基于PIC单片机的螺旋轮式驱动管道检测机器人控制系统设计

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2024年5月17日发(作者：)

基于PIC单片机的螺旋轮式驱动管道检测机器人控制系统设

计

邵磊;王毅;郭宝柱;李季;刘宏利;陈小奇

【摘 要】设计开发了一台小型螺旋轮式驱动管道检测机器人。采用以PIC单片机

作为系统的核心控制器，数字式PWM作为电机驱动控制方式，车轮旋转速度作

为反馈量的全闭环伺服控制系统。并利用C#语言开发出一套上位机控制软件，通

过Wifi无线通信的方式实现对管道机器人的远程遥控。为了提高控制系统的精度

和性能，采用了模糊自适应PID控制算法。在实验平台上的运行表明：该机器人

具有很好的稳定性和可控性。%A small screw-wheel-driven robot was

developed for pipeline inspection. The PIC SCM-cored fully closed-loop

serve control system employs a digital PWM controller for the motor drive

and a vehicle speed as the feedback variable;making use of C# language to

develop PC’ s control software and then to remotely con-trol in-pipe

robot through Wifi communication were implemented and the fuzzy self-

adaptive PID algorithm was adopted to improve accuracy and performance

of the control system. Operation on the experimental platform proves

good stability and controllability of this robot.

【期刊名称】《化工自动化及仪表》

【年(卷),期】2016(043)009

【总页数】5页(P945-948,973)

