基于STM32的电缆隧道巡检机器人设计.pdf

信息通信基于STM32的电缆隧道巡检机器人设计曾筱婕，林雨轩，王胜杰（华北电力大学自动化系，河北保定0 7 10 0 0）摘要：为了使电缆隧道的巡检工作智能化和高效化，制作出一套应用于电缆隧道的巡检机器人系统。以MiniSTM32开发板为控制主板，同时搭载摄像头和多个传感器，利用KEIL进行单片机控制系统的编程。分别开发出电脑端上位机和手机端应用程序作为控制与显示终端。与此同时，在原有部分机械结构的基础上，利用CAD软件与激光切割等方法制作出机器人外壳。能够实现远程遥控机器人运动，以及隧道内空气质量检测数据、隧道内电缆拍摄画面上传至无线控制终端等功能。最终研制出的实物机器人能够较好地满足最初的设计要求。关键词：隧道巡检；无线通信；气体检测；远程控制中图分类号：TP311Abstract:In order to make the inspection work of cable tunnel intelligent and efficient,a set of inspection robot system appliedto cable tunnel is made.The mini STM32 development board is used as the control motherboard,and the camera and multiplesensors are installed at the same time.Keil is used to program the MCU control system.The upper computer and mobile phoneapplication programs are developed as control and display terminals.At the same time,on the basis of the original mechanicalstructure,the robot shell is made by using CAD software and laser cutting methods.It can realize the movement of remote-con-trolled robot,and upload the air quality detection data in the tunnel and the cable shooting pictures in the tunnel to the wirelesscontrol terminal.The physical robot finally developed can better meet the initial design requirements.Keywords:Tunnel patrol inspection;Wireless communication;Gas detection;Remote control在地下电缆隧道中，时常出现电缆线路过热，引燃隧道内易燃气体的事故。因此，发现电缆破损并进行维修更换，是巡检工人工作的重点。然而，由于隧道内部工作环境较为封闭恶劣，巡检维修人员时常面临高温、有毒气体、空间狭小闭塞等问题，其安全存在隐患。随着机器人技术日趋成熟，智能机器人设备逐渐成为智能电网的重要组成部分，对于电缆隧道智能化监测的研发期望与日俱增。为响应“以人为本”的科学发展观，各种代替人工的智能巡检装置不断问世。综上所述，电缆隧道的巡检机器人具有很大的发展潜力与市场应用前景。1项目简介本项目结合省科技厅科技创新能力项目，所设计的机器人集图传、检测、运动功能于一体。另外，在特殊的工作环境下（如电缆井等），该机器人可通过同步履带上的吸附单元直接与壁面接触，在吸附力的作用下紧贴与隧道壁，从而实现爬壁功能。车身上装有高清晰度的摄像头，通过摄像头对电缆表面状况、行进道路情况的随时拍摄，及时地将拍摄照片通过WiFi发送至远程控制端。远程控制端通过对照片的分析，控制机器人动作，机器人在电机的驱动下进行前进、后退、转向等运动动作，使其到达用户指定的地方。与此同时通过下位机内部程序，控制传感器发送数据。从而实现整个过程的运行、检测与图传功能。工作流程如图1所示。