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摘要：为提高管道机器人行走的稳定性，并提高管道机器人的实时处理能力，本论文提出了基于STM32F745+LM629的全新双核控制模式。四轮管道机器人控制器以LM629为处理核心，把STM32F745从复杂的工作当中解脱出来，实现部分的信号处理算法和LM629的控制逻辑，并响应中断，实现数据通信和存储实时信号。
关键词：管道机器人;伺服;陀螺仪
中图分类号：TM301 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2021）27-0139-04
Abstract： In order to improve the walking stability and the real-time processing ability of pipeline robot， a new dual core controller based on stm32f745 + LM629 is proposed in this paper. With LM629 as the processing core， the controller of the four-wheel pipeline robot can free stm32f745 from the complicated work， realizes part of the signal processing algorithm and LM629 control logic， and responds to the interrupt to realize data communication and real-time signal storage.
Key words： pipeline robot; servo; gyro
1 引言
管道機器人是一种携带多种智能传感器，并且可以沿着管道内部自主行走，在总控条件下完成一系列管道内工作的机电一体的自动化系统[1-3]。
管道机器人的研究开始于20世纪40年代，国外管道机器人技术于90年代初得到了迅猛发展，并制造了多种研发样机，取得了大量的研究成果[4-6]。管道机器人的使用，不仅可以提高管道清理的效率，而且对于改善劳动条件，减轻劳动强度，提高作业效率，降低作业成本，保障人身安全都有着十分重要的意义。
管道机器人算法是机器人的灵魂，管道机器人必须采用一定的人工智能算法才能准确地从管道一点到达管道另外一点，整个过程中，只有多种人智能算法的参与，才能保证管道机器人自主行走，实现点对点的巡检，运动过程中又必须实时传输图像采集和温度采集结果[7-8]。
微处理器是管道巡检机器人的核心部分，是巡检机器人的大脑，管道内的温度、烟雾、位置信息和电机状态信息等都需要经过微处理器处理并做出相应的判断。
国内对管道机器人的研究只是刚刚起步，受主控器影响，处理速度较慢，稳定性较差，均处于实验室样机设计阶段，离大规模使用具有一定的距离。
本论文为了解决上述问题，研发了一种基于STM32F745+LM629双核控制的四轮驱动管道巡检机器人，依靠其携带的温度采集系统、图像采集系统和无线传输装置，自主在管道中导航，并实现电缆巡检，发现问题及时上报总站处理器。
2 基于STM32F745+LM629四轮管道机器人
STM32F745是STMicroelectronics 所生产的全新STM32F7 MCU系列产品，是全球第一个量产且拥有32位元ARM Cortex-M7处理器的微控制器。Cortex-M7是Cortex-M系列产品中最新推出且效能最高的处理器核心，STM32F745 配备拥有浮点运算单位及DSP扩充功能的Cortex-M7核心，运算速度最高 216MHz。STM32F745将ARM Cortex-M7效能超越早期核心（譬如Cortex-M4）的优势运用到极致，效能达到将近DSP 两倍，使此 MCU 非常适合用于要求高速或多通道电机控制之应用。
LM629是National semiconductor生产的一款专用于精密运动控制的PWM芯片，具有多种管脚和多种封装，在LM629芯片内部集成了数字式运动控制的全部功能，使得实现一个精准、快速的伺服控制系统的任务变得轻松、容易，LM629相对于其他芯片具有以下特性：工作频率为6MHz和8MHz，工作温度范围为-40℃～+85℃ ，使用5V电源;32位的位置、速度和加速度存器;8位分辨率的PWM脉宽调制输出;16位可编程数字PID控制器;内部的梯形速度发生器;该芯片可实时修改速度、目标位置和PID控制参数;实时可编程中断;可编程微分项采样间隔;对增量码盘信号进行四倍频;可设置于速度或位置伺服两种工作状态。上述特点使得LM629特别适合应用于四轮驱动管道机器人伺服运动控制中。
