圆形管道中机器人控制策略研究及管道变形率的测量

I摘 要 我国城市排水管道排水量越来越大， 管道中沉淀物淤积过多， 给城市容貌造成损害，给国家经济造成损失越来越大。采用机器人代替人工作业在国内外已经达成了共识。 本论文主要对圆管机器人整个系统控制方案进行分析，最终选择了以工控机作为上位机，用于视频存储、视频处理以及对下位机控制指令的发出。下位机使用 司的单片机的方案，用于直接控制机器人以及接受上位机的指令并执行。通过理论分析和实践的验证，此方案可满足设计要求和适应现场需要。 基于整个硬件平台，在分析比较机器人运动的不同控制策略的基础上，针对速度采用了积分分离的双闭环 制器，针对姿态采用了使用模糊控制，使得机器人的速度控制具有较好的动态性能和鲁棒性，机器人在圆管中直行平稳、波动较小的效果。 在完成了对机器人的平稳控制之后，接下来采用激光扫描测距仪对管道周围环境进行精确探测，采集圆管的三维数据，利用这些数据通过坐标变换和相关的数据处理计算出圆管的半径及其变形率。同时这些数据也为后期管道的三维重构提供了数据基础。 关键词 : 管道探测；模糊控制：坐标变换；管道变形率 of in of by in of a of to of a It an t be It a to so of of in a of It PC CM By of it of s a of of by In to in of In is to of by to of d d of be At d of 录 摘 要 I 一章 绪论 1题的研究背景 1题的研究意义 1外研究现状 2内研究现状 4 题主要研究和开发内容 5 第二章 圆管机器人硬件系统设计 7制系统方案讨论 7及控制系统方案因数 7制系统方案分类 7道机器人整体控制结构 8位机的硬件系统 9小系统模块设计 9源模块 10机驱动电路以及 驱动电路设计 11流检测模块 12光扫描测距仪 14速模块 16机 17角传感器 18位机的硬件系统 19上位机工控主板 20 视频采集卡 21章小结 22第三章 圆管机器人软件系统设计 23言 23信协议设计 23频监控界面 24制算法辅助界面 26光扫描测距仪控制界面 29章小结 31第四章 圆形管道中机器人控制策略研究 32言 32机速度控制策略研究 32环控制算法探究 32样周期的选择 32制算法类型选择 33闭环控制算法探究 34验结果及分析 35器人在圆管中直行控制 38器人在圆管中的位置 38器人在圆管直行控制算法 39验中的现象分析 43章小结 44第五章 管道半径以及变形率的测量 45言 45统坐标的旋转与计算 45V道变形率的计算及曲线拟合 48真与实验 50验 50章小结 53结论 54成果 54未来展望 54参考文献 55攻读硕士学位期间取得的研究成果 55致谢 58 第一章 绪论 1 第一章 绪论 题的研究背景 城市排水管绝大部分是埋在地下的，人们用水量也随着经济的发展以及建设新型城市的需要而不断增多，排水管道的长度也就越来越长了。生活垃圾、工厂废弃物、等在管道中淤积过多将会造成了管道大量的堵塞， 若不必须及时清理和疏通， 将会污染环境，阻塞交通，影响城市容貌，给国家造成不必要的损失1。错综复杂的排水管道系统其管理、疏通的任务是很重的，单纯靠人工来清理的话，不仅影响效率，同时还存在着不同曾度的危险系数。 众所周知，深圳市是一个多雨水城市，这给城市排水管道带来了巨大的压力。据深圳市水务局统计，深圳市现有市政排水管网达 6227，在每年的 3 月 15 日前，所有管道必须完成全面的检查、清疏和维修。排水管道的检测主要常用的几种方式：第一种是普通人员进入管道进行内部检测，这种方法能完整地测量出管道内部所有情况，但由于管道内部环境十分复杂，工作人员进入具有较大的危险性；最后一种是反光镜法，通过反光镜能够检测管道内部淤积情况，但也无法获得管道内部结构损坏等详细情况。