2结构设计机器人由车身主体部分、传感器单元、两侧对称的移动系收稿日期：2 0 2 3-0 2-12基金项目：河北省科技厅科技创新能力项目一一隧道巡检机器人（2 2 E50469D）。作者简介：曾筱婕（2 0 0 1-)，女，广西藤县人，研究方向：自动化方向。2023年第0 5 期(总第2 45 期)文献标识码：B文章编号：2 0 96-97 5 9(2 0 2 3)0 5-0 10 2-0 4Design of cable tunnel inspection robot based on STM32ZENG Xiaojie,LIN Yuxuan,WANG Shengjie(Department of Automation,North China Electric Power University)统、动力系统、吸附单元、内部控制装置共六大部分构成。电气设备与电机等动力系统部件布置在车身主体部分内，移动系统由支撑架、同步带、同步轮等组成，吸附单元均匀的布置在移动系统中同步带的最外侧，与壁面直接接触。为了拥有良好的运行稳定性，避免可攀爬机器人在攀爬过程中由于机械结构不合理而坠落下来，选择笼式框架结构的车身模型。车身内部设有加强杆来提高车身的强度和刚性。攀爬机器人动力系统采用双电机轮边驱动方式，电机动力经由行星减速箱，轮边减速箱，同步带轮传至同步带。采用同步轮与同步带的组合，相比履带与链轮的组合，同步带的方案重量上有很大的优势。而关键点在于同步轮设计，既要保证啮合度也要保证自身强度。结合计算分析选择HTD8M型同步带，同步带带宽5 0 mm，节距8 mm，带长9 6 0。同时以对应的同步牙轮为基础设计轮芯与档环。机器人主体部分由两侧板、底板、顶板与加强杆构成的机架、电机、减速箱、电源、电控系统等组成。底板、侧板和加强杆通过螺栓连接构成了稳固的机架，因为机器人重心越低抗倾覆能力越强，所以较重的电源布置在底层加强筋内，同理电机布置在后侧相比较布置在前侧能减少倾覆力矩，所以驱动方式为后轮驱动考虑到轻量化设计，直接将二级减速箱设计为轮边减速与侧板成为一体。较轻的电气零部件布置在中上层，因传感器主要布置在中部，为了减少信号传输距离、提高抗干扰能力，将信号处理中心布置于机器人主体中部。车身的控制部分与信号传输中心也布置在中部。因为电机驱动发102Changjiang Information&Communications热量较大，而且信号容易互相干扰，所以在车内空间局促的情况下，使用铜柱层叠布置两块驱动板，板间用绝缘处理后的锡纸隔离。经实验发现该方法较好地解决了电机驱动输入控制信号混乱的问题，使电机能够按照指令工作。3控制系统隧道巡检机器人的控制系统由远程终端、传感器单元、无线传输模块、STM32单片机四部分组成。四者分别控制不同的硬件部分，互相协作。而远程终端又分为电脑上位机、手机APP以及遥控手柄三种模式。3.1 STM32单片机隧道巡检机器人由miniSTM32开发板组成主控板，实时控制机器人的所有动作。所使用的正点原子开发板的主芯片型号是STM32F1系列。这种类型的芯片具有以下性能优势：低工作电压、低功耗、时钟主频高以及内置硬件SPI及I2C等复杂时序电路5 。在本项目中，机器人下位机程序的编写调用了该单片机的部分功能，如处理传感器数据的ADC转换、控制电机的PWM机制、必需的定时器中断、上下位机之间的串口通信、无线数传的输入捕获等功能。单片机如图1所示。图1单片机实物3.2传感器单元隧道巡检机器人的传感器单元由三个MQ系列气体传感器和一个DHT11温湿度传感器组成。（1)气体传感器分别是可燃气体传感器MQ4、一氧化碳传感器MQ7、氢气传感器MQ8，能在一定误差允许范围内检测电缆隧道内部的空气质量情况，有较好的示警作用。以MQ4为例：通过查阅数据手册，得到其电压-气体浓度图，并拟合出对数曲线，通过计算得到模拟端输出电压与可燃气体浓度的函数关系：gas=expe+1.88820.6174其中，gas表示换算出的气体浓度值（单位为PPM)，v 表示模块输出的电压。（2）使用的DHT11传感器模块是一种性价比较高、已经得到广泛使用的测温测湿模块。其包含一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件。在本项目中，该模块使用5 V供电，数据端直接输出给单片机引脚。