺陷判別等功能。研制出管溝機器人自動化檢測系統(tǒng)，經(jīng)實際實驗測試，機器人系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地接收PC上位機的指令進行管溝檢測，以及對管溝缺陷的自動缺陷檢測。

1 管溝機器人系統(tǒng)

結(jié)合上述管溝機器人的檢測任務(wù)要求，設(shè)計出了一種實時性強、性能穩(wěn)定的自動化檢測系統(tǒng)。自動化檢測系統(tǒng)的工作流程為：管溝機器人進入管溝內(nèi)部，PC上位機對管溝機器人和線纜車發(fā)送指令，管溝機器人接收指令后進行前進、后退、抬升相機等操作，采集管溝內(nèi)部的圖像信息。線纜車依據(jù)指令進行收放線纜，當(dāng)機器人在管溝內(nèi)部宕機時，線纜車將機器人拖回，回收管溝機器人。PC上位機實時顯示機器人的狀態(tài)，顯示管溝圖像，電機轉(zhuǎn)速，抬升角度等信息，PC作為自動化檢測的大腦，對機器人、線纜車進行控制和監(jiān)控。

自動化檢測系統(tǒng)主要可以分為3層：決策層、管理層及執(zhí)行層。決策層包含了PC上位機和控制手柄，管理層主要是MCU的微控制器，用于接收決策層的命令和上傳數(shù)據(jù)，執(zhí)行層主要是各類電機和攝像機，完成對應(yīng)的動作。管溝機器人自動化檢測系統(tǒng)的總體如圖1所示。

圖1 管溝機器人自動化檢測系統(tǒng)框圖

1)決策層：決策層主要是用于接收工業(yè)攝像機的圖像信息，可視化機器人信息，接收機器人數(shù)據(jù)和下發(fā)控制指令。

2)管理層：管理層包含了管溝機器人本體和線纜車兩大部分，機器人本體又包含機器人車身和機器人云臺，機器人本體內(nèi)部采取CAN總線通信進行信息交互。管理層和決策層之間采取RS485總線進行通信，接收決策層的指令。

3)執(zhí)行層：執(zhí)行層主要是各類電機、LED燈和傳感器、接收MCU的控制信號，完成對應(yīng)的動作。

2 管溝機器人系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 PC工控機外圍電路設(shè)計

PC工控機承擔(dān)了主要的視覺檢測以及運動控制任務(wù)，首先接收工業(yè)攝像機的圖像信息和機器人本體傳輸?shù)臓顟B(tài)信息，然后通過得到的數(shù)據(jù)標(biāo)注出管道缺陷類型和位置，計算出機器人本體所需要的電機速度，最后通過RS485下發(fā)指令給機器人本體，機器人本體控制相應(yīng)執(zhí)行設(shè)備完成作業(yè)。

PC工控機現(xiàn)階段主要的接口是USB，分析上述需求，需要將USB轉(zhuǎn)換成接收視頻的同軸電纜和RS485總線通信。具體設(shè)計如下：

1)USB轉(zhuǎn)同軸電纜：USB轉(zhuǎn)同軸電纜中使用的是美樂威的USB Capture SDI Gen 2，輸入接口支持SDI/HD/3G-SDI，本項目使用的是3G-SDI，最高支持的傳輸距離是150 m。采集的最高分辨率為20 481 080，采集的幀率最高支持120 fps，主機的接口為USB3.0，兼容USB2.0，主機即插即用，自動檢測輸入信號。USB Capture SDI Gen 2如圖2所示。

圖2 美樂威USB Capture SDI Gen 2

2)USB轉(zhuǎn)RS485：USB轉(zhuǎn)RS485的硬件電路基本方案是先將USB的DP和DM差分信號轉(zhuǎn)換成TTL串口TX/RX，再將TX/RX轉(zhuǎn)換成RS485的A和B，最終完成USB協(xié)議到RS485協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

