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基于STM32F103ZET6的塑料管道修补机器小车系统设计

2024-11-09 61 上传者：管理员

摘要：随着城市化的不断推进，城市排水问题愈发严重，并已成为当下社会亟待解决的问题。排水管道大多数空间较小，检修工人难以进入。基于此，设计了一种专门用作城市排水管道修补的机器小车，采用STM32F103ZET6单片机作为控制器，搭配电源模块、传感器模块、舵机模块、北斗定位模块等，在直径300 mm及以上的金属或塑料排水管道内进行作业，实现清淤、巡航检测、水质检测与管道修补等功能。仿真结果表明，该机器小车能够提高城市管道修补作业的效率，减少检修工人的安全风险隐患。

关键词：
北斗定位系统
城市塑料管道
排水管道
管道修补机器小车
管道老化
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随着城市管道建设规模的不断扩大，维护管道正常运作的难度也越来越大。资料显示，我国城市管道老化、管理技术落后等问题开始凸显[1]。目前，城市管道的工作重点从工程建设转为维护保养。其中，排水管道的检测和维护主要依赖于人工作业或人机结合的方式作业，况且管道一般修建在地下，维护十分困难，若出现泄漏等故障，传统方式是在挖开之后进行修复作业，这种方式效率低、局限大，易造成交通堵塞，影响市民的正常出行；另一种方式，需要工人在昏暗狭小的管道内作业，这种人工的方式效率较低、工作负担大，且具有相当的人身安全隐患[2]。若排水管道出现堵塞、破损且无法正常排水的情况，则有可能造成饮用水污染、滋生细菌病毒导致病毒感染等危害，所以城市管道定期检查和养护十分有必要[3]。

如今，随着人工智能、物联网、机器人等技术的应用范围越来越宽广，利用智能机器人对城市塑料管道进行检测与维护正在成为一种趋势。管道修补机器小车是一种可以在管道内、外行走的机电一体化装置，可以携带一种或多种传感器和执行机构装置，并在操作员的远距离操作下完成管道作业。最近几十年来，国内外都对管道机器小车进行了较为深入和广泛的研究，设计出了多种管道机器小车以应对多种不同情况，但现阶段研制的管道机器小车检测方式局限大，作业方式单一，难以较好地完成作业任务。而复杂的管况又对机器小车提出了严苛的要求，需研发性能卓越的硬、软件系统，以应对未来可能的挑战。

1、系统总体设计方案

城市塑料管道修补机器小车的核心需求在于服务城市地下管道的维修工作人员，以减少他们的工作量、减轻他们的工作强度，最大程度地保障他们的人身安全，总体设计方案如图1所示。

图1系统总体设计方案

管道修补机器小车是一种先进的机电一体化设备，系统功能主要体现在以下几个方面：1)自主导航，通过内置的传感器和算法，在复杂的管道网络中实现精准定位和导航；2)智能检测，能够识别管道内部的损伤、锈蚀和裂缝等问题，并通过数据分析提供修补方案；3)自动修补，搭载有修补工具，能够自主完成轻微的管道损伤部位的修补工作；4)实时监控，在作业过程中持续监控管道状态，确保修补效果符合预期，并在必要时调整修补策略；5)数据存储与传输，记录管道状态和修补过程数据，为后续维护和管理提供重要参考。整体而言，本设计的城市塑料管道修补机器小车能够显著提高管道维修的效率和准确性，降低人工成本和安全风险。

2、硬件电路设计

城市塑料管道修补小车的硬件电路主要包含单片机主控模块、电源模块、舵机模块、报警模块、定位模块、传感器模块、导航模块以及通信电路模块等。

2.1主控模块

管道修补机器小车采用STM32F103ZET6微控制器精准控制机器小车在管道内的运动和操作。以STM32F103ZET6微控制器作为核心，通过编程实现控制机器小车的运动和操作；其集成了多个传感器，如陀螺仪、加速度计、磁力计等，用于检测机器小车的姿态和位置信息；此外它还配备了多个电机驱动器，用于控制机器小车的运动和转向。控制器通过与机器小车的通信接口连接，实现与机器小车的数据交互和控制指令传输；它还可以与外部设备进行通信，如遥控器、计算机等，实现远程控制和数据传输；并且采用实时操作系统(RTOS)进行任务调度和管理，保证机器小车的稳定运行和高效操作[3-4]。