经检验，该模块测出的温度与湿度基本符合事实，而且变化较为灵敏迅速。3.3无线传输模块采用正点原子ATK-ESP8266的Wifi模块。它实际上起到了无线wifi转串口的功能，在上位机与单片机之间架设数据互传的桥梁。其可直接连接到Wi-Fi无线网络上，进行互联网或局域网通信，2 。该无线模块的主要特性：具备STA、A P、STA+AP三种工作模式。在本项目中，我们首先使用TCP连接协议。在确定使用8266模块的哪种模式之前，我们分别尝试了多种组合：（1)STA103曾筱婕等：基于STM32的电缆隧道巡检机器人设计模式+远程控制端作为服务器；（2）STA模式+8 2 6 6 作为服务器；（3)AP模式。值得注意的是，实验发现，方案二中，将8 2 6 6作为服务器，由于对其的AT指令配置无法一次性在程序中完成，且该组合模式不能实现透传进而打乱定时器节奏，因此不被采用。最终采用方案一，即机器人配置为客户端，上位机或APP设置为服务器。同时，经过实验发现，板载天线太短，导致信号传输距离较短。当超过某距离时，客户端会自动掉线。为了延长信号发射距离，在原来的板载天线末端外接了一段较长的路由器天线。实测发现效果明显改善。3.4远程终端远程终端又分为电脑上位机、手机APP以及遥控手柄三种模式。下面将逐一进行介绍。3.4.1上位机的开发想要实现的功能有以下三点：上位机给下位机发送控制命令，下位机收到此命令并执行相应的动作；上位机给下位机发送状态获取命令，下位机收到此命令后调用传感器测量，然后转化为数字信息反馈给上位机；下位机主动发送状态信息或报警信息给上位机。上位机软件采用C#编写。目标软件的主要功能有：收集并显示传感数据参数；控制巡检机器人的移动；Wifi无线转串口通信；图像即时显示；控制紧急停止与越障等。经过大量资料的查阅，发现Wifi通信的核心是socket监听机制，以及TCP/IP协议。套接字（Socket)由IP地址和端口组成。基于服务器的编写，其使用步骤如下：(1)服务器端创建一个Socket，然后绑定其IP地址和端口（其中，端口号可随意设定，如：设为8 0 0 0），开启监听同时等待下位机的连接；(2)查出上位机所在局域网中的IP地址；（3)下位机在程序中指定服务器的IP地址与端口号、WIFI或热点的名称与密码，连接服务器；（4)服务器与客户端之间就搭建好了一座交互的桥梁（成功时将显示客户端的IP“已连接)，客户端（单片机)就可以向服务器端（上位机）发送命令请求；(5)服务器端接受请求并处理，然后把请求的服务数据回(1)馈给客户端，客户端读取数据。在实现了服务器开启程序的编写之后，接下来开始编写运动指令的发送和数据的接收。运动指令有左右转、前进、后退和紧急停止，单独开一个线程进行。例如，当机器人和上位机连接后，上位机按下“前进”按钮，将会发出“U”字符串，从而控制左右两个电机同时正转以实现前进。对于数据的接收，与串口通信原理类似。但也要单独开一个线程。因为数据接收要交给线程去做，然后调用定时器，这样会防止在数据接收时，其他程序不可用的状况。当传感器采集到数据时，先在单片机中经过ADC转换与数值处理，之后通过串口三，按照”%d，%d，%.3f,%.3f,%.3f/rln的格式，定时将temperature,humidity,，g a s,c o,q q(即：温度、湿度、天然气、一氧化碳、氢气）一次性传给上位机，并在上位机中提取出数据存入数组，最后放在对应的文本框里进行显示。图传的显示原理类似。不同的是，需要先将摄像头模块输出的数字信号转化为JPEG格式，然后定时发送给上位机，Changjiang Information&Communications尽量达到即时显示的视频效果。上位机的界面如图2 所示。隧道巡检机器人华北电力大学（保宝）图2 上位机界面3.4.2手机APP的开发虽然隧道巡检机器人可以在很大程度上减轻人工巡检带来的人力成本，但实际的巡检效果仍未达到高度智能化的理想目标。目前市面上已研发出的，能实现自动运动的机器人仍旧面临如下挑战：首先，由于隧道地面并不完全平整，且地面上可能存在大大小小的积水和杂物，因此机器人运行之中就会不可避免地受限。再加上我国的隧道规划还不完善，这也在很大程度上阻碍了机器人的正常巡检。虽然通过摄像头搭载图传显示器来看到隧道内部情况后，可以用遥控手柄实时控制机器人的移动，但实时监测隧道内部各气体浓度也是本项目机器人的主要功能。