如圖3所示，使用CH340E芯片將USB轉(zhuǎn)換成TTL的串行通信TX/RX，CH340E內(nèi)置時鐘無需外部另接晶振，是MSOP-10的微小型的貼片封裝。TTL轉(zhuǎn)RS485的芯片選擇SP3485EN-L，是SOIC-8的貼片小型封裝，利用CH340E的TNOW引腳對SP3485EN-L的接收和發(fā)送DE進行控制。USB轉(zhuǎn)RS485還添加了LED燈指示現(xiàn)在是否工作，添加濾波電容對USB進來的5 V進行濾波處理。

圖3 USB轉(zhuǎn)RS485原理圖

2.2 控制手柄硬件設(shè)計

控制手柄作為決策系統(tǒng)的其中一部分，設(shè)計的最初目的是方便工作人員在現(xiàn)場對機器人進行控制，通過選擇不同的按鍵實現(xiàn)不同的功能。設(shè)計的整體思路是手柄+接收發(fā)送器配合，當(dāng)檢測出按鍵按下時，對應(yīng)的接收發(fā)送器通過RS485總線發(fā)出相應(yīng)的指令。如圖4所示，選取STM32F103C8T6作為發(fā)送接收器的主控芯片，選取索尼的PS2進行反向破譯，當(dāng)PS2手柄的按鍵按下，通過2.4 G無線的接收器，MCU接收到按鍵按下的信息，發(fā)出對應(yīng)的指令。

圖4 控制手柄硬件框圖

2.3 管溝機器人車身硬件設(shè)計

隧道管溝機器人車身的硬件系統(tǒng)主要是以MCU的主控器為核心，通過接收上層決策系統(tǒng)下發(fā)的指令，完成相應(yīng)的動作。隧道管溝機器人的MCU的主控板是實現(xiàn)電機等閉環(huán)控制的基礎(chǔ)，通過一些采樣電路、通信電路和傳感器模塊，完成對隧道管溝機器人的運動控制。本小節(jié)中，機器人的車身硬件設(shè)計考慮從機器人車身的控制需求和實際環(huán)境特性出發(fā)，機器人車身主要負責(zé)的是機器人本體的前進、后退、轉(zhuǎn)彎和云臺的升降。車身的主控MCU接收到?jīng)Q策系統(tǒng)下發(fā)的指令，實現(xiàn)對應(yīng)的操作以及回復(fù)PC工控機的數(shù)據(jù)請求。

依據(jù)上述的要求，機器人本體車身的硬件要求有如下幾點：

1)MCU主控制器電路；

2)RS485接口電路；

3)CAN接口電路。

隧道管溝機器人本體車身硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 機器人本體車身硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.4 電源供電電路設(shè)計

隧道管溝機器人本體車身需要的電壓有：MCU的3.3 V、CAN和RS485接口電路的5 V、繼電器的12 V、光耦隔離的PWM輸出的12 V和電機所需的24 V。綜上所述，機器人本體所需要的供電方案有：24 V-DCDC-12 V、24 V-DCDC-5 V和5 V-LDO-3.3 V。

2.4.1 24 V-DCDC-12 V

24 V轉(zhuǎn)12 V的DCDC方案選擇的開關(guān)電源芯片是，LM2678S-12 V，是TI(德州儀器)推出的新型的DCDC芯片。LM2678S-12 V具有內(nèi)置電阻調(diào)節(jié)，固定輸出12 V電壓，輸入的電壓從8～40 V。具有高達92%的轉(zhuǎn)換效率，260 kHz的固定轉(zhuǎn)換頻率，待機電流僅為50 μA，使用的溫度范圍為-40～+125°，能夠滿足絕大部分的使用要求，而且使用起來簡單，無需外接太多元器件即可完成轉(zhuǎn)換。使用LM2678S-12 V進行轉(zhuǎn)換的電路如圖6所示。

