一种管道机器人结构与控制系统的设计.docx

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1、摘要在现代社会中，人们总要遇到各种各样的管道设施，而许多管道系统不是架设在空中就是深埋于地下，这样一来，通过人力对管道的内部进行检测就很不方便。本文研制的移动式管道机器人本身携带CCD摄像头，可以对一定口径的管道内壁进行检测，具有较高的实用价值。本文首先对国内外管道机器人技术的发展做了综述，给出了移动式管道机器人本体结构设计方案，详细介绍了机器人的驱动机构、云台系统等环节的结构。所讨论的机器人采用上下位机的控制模式，使用了目前在国内较为先进的光纤信来传送控制信号和来自CCD摄像机的图像信号。下位机以LPC2114为核心处理器，进行了移动式管道机器人行走电机的驱动控制设计、云台电机的驱动控制设计

2、、RS232串口通信电路以及控制系统外围电路的讨论。关键词：本体结构，控制系统，管道机器人。AbstractInmodernsociety,peoplealwaysencounteravarietyofpipelinefacilities,andmanyarenotsetupintheairpipingsystemisburiedunderground,sothat,throughhumantestingwithinthepipelineisveryinconvenient.ThispipemobilerobotdevelopedtocarryCCDcameraitself,youcancer

3、tainlydetectpipewalldiameter,hasahighpracticalvalue.Firstly,thedomesticandinternationalpipelinerobottechnologysummarizedinthispaper,giventhestructureofportablepipelinedesignoftherobotbody,detailing,therobotdrivemechanism,headsandotheraspectsofthesystemstructure.Robotdiscussedbyupperandlowercomputerc

4、ontrolmode,usingmoreadvancedinthedomesticfiberchanneltotransmitcontrolsignalsandimagesignalsfromtheCCDcamera.ThenextcrewtoLPC2114coreprocessorforthemobilepipelinerobotdrivemotorforcontroldesign,thedesignheadofthemotordrivecontrol,RS232serialcommunicationcircuitandcontrolsystemperipheralcircuitdiscus

5、sion.Keyword：Bodystructure,Controlsystem,In-piperobot.目录一、绪论1二、管道机器人技术综（一）车轮式管道机器人3（二）履带式管道机器人5（三）其他类型的管道机人5三、移动式管道机器人的本体结构设计7（一）移动式管道机器人的结构参数和特点7（二）移动式管道机器人的总体结构组成7（三）机器人本体结构设计81、驱动机构82、机器人本体密封及防腐9（四）机器人云台系四、移动式管道机器人控制系统硬件设计11（一）管道机器人的常规控制形式11（二）控制系统硬件总体设计12（三）电机驱动器设计13i、LPC2Il4简介132、电机驱动器设计133、步进电

6、机驱动器设计15（四）外围电路设计161、电源电路162、复位电3、统时钟电路174、S232电平转换电路17（五）供电及通信系统18五、移动式管道机器人控制系统软件设计19（一）直流电机控制的软件设计191.转速计算及显示192.电子换向的软件实现21（二）四串口通信程序设计22（三）上位机控制软件设计25结语26参考文献27致W28一:绪论在现代，无论是水力、火力发电站，还是煤气、自来水、工业用水和供热系统等公共设施，以及石油、化工等工业生产系统，都有纵横交错的管道。这些管道系统在输送各种液体和气体物质时，由于受振动、热循环、腐蚀、超负荷等作用，加上管道本身可能隐藏的内在缺陷（如裂纹、砂眼

7、、接头处连接不良等）。寿命总是有限的。因此，许多管道系统难免在运行之中突然发生损坏而造成液体、气体物质的泄渗事故，不得不停工停产进行检修。这种事故有时造成的经济损失是巨大的。能不能在事故发生前就检查出潜在的有问题的管道而提前预防，是现代民用及工业企业中迫切需要解决的课题。由于管道系统或者埋在地下，或者架设在高空，或者管道内径很小，用人携带仪器检查十分困难，有时甚至根本无法做到。此外，有些危险和环境条件恶劣的工作场地。由人去检查会对人的健康带来严重损害。因此，有必要开发一种能够深入管道的可移动管道检测仪器代替人去完成上述工作。在这种情况下，管道机器人作为一种先进的管道检测手段纳入了国内外机器入研

8、究开发人员的眼中。管道机器人属于特种机器人的研究范畴，它在管道这个特定的极限环境中作业，通常携带各种探测仪器和作业装置，在操作人员的遥控或者计算机的自动控制下完成管道的检测或者维修工作。从上个世纪五十年代起，为了满足管道运输、自动清理以及检测的需要，美、英、法、日等国相继展开了管道机器人的研究。最初的研究成果就是一种无主动力的管内检测设备一PIG,该设备是依靠其首尾两端管内流体形成的压差为驱动力，使之随着管内流体的流动向前运动。随着机械、电子以及自动控制理论的快速发展，管道机器人的研究也在不断进步，人们从管道机器人的驱动结构、工作方式、控制系统等方面入手研究出许多样式的机器入。总的说来国外一些

9、国家的管道机器人技术的发展已经比较成熟，基本上进入了使用化阶段。我国对管道机器人的研究开始于上个世纪八十年代未期，哈尔滨工业大学、上海交通大学、广州工业大学以及上海大学等高校和科研院所都做了这方面的工作，在理论上和实用上取得了很大进步。虽然如此，我们的管道机器人技术还远远地落后于发达国家，存在机器人负载能力差，工作时间短，检测精度不够高，检测距离短，不利于商品化等缺陷。就排水管道而言，目前国内还没有比较先进的检测方式,大多数采用开挖的方法进行检测。在管道机器人的发展过程中，控制系统的设计是一个十分重要的问题。传统控制策略应用于机器人的运动控制是最普遍的，如PlD控制。只要被控对象的数学模型是比

