基于ARM的車間環(huán)境監(jiān)測機(jī)器人設(shè)計(jì)

摘要：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，在復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)車間環(huán)境中，該機(jī)器人能很好地通過復(fù)雜的車間環(huán)境，完成車間環(huán)境監(jiān)測任務(wù)，并且將環(huán)境數(shù)據(jù)通過無線Wi-Fi模塊回傳給上位機(jī)，提供一種有效的車間無人監(jiān)測方案，提升了工作效率，保證了人員和設(shè)備的安全。

在化工業(yè)、食品工業(yè)、紡織工業(yè)中為保障倉儲環(huán)境、工藝流程、設(shè)備性能等，對環(huán)境條件有一定要求，需要對車間的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，以保證生產(chǎn)活動(dòng)的正常進(jìn)行^[1-3]。在某些產(chǎn)業(yè)中，車間可能會(huì)產(chǎn)生一些污染物，對人員健康和設(shè)備造成損害，對這些污染物進(jìn)行監(jiān)測也非常必要^[4]。

為解決上述問題，文獻(xiàn)^[5]設(shè)計(jì)了基于STM32 和阿里云的智能環(huán)境檢測系統(tǒng)，但其采集節(jié)點(diǎn)相對固定，不夠靈活。文獻(xiàn)^[6]設(shè)計(jì)了一種環(huán)境信息采集智能車，但其底盤使用履帶，移動(dòng)速度和效率低，體積大不適用于車間環(huán)境。文獻(xiàn)^[7]使用傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)測，需布置大量傳感器和服務(wù)器系統(tǒng)，成本較高，不利于推廣。

本文為解決上述問題，基于ARM 內(nèi)核微處理器，設(shè)計(jì)了車間環(huán)境監(jiān)測機(jī)器人。機(jī)器人使用二輪平衡底盤，具有高效率、靈活、移動(dòng)速度快、通過性能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。機(jī)器人搭載了氣體傳感器模塊，溫濕度傳感器模塊，攝像頭和Wi-Fi 圖傳模塊，姿態(tài)傳感器模塊。該機(jī)器人克服了以上缺點(diǎn)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性，為工業(yè)生產(chǎn)提供了保障。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

機(jī)器人系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，分為硬件層和軟件層。其中，硬件層包括運(yùn)動(dòng)層，控制層，通信層和感知層。感知層主要包括監(jiān)測采集環(huán)境信息的各種傳感器，控制層為基于ARM 核心的微控制器，運(yùn)動(dòng)層包括機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的底盤電機(jī)等，通信層為Wi-Fi 圖傳模塊。

圖1 機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)圖

2 車間環(huán)境監(jiān)測機(jī)器人系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

機(jī)器人系統(tǒng)主控采用基于ARM 核心的STM32F407處理器，該系列MCU 具有豐富的外設(shè)接口和片上資源，突出的低功耗性能和豐富的開發(fā)例程。MCU 負(fù)責(zé)與機(jī)器人硬件各層次通信和控制。包括機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，電機(jī)電流指令發(fā)送，氣體傳感器，溫濕度傳感器數(shù)據(jù)的采集、處理，Wi-Fi 模塊的數(shù)據(jù)上傳控制。機(jī)體姿態(tài)傳感器的數(shù)據(jù)采集和處理。

2.1 電源模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)需要3.3 V，5 V 和24 V 三種規(guī)格的電源，故使用24 V 鋰聚合物電池作為機(jī)器人系統(tǒng)的電力來源。系統(tǒng)的電源分為3 個(gè)層次：24 V 電源輸入、TPS54540同步降壓5 V 電源、MT2492 同步降壓3.3 V 電源。系統(tǒng)電源樹如圖所示。

圖2 機(jī)器人系統(tǒng)電源樹

圖3 TPS54540電源

MT2492 為西安航天民芯公司開發(fā)的一款同步降壓轉(zhuǎn)換器，具有2 A 輸出電流，通過反饋電阻網(wǎng)絡(luò)配置輸出電壓，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊提供的計(jì)算公式，將反饋電阻網(wǎng)絡(luò)配置為R_HS = 67.5 kΩ，R_LS =15 kΩ。