互联网的高速发展带来了各种移动设备的兴起，而进军APP开发这一相对而言充满无限可能的市场，也成为了全世界各互联网大厂的重要战略。移动应用的开发和使用都需要依靠应用所在设备本地搭载的操作系统，目前移动端较为成熟的操作系统主要包括Android、i O S、W i n d o w S。但是由于Android和iOS这两个移动端操作系统所使用的编写语言不同，使用的技术互不相容，移动应用常常需要在这两种完全不同的操作系统上开发出不同的版本，而且开发使用的技术也大不相同7。考虑到使用Android操作系统的用户更广泛，本项目APP定位为And-roid操作系统，利用Java语言在Android Studio平台上进行开发。APP作为服务器，机器人作为客户端。设计思想如下：在操作界面输入端口号点击“启动服务”后就可以点击“前进”“后退”“左转”“右转”“停止”按钮来实现机器人的运动控制。隧道巡检机器人上的传感器将采集到的隧道内部数据实时反应到数据界面，温度、湿度、天然气、一氧化碳、氢气的数据在APP上就可以清晰的显示出来。系统的整体架构如图3所示。TCPAP协X日机器人图3架构图我们利用Android Studio开发。一般来说，Android应用程序的编写使用的是Java语言，并且利用了其可跨平台这一独特的性质，也就是说，大部分基于Android框架开发的应用程序，与Qt和VC的C#相比，可以不用编译就能运行于任何一台装有Android系统的平台8 。同时，由于AndroidStudio这一软件具有功能强大的布局编辑器，可以通过拖拉UI组件进行界面设计和预览9，对于入门者易上手，因此在此平台上进行开发。曾筱婕等：基于STM32的电缆隧道巡检机器人设计已设计出的APP的界面如图4所示。一隧道巡检机器人项目成员：曾校婕林雨轩王胜杰指导老师；刘欢点由进入3.4.3遥控手柄控制天地飞ET16SS的十六通道遥控器可将遥控器上各个电位器的值转整合为PPM值，再通过无线电波发送至接收模块。接收模块再将PPM信号转化成PWM信号。接收器为RF209S，是新系列的高性能接收机，拥有9个PWM通道、1个PPM/W.BUS通道（自定义）、1个W.BUS2通道(自定义)。手柄控制利用了无线数传的方式，主要是通过发出脉冲信号来进行下位机运动的控制。一般而言，我们将相邻的两脉冲信号之间的时间定义为周期，将单位时间内发生器发出的脉冲个数称为频率0 。接收机说明书上有着对码方式和模式选择等说明。也说明了各个通道的模式选择：通道1到通道7 选择PWM模式，通道8 为PWM模式或者设置为PPM/W.BUS，通道9为PWM模式或设置为PPM/W.BUS/W.BUS2。4结语在本项目中，我们在老师们的指导与帮助下，完成了机器人的设计工作，主要有：传感器电路搭建；隧道机器人结构装配；开发上位机软件和APP；搭建控制系统；对机器人进行多次测试。测试表明，该巡检机器人能实现预期，具有一定的实用性。但由于知识储备不足，时间较紧等原因，导致制作出来的隧道巡检机器人还有不足之处，需要改进。例如，未设计电池充电口；上位机界面不够美观；实现的功能较少；信号远距离传输存在问题等。发送控制控制界面协议数据网络器图4界面布局参考文献：1高辰,张思琪,张睿等.基于无线传感器网络的成品粮仓储数娱界面环境温湿度检测系统设计 J.物联网技术,2 0 17(3):30-31.2付文新,王洪丰.基于STM32单片机和DHT11 温湿度传接口屋UI福APP感器的温湿度采集系统的设计与实现 J光源与照明，2022,(03):119-121.3 1潘韵,孙兰娟.基于Zig Bee无线网络的温室环境监测系统的设计与实现 J.计算机与应用化学,2 0 14,31(7):8 0 7-8 11.4吴晓华,梁哲,刘同来.基于C#的多线程P2P即时通讯系统.电脑知识与技术,2 0 2 1,17(36):7 5-7 8.5 刘博,郭君岩,刘伟,邵丽艳,刘强.基于STM32F103RCT6的数据采集显示系统设计 J.电子世界,2 0 18,(0 2):146-147.6 王胜伟，黄得双，许保瑜.电缆隧道机器人巡检可见光通信方案研究 J.新型工业化，2 0 19,9(0 9)：14-16+41.DOI:10.19335/ki.2095-6649.2019.09.003.104