在吸收国外管道机器人先进设计思想的基础上，本文在STM32F745的管道机器人运动控制器基础上引入伺服驱动器LM629，控制器以LM629为伺服控制处理核心，实现管道机器人快速行走时时四周轴伺服电机同步信号的实时处理，论文设计的控制器原理框图如图1所示：其中的电机X通过齿轮控制左边的两运动轮，电机Y通过齿轮控制右边的两运动轮，形成新型两轴四轮管道机器人。
3 四轮管道机器人导航原理
为了能够精确导引管道机器人自动进入检测区域， 本发明采用两套传感器导航模式（磁导航+激光导航），所发明的管道机器人二维结构如图2所示。
为了精确判断管道的损害位置，本四轮机器人采用双导航模式：磁导航传感器M1时刻检测管道中的导航磁条，并依此传感器作为短距离范围的第一导航判据，当导航磁条不存在或导航偏离距离较大时，激光位移传感器器LSF开始作用，激光雷达判断前进方向与左右管壁的距离以及一些特征标志物，为管道机器人长距离直线运动提供导航依据并修正现有的距离误差，并为管道机器人前进障碍物的判别提供依据以及停车做判据。 左岔口磁传感器M2和右岔口传感器M3分别检测地面岔口标志，然后分别作为交叉管道左转或者是右转的判据，并根据激光雷达的点云数据在此位置对位置误差进行修正，可以对管道机器人位置进行精确补偿，这对于管道机器人巡检管道计算位置至关重要。
管道机器人行走导航原理如图3所示。
在机器人行走阶段，将按照图4所示的速度-时间图形所示规律进行加减速，图中包含的面积是管道机器人在某段运动路径上需要行走的距离。
4 软件设计
对于本文设计的基于STM32F745的管道机器人，在准备工作时，无线装置通过主站命令自动打开管道机器人电源，在打开电源瞬间单片机会对电源电压来源进行判断，当确定是蓄电池供电时，如果电池电压低压的话，将禁止LM629工作，电机不能自锁，同时电压传感器将工作，控制器会发出低压报警信号;如果电池电压正常，巡检机器人进入待工作状态，等待工作命令。
无线装置通过地面导引装置把全自动管道机器人导引到管道检测的开始端，机器人启动自动控制程序，主站通过无线装置输入任务。
当自动巡检机器人接收到自动巡检模式后，将读取地面传感器信号，进入自动导航模式，然后根据控制器的信号驱动执行机构（电机X和电机Y）沿着固定路径进行巡检，并时刻记录行走的距离，并通过无线装置传输给主站，主站根据周围参考点决定是不是需要修正其距离。
自动巡检机器人进入自动巡检模式后，图像采集系统和温度采集系统将自动打开，控制器会时刻通过无线装置传输此信息给主站，如发现极端情况时，为了防止主站无应答会立即报警，由维修人员及时维修，避免火灾等危险情况发生。
为了能够驱动两轴管道巡检机器人运动，本控制系统引入了两片LM629，通过I/O口与单片机进入实时通讯，由单片机控制其开通和关断。
在自动管道巡检机器人运动过程中，单片机会时刻储存所经过的管道所处的位置或者是经过的参考点，并根据这些距离信息由单片机计算得到相对下一个参考点自动管道巡检机器人电机X和电机Y分别要运行的距离、速度和加速度，单片机然后与LM629通讯，传输这些参数给LM629，然后由LM629生成速度运动梯形图，这个梯形包含的面积就是管道巡检机器人两个电机要运行的距离。
在运动过程中如果自动管道巡检机器人发现距离求解出现死循环将向单片机发出中断请求，单片机会对中断做第一时间响应，如果单片机的中断响应没有来得及处理，自动管道巡检机器人的X电机和Y电机将原地自锁，防止误操作，等待维修人员维修。
本论文设计的行走程序原理如图5所示。
5 实验
图6所示为本文设计的基于STM32F745设计管道机器人实体。
图7所示为所设计的管道机器人模拟管道在无障碍条件下的直行运动，从图中可以看出，管道机器人在无障碍行走时，行走的方向平行于两边的挡墙，并处于巷道的中线上。
图8所示为所设计的管道机器人模拟机器人在复杂环境下的多障碍物运动图，从图中可以看出，管道机器人在遇到复杂障碍物时，会自动绕行避障，并与障碍物保持一定的安全范围。这说明控制器已经按照激光雷达数据和陀螺仪数据对机器人位置进行了精确控制。
6 结论
为了提高运算速度，保证自动电缆巡检机器人系统的稳定性和可靠性，本论文在基于嵌入式ARM的控制器中引入精密運动控制专用芯片LM629，形成基于STM32F745+LM629的全新双核控制器，此控制器充分考虑电池在这个系统的作用，把控制系统中工作量最大的多轴伺服系统交给LM629处理，充分发挥LM629数据处理速度相对较快的特点，而电池监控、路径读取、轨迹参数预设、数据存储、I/O控制、图像采集、温度检测、无线传输等功能交给ARM完成，这样就实现了ARM与伺服运动控制专用芯片LM629的分工，同时二者之间也可以进行通讯，实时进行数据交换和调用。
参考文献：
[1] 甘小明，徐滨士，董世运，等.管道机器人的发展现状[J].机器人技术与应用，2003（6）：5-10.