圖6 24 V-DCDC-12 V

2.4.2 24 V-DCDC-5 V

依據(jù)上述針對一些接口電路的供電需求，需要將24 V轉(zhuǎn)換成5 V給CAN接口芯片供電。考慮到經(jīng)濟實惠、穩(wěn)定可靠的要求，選擇了這款LM2595S-5.0RG，TO263的貼片封裝。LM2595S-5.0RG是一款經(jīng)典的PWM控制的DCDC(穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換器)，具有3 A的大電流驅(qū)動能力，相較于其他芯片具有高效率、較低的紋波和高線性的調(diào)節(jié)率等特點。該芯片的占空比調(diào)節(jié)范圍為0～100%，寬輸入電壓從0～45 V，有3.3 V、5 V和12 V的固定輸出版本和可調(diào)輸出版本。項目中使用的是5 V的固定輸入版本，具有150 kHz的固定的工作頻率，內(nèi)置了電流過流保護和過溫防護，還帶有ON-OFF的遲滯開關(guān)功能，單價便宜，適用于多種設(shè)備。項目中使用LM2595S-5.0RG將24 V轉(zhuǎn)換成5 V的電路原理如圖7所示。

圖7 24 V-DCDC-5 V電路原理圖

2.4.3 5 V-LDO-3.3 V

考慮到MCU主控芯片需要的電源紋波更小，所以不能選擇DCDC方案，應(yīng)該選擇LDO方案。LDO(低壓差線性穩(wěn)定器)體積更小、精度更高、紋波更小，但是轉(zhuǎn)換效率不高。綜上所述，LDO不宜壓降太大，所以選擇上文中24 V-DCDC-5 V后的5 V作為芯片的輸入電壓。本項目選擇的芯片是較為實惠的UMW(友臺半導(dǎo)體)的AMS1117-3.3的固定輸出版本，輸出的電流為1 A，具有電流過流保護，輸出電壓的精度控制在2%以內(nèi)，工作溫度范圍為-40～+125 ℃。AMS1117-3.3的使用比較簡單，一般為3個引腳、一個輸入、一個輸出和接地。輸出端接入兩個電容進行濾波，輸出接兩個電容進行去耦，AMS1117-3.3的使用電路如圖8所示。

圖8 5 V-LDO-3.3 V電路原理圖

2.5 CAN接口電路

CAN總線是一種支持多主多從的分布式實時串行通信，因為其通信的高可靠性和高性能得到了廣泛的應(yīng)用，因本項目中機器人本體內(nèi)部通信選擇了CAN總線，所以需要對CAN接口電路進行設(shè)計。

本項目選用的CAN收發(fā)器是PHILIPS(飛利浦)推出的高銷量的TJA1050T，這款CAN收發(fā)器完全兼容了“ISO 11898”標(biāo)準(zhǔn)，最高速率可達1 Mbaud，具有輸入保護和熱保護，支持的電壓為3.3～5 V，最高支持110個節(jié)點，不使用的節(jié)點不干擾總線傳輸。CAN收發(fā)器的使用原理如圖9所示。

圖9 CAN接口電路

TJA1050T在本項目使用的電源輸入為5 V，圖中CAN收發(fā)電路在點對點通信時，CAN_H和CAN_L直接需要串接120 Ω，提升抗干擾的能力，確保總線能夠快速進入隱形狀態(tài)，以及消除反射的能力。當(dāng)CAN作為其中一個端點時，需要去除120 Ω，這時候只需要將JP2插針的跳線帽拔除即可，這樣CAN接口電路既可點對點通信，也可多機通信。

2.6 RS485接口電路

RS485接口電路和CAN接口電路一致，都是采取差模傳輸方式，差模傳輸方式在傳輸過程中兩條雙絞線受到的干擾是同時存在的，在接收端接收雙絞線的電平進行差值計算，相較于傳統(tǒng)的共模傳輸，大大增強了傳輸?shù)目垢蓴_性。

