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(常州大學 機械工程學院，江蘇 常州 213100)

水冷壁磨損檢測機器人控制系統(tǒng)的設計與研究

李靜，邢揚，俞竹青

(常州大學機械工程學院，江蘇常州213100)

為了有效提高石化行業(yè)對鍋爐水冷壁壁厚的檢測效率，設計了一種磁吸附履帶式爬壁機器人，并在此載體上采用分級控制系統(tǒng)來共同實現(xiàn)高空檢測;首先，下位機使用ARM Cortex-M3為內核的32位微控制器，并采用模糊PID控制方法實現(xiàn)對鍋爐水冷壁磨損檢測機器人的位姿進行控制，完成直線路徑跟隨動作;除此之外，還配備超聲波無損檢測技術、圖像采集器以及位移傳感器等，來實現(xiàn)鍋爐水冷壁磨損檢測機器人最終管壁實時圖像視頻以及檢測數(shù)據(jù)的采集;其次，基于Visual Studio 2010平臺創(chuàng)建人機交互界面，實現(xiàn)與下位機的數(shù)據(jù)傳輸以及后續(xù)檢測數(shù)據(jù)處理;最后，實驗仿真證明該分級控制系統(tǒng)運動穩(wěn)定可靠，上下位機能實時通訊，提高了爬壁機器人的工作速度和處理能力，有效提高檢測效率，具有較高的智能化水平。

爬壁機器人；控制系統(tǒng)；人機交互界面

0 引言

鍋爐是化工行業(yè)中最常見的熱力設備，而水冷壁管是爐壁上重要的結構件，一般鍋爐中有40%～50%甚至更多的熱量是由水冷壁管所吸收[1-2]。由于流化床鍋爐水冷壁管所處環(huán)境極其惡劣，易因腐蝕、磨損而老化，甚至爆裂，嚴重影響生產(chǎn)的安全，因此必須定期進行檢測。傳統(tǒng)水冷壁管的磨損檢測都是人工進行檢測，這種檢測費時費力，效率低，危險系數(shù)高。隨著石化工業(yè)的迅速發(fā)展，研制一種能自主爬壁并代替人工進行磨損檢測的機器人勢在必行。

隨著科技的迅速發(fā)展，很多專家學者對爬壁機器人進行了大量的研究，國外現(xiàn)有的爬壁機器人，如西班牙的 R.Lal Tummala等人設計的一種低功耗微型雙足爬壁機器人、韓國的Hwang Kim 等人研制的履帶式吸盤機器人、日本的Inoue.K等人研制的名叫The asterisk robot的攀爬網(wǎng)狀壁面的仿生爬壁機器人；國內爬壁機器人技術研究也在逐漸展開，如哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所研制的多功能履帶式罐壁噴涂檢測磁吸附爬壁機器人、大連海事大學的衣正堯開發(fā)的一種履帶式永磁真空混合吸附的爬壁機器人[3]。這些爬壁機器人都各有特點，但大多處在研發(fā)階段，且由于結構復雜，成本較高,仍未實際用于工業(yè)生產(chǎn)中。

本文針對鍋爐水冷壁管壁磨損檢測需要，設計了一種上下位機相結合控制的爬壁檢測機器人，來實現(xiàn)智能機器人代替人工操作，對流化床鍋爐水冷壁進行磨損檢測和數(shù)據(jù)分析，使其能適應現(xiàn)代工業(yè)的需求。

1 爬壁檢測機器人機械結構

為了實現(xiàn)對鍋爐水冷壁的磨損檢測，本文設計的爬壁機器人具備3個基本功能，即吸附、運動和無損檢測。爬壁機器人的吸附方式可以采用真空負壓吸附、磁吸附、推力吸附和粘結劑吸附等[4]。本設計中的爬壁機器人在鋼制流化床鍋爐水冷壁面運動，相比于其它吸附方式，永磁吸附的吸附力大，帶負載能力強，且系統(tǒng)意外斷電不會影響吸附能力；而履帶式爬壁機器人結構簡單、控制方便、運動速度較快，優(yōu)點較為明顯，應用最廣泛[5-6]；在眾多無損檢測方法中，超聲波檢測適用范圍廣，速度快，精度高，設備輕便易攜帶，在工業(yè)檢測中應用也十分廣泛。