最重要的是，上述这些传统方法最大的问题是工作效率较低，需要耗费大量的人力物力财力。而国外发达国家多采用管道机器人来代替人工对排水管道进行检测和维护。 采用机器人除了观测管道内部详细结构，还能通过各种特殊的检测仪器把管道的具体参数都记录下来，保存在硬盘中，供以后分析之用。尤其是通过陀螺仪，激光扫描测距仪，卷线盘这些仪器，就可以把圆形管道的三维坐标记录下来，再通过相应的数据分析和图形重绘软件，就可以将管道的地下分布实现三维重构。 题的研究意义 本课题的来源是中国科学院深圳先进技术 研究院的广东省自然科学基金项目圆形管道中轮式移动机器人运动学模型研究。由于现有国内和国外的管道检测机器人产品基本上都是采用 统对管道内部监控，只通过肉眼来判断管道缺陷。对于管道的变形， 很难通过肉眼来判断。 本课题旨在研发一套性能完善可靠性强化的机器人来检测 排水管道，具体来说此机器人具有视频监控功能，相关数据采集、保存、分析的功能，同时还应有友好人机交互界面。管道机器人在可靠良好控制策略的控制下，达到稳定直行华南理工大学硕士学位论文 2目的，有了这个基础就可以通过采集圆形管道的三围数据，将这些数据上传到上位机，通过分析以及数据处理，得出管道真实的形状，并分析其变形率。同时这些数据也为三围重构提供数据支持和条件基础。 外研究现状 排水管道和石油煤气运输管道一旦出问题，一般很难采用人为的去检测，尤其是那些小口径管道更加是不可能。开始，管道的检测和维护是很困难的，以前管道检测方法多采用直接挖掘法。此方法可以有效的检测出管道出现的问题，但是要全部挖出来，这需要大量的人力、物力，而且还对该地区的交通及周边的环境照成不同程度的影响。另外一种方法就是随机抽样法，此法虽然可以减少工程量，但是毕竟是随机检测，因此，不能完全保证所有的管道都没有问题，这就必然会存在在相当程度上的些隐患。目前，国外大部分国家都是采用轮式管道机器人来对管道进行检测。 国外关于管道机器人的研究始于上个世纪中叶，业界普遍认为，法国的一名科学家较早从事管道机器人理论以及样机的研究和研发2， 在上个世纪 80 年代他提出了轮腿式管内行走机构，尽管该机器人的行走结构相当比较简单，然而还是给后人提供了很好的借鉴，为管道机器人后期的研究奠定了基础。随着科学技术的发展，管道机器人被广泛的使用，下面列出几种国外的机器人。 德国伊伯克3(生产的管道机器人被称做地下管道闭路电视监测系统，如图 1示。该机器人整体的系统包括几个部分。前方由拥有 2 个自由的摄像头作为眼睛来观察管道内部的情况，该摄像头还具备聚焦和变焦的功能。同时为了运输方便。该机器人还配备了一辆梅赛德斯 样很容易将机器人运输到工程现场，并且为机器人提供电源等配套的供给。该机器人可以检测的管道直径的范围为 50毫米 2200 毫米。从图 1以看出，该机器人的本体是细长型，对于管径比较大的管道不能很容易的检测并且检测的效果不是很好。由于该机器人的本体有黄铜材质制造而成，具有防爆防漏等特性。最大的行驶距离为 450 米，完全可以满足各国管道的长度要求。其内部还装配了倾角传感器、直径测量仪及损失测量仪，同时实现人机共控。 图 1国伊伯克 (爬行器 第一章 绪论 3 美国的 3504（如图 1 4 个超亮的 照明，高清晰的摄像头建立在高效率的数字视频处理平台上，同时还可以自由旋转，配合 以得到高质量的数字图像，并实时的显示在 8 英寸的工业级 示器上。该机器人可以在任何环境下进行工作，通过对整个机器人内充气达到防水的目的，防水级别 行器最深可以在水下 100m 工作，机器人的是不锈钢制成，由 2 个功率为 50W 的 心杯电机作为驱动， 具体强劲的动力。 内部还配有倾斜传感器等多种用来测量的传感器。先进的数字视频处理平台可以使用户方便的通过 行数据的传输，同时还具备蓝牙功能，可以实时的将抓拍到的图像传输给多个客户。