RS485通信是一種半雙工的通信方式，傳輸?shù)木唧w最遠可以達到1 500 m，傳輸?shù)墓材ｋ妷悍秶鸀?6～+6 V，傳輸?shù)淖罡咚俾誓軌蜻_到10 Mbps，理論最多的接收節(jié)點可達128個，本項目中主要是利用RS485總線進行機器人外部通信的構(gòu)建。

本項目使用的RS485收發(fā)器接口芯片是TI(德州儀器)的SN75176BDR，采取的封裝是SOP8的貼片封裝，符合且超出了國際的ANSI標(biāo)準(zhǔn)，具有三狀態(tài)的驅(qū)動和接收，具有熱關(guān)斷的保護措施，5 V的電源供電，比較適合在嘈雜的環(huán)境下的長距離的通信。本項目中RS485使用的電路原理如圖10所示。

圖10 RS485接口電路

RS485和CAN接口電路一樣，都需要增加電阻提升抗干擾性，所以在JP4當(dāng)中增添了120 Ω，當(dāng)作為點對點通信時，需要將跳線帽連接JP4，使得120添加進電路中。當(dāng)作為其中一個節(jié)點時，不需要額外的串接電阻，這時將JP4的跳線帽拔下，即可完成作為一個節(jié)點進行使用。JP4巧妙的設(shè)計使得整個隧道管溝機器人自動化系統(tǒng)能夠完成外部多機的遠距離通信。

2.7 電機驅(qū)動隔離光耦電路

直流無刷電機、直流無刷驅(qū)動器以及驅(qū)動的電路原理如圖11所示，為保證隔離MCU主控電路，添加光耦進行電路隔離，防止電機旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的反電動勢燒壞MCU。

圖11 電機驅(qū)動隔離光耦電路

圖12 RS485總線報文結(jié)構(gòu)示意圖

2.8 硬件設(shè)計的主要參數(shù)

自動化管溝檢測系統(tǒng)的PC為聯(lián)想工控機，CPU為i5-9300H，顯卡為RTX 1050Ti。管溝機器人本體的MCU芯片為STM32F407ZET6，控制手柄的MCU芯片為STM32F103C8T6，線纜車的MCU芯片為STM32F407IGT6。相機為索尼工業(yè)攝像機，支持1 080 P 30 Hz和720 P 60 Hz兩種格式視頻。機器人內(nèi)部CAN通信選擇的芯片為TJA1050T，外部RS485總線通信的芯片為SN75176BDR。云臺步進電機為鳴志ML42HS2L4240的42步進電機，機器人行走的直流無刷電機為AM-BL45100AE2406空心杯無刷電機。結(jié)合上述的基礎(chǔ)器件，所設(shè)計的硬件電路基本符合設(shè)計需求，能夠滿足遠距離的RS485通信、多機的CAN通信、100 m同軸電纜視頻傳輸，滿足自動化管溝檢測所需要的功能。

3 機器人系統(tǒng)總線傳輸協(xié)議設(shè)計

依據(jù)上一小節(jié)的硬件設(shè)計要求，隧道管溝機器人本體內(nèi)部采取CAN總線，機器人外部采取RS485總線。

3.1 CAN總線協(xié)議制定

CAN總線是一種串行的協(xié)議總線，CAN總線的標(biāo)識位決定了消息的優(yōu)先級和對應(yīng)的功能，利用CAN總線的非破壞性的仲裁機制，高優(yōu)先級的消息繼續(xù)發(fā)送，低優(yōu)先級的消息停止發(fā)送。CAN總線在消息出錯后會自動重發(fā)，CAN總線的效率非常高而且比較穩(wěn)定。

在本項目中，主要選擇的是CAN總線的數(shù)據(jù)幀格式，最高支持的數(shù)據(jù)大小為8 byte。CAN總線的數(shù)據(jù)幀分成了標(biāo)準(zhǔn)幀和擴展幀，數(shù)據(jù)幀由7個部分組成，分別是：起始段(SOF)、仲裁段、控制段、數(shù)據(jù)段(0～8 byte)、CRC校驗段和結(jié)束段(EOF)，擴展幀比標(biāo)準(zhǔn)幀在仲裁段上多了18 bit，仲裁段從11 bit變成了29 bit。

