無纜微型管道機器人控制系統(tǒng)的研究

1、    無纜微型管道機器人控制系統(tǒng)的研究    霍云艷 任思璟 王國新 徐益民 董金波【摘要】針對工業(yè)上的大量細小管道由于受空間條件的限制，存在不便人工作業(yè)，檢測和維護的問題，提出了一種基于錐形旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動的無纜微型管道機器人的控制系統(tǒng)的解決方案，該機器人的控制系統(tǒng)以avr單片機atmegal16為核心處理器，利用錐形磁場實現(xiàn)對機器人的外部磁場驅(qū)動，通過對執(zhí)行機構(gòu)的控制實現(xiàn)機器人的雙向行走和速度控制。在控制系統(tǒng)硬件設計的基礎上給出系統(tǒng)軟件流程圖。該系統(tǒng)具有簡單可靠，輕便靈活的特點，在微型管道檢測方面具有廣闊的應用前景。【關(guān)鍵詞】無纜；管道機器人；控制系統(tǒng)

2、；atmegal16單片機引言傳統(tǒng)管道機器人大多是輪式、腿式、仿生蠕動式等類型，存在著行走距離短、機器人與管壁間的摩擦力大等問題。如果僅僅是縮小傳統(tǒng)機器人的尺寸，工藝上將非常困難。目前，對微型管道機器人的研究國內(nèi)外廣泛采用外磁場驅(qū)動作為無纜驅(qū)動的一種重要形式。相應地選擇超磁致伸縮合金、鐵磁橡膠和釹鐵硼等磁性材料作驅(qū)動器，利用軸線相互垂直的亥姆霍茲線圈與螺線管線圈組合構(gòu)成組合驅(qū)動線圈，用組合驅(qū)動線圈通電產(chǎn)生的錐型旋轉(zhuǎn)磁場實現(xiàn)對微型機器人的無纜驅(qū)動1。因此設計簡單可靠、適用方便的機器人控制系統(tǒng)將使無纜微型管道機器人得到廣泛應用。1.控制系統(tǒng)的工作原理無纜微型管道機器人控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)對形成旋轉(zhuǎn)磁場

3、的亥姆霍茲線圈組供電電源的控制和實現(xiàn)對直流電機帶動載有線圈的小車運動方向控制2，利用軸線相互垂直的亥姆霍茲線圈與螺線管線圈構(gòu)成組合驅(qū)動線圈，向組合驅(qū)動線圈施加交流或直流電流進而產(chǎn)生錐型旋轉(zhuǎn)磁場來控制嵌入機器人頭部的釹鐵硼（ndfeb）永磁性材料運動3。2.纜微型管道機器人控制系統(tǒng)硬件設計控制系統(tǒng)主要由恒定磁場信號發(fā)生部分，旋轉(zhuǎn)磁場信號發(fā)生部分，載有驅(qū)動線圈的小車移動部分組成。其中產(chǎn)生恒定磁場的電源信號是由信號發(fā)生器實現(xiàn)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的電源信號和載有驅(qū)動線圈的小車移動信號分別由旋轉(zhuǎn)磁場控制模塊和執(zhí)行機構(gòu)模塊實現(xiàn)。2.1旋轉(zhuǎn)磁場控制模塊設計旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動電源的設計是采用單片機輸出四路兩相相角相差度的

4、信號，通過橋控制晶體管逆變，形成兩路相角相差度的正弦信號，用這兩路信號對亥姆霍茲線進行驅(qū)動，將產(chǎn)生兩個方向相互正交相位相差度的正弦磁場，因為磁場具有可疊加性，所以產(chǎn)生的兩正弦磁場相互疊加形成旋轉(zhuǎn)磁場。該電路主要采用功率mosfet作為開關(guān)管，通過集成芯片ir2110將avr單片機產(chǎn)生的pwm控制信號轉(zhuǎn)換成高壓驅(qū)動信號。基于2片ir2110的h橋4片mosfet的旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動電路如圖1所示。2.2執(zhí)行機構(gòu)模塊設計考慮到機器人的移動速度較慢和位移精度較高，電機的選用方面選擇直流齒輪減速電機，atmegal6avr 單片機輸出的 pwm 波通過l293d驅(qū)動芯片進行功率放大。經(jīng)過旋轉(zhuǎn)編碼器對直流電機

5、轉(zhuǎn)速進行反饋，通過改變pwm波的占空比來完成直流電機加速、減速運動。3.無纜微型管道機器人控制系統(tǒng)軟件設計在直流電機閉環(huán)調(diào)速的系統(tǒng)軟件設計中，采用增量式數(shù)字 pid 可以對直流電機的速度進行調(diào)整，以便盡快消除速度誤差。即數(shù)字pid增量型控制算法如下式所示。atmega16單片機內(nèi)部有一個16位的具有pwm功能的定時/計數(shù)器，當單片機工作在pwm模式時，管腳輸出pwm占空比的值可以用改變ocr2的值來實現(xiàn)。4.結(jié)語本文以avr單片機為核心設計的無纜微型管道機器人控制系統(tǒng)，具有設計簡單，輕便靈活和成本低等優(yōu)點。適用于狹小管道區(qū)間，同時解決了管道機器人不能雙向行走的問題，具有廣泛的應用前景。參考文獻1薛君妍.移動旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動的微型管道機器人的研究d.哈爾濱工程大學，2009.2李一鳴，姜寧，劉帥.新中國成立以來中國音樂發(fā)展概述j.藝術(shù)科技，2014（7）.8-93李一鳴，常亮，郝祁霞.高校德育實踐缺位的原因分析j.高教論壇，2013（8）.17-184任思璟，董金波，王安華，徐益民，崔崇信.無纜泳動式煤礦管道檢測機器人控制系統(tǒng)的研究j.煤礦機械，2012，06：168-170.5.李一鳴，王銳，李卓妮.大學生跨文化能力培養(yǎng)研究以文理滲透為視角j.黑龍江省政法管理干部學院學報，2016，（1）.150-151作者簡介霍云艷，女，1982年3月出