产品的功能：轻巧便携的控制箱，完全不用机动车来运载，提供高清的 8 英寸工业级得 示屏，在室外的任何灯光下都不会存在反光的问题，为系统提供坚实耐用的键盘，同时还配备了蓝牙和 能，方便用户更好的去提取采集资料， 为用户提供长达 250 米得电缆， 从而加大了工作范围，最先进的 术，采用 10 倍光学变焦的高清摄像头使得采集的视频信号更清晰更可靠， 针对不同管径可以自由的换取车轮来适应不同的管道内径， 检测范围 2001000 图 1国 行器 日本的 （如图 1款机器人最大的特点就是不需要任何电缆，由机体所带的电池来工作，完全自动化。它内部具有一整套计算机系统，完全由机器人本生所带的摄像头进行周围环境的捕捉和图像的处理，同时具有完善的防水系统。实用于200300管径。具体 4 个轮子，在轮子上具有弹簧可以适应不同管径，即使在行进的过程中遇到管径不同的地方也可以安全穿过。驱动这个 4 个轮子的 4 个电机可以分别进行控制。为了方便设计和使用，该机器人将整个系统分成 2 部分，上面是用来控制的计算机控制系统， 下半部分是机械结构。 这样做的目的是更好的兼容不同类型的产品。 华南理工大学硕士学位论文 4图 1本 内研究现状 在国内参与大中口径管道机器人研究的有 中国科学院沈阳自动化研究所、清华大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、胜利油田、中原油田、大庆石油管理局等单位。比较早的是哈尔滨工业大学的邓宗全7等人在 1987 年就开始对管内行走机构进行了比较深入的研究，并成功研制了平面四点支撑的“ 管内移动机器人”实验样机和“螺旋驱动式管内移动机器人”实验样机。在此后，又研制了“ 89内补口作业机器人”和“ 660外大直径管道 X 射线探伤机器人” 。其中“ 660外大直径管道 X 射线探伤机器人”还成功的在国家重点工程“陕 然气管线工程中得到实际应用。上海交通大学主要对管道机器人在管内运动时的运动姿态及控制方式做了比较深入的研究， 1997 年研制出了一种自适应型履带式管道机器人8。 2001 年天津大学研制出了 带式管道机器人，其最主要的特点是采用强附着力的异型履带、积木式快速变宽结构、大功率小结构双重密封的传动系统，这样就大大提高了管内移动机器人的整机性能9。 最近国内企业也开始自主研制以工业管道检测、产品质量检测为目的的工业管道机器人，其中比较有影响力的是深圳市施罗德工业测控设备有限公司10。 (如图 1该公司采用德国先进的技术和生产工艺标准，他们的产品质量都是按照国际质量标准体系要求来制作。机器人工作管道的管径范围在 11000等。采用的上位机提供的动力，从而使整个爬行器的比较轻巧。速度可以自由调节的范围比较大，爬行的距离最大 250 米10（当然这是标准规格） ，基本上能满足国内大部分城市的地下管道，同时摄像头采用 2 个伺服电机来实现旋转。镜头还同时具备聚焦和变焦的功能，可以使用变焦的功能来观察距离机器人比较远地方。同时需要仔细观察管道缺陷和裂纹的时候，也可以通过变焦功能来达到目的。 第一章 绪论 5 图 1圳市施罗德有限公司 道内窥爬行机器人 题主要研究和开发内容 本课题的主要工作是本课题主要研究的内容如下： (1) 管道机器人整体控制系统整体构架设计 考虑到实际需要以及现有技术的限制，整个机器人系统由上位机和下位机组成。上位机采用的是研祥公司生产的16业控制板，而不再像第一代机器人采用的是 片，以满足工业需要。下位机采用的是 司的11片机作为核心芯片，该芯片具有丰富的 以及十分丰富的内部资源，包括相环频率合成器 (增强型捕捉定时器 ( 2 个 8 通道模 /数 (A/D)转换模块、 8 个脉冲宽度调制 (道、 3 个 1 线模块、 2 个异步串行设备接口 ( 2 个同步串行设备接口 (其中上位机与下位机之间的通讯没有采用无线通讯方案，而是采用的是 信协议。 (2) 整个控制系统的软件设计 在整个机器人系统中， 整个软件设计包括上下位的底层驱动编写以及上位机 面的设计。上位机的 面采用的是 编程语言进行开发的，下位机的驱动主要采用 C 语言进行编写的。 (3) 机器人在圆管中的控制策略研究 机器人采用两个电机差动的方式来实现转弯的，这样由于机械的间隙、控制的误差等方面的影响，会导致机器人即使在直线行走时，它的航向角出现微小的偏差，从而会出现即使机器人在执行走直线的命令时，它有可能还会走偏，这样很容易使得机器人在管道内由于两个轮子不同步而卡在管道内部。 针对这个问题采用数字 过码盘来控制这两个电机的转速相同来使得机器人可以直线行驶，不至于在长时间行驶时卡在管道内部。 华南理工大学硕士学位论文 6(4) 机器人获取圆形管道的三维数据计算出圆形管道的直径及其变形率 要实现地下管道三维重构，便于相关部门对地下管道的实际布局进行系统管理，首先重要的就是要获得探测管道的三维数据，并保存起来，这些数据一般不在现场进行处理，而是在过后通过特殊的软件进行分析处理转化为实际需要的数据。获取到这些数据之后，我们很自然的可以算出探测管道的变形率来，这样就可以实现对录像中的管道进行量化处理。在计算变形率的时候，由于激光扫描仪不一定安装机器人中心轴线上，即使是安装在轴线上，在管道行走过程中，激光扫描仪也很难保持在管道的轴线位置，通过直接获取的数据是得不出管道变形率。但是，我们却可以先对管道机器人进行运动学分析，通过二次坐标变换矩阵4就可以实现把采集的数据以极小误差的转化为了管道的实际三维数据，进而求出管道变形率。 第二章 圆管机器人硬件系统设计 7 第二章 圆管机器人硬件系统设计 制系统方案讨论 及控制系统方案因数 整个机器人系统一般都由上位机和下位机组成14， 圆管机器人控制系统设计需考虑的问题有 : (1)管内与管外远程通讯的可靠性。 (2)圆管机器人控制系统的安全自救控制策略。由于圆管机器人是在管道内作业，环境恶劣，不允许在管内出现失控的情况。因此再对机器人的动力供电系统提出十分苛刻要求的同时，对圆管机器人的控制部分的运行可靠性也要求十分严格，以保证机器人不受外界环境、强电及辐射的干扰，使之能在有效的控制策略下持续进行。 (3)圆管机器人更新换代以及功能扩展因素。模块化设计，开放式体系结构，不同的功能模块完成不同的管道维护任务。机器人应该是易于功能扩展，在机器人更新换代的时候，尽量换取少量的硬件设备达到同等的效果。并且能做到硬件模块的重复利用。 (4)较高的性能价格比。国外的产品往往整体性能突出，但是价格昂贵。我们所做的就是开发出低成本实用的机器人。 通常情况下，一般采用上位机控制器可以采用可编程逻辑控制器 ( ，下位机采用单片机或 位机与下位机之间使用 行口进行。 制系统方案分类 单片机 单片机控制系统 本项目组开发出来的第一代轮式机器人才用的就是此方案，上位机采用的是 位机采用的是 51 单片机作为从控芯片。此方案最大的优势就是整个系统简单易实现，且成本低，易维护。但是实现功能受到极大的限制，尤其是在视频处理方面有很大的弊端。 制系统 上位机和下位机均采用 为机器人的控制器。工业机器人对系统的可靠性要求十分高 1213，故采用了由 核心控制器。管外控制系统作为主控制器，管内控制系统为从控制器，两个控制器间通过专门的 展通讯模块进行通讯联络。 单片机控制系统 本项目组经过分析研究在第一代机器人的基础进行改进， 选择了上位机采用 ，华南理工大学硕士学位论文 8下位仍然采用单片机，只是换成了 司的单片机，因为 有丰富的内部资源，比如脉冲宽度调制 (道就有 8 个，实际我们需要 46 通道； 4 个8 位脉冲累加器加上一个十分精准的实时时钟 (块。这些资源都便于我们之后的功能扩展。