利用CAN總線的仲裁機制，也將接入CAN總線的設(shè)備仲裁段進行編號，如表1所示。

表1 自定義CAN協(xié)議設(shè)備ID

本項目中將每一個CAN設(shè)備節(jié)點設(shè)計成一個三層的對象，底層驅(qū)動層提供CAN的收發(fā)接口，底層驅(qū)動只負責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，不用關(guān)心數(shù)據(jù)的類型和大小。共享內(nèi)存被應(yīng)用程序和驅(qū)動共享，共享內(nèi)存中保存了設(shè)備的數(shù)據(jù)，應(yīng)用層負責(zé)修改和復(fù)位共享內(nèi)存里的數(shù)據(jù)，將修改完成后的數(shù)據(jù)保存在共享內(nèi)存中，最后再由應(yīng)用層交付給底層驅(qū)動層進行發(fā)送。

3.2 RS485總線協(xié)議制定

管溝機器人車體、線纜車和決策系統(tǒng)之間采取RS485的電氣接口，RS-485是在485遠程傳輸方式上規(guī)定了電氣屬性，為了保證遠距離傳輸，RS485設(shè)計為差分傳輸，抑制了共模干擾。

工業(yè)自動化領(lǐng)域在以RS485作為硬件層上建立的應(yīng)用層協(xié)議Modbus，Modbus是一種串行通信的應(yīng)用層協(xié)議，目前已經(jīng)在工業(yè)自動化中使用非常廣泛。Modbus是一主多從的應(yīng)用層協(xié)議，Master是主機，其他總線上的都是Slave(從機)，每一個從機都擁有自己的設(shè)備地址，所有通信均由主機發(fā)起，從機不能主動發(fā)起通信，從機與從機也無法通信。

本項目參照Modbus RTU協(xié)議，定義管溝機器人系統(tǒng)的應(yīng)用層協(xié)議，如下所示，報文每個段的描述如圖2所示。報文段的固定幀頭是0x55，固定數(shù)值，節(jié)點地址總共5個，分別是：PC工控機為主機，地址為0x00，控制手柄地址為0x01，隧道管溝機器人本體地址為0x02，線纜車的地址為0x03以及一個廣播地址0xFF。設(shè)備地址是某一個節(jié)點內(nèi)部的地址，例如機器人本體內(nèi)部的直流無刷電機地址定義為0x01，抬升的步進電機為0x02。CRC16是CRC的一種校驗方法，選取的多項式是8 005，多項式為x16+x15+x2+1。

4 管溝機器人系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 決策層PC上位機軟件設(shè)計

PC上位機是整個管溝機器人自動化系統(tǒng)的大腦，作為決策層的主控制器，它負責(zé)傳感器的數(shù)值監(jiān)控，管溝回傳視頻的實時缺陷檢測，工程信息數(shù)據(jù)的讀取和保存以及作為RS485通信協(xié)議的主站。綜合上述功能需求，PC上位機的軟件設(shè)計主要包含5大部分：控制部分、運動監(jiān)控、缺陷檢測、信息管理和協(xié)議主站，PC上位機的功能如圖13所示。

圖13 PC上位機功能示意圖

4.2 決策層控制手柄軟件設(shè)計

控制手柄作為管溝機器人決策層的輔助工具，其主要任務(wù)是幫助工作人員在現(xiàn)場控制機器人本體以及線纜車的運行，控制手柄的軟件設(shè)計主要包括掃描按鍵、讀取按鍵值和發(fā)送指令。

嵌入式掃描按鍵的方式有外部中斷掃描和狀態(tài)機FIFO按鍵掃描，本項目使用的索尼PS2的按鍵多達16個，若使用外部中斷掃描需要使用中斷號16個，這對于MCU控制器是一筆不小的資源消耗，綜上所述，選擇了狀態(tài)機FIFO方式進行按鍵掃描。

