无缆微型管道机器人控制系统的研究

    霍云艳 任思璟 王国新 徐益民 董金波

    【摘要】针对工业上的大量细小管道由于受空间条件的限制，存在不便人工作业，检测和维护的问题，提出了一种基于锥形旋转磁场驱动的无缆微型管道机器人的控制系统的解决方案，该机器人的控制系统以AVR单片机ATmegal16为核心处理器，利用锥形磁场实现对机器人的外部磁场驱动，通过对执行机构的控制实现机器人的双向行走和速度控制。在控制系统硬件设计的基础上给出系统软件流程图。该系统具有简单可靠，轻便灵活的特点，在微型管道检测方面具有广阔的应用前景。

    【关键词】无缆；管道机器人；控制系统；ATmegal16单片机

    引言

    传统管道机器人大多是轮式、腿式、仿生蠕动式等类型，存在着行走距离短、机器人与管壁间的摩擦力大等问题。如果仅仅是缩小传统机器人的尺寸，工艺上将非常困难。目前，对微型管道机器人的研究国内外广泛采用外磁场驱动作为无缆驱动的一种重要形式。相应地选择超磁致伸缩合金、铁磁橡胶和钕铁硼等磁性材料作驱动器，利用轴线相互垂直的亥姆霍兹线圈与螺线管线圈组合构成组合驱动线圈，用组合驱动线圈通电产生的锥型旋转磁场实现对微型机器人的无缆驱动[1]。因此设计简单可靠、适用方便的机器人控制系统将使无缆微型管道机器人得到广泛应用。

    1.控制系统的工作原理

    无缆微型管道机器人控制系统主要实现对形成旋转磁场的亥姆霍兹线圈组供电电源的控制和实现对直流电机带动载有线圈的小车运动方向控制[2]，利用轴线相互垂直的亥姆霍兹线圈与螺线管线圈构成组合驱动线圈，向组合驱动线圈施加交流或直流电流进而产生锥型旋转磁场来控制嵌入机器人头部的钕铁硼（NdFeB）永磁性材料运动[3]。

    2.缆微型管道机器人控制系统硬件设计

    控制系统主要由恒定磁场信号发生部分，旋转磁场信号发生部分，载有驱动线圈的小车移动部分组成。其中产生恒定磁场的电源信号是由信号发生器实现，产生旋转磁场的电源信号和载有驱动线圈的小车移动信号分别由旋转磁场控制模块和执行机构模块实现。

    2.1旋转磁场控制模块设计

    旋转磁场驱动电源的设计是采用单片机输出四路两相相角相差度的信号，通过桥控制晶体管逆变，形成两路相角相差度的正弦信号，用这两路信号对亥姆霍兹线进行驱动，将产生两个方向相互正交相位相差度的正弦磁场，因为磁场具有可叠加性，所以产生的两正弦磁场相互叠加形成旋转磁场。该电路主要采用功率MOSFET作为开关管，通过集成芯片IR2110将AVR单片机产生的PWM控制信号转换成高压驱动信号。基于2片IR2110的H桥4片MOSFET的旋转磁场驱动电路如图1所示。

    2.2执行机构模块设计

    考虑到机器人的移动速度较慢和位移精度较高，电机的选用方面选择直流齿轮减速电机，ATmegal6AVR 单片机输出的 PWM 波通过L293D驱动芯片进行功率放大。经过旋转编码器对直流电机转速进行反馈，通过改变PWM波的占空比来完成直流电机加速、减速运动。

    3.无缆微型管道机器人控制系统软件设计

    在直流电机闭环调速的系统软件设计中，采用增量式数字 PID 可以对直流电机的速度进行调整，以便尽快消除速度误差。即数字PID增量型控制算法如下式所示。

    ATmega16单片机内部有一个16位的具有PWM功能的定时/计数器，当单片机工作在PWM模式时，管脚输出PWM占空比的值可以用改变OCR2的值来实现。

    4.结语

    本文以AVR单片机为核心设计的无缆微型管道机器人控制系统，具有设计简单，轻便灵活和成本低等优点。适用于狭小管道区间，同时解决了管道机器人不能双向行走的问题，具有广泛的应用前景。

    参考文献

    [1]薛君妍.移动旋转磁场驱动的微型管道机器人的研究[D].哈尔滨工程大学，2009.

    [2]李一鸣，姜宁，刘帅.新中国成立以来中国音乐发展概述[J].艺术科技，2014（7）.8-9

    [3]李一鸣，常亮，郝祁霞.高校德育实践缺位的原因分析[J].高教论坛，2013（8）.17-18

    [4]任思璟，董金波，王安华，徐益民，崔崇信.无缆泳动式煤矿管道检测机器人控制系统的研究[J].煤矿机械，2012，06：168-170.

    [5].李一鸣，王锐，李卓妮.大学生跨文化能力培养研究——以文理渗透为视角[J].黑龙江省政法管理干部学院学报，2016，（1）.150-151

    作者简介

    霍云艳，女，1982年3月出生，黑龙江哈尔滨人，讲师，哈尔滨金融学院计算机系。

    基金项目

    黑龙江省教育厅科学技术研究项目（12541695），项目名称： 双向可移动微型无缆管道检测机器人的研究。