綜合流化床鍋爐水冷壁的磨損檢測的需求和生產(chǎn)工作環(huán)境，本設計采用履帶式永磁吸附爬壁機器人，并配以超聲波測厚儀來實現(xiàn)智能無損檢測。

圖1 爬壁機器人結構簡圖

本設計的爬壁機器人系統(tǒng)結構如圖1所示，爬壁機器人本體左右側各有前后兩個帶輪，分別與裝有永磁體塊的履帶嚙合，構成運動部件。爬壁機器人采用后驅動方式，后面兩個主驅動輪分別由一臺直流無刷電機通過蝸輪蝸桿驅動，在前側裝有超聲波無損檢測和圖像采集組件，該組件通過直流小電機和滑塊帶動測探頭在平移導軌往復移動，找到合適的探測點再控制氣動部分來進行管壁厚度測量和采集。

為實現(xiàn)對流化床水冷壁磨損進行自動化檢測，爬壁機器人控制系統(tǒng)是關鍵所在。本文根據(jù)爬壁機器人所要達到的檢測要求，著重介紹其控制系統(tǒng)。

2 控制系統(tǒng)組成

流化床鍋爐水冷壁磨損檢測機器人控制系統(tǒng)為上下兩層體系結構，由STM32單片機、電機驅動電路、傳感器數(shù)據(jù)接收電路、人機交互界面等組成。下位機系統(tǒng)以STM32單片機為核心，協(xié)調各部分電路工作；上位機采用PC為主控計算機，用于參數(shù)初始化，任務規(guī)劃和狀態(tài)監(jiān)控，兩者通過RS232通訊，控制系統(tǒng)如圖2所示。該系統(tǒng)從功能上可分為運動控制單元、超聲檢測單元和通訊單元3部分。

圖2 磨損檢測機器人控制系統(tǒng)框圖

3 下位機控制

流化床鍋爐水冷壁磨損檢測機器人吸附在水冷壁管上，首先需要達到自動移動的功能，實現(xiàn)爬壁機器人的前進、后退和變向，并到達待測位置停止，以便進行超聲波無損檢測。針對本控制系統(tǒng)所需實現(xiàn)的功能，以及STM32系列單片機集成度高，處理速度快，功耗低，抗干擾能力強等特點[7]。此次設計的主控芯片采用STM32系列中時鐘頻率達72 MHz的STM32F103RCT6微控制器。

運動控制的主要是對電機驅動的控制，本設計中的后驅動電機和橫移電機都是采用直流無刷電機，通過兩個IR2103半橋驅動器組成典型的H橋電機驅動電路。機器人能夠沿給定的直線行駛，是機器人完成其他任務的前提，所以本設計在機器人開始啟動時，首先完成機器人的路徑跟隨，在機器人左側前后對稱安裝兩個超聲測距傳感器，實時監(jiān)測小車距離相鄰管道的距離，根據(jù)目前測定的位置與給定路線的偏差，利用模糊控制算法迅速做出相應的對策，進而調節(jié)左右兩驅動輪的車速，通過兩輪的車速差不斷對機器人轉角進行調整，達到對位姿的修正，最后使機器人在給定路線上移動。圖3是機器人路徑跟蹤原理圖。

圖3 機器人路徑跟蹤原理圖

(1)

由非完整約束方程，可知：

(2)

圖4 機器人位姿誤差示意圖

根據(jù)圖4，可得其位姿誤差為：

(3)

經(jīng)推導，可得：

v+yew=vrcosθe-v+yew

同理可以計算推導出如下微分方程：

(4)

而線速度v和角速度w與兩驅動輪速度的關系公式如下：

(5)

(6)

式(5)中L是兩后驅動輪間的距離。

綜上，調節(jié)左右兩驅動輪的速度，就可以改變控制輸入量，繼而改變位姿誤差達到預期路徑，使機器人按規(guī)定直線路徑運動。

機器人后驅動電機自帶增量式編碼器，通過下位單片機上的26LS32芯片接收編碼器的差分信號，并從串口實時顯示編碼器計數(shù)值，本設計中選用的是1 000線的增量式編碼器，且單片機中定時器對編碼器的計數(shù)方式采用四細分，可通過公式(7)計算爬壁機器人左右驅動輪的移動速度。