上位机采用的研祥公司生产的 业控制板，在主板上插入天敏 频采集卡，便可以轻松处理下位机传输上来的视频数据，同时通过设计出来的 面，可灵活的对视频数据进行保存，处理，回放等功能。 表 2制器性能指标比较 控制器 价格 运算速度 可靠性 可维护性 可操作性 开发周期高 较慢 很高 好 容易 短 单片机 低 快 较低 一般 较难 较长 快 高 好 较难 较长 道机器人整体控制结构 整个系统的由二个部分组成，如图 2示，第一部分是上位机控制箱，主要的功能是对机器人本体发出控制信号，由下位机通过通讯来接受。同时接受机器人传输上来的各种信号如视频信号、传感器信号等，并完成相应的信号处理工作。第二部分为机器人系统的下位机。用来接受上位机传输下来的控制信号，并且向上位机传输视频信号和机器人的状态信息。 第二章 圆管机器人硬件系统设计 9 图 2道机器人整体控制结构图 机器人上的硬件是整个控制系统能否顺利进行的基础。同时在上位机上还有一块工控主板用来对采集上来的视频信号、多个传感器信号进行处理以及显示。这些电路板结合起来，使得管道机器人能够顺利完成规定的任务。由于下位机空间的问题，下位机中所有的电路板都采用了模块化，涉及到的控制信号、电源都通过数据线进行传输。 位机的硬件系统 根据上一代管道机器人的经验以及新一代机器人的要求，把下位机的控制芯片由原来的 51 单片机改成资源丰富的飞思卡尔公司的 片机。整个机器人系统都是统一由直流电池来供电，我们将直流电先转化为工频 50 220v 交流电压，再通过开关电源，将 220v 交流电转化下位机可用的 24v 直流电 (注：电缆上有 4v 左右的电压降 )。下位机的还有激光扫描测距仪、电机及测速的编码盘、舵机、用来测量左右和仰俯双轴倾角传感器、高清晰具有聚焦和变焦功能 像头及 （分大功率的远光灯和小功率的近光灯） 。 小系统模块设计 在整个系统中最小系统主要的功能是接受上位机传输来的控制信号，然后利用之前规定的协议去把有用的信息提 取出来，并作出相应的控制 动作。该模块主要包括一个控芯片和用来接受信号的 片以及其它外围电路。本项目采用的飞思华南理工大学硕士学位论文 10卡尔公司的 片机芯片为下位机的主控芯片。在地下排水管道中，为了满足长距离信号传输的要求，采用 实现。下图为最小系统的 ，采用的插拔式与母板相连接，便于批量生产以及调试易于检查。 图 2小系统板 源模块 该系统的动力来源是通过电力来驱动的。电源模块性能如何直接决定系统整体的稳定性。本项目由于没有采用无线通讯的技术，加上机器人的体积小，尤其是在将来开发的第三代机器人上，体积将更加小。因此就没有采用机器人搭载电池供电的方案，而是采用将电池分离出来，置于机器人之外。由于上下位机需要不同级别的电压，只有将电池提供的直流电压转化为 220V 的交流电，这里我们采用了伟达业电源有限公司的逆变器。这个总电源一部分给上位机的工控机提供电源，一部分再通过 块将交流220 转为直流的 28V 并通过电缆传到下位机上。考虑开关电源高转化效率，我们使用的开关稳压电源。在下位机上各种模块采用了不同级别的电压，电机需要 24V 电压，摄像头、倾角传感器需要 12V 的电压，主控芯片 片机、舵机、 和电流检测模块需要 5V 的。我们则根据功率的大小以及电源品质的要求不同，决定了稳压模块的稳压质量。电机需求的功率为 60W 左右，所以直接将上位机传下来的 28V 作为电机的驱动电压。剩下的电源设备都在 12V 下的，由于舵机和 功率要求比较大，所以一般的稳压芯片是不能满足要求。我们采用金升阳公司生产的 源模块 图 2该模块有宽电压输入，隔离稳压单路输出，效率高的 89%，同时具备过流、过压保护等特点。该模块可输出的最大电流为 些特点足够 12位机中只有摄像头采用 12V 电压，而摄像头的额定电流为第二章 圆管机器人硬件系统设计 11 100以直接将转化后的 12V 接到摄像头的电源接口上。