2.2 姿態(tài)傳感器模塊設(shè)計(jì)

機(jī)器人采用了平衡底盤，為保持底盤平衡直立，需測量機(jī)器人底盤姿態(tài)。姿態(tài)傳感器模塊使用MPU6050芯片進(jìn)行姿態(tài)檢測。該芯片是InvenSense 公司的IMU（慣性測量單元）產(chǎn)品，能同時(shí)檢測三軸加速度、角速度的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)以及溫度數(shù)據(jù)。利用官方提供的DMP 庫可對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，直接通過加速度和角速度的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)解算出三軸的歐拉角，直接獲得底盤Yaw，Pitch，Roll 三軸的姿態(tài)數(shù)據(jù)。在芯片DMP 單元完成姿態(tài)數(shù)據(jù)解算后，會(huì)通過INT 引腳觸發(fā)單片機(jī)中斷，然后通過I²C 接口將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，在中斷服務(wù)函數(shù)中進(jìn)行姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)的接收。

圖4 姿態(tài)檢測模塊

2.3 氣體傳感器模塊設(shè)計(jì)

機(jī)器人具有有害氣體檢測功能，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控車間有害氣體濃度，有害氣體檢測使用了MQ135 氣體檢測模塊。該傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫（SnO₂)。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在污染氣體時(shí)；傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中污染氣體濃度的增加而增大。MQ135 傳感器對氨氣、硫化物、苯系蒸汽的靈敏度高，對煙霧和其它有害氣體的監(jiān)測也很理想。

通過集成的氣體傳感器模塊檢測電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的數(shù)字信號，通過電位器設(shè)置觸發(fā)閾值，當(dāng)有害氣體濃度超過閾值后，模塊輸出高電平，單片機(jī)通過IO 直接讀取模塊信號輸出。

2.4 溫濕度傳感器模塊設(shè)計(jì)

為了保證生產(chǎn)需要，監(jiān)測車間的溫濕度，機(jī)器人搭載了DHT12 溫濕度傳感器模塊，該模塊為集成了微處理器的數(shù)字信號輸出型傳感器。在傳感器內(nèi)部同時(shí)集成了溫度傳感器，濕度傳感器和1 個(gè)8 位的高性能單片機(jī)。傳感器元件包括1 個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)NTC 測溫元件。該模塊應(yīng)用集成微處理器內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，通過I²C 接口進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出。該傳感器模塊成本低，可以同時(shí)進(jìn)行相對濕度和溫度測量，大大降低了機(jī)器人的生產(chǎn)成本。

2.5 Wi-Fi圖傳模塊設(shè)計(jì)

機(jī)器人需要進(jìn)行遠(yuǎn)程操控和數(shù)據(jù)上傳，考慮到機(jī)器人在車間環(huán)境下工作，故選用Wi-Fi 攝像頭圖傳模塊，同時(shí)上傳攝像頭采集到的圖像和機(jī)器人數(shù)據(jù)。攝像頭圖傳模塊采用ESP32-CAM，模塊基于ESP32 微處理器，該處理器運(yùn)算能力高達(dá)600DMIPS，該模塊集成了Wi-Fi 圖傳，串口傳輸和攝像頭，可以直接在上位機(jī)軟件進(jìn)行圖像和上傳數(shù)據(jù)的查看。模塊采用802.1.1 通信標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速度可以達(dá)到150 bit/s。該模塊使用5 V 電源進(jìn)行供電，串口波特率設(shè)置為115 200，機(jī)器人傳感器數(shù)據(jù)上傳使用串口進(jìn)行傳輸，在使用時(shí)，將客戶端接入模塊的無線熱點(diǎn)，啟動(dòng)模塊配套的客戶端即可。

數(shù)據(jù)直接以字符串形式進(jìn)行傳輸，刷新頻率為20 Hz，既保證了數(shù)據(jù)上傳實(shí)時(shí)性，也避免占用過多上傳信道帶寬。在串口上傳的數(shù)據(jù)中，/n 為數(shù)據(jù)的起始位，“有害氣體”，“溫度”，“濕度”為數(shù)據(jù)名稱，數(shù)據(jù)名稱后接數(shù)字即為該數(shù)據(jù)的值。