(7)

式(7)中，Δx為編碼器在Δt內計數(shù)值的差值；r為機器人后輪半徑。

本設計中采用模糊PID控制器作為導航控制器，將機器人相對于追蹤路徑的橫向偏差和角度偏差作為模糊控制器的輸入變量。在爬壁機器人運動過程中，系統(tǒng)不斷檢測機器人的橫向偏差和角度偏差，量化到對應論域，根據(jù)設定的模糊推理規(guī)則，這樣就可以由變化的橫向偏差和角度偏差自整定得到模糊PID控制器3個參數(shù)Kp,Ki,Kd。從而達到對機器人位姿的控制。

一般離散型PID的規(guī)律可描述為：

(8)

其中：u(k)是控制器的輸出，e(k)是實際測量值與設定值的偏差。

為驗證本設計的模糊PID控制方案相對于傳統(tǒng)的PID控制器具有優(yōu)越性，通過Matlab/Simulink建立爬壁機器人速度控制仿真模型，如圖5所示。

圖5 Simulink仿真控制模型

爬壁機器人轉速的偏差|e|以及轉速偏差率|ec|作為模糊控制器的輸入變量，PID三個參數(shù)調整值作為模糊控制器的輸出變量，圖6為模糊PID控制系統(tǒng)框圖。

圖6 模糊PID控制系統(tǒng)框圖

下面建立隸屬函數(shù)，將輸入及輸出變量的模糊集統(tǒng)一定義為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，該集合中元素分別代表{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}。兩個輸入變量的論域均取為[-6,6]，3個輸出變量的論域取為[-3,3]。采用模糊推理控制器的核心就是通過參數(shù)自整定原則和近似推理建立相應的模糊控制規(guī)則[9]，模糊控制規(guī)則如表1，表2，表3所示。

表1 Kp模糊控制規(guī)則

KpeNBNMNSZPSPMPBecNBPBPBPMPMPSZZNMPBPBPMPSPSZNSNSPMPMPMPSZNSNSZPMPMPSZNSNMNMPSPSPSZNSNSNMNMPMPSZNSNMNMNMNBPBZZNMNMNMNBNB

表2 Ki模糊控制規(guī)則

表3 Kd模糊控制規(guī)則

根據(jù)建立的模糊控制規(guī)則，對爬壁機器人的速度進行仿真。給控制系統(tǒng)加一個階躍信號，并將模糊PID控制器與傳統(tǒng)PID控制器進行比較，觀測系統(tǒng)的響應輸出曲線如圖7所示。從圖7仿真結果中可以看出，相對于傳統(tǒng)PID算法，模糊PID算法的調節(jié)時間短，幾乎沒有振蕩，且超調量小，接近于零，穩(wěn)態(tài)誤差小于1r/s。因此可以得出模糊PID控制器相對于傳統(tǒng)的PID控制器有較好的適應性和魯棒性，提高了系統(tǒng)的工作速度。

圖7 模糊PID控制器與傳統(tǒng)PID控制器比較

4 上位機控制

分級控制系統(tǒng)是實現(xiàn)上下位機實時通訊共同實現(xiàn)對檢測機器人的控制。系統(tǒng)程序主要包含主程序、電機轉動子程序、編碼器距離檢測子程序、探測子程序和上位機接收數(shù)據(jù)子程序。主程序主要作用是對硬件初始化和對子程序的調用控制，主程序的流程圖如圖8所示。硬件初始化后，單片機控制電機模塊以及超聲測距傳感器進行實時監(jiān)測調整，使機器人沿指定軌道運動，編碼器實時監(jiān)測機器人運動的位移，當達到一定位置時，觀察攝像頭圖像移動橫移電機，到達待測點進行管壁厚度探測，再通過串口傳輸數(shù)據(jù)到上位機保存。

