基于超声波的管道阻塞物检测机器人系统设计

黄春耀，王清辉，任宜

（龙岩学院，福建龙岩，364000）

0 引言

本文从管道检测机器人系统设计出发，整个系统含有上位机和下位机，上位机由PC机实现，限篇幅本文重点论述基于超声波的管道检测机器人系统下位机系统设计。

1 管道检测的特殊性及基于超声波的管道检测机器人系统设计的可行性

1.1 基于超声波的管道检测机器人系统设计的可行性

现代技术的快速发展为系统在技术上成为可行。一方面超声波测距技术成熟，使得超声波来设计各类检测系统成为可能，精确的测量是超声波的一个特点。另一方面，单片机处理能力增强和通信技术的发展，无线通信得到充分的应用，使得在管道内的阻塞物状态数据可通过无线通信实时传输到接收端，通过接收端进行分析处理。基于超声波的检测技术+现代通信技术，使管道检测机器人系统设计成为可行[1]。

1.2 超声波测距原理

超声波是通过运用反射的方法来测量距离的，系统在工作时把超声波传感器与反射物要放在同一条水平线上发射超声波，同时要记录时间，超声波在空气中传达时有信号反射回来、说明超声波在反射信号回来之前已经抵达测量物、在反射脉冲收到后终止计时即可，被测量物之间的距离可以通过超声波的传播速度及所计时间算出[2]。测量距离用D表示，即公式为：

2 基于超声波的管道检测机器人系统构成分析

2.1 下位机构成

下位机结构如图1所示。从图中可知下位机主要由STC15单片机模块、超声波测距模块、MOS电路控制模块、锂电池充电管理模块、无线通信模块和测速模块等部分组成[3]。

超声波测距模块：在系统设计时选取了四个（左、右、前和上）超声波双探头安装在小车上同时检测的工作方式，分别测量与障碍物的距离。如碰到前面有障碍物，前面测距模块数值改变；如遇管中有沉积泥沙，上方测距模块数值改变。

MOS电路模块：负责机器人系统前进、转弯或返回控制，接收单片机指令。

锂电池充电管理模块：运用升压模块提供稳定的5V电压给系统使用，管理锂电池的充放电。

无线通信模块：负责单片机与上位机之间数据传输。

测速模块：采集机械人系统运行数据，计算出机器人系统运行的距离。

STC15单片机模块：是系统的核心部件，对采集的各种数据进行分析并上传PC上位机，由上位机解析出机器人系统运行的状态，给工作人员实时查看。

下位机软件：负责采集数据并借助通信模块，将数据上传到上位机处理。

图1 下位机系统结构图

2.2 系统硬件电路设计图

系统硬件电路主要由超声波接口电路、单片机控制器、电源及充电管理接口、MOS电路控制接口、无线通信接口等电路组成。其中充电管理接口、MOS电路控制接口、无线通信接口比较难设计，在文中重点论述。

2.2.1 MOS电路控制

MOS电路控制模块原理图如图2所示，该模块LMOTO连接在P13引脚，RMOTO连接P14引脚，还与锂电池充电管理电路模块、升压模块相连，MOS的输出电流来驱动电机，MOS在控制电路中的工作状态是截止状态、击穿状态、导通状态等[4]。

图2 MOS电路控制接口原理图

2.2.2 无线通信电路

如图3所示是无线收发模块电路原理图。根据设计的要求本系统收发无线模块采用2.4GLC12S收发一体无线串口透传模块，实现中短距离的接收和发送数据[5]，在本设计中用无线收发模块来接收和发送小车在管道内行走过程中测得的数据，传送和接收上位机的指令，连接在单片机的P31、P30、P32、P33引脚。

图3 无线通信接口电路原理图

2.2.3 锂电池充电管理接口电路

如图4所示是锂电池充电管理电路模块电路图，该模块与MOS电路控制模块、升压模块相连，设计电路选用了TP4056完整的单节锂离子电池、它是恒流恒压的线性充电器[6]，恒流恒压充电管理主要由它负责。

3 下位机软件设计

3.1 程序主流程图

在图5主程序流程图中系统通电后，按下启动按钮，系统程序初始化，超声波发射脉冲开始计时并开启中断，当障碍物接收到脉冲信号后反射回来，经单片机模块处理后，通过无线通信模块上传上位机接收端接收并显示当前周围状态。由上位机根据系统的设定值判断测量值是否大于设定值，然后把数据以波形的形式显示到上位机上，并分析出是否存在阻塞物。

3.2 无线通信

无线通信模块分为下位机和上位机模块，工作过程主要有：（1）下位机模块负责单片机控制模块采集到的数据发送给上位机模块，将接收到的数据传送到PC上位机进行处理并显示；（2）PC上位机处理数据，然后根据需要将指令传送给下位机。

图4 TP4056锂电池充电管理接口电路图

图5 主程序流程图

4 上位机软件

上位机的检测数据显示采用VB编程实现。如下图6所示，将小车行走过程中检测的数据采用曲线的方式进行实时显示并作出初步判断。

小车检测的数据也可以通过软件中的查看数据进行查看，如图7所示。

从上位机数据处理上看，当前方测距数值大于系统设定值时（处于无穷大时），可不显示数值，左右上方测得的数值不变时，说明管道内无阻塞物；当前方测距数值变小，左右测距数据相加值不变时，说明管道正处在转弯位置，需让管道检测机器人做转弯运行；当前方测距大于设定值，左右测距值不变，上方测距值变小时，说明管道内有堆积物存在如泥沙、石子之类的阻塞物，等等，可通过在上位机中进行状态的设定，来改变检测机器人的运动状态并传送相应的指令。

图7 查看历史测量数据显示图

图6 小车实时检测数据曲线图

5 结束语

基于超声波的管道阻塞物检测机器人系统设计完成，系统的总体功能已基本实现。系统可通过PC上位机对测得数据进行处理并显示，判断管道四周是否有阻塞物存在。下表1是系统在运行过程中测得的一组数据，用于本次检测设计的是四个超声波同时检测真实值与测量值情况。

表1 真实值与测量值之间的关系

从表中可以看出，系统测量值误差小，基本可以用于管道内阻塞物的检测，提高管道检测的工作效率，能方便管理人员掌握管道内阻塞物情况并进行及时的处理。

本系统虽然以管道阻塞物检测作为设计对象，只要稍加修改即可用于其它领域，如液位、井深等方面使用，具有一定的扩展性和推广价值。