10、较精确的、变化不大的、近似于线性的，传统的PID控制可以满足这种情况下管道内作业机器人的控制要求。目前，在计算机技术的发展和实际应用需求的激励下，各种新型的、先进的、智能的控制策略也应运而生，并迅速在实际系统中得到应用、改进和发展，如自适应控制、鲁棒控制、预测控制、模糊控制、专家控制、神经网络控制等。在这些控制策略中，有的已经在机器人控制领域得到了实际应用，而有的仍处于不断丰富的研究过程中。针对于我国管道机器人的研究状况和背景，在查阅了大量国内外文献的基础上，结合大庆市科技局的一个科技攻关项目，本文提出了一个合理的移动式管道机器人的实现方案，在机器人的本体机构、检测方式、通信和控制系统等方面都

11、采用了当前国内先进的技术。主要讨论了对移动式管道机器人控制系统的设计和研究，从软硬件角度介绍了移动式管道机器人的设计过程，完成了系统硬件的设计和调试，软件的编制和调试。在机器人的研制过程中采用了改进的积分分离PID控制策略，通过样机的试验结果表明设计的合理性和有效性。同时，对自适应模糊控制方法进行了研究，设计了无刷直流电机的自适应模糊控制器，通过仿真结果验证算法的可行性。移动式管道机器入作为一种新型的管道检测设备，正在被越来越多的人关注和研究，它的应用前景将十分广阔。二、管道机器人技术综述机器人技术属于自动化领域高科技范畴之一，研制机器人的主要目的之一就是要代替人在危险的或者人无法到达的环境下

12、作业。现代机器人技术起源于遥控主从型机械手，它是在第二次世界大战期间为了对付放射性材料而发展起来的，为此，四十年代后期美国橡树岭和阿尔贡国家实验室开始研制遥控式机械手，用于搬运放射性材料。上个世纪五十年代，随着电子计算机的迅速发展，使得机器人的发展步伐加快，这也使人们研究能自主、重复操作的更加复杂的机器人系统成为可能。随后，美国的Unimation公司于1962年制造了实用的机器人，并取名为IJnimate。紧接着，欧洲的第一台程序控制一号操作工业机器人于1963年由瑞典一家公司推出，这标志着机器人在工业生产中应用的时代已经到来。进入八十年代，现代工业生产技术从大批量生产自动化时代进入多品种自

13、动化时代，于是，工业机器人在这个时代中起着越来越重要的作用。在上述非结构环境中作业的机器人统称为特种机器人。现代传统的机器人及特种机器人属于两个不同的应用范畴，由于在上述环境中作业的特种机器入的研究开发的必要性显得越来越重要，许多国家把特种机器人的研究列入国家和各国的合作计划，并给予强有力的经济和技术支持，因此特种机器人的研究和开发具有重要的战略意义。现代工农业及日常生活中使用着大量管道，石油、天然气、化工等领域也应用了大量管道，这些管道大多埋在地下或海底，输送距离近千里，它们的泄漏会造成严重的环境污染甚至于引起火灾，多数管道安装环境人们不能直接到达或人们无法直接介入，因此，质量检测、故障诊断

14、的课题十分迫切地摆在我们面前。管道检测技术始于上个世纪50年代，由于当时天然气等大口径管道的发展激励人们去研究一种管内检测设备，这就是我们通常历说的一种无动力的管内清理检测设备一PiG，该设备简单、实用，在一定程度上解决了天然气管道的检测问题。到了70年代末，随着检测技术的发展，PIG技术已经成熟。现在英、日、美、德、法等国大公司的PIG产品已经实用化、商品化。PIG的特点是实用性好、行走距离远，可达300公里左右，而且不拖线作业，但是PlG类检测设备无自动行走能力，移动速度及检测区均不易控制，严格说来它不能算做是机器人。管道机器人的迅速发展时期还是始于上个世纪80年代，它属于特种机器人的研究

15、范畴出能够在管道这个特定的极限环境中作业，通常携带各种探测仪器和作业装置，在操作人员的遥控或者计算机的自动控制下完成管道的检测和维修工作，检测作业项目包括防腐状况、对接管道焊缝质量、管道内腐蚀程度、防腐层厚度、管壁缺陷等;维修项目包括清扫、补口、焊接等。实践已经证明随着管道机器人技术的发展，其应用将会越来越广泛。目前日本、美国、英国、德国、法国等发达国家在管道机器人技术方面做了大量工作08尤其是日本，在管道机器人的研究及开发中取得了领先的地位。（一）车轮式管道机器人由于轮式行走具有结构简单、行走连续平稳、速度快、可靠性高、行走效率高等优点，在实际生产中应用比较广泛。轮式移动机器人的驱动轮要靠车体自重、弹簧力，液压或气动力，磁性力压紧在管道内壁上以支撑机器人本体并产生一定的正压力，这样移动机器人就具备了行走的基本条件，我们将使机器人行走轮压紧在管壁上的力叫做封闭力，驱动其中一个或几个轮子转动，由驱动轮及管壁之间的附着力产生机器人向前行走的驱动力，以实现机器入的移动，这是轮式管内移动机器入行走的基本原理。轮式机器人的行走方式有两种，如果驱动轮轴线不及管道轴线垂直，驱动轮实际上沿着管道中某一螺旋线行走，机器人一边向前移动，一边