[2] 张秀丽，郑浩峻，赵里遥.一种小型管道检测机器人[J].机器人，2001，23（S1）：626-629.
[3] 王永雄.管道机器人控制、导航和管道检测技术研究[D].上海：上海交通大学，2012.
[4] Suzumori K，Miyagawa T，Kimura M，et al.Micro inspection robot for 1-in pipes[J].IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，1999，4（3）：286-292.
[5] Choi H R，Ryew S M.Robotic system with active steering capability for internal inspection of urban gas pipelines[J].Mechatronics，2002，12（5）：713-736.
[6] Roh S G，Choi H R.Differential-drive in-pipe robot for moving inside urban gas pipelines[J].IEEE Transactions on Robotics，2005，21（1）：1-17.
[7] 魏明生.基于低频电磁信号的管道清堵机器人定位方法研究[D].徐州：中国矿业大学，2016.
[8] 左福浩.城市污水管道壁面损伤图像采集机器人的研制[D].北京：北京交通大学，2019.
【通联编辑：梁书】
关键词：管道机器人;伺服;陀螺仪
中图分类号：TM301 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2021）27-0139-04
Abstract： In order to improve the walking stability and the real-time processing ability of pipeline robot， a new dual core controller based on stm32f745 + LM629 is proposed in this paper. With LM629 as the processing core， the controller of the four-wheel pipeline robot can free stm32f745 from the complicated work， realizes part of the signal processing algorithm and LM629 control logic， and responds to the interrupt to realize data communication and real-time signal storage.
Key words： pipeline robot; servo; gyro
1 引言
管道機器人是一种携带多种智能传感器，并且可以沿着管道内部自主行走，在总控条件下完成一系列管道内工作的机电一体的自动化系统[1-3]。
管道机器人的研究开始于20世纪40年代，国外管道机器人技术于90年代初得到了迅猛发展，并制造了多种研发样机，取得了大量的研究成果[4-6]。管道机器人的使用，不仅可以提高管道清理的效率，而且对于改善劳动条件，减轻劳动强度，提高作业效率，降低作业成本，保障人身安全都有着十分重要的意义。
管道机器人算法是机器人的灵魂，管道机器人必须采用一定的人工智能算法才能准确地从管道一点到达管道另外一点，整个过程中，只有多种人智能算法的参与，才能保证管道机器人自主行走，实现点对点的巡检，运动过程中又必须实时传输图像采集和温度采集结果[7-8]。
微处理器是管道巡检机器人的核心部分，是巡检机器人的大脑，管道内的温度、烟雾、位置信息和电机状态信息等都需要经过微处理器处理并做出相应的判断。
国内对管道机器人的研究只是刚刚起步，受主控器影响，处理速度较慢，稳定性较差，均处于实验室样机设计阶段，离大规模使用具有一定的距离。