2.2电源模块

由于机器小车需要在没有电线的情况下自由行动，选择使用高性能航模锂离子电池作为主电源是较为合适的。使用6S-6500 mAh航模锂电池，提供22 V的电压，并通过电源管理模块确保电池安全充放电。为了从22 V主电源降压到不同的工作电压，使用稳压芯片(如AMS1117-3.3)从22 V降至12 V再降至3.3 V，供给STM32F103ZET6微控制器、3.3 V的传感器及通信模块电源。同时，利用电源管理IC(如BMS模块)确保锂电池的安全。添加LED灯和电量检测电路，给使用者以直观的电源和电量信息。设计一个容易接触到的开关，以便在紧急情况下迅速切断电源。

2.3舵机模块

管道修补机器小车的舵机在机器小车控制系统中发挥着重要作用，帮助机器小车实现精确、灵活运动。在管道修补机器小车中，舵机被用作关键的执行机构，负责控制机器小车的关节运动。通过调节舵机的输出角度，可以改变机器小车的姿态和方向，使其能够在管道内部进行导航和探索。舵机的精确控制能力使得机器小车能够以高度准确的方式穿越复杂的管道系统，完成各种任务。

2.4报警模块

报警模块通过输出波形进行设置。首先根据SH69P43的PWM输出的周期宽度(10位数据)来选择PWM时钟。系统使用4 MHz的晶振作为主振荡器，一个tosc的时间就是0.25μs，若是将PWM的时钟设置为tosc的话，则蜂鸣器要求的波形周期500μs的计数值为500μs/0.25μs=(2 000)10=(7D0)16，7D0H为11位数据，而SH69P43的PWM输出周期宽度是10位数据，所以选择PWM的时钟为tosc是不能实现蜂鸣器所要的驱动波形的。这里将PWM的时钟设置为4 tosc，这样一个PWM的时钟周期就是1μs了，由此可以算出500μs对应的计数值为500μs/1μs=(500)10=(1F4)16，即分别在周期寄存器的高2位、中4位和低4位三个寄存器中填入1、F和4，就完成了对输出周期的设置。其次设置占空比寄存器，在PWM输出中占空比是通过设定一个周期内电平的宽度来实现的。当输出模式选择为普通模式时，占空比寄存器用来设置高电平的宽度。250μs的宽度计数值为250μs/1μs=(250)10=(0FA)16。只需要在占空比寄存器的高2位、中4位和低4位中分别填入0、F和A就可以完成对占空比的设置了，设置占空比为1/2 duty。以后只需要打开PWM输出，PWM输出口自然就能输出频率为2 000 Hz、占空比为1/2 duty的方波。

2.5传感器模块

传感器是管道修补机器小车实现智能化的重要工具，它可感知环境变化，将环境的物理量转变为电信号传递给控制器，从而为机器小车的执行动作提供依据，可以说传感器是机器小车的“五官”[5]。其中，机器小车采用的倾角传感器模块，是一块低成本的双轴倾角传感模块，精确测量角度范围为±45°，其与外部处理器进行半双工通信，波特率可选，具有零点设定、响应频率调整等功能，并且配备了电子罗盘模块与其搭配使用。电子罗盘模块是一款体积小、成本低的平面数字罗盘模块，其工作原理是通过磁阻传感器感应地球磁场的磁分量，从而得出方位角度。该罗盘与上位机进行通信，模块的精度高，运行稳定，并具有标定功能及安装角和磁偏角补偿功能，可以适应不同的工作环境。超声波传感器用于采集管道破损地址信息，实现精准修补，提高整体工作效率。

2.6定位模块

北斗导航定位系统，作为全球卫星导航系统的重要组成部分，不仅在地理定位、导航和时间传输等传统领域发挥着重要作用，同时也在各种特定应用场景中展现出独特价值[6]。管道修补小车作为管道检测与维护的重要工具，融合北斗导航模块后具有多种功能及作用，能实现高效修补、精准作业，既能保证公共安全，又能节省人力资源成本。

精确定位与实时监控：借助北斗卫星系统，管道机器小车能够实现对自身在复杂管道网络中的精确定位。即便在地下管道或遥远区域，北斗系统也能提供相对准确的定位信息，这对于精确找到管道问题位置具有重要意义[7]。

自动导航与任务规划：通过北斗导航模块，管道机器小车能够实现自动导航功能，自主规划最短、最安全的检测路线，大幅提升管道检测、维护的工作效率和安全性。同时，自动导航还减少了对人工操作的依赖，降低了工作人员的劳动强度。

数据记录与回传：结合北斗系统的时间同步功能，管道机器小车可以记录下在特定时间完成的特定任务，如检测到的管道裂纹、腐蚀等信息，并通过北斗系统实现数据的实时回传。这为后续的数据分析和决策提供了准确的时间戳，确保信息的准确性。