舵机和 是工作在5V，所以需要将 12V 稳压到 5V。实验发现 舵机正常工作时电流为 右，一般的 7805 稳压芯片根本不能满足要求。 最后决定采用 片作为稳压芯片。较宽输出电流范围 1 1A，完全满足需求。以下为电源部分的框图。 图 2源框图 机驱动电路以及 驱动电路设计 部是一个单片电路 H 桥，是理想的功率分流以及双向推力电磁铁控制器直流马达。它的集成电路包含逻辑控制、门控驱动、内部电荷泵、及低读选通 (属 脚图15如图 示，在表 出了其引脚对应的功能， 40V 连续操作； 可以接受 及与它们兼容输入控制信号； 频率可达 10 千赫； 120 N) H 桥 通过内部常定时关闭对 源电流限制 (即通过 通断来控制驱动电流的大小 )； 内部设有故能障状况报告功能。 内部设有输出短路保护； 内部设有欠压关闭 (欠压保护电路 )； 图 本课题所设计的电机驱动电路原理图。由于机器人负载较大，且会经常的华南理工大学硕士学位论文 12进行启动、停止操作 ,因而产生比较大的启动电流，为防止驱动芯片处于过大的负载下运行，所以 全桥工作方式，同时采用了两片芯片并联的方式工作。以满足设计要求。 V+56213V+56213机驱动电路图 流检测模块 由于该机器人工作的环境在管道内部，并且一般需要检测的管道有一定的年限。管道内部一般都会存储些泥沙，机器人一旦陷入这些泥沙中会使的电机发生堵转。电机发生堵转如果不及时的关断电机的电源会使的电机烧毁。整个机器人的动力失控的话，那么在管道内部的机器人只能困 在管道内部不能出来。这会 给检测施工方造成一定的损失。为了解决该问题，我们根据电机遇到障碍物时电机输出转矩与电流成一定比例的原理，对输入电机的电流进行实时的监控，当遇到电机发生堵转时，及时的断开电源或控制电机停止转动。从而避免由于堵转而使得电机烧毁的问题。 鉴于上面所提出的解决方案，采用电流传感器来感应电机的输入电流，然后经过A/D 转换后，经过 实时监控的电流值传输到上位机上，根据电流值的大小来控制电机，但达到堵转的值时，则控制电机停止转动避免堵转发生。具体的一般电机发生堵转时间过于长容易把电机烧毁，所以需要的测电流的传感器反应时间必须短，并且为了减轻爬行器本身的重量，被选的传感器必须体积相对比较小，质量也要比较轻。根据以上的要求，决定选用新型线性电流传感器 片来做测电流的传感器。根据该芯片的典型接法，结合所采用的 换和数据传输方案。 第二章 圆管机器人硬件系统设计 13 本机器人通过 片机进行 A/D 转换，同时将转换后的信号传输到上位机。该单片机的 A/D 转换模块是 10 位的 块，由于该单片机的供电电压为 5V，量化单位 D=5/1024=小 出灵敏度 20该单片机所自带的 块完全满足要求。 图 2电流传感器 出电压与电流值对应图 则对应的传到上位机上的 16 进制数字量 D 与输出电压值的关系 802 (2 机器人所使用的 机的堵转电流为 10A，根据图 2得，所对应的电压为 根据上面的等式可得当上时， 可以断定电机已经发生堵转了。 华南理工大学硕士学位论文 14过流保护功能过流保护电路如下 图 2流保护电路 光扫描测距仪 为了测量出管道的三维坐标，其中很重一个仪器就是激光扫描测距仪，也由人采取红外测距的方式，但是通过比较，发现激光扫描测距仪能获得更加精确的距离和精确的角分辨率。本项目中采用 司 17生产型号为 2D 激光扫描测距仪 (如图 2该激光扫描仪发射波长为 785半导体激光发射器，其安全级别达到了 1 级别（ 准） ，它采用 12v 电源供电，损耗功率极其低只为 描距离为 60 4095度达 1描角度为 240 度，角分辨率为 ，扫描周期为 28据输出接口有 障输出） 。接口说明如下： 第二章 圆管机器人硬件系统设计 15 表 2口说明 接口颜色 说明 1