圖8 主程序流程圖

為了更直觀的使上下位機進行無障礙交流，本設計基于VS2010平臺使用MSComm控件建立串口通訊，因為MSComm控件建立串口通訊較為方便，同時它是微軟基于組件模型(COM)開發(fā)的，因此穩(wěn)定性和運行效率很好[10]。圖9是本控制系統(tǒng)基于MFC設計的一套友好的人機交互界面，該界面簡單明了，可以使工業(yè)生產(chǎn)者快速上手，只要在PC與單片機之間建立相同的波特率、數(shù)據(jù)位和停止位，通過RS232通訊協(xié)議標準就可以實現(xiàn)上位機對單片機各電路的控制。同時上位機也可以通過RS232通訊協(xié)議標準與超聲測厚儀之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

上位機通過串口對超聲測厚儀測量數(shù)據(jù)進行實時采集，同時基于VS2010平臺編寫代碼，對采集的數(shù)據(jù)進行實時計算、判斷并顯示在人機交互界面上，有利于操作者對測量結果進行快速分析并做出相應的對策。實驗數(shù)據(jù)如圖9所示，上位機把下位機測得的連續(xù)10個管壁厚度實時顯示在界面上，并自動做出計算判斷，根據(jù)判斷，操作者只需在機房對爬壁檢測機器人進行遠程操控，以獲得正確的結果，并且把所有數(shù)據(jù)保存到文件夾中，以便日后匯總檢查。

圖9 磨損檢測機器人的人機交互界面

選用USB接口的CCD攝像頭將圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C，操作者可隨時了解機器人運行路況以及管壁是否有明顯裂痕等，猶如親臨現(xiàn)場，使該控制系統(tǒng)更加人性化。

5 總結

本設計的鍋爐水冷壁磨損檢測爬壁機器人的分級控制系統(tǒng)上位機操作方便，人們不用親臨現(xiàn)場就可以控制機器人運動并進行實時數(shù)據(jù)采集處理，還可以高效的處理龐大的數(shù)據(jù)并實時得出結論以便采取相應對策，具有較高的智能化水平；系統(tǒng)下位機采用模糊PID控制算法對機器人位姿進行控制，并通過仿真實驗驗證該控制算法比傳統(tǒng)的PID控制算法更加優(yōu)化，大大提高了工作效率。綜上所述，該控制系統(tǒng)采用集成度高的STM32F103RCT6單片機，精度靈敏的超聲測厚儀，且結合了穩(wěn)定的串口通訊和友好的人機交互界面，完全能夠勝任枯燥危險的鍋爐水冷壁磨損檢測工作，具有較大的實用價值。

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DesignandStudyofWaterWallWearDetectionRobotControlSystem

Li Jing,Xing Yang,Yu Zhuqing

(School of Mechanical Engineering，Changzhou University，Changzhou 213100，China)

In order to effectively improve the detection efficiency of the boiler water wall thickness in the petrochemical industry,this system designs magnetic adsorption wall-climbing robot as the carrier, by adopting the combination of upper and lower machine control method to realize high altitude detection.Firstly,the lower computer uses the ARM Cortex-M3 as the core of the 32-bit micro-controller,and the fuzzy PID control method is adopted to realize the control of the position of boiler water wall wear inspection robot,complete the straight path to follow the action.In addition,it is equipped with ultrasonic nondestructive testing technology, image acquisition and displacement sensor,etc.,to achieve the boiler water wall wear detection robot final wall real-time image video and test data collection.Secondly,based on Visual Studio 2010 platform to create human-computer interaction interface ,with the lower computer to achieve data transmission and subsequent detection data processing.Finally,the experimental simulation shows that the hierarchical control system is stable and reliable,and the upper and lower computer can communicate in real time,which improves the working speed and processing ability of the climbing wall robot,and improves the detection efficiency,and has a high level of intelligence.

wall-climbing robot;control system;human-computer interaction interface

2017-03-16；

2017-04-17。

科技部中小企業(yè)技術創(chuàng)新基金項目(14C26213201195)。

李 靜(1989-)，女，山東臨沂人，碩士研究生，主要從事機電一體化方向的研究。

俞竹青(1962-)，男，江蘇常州人，教授，碩士研究生導師，主要從事機電一體化與機器人技術方向的研究。

1671-4598(2017)10-0062-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.10.017

TH16；TP242

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