紧急响应：在管道发生紧急情况时，如泄漏或爆炸，北斗系统能够快速定位事故点，及时调派管道机器小车进行第一时间的应急响应，大大缩短了救援时间，减少了事故损失。

北斗定位系统控制流程：单片机上电初始化系统后，接收到北斗的定位信息，校验定位信息后，将定位信息存入到SD卡中，并以短报文的形式将定位信息下发给地面站[8]。

3、软件设计部分

本设计采用C语言进行编程烧录，编译环境为Keil5＿MDK编程软件。机器小车的工作流程为：在开始工作前，操作人员会对管道修补机器小车进行远程操控，检查其各项功能是否正常。这包括机械臂的灵活性、传感器的灵敏度以及电源系统等。机器小车进入管道后，会依靠内置的北斗定位系统和惯性测量单元进行定位和导航。通过这些设备，机器小车能够精确计算出自己在管道中的位置，确保修补工作的准确性。通过高清摄像头和多种传感器，机器小车能够实时捕捉管道内部的图像和数据。通过分析这些数据，机器小车能够准确识别出裂缝和漏洞的位置以及大小。一旦识别出裂缝或漏洞，机器小车会迅速定位到这些位置，并使用内置的修复材料进行填充和加固。这些修复材料是特殊设计的环氧树脂或聚合物，能够在短时间内固化并恢复管道的密封性[9-10]。

管道修补机器小车的Web端开发主要包括以下几个方面。1)界面设计，根据用户需求和功能要求，设计Web端的界面。界面设计需要考虑用户体验感和交互性，以优化用户的使用体验。2)前端开发，使用HTML、CSS、JavaScript等前端技术，实现Web端的界面交互功能。前端开发需要考虑Web端的兼容性和响应式设计，以适应不同的设备和屏幕尺寸。3)后端开发，使用Java、Python、PHP等后端技术，实现Web端的数据处理和业务逻辑。后端开发需要考虑Web端的安全性和性能，以保证数据的安全性和Web端的稳定性。4)数据库设计，设计Web端所需的数据库结构和数据表，以存储和管理Web端的数据。数据库设计需要考虑数据的完整性和一致性，以保证数据的准确性和可靠性。5)接口开发，设计Web端与机器小车控制系统之间的接口，以实现数据的传输和控制命令的下发。接口开发需要考虑接口的安全性和可靠性，以保证数据的安全性和机器小车的稳定性。

4、结语

综上所述，随着环保理念的深入推广，公众对于城市塑料管道的修补更加关注。市场对于新一代、能耗低、效益高的修补方式有着巨大的需求。不过虽然市场对于城市管道修补机器小车的需求量很大，但此类产品的市场竞争也很激烈，如何持续优化产品以满足市场的需要，将成为未来的主要挑战。在应对政策风险时，需要不断关注相关领域的新政策以及全球市场的发展趋势，从而持续对产品进行优化。

参考文献:

[1]徐博.市政排水管道设计分析[J].科技创新与应用,2015(24):174.

[2]韦凤年,刘岩岩.众议塑料管道行业发展前景[J].中国水利,2015(9):66+68.

[3]林亚南.新型聚氨酯基材料在城市供水管道修复中的应用[J].水利技术监督,2022(7):120-121+148.

[4]朱新强,吴溢达,韩颖晴,等.基于STM32单片机的煤矿环境监测及预警系统设计[J].科学技术创新,2023(21):84-87.

[5]任昕泽,王浩全,常欣雨.基于STM32的大气环境监测系统[J].信息技术与信息化,2023(7):130-134.

[6]李雅宁,韦澜.一种基于北斗定位系统的道路积水检测装置[J].电子世界,2021(14):196-197.

[7]张锐.基于高精度北斗卫星定位的矿山安全监测系统[J].山西电子技术,2024(1):28-30.

[8]薛思琪,任勇峰.基于北斗短报文的低功耗定位系统的设计[J].仪表技术与传感器,2024(1):57-63.

[9]柏思忠.矿用智能传感器自主定位研究[J].煤矿安全,2022,53(7):135-140.

[10]华永翔,宫丽娜,谢柏蓉.基于STM32的智能载重机器人小车的设计[J].电脑知识与技术,2023,19(31):110-114.

文章来源:佘洋洋,王柏翔,杨佩,等.基于STM32F103ZET6的塑料管道修补机器小车系统设计[J].南方农机,2024,55(21):157-159+164.

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期刊名称：南方农机

期刊人气：1526

期刊详情

主管单位：江西省农业农村厅

主办单位：江西省农业机械研究所

出版地方：江西

专业分类：农业

国际刊号：1672-3872

国内刊号：36-1239/TH

邮发代号：44-110

创刊时间：1970年

发行周期：半月刊

期刊开本：大16开

见刊时间：4-6个月

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