【关键词】控制系统;管道检测机器人;PIC单片机;伺服控制;模糊自适应PID控制

【作 者】邵磊;王毅;郭宝柱;李季;刘宏利;陈小奇

【作者单位】天津理工大学自动化学院，天津300384;天津理工大学自动化学院，

天津300384;天津理工大学自动化学院，天津300384;天津理工大学自动化学院，

天津300384;天津理工大学自动化学院，天津300384;天津理工大学自动化学院，

天津300384

【正文语种】中 文

【中图分类】TH862

管道运输与铁路运输、公路运输、水路运输、航空运输并称为当今世界的五大运输

方式。随着国家经济建设的稳步推进，管道工业也迎来了快速发展期。而油气管道

若长期使用，由管道自身缺陷和后期运行期间发生的腐蚀穿孔、人为损坏及自然地

质灾害等因素造成的管道泄漏、爆炸事故将会增多，严重威胁着周边居民人身财产

安全和自然环境，阻碍国家正常的经济建设。据不完全统计，我国仅原油管道就有

将近一半已使用二十年以上，管道泄漏时有发生；80%以上的燃气爆炸事故的发

生都是由管道严重腐蚀而穿孔漏气所致。因此，对在建管道和已建管道实施安全检

测势在必行[1,2]。传统管道检测都是由相关人员实施，有全面挖掘法和随机抽样

法，工作量大，效率低下。而且有些管道位置人员无法安全到达实施监测，比如输

送有毒化学品或内部结构复杂狭小的管道，特殊的管道环境也给管道检测带来了很

大的困难。由此，管道检测机器人应运而生。一方面，管道检测机器人可以凭借良

好的可控性能和精准的检测设备完成对管道的在线检测、诊断；另一方面，灵活多

变的行走机构可以保证机器人在复杂狭小的管道内行进，代替人工完成检测任务，

避免人员伤害[3]。目前，管道机器人的研究还属于新兴领域，具有广阔的发展空

间。

由于管道机器人普遍应用在环境恶劣、人难以到达的管道内，通常控制系统采用上

下位机联合的控制方式，主要有以下3种：PLC+PLC、PC+单片机、PC+单片机

+DSP。鉴于目前高性能单片机具有运行速度较快、精度高、功能丰富、利于小型

化、开发周期短及成本低等特点，控制系统采用基于PIC单片机联合上位PC机的

控制方式。传统的通信方式通常采用有缆方式，通信信号强，但是过多的线缆极大

地束缚管道机器人的移动灵活性，增加负荷，不利于小型化。笔者采用基于Wifi

无线通信的技术，不仅能够实现上位PC机远程遥控，也可以开发出手机APP实

现移动式智能控制。

1.1 系统结构

管道机器人控制系统基于Wifi无线通信技术，采用上位PC机+底层单片机联合的

控制方式，实现对螺旋驱动管道机器人的远程遥控，控制系统硬件结构如图1所

示。

1.2 底层硬件

硬件部分主要包括主控模块、驱动模块、测速模块、通信模块和电源模块。

主控模块采用美国微芯(Microchip)公司生产的8位高档单片机PIC18F25K22作

为底层核心控制器[4]，一方面输出控制信号给驱动模块来驱动执行机构，并采集、

处理检测元件返回的数据，另一方面通过Wifi无线传输方式上传数据给上位机，

同时接收上位机或手机APP发出的控制指令。

驱动模块选用美国国家半导体公司(NS)生产的一款专用于运动控制的直流电机驱

动芯片LMD18200，可接收PIC单片机输出的PWM信号、方向信号和制动信号，

实现对执行机构的速度控制、方向控制和启停控制。

通信模块选用的是国产的一款低成本、低功耗、小尺寸Wifi无线通信模块USR-

C322[5]，其信号覆盖范围广、传输速度快、稳定性好，已有广泛的应用基础[6]。

通过网页设置该模块的工作方式为透传模式，组网方式为STA，即可将物理设备

连接到Wifi网络上，实现嵌入式控制系统的无线网络通信。当单片机与该通信模

块经UART串口连接后，上位机和手机APP就可以对管道机器人进行远程遥控。

执行机构选用直流有刷减速电机。

电源模块选用3节可充电锂电池18650，不仅减轻了机器人的负载也增加了机器

人在管道内运行的灵活性，避免了传统拖缆供电方式的束缚。

1.3 上位机软件

控制系统的上位机软件是基于Win7 32位操作系统，利用C#语言开发出的一套

窗体式控制软件，用于接收、显示下位机传送的检测数据和图像信息，并向下位机

发出控制指令[7]。手机APP则是基于安卓系统，以上位机为服务器，利用Java

语言开发。二者都可以实现对螺旋驱动管道机器人的远程遥控。上位机软件设计流

程如图2所示。

按控制方式不同，伺服系统可以分为开环、半闭环和全闭环3种[8]。为了提高系

统精度，使之具备良好的稳定性和快速响应性，控制系统采用了以PIC单片机为

控制核心，直流有刷电机为执行元件，管道机器人(车轮速)为被控对象，霍尔测速

元件为检测装置的全闭环速度型伺服控制系统，其结构如图3所示。

常用轮速计算方法有测频法和侧周法。测频法适用于测量轮速比较高的场合，测周

法适用于测量轮速比较低的场合，笔者采用测周法进行测速。具体方法是在车轮上

安装一个或多个磁钢片，车轮近处安装霍尔元件。当车轮转动，霍尔传感器感知到

磁钢片的磁场时，会发出一个可由单片机接收的脉冲[9]。利用单片机CCP2模块

的捕捉功能，计时两次脉冲的时间间隔，所得时间即车轮转动一周的时间，而机器

人直线行进速度V的计算式为：

式中 c——一个车轮周长的移动距离内，霍尔传感器发出脉冲的次数；

L——机器人车轮周长，mm；

R——机器人车轮直径，mm；

t——两个脉冲的时间间隔，s。

3.1 模糊自适应PID控制算法

3.1.1 原理介绍

实际管道受自身质量、外界腐蚀等不确定因素影响，螺旋驱动管道机器人控制过程

比较复杂且易变，难以建立精确的数学模型，传统PID控制效果不佳。而采用模

糊自适应PID控制[10～12]，即根据控制系统实时的反馈情况，经模糊推理来实

现对PID控制参数的在线调整，则可以较好地解决此类问题，其控制结构如图4

所示。

图4中，e(t)为被控系统输入输出的速度偏差，ec(t)为速度偏差率，作为模糊控制

器的双输入量。模糊控制器输出的是PID控制参数的调整量，而PID控制器的输

出值是调整量(KP0、KI0、KD0)与初始量(ΔKP、ΔKI、ΔKD)的矢量和。

3.1.2 模型分析

选用直流有刷电机作为驱动源，电机转速与电枢电压之间的传递函数为[13]：

式中 CeФ——电机电势系数,V·s/rad；

Ta——电磁时间常数,s；

Tm——机电时间常数,s。

代入电机参数计算后可得：

管道检测机器人车轮直线速度与驱动电机旋转速度的关系为：

式中 D——管道内径，m；

n——减速电机输出转速，r/min；

R——驱动轮的半径，m；

α——驱动轮与管道轴线夹角，(°)。

通过工程整定[14]，PID控制参数KP、KI、KD初始设定为20、5、0.8。

3.1.3 模糊控制器设计

输入量。以速度反馈偏差值e(t)和偏差率ec(t)作为模糊控制器的输入量[15,16]。

模糊化。输入量的论域均为[-6,6]，变换因子分别为0.3,0.03。模糊空间分割为7

个等级，分别为“负大”、“负中”、“负小”、“零”、“正小”、“正中”、

“正大”。

隶属度函数。两个输入量为三角形隶属度函数，一个输出量为高斯型隶属度函数

[17]。

模糊规则库。在长期经验总结和专家理论分析的基础上建立。

模糊推理。采用Mamdani推理方法。

清晰化。采用重心法解模糊。

3.2 Matlab仿真

Matlab仿真后与传统PID控制方法的对比如图5所示。

由图5分析可知，在相同控制参数的条件下，相比于传统PID控制，模糊自适应

PID控制可以有效地降低系统超调量，缩短响应时间。尤其是在遇到短时突发干扰

的情况下，受模糊控制器的调节，系统仍可以快速地恢复到正常状态，波动幅度小，

展现出良好的鲁棒性、稳定性和抗干扰性。

管道机器人组装完毕后，按下开关按钮通电。打开上位机机器人控制软件的界面，

点击Start开始按钮，准备联网通信。待联网成功后，界面可以正常显示管道机器

人上传的各项检测数据。通过点击不同速度的挡位按钮、移动方向按钮来控制机器

人在管道内的移动。

经过测试，上位机可以有效地控制机器人在倾斜、垂直管道内稳定运行，不会下溜、

打滑。同时也实现了机器人的变速、换向等控制功能，如图6所示。

笔者自主研发出一台基于PIC单片机+上位机(包括主PC机和手机APP)联合控制，

可实现无线通信远程遥控的螺旋轮式驱动管道机器人。其控制系统采用模糊自适应

PID算法和以车轮旋转速度为反馈量的全闭环速度型伺服控制系统。经实验测试，

该样机可以在倾斜、垂直的管道内稳定可控的运行，基本实现了本研究的设计功能，

为今后管道检测机器人的广泛应用做出有益的探索。

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本文标签： 管道机器人检测驱动控制