3 車間環(huán)境監(jiān)測機(jī)器人系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

機(jī)器人系統(tǒng)的軟件部分包括初始化程序，傳感器數(shù)據(jù)采集程序，上位機(jī)數(shù)據(jù)上傳程序，遙控程序，底盤控制程序。

因機(jī)器人軟件包含多個(gè)線程，故軟件系統(tǒng)基于Freertos 開發(fā)，通過Freertos 的時(shí)間片調(diào)度功能，實(shí)現(xiàn)毫秒級時(shí)間尺度上的并行處理。

軟件初始化程序?qū)纹瑱C(jī)各個(gè)外設(shè)進(jìn)行初始化，使各個(gè)傳感器進(jìn)入工作狀態(tài)，初始化Freertos，運(yùn)行各個(gè)線程。

傳感器數(shù)據(jù)采集程序?qū)⒏鱾€(gè)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理成字符串后通過串口發(fā)送到上位機(jī)。

遙控程序?qū)⑼ㄟ^串口采集的數(shù)據(jù)設(shè)置機(jī)器人底盤的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人底盤的運(yùn)動(dòng)控制。

底盤控制程序通過底盤控制器控制底盤的運(yùn)動(dòng)。

3.1 底盤控制器設(shè)計(jì)

平衡底盤使用底盤控制器進(jìn)行底盤的運(yùn)動(dòng)控制，為保證底盤的通過性能和穩(wěn)定性，采用了滑?？刂坪蚉ID控制相結(jié)合的方法。底盤控制器采用滑?？刂破鬟M(jìn)行平衡底盤角度的鎮(zhèn)定，PID 控制器進(jìn)行平衡底盤速度的鎮(zhèn)定，滑?？刂破骱蚉ID 控制器組成了一個(gè)串級結(jié)構(gòu)?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)框圖如圖5 所示。

圖5 控制器結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)字式PID 控制器可通過連續(xù)域的PID 控制器離散化得到，在此使用梯形法進(jìn)行離散化得到。

4 車間環(huán)境監(jiān)測機(jī)器人測試

為了對機(jī)器人的總體功能和通過性能進(jìn)行驗(yàn)證，選擇了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境對機(jī)器人功能進(jìn)行驗(yàn)證。

首先對機(jī)器人的通過性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。模擬車間的道路環(huán)境，在機(jī)器人前進(jìn)的路徑上設(shè)置了高度為150 mm的落差，觀察到的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)如圖6 所示：

圖6 通過落差的機(jī)器人姿態(tài)

機(jī)器人在通過落差時(shí)，由于受到落差的干擾，姿態(tài)發(fā)生了偏移，接觸地面后即很快恢復(fù)了直立穩(wěn)定狀態(tài)。

對機(jī)器人的數(shù)據(jù)采集功能進(jìn)行測試。將機(jī)器人通電后再將機(jī)器人置于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行測試，通過Wi-Fi模塊建立系統(tǒng)與上位機(jī)的聯(lián)系，使機(jī)器人數(shù)據(jù)采集和上傳功能處于正常工作狀態(tài)。在上位機(jī)采集到的回傳數(shù)據(jù)如圖7 所示：

圖7 上位機(jī)采集的傳感器數(shù)據(jù)

機(jī)器人通過Wi-Fi 模塊的串口通信功能，將數(shù)據(jù)回傳給機(jī)器人的上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境數(shù)據(jù)采集上傳功能。

5 結(jié)束語

基于ARM 內(nèi)核微處理器，設(shè)計(jì)了車間環(huán)境監(jiān)測機(jī)器人的軟硬件系統(tǒng)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，機(jī)器人底盤具有較強(qiáng)的通過性能，可以適應(yīng)復(fù)雜的車間環(huán)境。機(jī)器人通過搭載的傳感器進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)測量，能夠及時(shí)地回傳采集到的數(shù)據(jù)，完成車間環(huán)境監(jiān)測任務(wù)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性，滿足工業(yè)生產(chǎn)過程車間中的環(huán)境監(jiān)測需求，為工業(yè)生產(chǎn)提供了保障。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年4月期）