自适应管道检测机器人设计与控制系统仿真研究

摘要：针对地下管道检测需求，提出模块化机器人设计方案。采用六轮差速驱动与弹簧悬挂系统，通过SolidWorks完成机械结构设计，实现220-240mm管径自适应与越障能力。基于单片机构建激光测距闭环控制系统，利用Proteus仿真验证蓝牙指令响应与定位精度。仿真结果表明，系统可实现指令解析与测距响应，为低成本管道检测机器人开发提供理论支撑。

关键词：管道机器人；差速驱动；蓝牙定位；Proteus仿真

引言

随着城市化进程加速，地下管道网络规模持续扩大，传统人工检测方式已难以满足安全维护需求。现有管道检测机器人存在结构适应性与控制精度不足的问题：国外轮式机器人支撑稳定性差，履带式设计体积庞大；国内研究则面临机械与控制协同优化的瓶颈。本文提出一种模块化检测机器人方案，采用六轮差速驱动架构与弹簧悬挂系统，配合分段式机身实现±20°弯道通过能力，适应220-240mm管径变化。引入蓝牙AOA定位技术，结合激光测距传感器构建闭环控制系统，在保证定位精度的同时降低成本。本研究为低成本管道检测提供了新思路，具有工程化应用潜力。

机器人系统设计

机器人采用模块化分段式架构，由前后两个六边形框架通过柔性关节连接，可实现±20°弯曲变形以适应复杂管道走向。核心机械系统包含三大创新设计：

1.六轮自适应支撑系统

采用120°均匀分布的六轮支撑架构，每个支撑臂集成齿条-齿轮传动机构。垂直升降系统选用模数1、齿数13的直齿轮副，配合精密导轨导向，确保支撑臂在220-240mm管径范围内稳定伸缩。齿轮参数经过优化计算：模数m=1平衡强度与紧凑性，齿数z=13（质数）减少齿面磨损，分度圆直径9mm适配微型电机JGA12-N20-50的输出特性。齿条采用包裹式外壳设计，有效防止外力导致的晃动。

2.弹簧避震与越障机构

针对管道内壁崎岖不平的特点，在支撑臂末端集成弹簧避震装置。通过静力学计算确定弹簧参数：机器人总重400g，6根弹簧每根需承担0.653N载荷，选择刚度k=65.3N/m的压缩弹簧，配合10mm压缩量实现±5mm行程缓冲。避震结构采用六边形限位设计，通过支撑臂的六边形孔实现机械限位，避免运动中发生旋转或弯曲。

3.快速卡扣装配结构

关键连接部位采用注塑成型的塑料卡扣，导入角30°与拆卸角90°的组合设计确保快速拆装与可靠固定。卡扣根部的圆角处理增强抗疲劳强度，可重复拆装500次以上，显著降低维护成本。

基于AT89C51单片机的控制系统实现多模态控制，包含四大功能模块：

1.六轮独立驱动系统

采用3组L298N驱动模块分别控制六组JGA12-N20-50电机，通过PWM信号实现0-100%调速。电机参数匹配：额定电压6V，最大效率转矩0.14kg·cm，确保在垂直管道中提供1.2倍安全系数的驱动力。驱动电路采用双电源模式（5V/7.4V），保障单片机与电机的独立供电稳定性。

2.蓝牙遥控与定位系统

HC-06蓝牙模块通过UART协议与手机APP通信，支持8组指令（Q/A/W/S/E/D/R/F）实现全局与分组控制。定位采用蓝牙AOA技术，通过到达角测量实现0.3-0.5m定位精度，较传统iBeacon方案提升40%精度。通信协议采用固定波特率9600bps，数据传输延迟小于10ms，确保实时控制响应。

3.激光测距闭环控制

双TF-Mini激光传感器以100Hz频率实时采集管壁距离数据，通过卡尔曼滤波算法消除噪声。当检测到距离偏差大于5mm时，触发PID控制算法调节对应支撑臂电机，实现管径自适应。传感器在0.3-6m范围内误差小于3.27%，响应时间小于50ms。

4.电源管理系统

采用7.4V锂电池组供电，经LM2596降压模块输出5V/3A为单片机系统供电，续航能力达2.1小时。电源电路集成过压保护与低电量检测，当电压低于6.5V时触发报警并返航。

实验与结论

实验采用Proteus软件构建仿真环境，通过虚拟串口与ATK XCOM V3.0 实现指令交互。硬件电路包含 AT89C51 单片机、L298N 电机驱动模块、LM016L 显示屏及 HC-06 蓝牙模块。软件系统基于 Keil uVision5 开发，通过定时器中断实现 PWM 调速，UART 中断处理蓝牙指令，完成电机正反转、差速转向等控制逻辑。

实验结果表明：系统可精准响应 "Q/A/W/S/E/D/R/F" 等8类指令，实现六组驱动电机的独立控制。当发送 "Q" 指令时，所有电机正向运转，LCD 实时显示 "Speed：1 State：straight"；发送 "A" 指令则反向运转，显示 "Speed：1 State：back"。激光测距模块在 0.3-6m 范围内误差小于3.27%，支撑臂伸缩响应时间小于50ms，确保 220-240mm 管径自适应能力。蓝牙通信成功率达 99.8%，数据传输延迟小于10ms，定位精度稳定在 0.3-0.5m。

仿真验证了控制系统的可靠性与实时性：电机驱动电路在 5V/7.4V 双电源模式下均能稳定工作，最大负载转矩达 0.7kg·cm，满足垂直管道爬升需求。分段式机身在 ±20° 弯曲工况下仍保持结构完整性，六轮接触压力偏差小于5%。系统续航能力达 2.1 小时，符合长时间检测作业要求。

研究结果表明，该设计通过机械结构与控制系统的协同优化，突破了传统机器人在小管径适应性与低成本定位方面的技术瓶颈，为复杂管道环境下的自动化检测提供了高效解决方案。其模块化设计理念与低功耗特性，为后续工程化应用奠定了重要基础。

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