本论文为了解决上述问题，研发了一种基于STM32F745+LM629双核控制的四轮驱动管道巡检机器人，依靠其携带的温度采集系统、图像采集系统和无线传输装置，自主在管道中导航，并实现电缆巡检，发现问题及时上报总站处理器。
2 基于STM32F745+LM629四轮管道机器人
STM32F745是STMicroelectronics 所生产的全新STM32F7 MCU系列产品，是全球第一个量产且拥有32位元ARM Cortex-M7处理器的微控制器。Cortex-M7是Cortex-M系列产品中最新推出且效能最高的处理器核心，STM32F745 配备拥有浮点运算单位及DSP扩充功能的Cortex-M7核心，运算速度最高 216MHz。STM32F745将ARM Cortex-M7效能超越早期核心（譬如Cortex-M4）的优势运用到极致，效能达到将近DSP 两倍，使此 MCU 非常适合用于要求高速或多通道电机控制之应用。
LM629是National semiconductor生产的一款专用于精密运动控制的PWM芯片，具有多种管脚和多种封装，在LM629芯片内部集成了数字式运动控制的全部功能，使得实现一个精准、快速的伺服控制系统的任务变得轻松、容易，LM629相对于其他芯片具有以下特性：工作频率为6MHz和8MHz，工作温度范围为-40℃～+85℃ ，使用5V电源;32位的位置、速度和加速度存器;8位分辨率的PWM脉宽调制输出;16位可编程数字PID控制器;内部的梯形速度发生器;该芯片可实时修改速度、目标位置和PID控制参数;实时可编程中断;可编程微分项采样间隔;对增量码盘信号进行四倍频;可设置于速度或位置伺服两种工作状态。上述特点使得LM629特别适合应用于四轮驱动管道机器人伺服运动控制中。
在吸收国外管道机器人先进设计思想的基础上，本文在STM32F745的管道机器人运动控制器基础上引入伺服驱动器LM629，控制器以LM629为伺服控制处理核心，实现管道机器人快速行走时时四周轴伺服电机同步信号的实时处理，论文设计的控制器原理框图如图1所示：其中的电机X通过齿轮控制左边的两运动轮，电机Y通过齿轮控制右边的两运动轮，形成新型两轴四轮管道机器人。
3 四轮管道机器人导航原理
为了能够精确导引管道机器人自动进入检测区域， 本发明采用两套传感器导航模式（磁导航+激光导航），所发明的管道机器人二维结构如图2所示。
为了精确判断管道的损害位置，本四轮机器人采用双导航模式：磁导航传感器M1时刻检测管道中的导航磁条，并依此传感器作为短距离范围的第一导航判据，当导航磁条不存在或导航偏离距离较大时，激光位移传感器器LSF开始作用，激光雷达判断前进方向与左右管壁的距离以及一些特征标志物，为管道机器人长距离直线运动提供导航依据并修正现有的距离误差，并为管道机器人前进障碍物的判别提供依据以及停车做判据。 左岔口磁传感器M2和右岔口传感器M3分别检测地面岔口标志，然后分别作为交叉管道左转或者是右转的判据，并根据激光雷达的点云数据在此位置对位置误差进行修正，可以对管道机器人位置进行精确补偿，这对于管道机器人巡检管道计算位置至关重要。
管道机器人行走导航原理如图3所示。
在机器人行走阶段，将按照图4所示的速度-时间图形所示规律进行加减速，图中包含的面积是管道机器人在某段运动路径上需要行走的距离。
4 软件设计
对于本文设计的基于STM32F745的管道机器人，在准备工作时，无线装置通过主站命令自动打开管道机器人电源，在打开电源瞬间单片机会对电源电压来源进行判断，当确定是蓄电池供电时，如果电池电压低压的话，将禁止LM629工作，电机不能自锁，同时电压传感器将工作，控制器会发出低压报警信号;如果电池电压正常，巡检机器人进入待工作状态，等待工作命令。
无线装置通过地面导引装置把全自动管道机器人导引到管道检测的开始端，机器人启动自动控制程序，主站通过无线装置输入任务。
当自动巡检机器人接收到自动巡检模式后，将读取地面传感器信号，进入自动导航模式，然后根据控制器的信号驱动执行机构（电机X和电机Y）沿着固定路径进行巡检，并时刻记录行走的距离，并通过无线装置传输给主站，主站根据周围参考点决定是不是需要修正其距离。