狀態(tài)機全稱為有限狀態(tài)機，是嵌入式領(lǐng)域一種常用的編程思想，狀態(tài)機將一個復(fù)雜的問題轉(zhuǎn)換成階段性問題，每個階段有不同的處理方法。將按鍵的狀態(tài)分為：松開、抖動、按下、長按、重復(fù)按和釋放，通過反復(fù)檢測按鍵狀態(tài)實現(xiàn)軟件消抖、長按和重復(fù)按功能。

4.3 管理層機器人軟件設(shè)計

管溝機器人管理層的軟件設(shè)計主要是對于MCU控制板的程序設(shè)計，主要的任務(wù)有以下幾部分：操作系統(tǒng)移植、協(xié)議棧構(gòu)建及多線程程序運行。

4.3.1 RTOS的移植

MCU的RTOS選擇的是RT-Thread，RT-Thread是中國在2006年開發(fā)的開源中立、社區(qū)發(fā)展起來的一款實時操作系統(tǒng)。RT-Thread的移植步驟主要分為4個步驟：配置系統(tǒng)時鐘、實現(xiàn)OS節(jié)拍、BSP板級初始化和堆內(nèi)存初始化。

4.3.2 協(xié)議棧移植

協(xié)議棧的移植主要是將自定義的CAN，RS485協(xié)議的CAN_Init.c、CAN_Init.h、CAN_BSP.c、CAN_BSP.h、RS485_Init.c、RS485_Init.h、RS485_BSP.c、RS485_BSP.h等文件添加進不同的控制板工程。CAN_Init和RS485_Init提供了CAN、RS485的底層驅(qū)動層，驅(qū)動層為上層應(yīng)用提供接受和發(fā)送功能。CAN_BSP和RS485_BSP提供了項目內(nèi)的協(xié)議解析規(guī)則，設(shè)備ID和消息組包功能，應(yīng)用程序直接調(diào)用該文件的API即可接入總線協(xié)議。

4.3.3 多線程程序運行

利用RT-Thread的多線程機制，在MCU控制器中創(chuàng)建了4個線程，分別是：主線程、空閑線程、消息處理線程及PID計算線程。主線程用于處理主要任務(wù)和創(chuàng)建其他線程，例如外設(shè)初始化、堆棧初始化、初始化線程、啟動線程和LED閃爍，LED閃爍用于顯示MCU是否正常工作。空閑線程用于監(jiān)測MCU運行狀態(tài)，記錄系統(tǒng)空閑時間，當(dāng)長期未接收到RS485的指令時，UART_IT_RXNE空閑標(biāo)志位置位1，開始計時，當(dāng)空閑線程的運行時間達到所設(shè)置的空閑時間上限，將一些耗能設(shè)備進行關(guān)閉。消息處理線程對中斷中接收到的消息進行處理，對協(xié)議進行解析后，執(zhí)行相應(yīng)的動作。

4.3.4 直流無刷電機PID控制軟件設(shè)計

在MCU的控制板上實現(xiàn)直流無刷電機的PID速度控制算法，需要考慮MCU的資源少以及計算速度慢等問題，因此，將原有的位置式PID改成了增量式PID。增量式的PID算法如下所示：

△u(v)=u(v)-u(v-1)=Kp[e(v)-e(v-1)]+

(1)

在MCU中使用增量式PID有以下幾個優(yōu)點：1)計算時間更短，無需計算當(dāng)前轉(zhuǎn)速和目標(biāo)轉(zhuǎn)速的差值，只需要計算前一時刻的輸出量的差值，更符合MCU的實時性要求；2)增量式PID無需保存歷史數(shù)據(jù)，只需要最近3次的PID輸出值，同時也大大節(jié)約了MCU的資源；3)增量式PID在實現(xiàn)的過程中無需考慮積分飽和微分噪聲的情況，使控制器更穩(wěn)定，性能更好。

