伸缩式管道机器人的研究与设计（2）

作者：宋华

管道机器人的控制

引言

为了使管道机器人在地下管线内长距离、高效率的行进，需要设计一套适于伸缩式行走方式的机器人控制方法。该控制方法应兼顾机器人的行走速度、运动稳定性、弯曲管道通过性等诸多因素。本章首先设计了机器人的总体控制策略。依据机器人的设计要求，将机器人在管道内的行走状态划分为连续前进、连续后退、单步前进和单步后退4种基本行走模式，并采用有限状态机的思想对各行走模式中机器人控制系统的状态转换进行了描述。在本章最后，依据机器人对行走速度的要求，设计了伸缩机构伸展、收缩动作的电机加减速控制算法，以及锁止机构锁定、解锁动作的电机加减速控制算法。

总体控制策略

控制系统框架

目前，管道机器人控制系统的核心架构多采用单片机、ARM、DSP+CPLD等方案[[i]]。由于DSP具有强大的定点/浮点运算能力，结合片内集成的多路PWM、eCAP、ADC等硬件资源，可实现各种复杂算法和控制策略[[ii]]，因此本文所述的管道机器人控制系统选用DSP+CPLD方案，CPLD用于辅助DSP发出各种控制信号。如图18所示，机器人控制系统以DSP为核心，它接收上位机发出的控制指令，并将其转为机器人不同的运行状态。依据机器人运行状态的不同，DSP向CPLD发出电机选通信号和电机正反转信号，并根据电机控制算法输出相应的PWM控制脉冲，CPLD依据上述信号向伸缩机构或锁止机构的电机驱动芯片输出所需的控制信号。为了保证机器人锁止机构的可靠锁止，机器人锁止机构的支撑体内安装了微型测力传感器，当锁止机构执行锁定动作时，测力传感器检测支撑体施加在管道内壁的压力，DSP利用其内部集成的ADC将测力传感器的输出转化为数字量，从而进行锁止状态的判断。

机器人控制系统构架

总体控制策略

依据管道机器人的行走原理和设计要求，机器人采用了如图所示的总体控制策略。由于意外掉电等因素，机器人的机械机构可能停留在掉电前的状态而非正常的复位状态，因此控制系统需要在机器人上电初始化后马上检测相关传感器的电平，从而判断机器人当前状态，并将其发送至上位机。当机器人接收到上位机的控制指令时，DSP依据控制指令将机器人转入单步模式或连续模式。在单步模式中，每当机器人完成一次基本的伸缩动作，机器人均会等待上位机发出下一个单步行走指令或进行行走模式的切换；在连续模式中，机器人连续完成多个伸缩动作，直至上位机发出行走模式切换指令或停止指令，从而结束连续行走。

机器人总体控制策略

行走模式的有限状态机描述

伸缩式管道机器人在两端支撑轮系的辅助下，其在管道内的行走路径基本固定，即沿管道中轴线前进或后退，因此对机器人行走模式的控制着重于机器人各机构的协调控制，进一步来说，主要是对伸缩机构电机、前后锁止机构电机的协调控制。为了限制机器人的耗电量，这里规定机器人运行过程中同一时刻只有一台电机工作。基于上述规定，机器人行走模式的控制可归结为3台电机工作状态的相互转换。依据管道机器人的总体控制策略，机器人具有连续模式和单步模式，各模式均设有前进和后退两种运行状态，因此机器人的行走状态可划分为连续前进、连续后退、单步前进和单步后退4种基本模式。有限状态机理论擅长描述有限个确定的状态及其相互转换，在数字电路设计、软件设计和机器人控制等领域应用广泛[[i]]。因此，本节基于有限状态机理论对4种基本行走模式的输入输出事件进行了抽象，设计了各行走模式的状态集合，在此基础上给出了各行走模式的状态转移图，为机器人控制系统的软硬件设计提供了理论基础。

步进电机的控制算法

本节主要解决3.3节各行走模式中不同状态的电机控制算法，依据各状态中机器人机构执行动作的不同，可做如下划分：伸缩机构电机控制执行伸展动作的正转控制，执行收缩动作的反转控制；锁止机构电机执行锁定动作时的正转控制，执行解锁动作的反转控制。由于伸缩机构的伸展与收缩互为逆动作，因此伸缩机构步进电机的正反转控制可使用同一套速度控制算法，控制系统只需区分正反转信号。由于锁止机构的锁定与解锁也互为逆动作，因此可参照伸缩机构的电机控制算法进行锁止机构电机的算法设计。

小结

本章首先设计了基于DSP和CPLD的机器人控制系统框架，在此基础上给出了机器人控制系统的总体控制流程。依据伸缩式管道机器人的行走原理和设计要求，采用有限状态机的思想对机器人的几种基本行走模式进行了分析，给出了各行走模式的输入输出事件及状态转换图。最后，结合管道机器人机构动作的特点，设计了伸缩机构和锁止机构步进电机的加减速控制算法，为机器人的嵌入式程序设计提供了依据。