自动巡检机器人进入自动巡检模式后，图像采集系统和温度采集系统将自动打开，控制器会时刻通过无线装置传输此信息给主站，如发现极端情况时，为了防止主站无应答会立即报警，由维修人员及时维修，避免火灾等危险情况发生。
为了能够驱动两轴管道巡检机器人运动，本控制系统引入了两片LM629，通过I/O口与单片机进入实时通讯，由单片机控制其开通和关断。
在自动管道巡检机器人运动过程中，单片机会时刻储存所经过的管道所处的位置或者是经过的参考点，并根据这些距离信息由单片机计算得到相对下一个参考点自动管道巡检机器人电机X和电机Y分别要运行的距离、速度和加速度，单片机然后与LM629通讯，传输这些参数给LM629，然后由LM629生成速度运动梯形图，这个梯形包含的面积就是管道巡检机器人两个电机要运行的距离。
在运动过程中如果自动管道巡检机器人发现距离求解出现死循环将向单片机发出中断请求，单片机会对中断做第一时间响应，如果单片机的中断响应没有来得及处理，自动管道巡检机器人的X电机和Y电机将原地自锁，防止误操作，等待维修人员维修。
本论文设计的行走程序原理如图5所示。
5 实验
图6所示为本文设计的基于STM32F745设计管道机器人实体。
图7所示为所设计的管道机器人模拟管道在无障碍条件下的直行运动，从图中可以看出，管道机器人在无障碍行走时，行走的方向平行于两边的挡墙，并处于巷道的中线上。
图8所示为所设计的管道机器人模拟机器人在复杂环境下的多障碍物运动图，从图中可以看出，管道机器人在遇到复杂障碍物时，会自动绕行避障，并与障碍物保持一定的安全范围。这说明控制器已经按照激光雷达数据和陀螺仪数据对机器人位置进行了精确控制。
6 结论
为了提高运算速度，保证自动电缆巡检机器人系统的稳定性和可靠性，本论文在基于嵌入式ARM的控制器中引入精密運动控制专用芯片LM629，形成基于STM32F745+LM629的全新双核控制器，此控制器充分考虑电池在这个系统的作用，把控制系统中工作量最大的多轴伺服系统交给LM629处理，充分发挥LM629数据处理速度相对较快的特点，而电池监控、路径读取、轨迹参数预设、数据存储、I/O控制、图像采集、温度检测、无线传输等功能交给ARM完成，这样就实现了ARM与伺服运动控制专用芯片LM629的分工，同时二者之间也可以进行通讯，实时进行数据交换和调用。
参考文献：
[1] 甘小明，徐滨士，董世运，等.管道机器人的发展现状[J].机器人技术与应用，2003（6）：5-10.
[2] 张秀丽，郑浩峻，赵里遥.一种小型管道检测机器人[J].机器人，2001，23（S1）：626-629.
[3] 王永雄.管道机器人控制、导航和管道检测技术研究[D].上海：上海交通大学，2012.
[4] Suzumori K，Miyagawa T，Kimura M，et al.Micro inspection robot for 1-in pipes[J].IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，1999，4（3）：286-292.
[5] Choi H R，Ryew S M.Robotic system with active steering capability for internal inspection of urban gas pipelines[J].Mechatronics，2002，12（5）：713-736.
[6] Roh S G，Choi H R.Differential-drive in-pipe robot for moving inside urban gas pipelines[J].IEEE Transactions on Robotics，2005，21（1）：1-17.
[7] 魏明生.基于低频电磁信号的管道清堵机器人定位方法研究[D].徐州：中国矿业大学，2016.
[8] 左福浩.城市污水管道壁面损伤图像采集机器人的研制[D].北京：北京交通大学，2019.
【通联编辑：梁书】