在MCU中定義PID結(jié)構(gòu)體{PID_t}，設(shè)置定時器時間為50 ms，即每50 ms使用霍爾傳感器對直流無刷電機進行一次速度采樣，同時更新電機電壓PWM的占空比。

圖14為PID計算線程的運行流程圖，每隔50 ms更新一次PID計算值。

圖14 直流無刷電機PID算法執(zhí)行流程

5 自動化管溝檢測系統(tǒng)測試

Qt搭建的PC上位機如圖15所示，軟件主界面中間為管溝機器人的攝像機顯示部分，軟件主界面下方為機器人的控制按鍵，包括機器人的前進后退和速度選擇。右邊三列按鍵為機器人云臺的動作控制，包括云臺升降、旋轉(zhuǎn)等動作。

圖15 PC上位機測試界面

主界面下方圓盤為機器人前置LED燈光旋鈕，旋鈕控制燈光強度。

自動化管溝檢測系統(tǒng)的測試主要包括以下幾部分：

1)RS485的遠程通信；

2)CAN的多機通信；

3)PC接收同軸電纜視頻。

調(diào)節(jié)電機和燈光的RS485示例協(xié)議如下：[0x55 0x00 0x05 0x51 0x02 0x00 CRC_H CRC_L]；[0x55 0x00 0x05 0x55 0x05 0x00 CRC_H CRC_L]，第4字節(jié)為對應(yīng)的設(shè)備，第5字節(jié)為設(shè)備的對應(yīng)操作。PC向機器人發(fā)送上述協(xié)議，機器人進行云臺抬升和調(diào)節(jié)LED燈光等操作，實現(xiàn)機器人的遠程控制。

CAN通信協(xié)議示例如下所示：[0xF1 0x01 0x00 0x01 0x00 0x00 0x00 0x00]，CAN數(shù)據(jù)幀第1～2字節(jié)為具體設(shè)備ID，第4個字節(jié)為操作命令。上述CAN協(xié)議為控制直流無刷電機正向旋轉(zhuǎn)，控制管溝機器人前進。

圖15右邊為工程屬性信息，Qt利用SQLite3小型數(shù)據(jù)庫，存儲每一個工程的具體信息。

綜上所述，所設(shè)計的管溝機器人系統(tǒng)整體運行過程可靠，可以穩(wěn)定可靠地完成管溝檢測的任務(wù)，解決了管溝機器人系統(tǒng)的不足之處。

6 結(jié)束語

本文以PC和MCU微處理器為核心部件，結(jié)合相關(guān)的攝像機，傳感器和電機等，搭建了管溝檢測機器人的自動化檢測系統(tǒng)。首先分析了機器人技術(shù)和管溝的城市化建設(shè)的發(fā)展，針對現(xiàn)有的管溝機器人系統(tǒng)的痛點，開發(fā)了一整套的管溝機器人系統(tǒng)。首先明確了管溝機器人的整體系統(tǒng)框架，分析機器人所需要的硬件，使用EDA軟件設(shè)計出機器人所需的硬件。分析對應(yīng)的MCU的功能，移植實時操作系統(tǒng)RT-Thread，將MCU的任務(wù)劃分為多線程，提高軟件的實時性和性能。利用有限狀態(tài)機的思想，設(shè)計按鍵的FIFO按鍵掃描框架，減少中斷占用，提高效率。在MCU中添加增量式的PID調(diào)速算法，提高了機器人的運動控制精度，加強了機器人的運動控制性能。

針對管溝的復(fù)雜環(huán)境，在人工無法完成檢測的任務(wù)時，管溝機器人將發(fā)揮它的作用，代替人工去管溝內(nèi)檢測，提高工作效率，保護工作人員的生命安全。本文設(shè)計的管溝檢測機器人自動化系統(tǒng)，可以在人工的輔助下完成對應(yīng)的操作，未來將更進一步地提升機器人系統(tǒng)的效率和性能，為工作人員提供更為完善的檢測服務(wù)。