履带式管道清洁机器人嵌入式控制与通信系统的研究

摘要

管道清洁机器人可以替代人工有效解决中央空调通风管道的检测和清扫问题，提高楼宇室内的空气质量，保护长期工作生活在空调环境中人们的身体健康。同时，管道清洁机器人作业效率高，事故发生概率小，也可用于其他多种管道的监测维护工作，具有良好的应用前景。 本文在总结已有管道机器人软硬件与机构设计的优缺点的基础上，设计了一套较为完善的管道清洁机器人嵌入式控制与通信系统，可以使工作人员在较安全的地方远程控制管道清洁机器人对管道的检测和清扫工作，同时也可以通过事先设置参数，使机器人自主执行作业任务，具有一定的智能化功能。该机器人采用了集中控制和分层控制相结合的设计方式，具有性能稳定，实时性高，控制精确的特点，并为系统的维护和升级工作提供了方便。 结合由微控制器（MCU）、直流/步进电机控制单元和传感器信息采集单元组成的嵌入式控制系统，可实现用户命令的分层解释与执行，并灵活控制机器人的动作。本文采用了结构简单、处理速度快、适用与工业环境条件的RSIC型MSP430系列微控制器，可高速处理通信系统上流动的控制命令与状态信息，系统采用基于特定功能的模块化设计，可满足用户对某特殊功能的要求，这是其他管道机器人所不具备的特点。 管道机器人运动功能丰富，对电机驱动系统有着特殊的要求。本文设计了体积小、效率高的集成化步进电机和直流电机驱动系统，可协调控制不同电机的运动速度和输出力矩，同时就如何实现电机控制方式的选择做了深入的理论探讨。 分层设计的嵌入式控制系统要求有分层的通信系统与之相配合。本文基于串行通信方式的通信系统同样遵循分层设计的思想，提出了上位PC机与机器人嵌入式控制系统的通信，操纵箱与机器人嵌入式控制系统的通信，以及嵌入式控制系统内部控制模块间的通信三个层次。保证了信息流至顶向下的传输路径的通畅。 本文基于机器人硬件设计的软件系统采用基于信息流的模块化设计。其最显著的特点是控制命令的三层解释体系，即由上位机或操作用户输入的抽象控制命令到底层驱动部分的P口控制信号之间的解释流程。与已有设计方式相比较，该方法具有代码执行效率高，实时性能好，方便移植，降低单芯片的命令解释和分配复杂度，提高系统的维护和升级性能等优势。本文还就IIC通信及步进电机速度控制的软件实现方法做了深入探讨。 管道清洁机器人是多项学科交叉、综合应用多种电子电路技术、集合新原理新设计的前沿科学技术领域。本文虽然在此方面取得了一些进展，但离产业化尚有一定距离。随着技术和进步和研究的进一步深入，此种机器人将会有广阔的应用前景。