（机械电子工程专业论文）基于dsp的小型管道机器人的研制.pdf

摘要 捅要 本课题是为实现对小管径管道的安全检测而提出的，同时也作为非逐点扫描 方法检测管道所遇到的难点和检测不准确性的一种弥补，进而利用现行条件下国 内外迅猛发展的机器视觉技术，对传统的管道进行无损检测，能够充分利用机器 视觉和人1 智能方面的优势，对管道的安全性做一些有意义的研究工作。 本论文首先对现代管道检测机器人的国内外科研进展情况进行较为全面和 详实的介绍，从而能够看出本课题的研究重要性和研究方向，做好自己的定位， 同时给出了自己对管道机器人的未来发展方向的展望和现代管道机器人在研发 和产品化中所遇到问题的解决方法。 然后，介绍机器人整体结构方案设计，这里主要为实现整个系统的功能要求， 对光机电系统构成部分进行分析和构建说明。之后，主要从力学运动学分析的角 度对机器人移动机构进行分析与设计，并给出了设计结果。 其次，在机器人运动驱动控制分析与设计部分，主要搭建了一个基于d s p 的控制平台，自制了电机驱动卡和控制卡，并开发了相应的软件，对已开发的驱 动卡、控制卡进行了硬件测试，测试结果表明硬件电路合理，这为进一步工作打 下了基础。 最厉，自己利用现有的算法编制了图像处理软件，并且从图像处理的基本理 论出发，将现代的图像分析方法如图像的各种变换、图像的增强、图像分割等方 法进行应用，从而对管道机器人所采集的管道自然腐蚀缺陷进行了处理，得到了 较为理想的处理结果，为后期的图像识别和管道内壁缺陷的判定积累了经验。 本课题抛开传统的大管径管道检测的机器人模型，而追求设计简单、小型化、 适用化，而且在控制上和图像接口卡上都引入了d s p ，这为未来的实时车载微型 机器人系统奠定了基础。 关键词 ：管道机器人，功率驱动，电机控制，d s p ，p w m ，图像处理 a b s t r a c t t h i sp r o b l e mi sp u tf o r w a r df o rt h ep u r p u r s eo f t e s t i n gs u c c e s s f u l l y t h ep i p e l i n es m a l l s c a l ed i a m e t e r ，a tt h es a m e t i m e ，i ti sar e m e d yo f d i f f i c u l t yo f t h et e s t i n go f p i p e l i n ei n a l o n gs c a l es u c ha su l t r a s o n i ct e s t i n gm e t h o d t h u st h ev a l u e a b l ew o r ki st ob ed o n e a tt h i s p r o b l e ma p p l y i n gt o t h er a p i d l yd e v e l o p i n gm a c h i n ev i s i o nt e c h n o l o g yo n c o n d i t i o no fa l lo v e lt h e w o r l d ，u p t ot e s tt h et r a d i t i o n a lp i p e l i n ew i t h o u t d e s t r o y i n gb y m a k i n g f u l lu s eo f t h ea d v a n t a g eo f m a c h i n ev i s i o na n da r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e t h i sp a p e r ，a t f i r s t ，i n t r o d u c e sg e n e r a l l ya n d i nd e t a i lt h es t a t eo fr e s e a r c h i n ga n d d e v e l o p i n gp i p e l i n er o b o tf o rt h ep u r p u r s eo fg i v i n gm eo r i e n t a t i o na n de m b o d y i n g t h ei m p o r t a n c ea n dr e s e a r c h i n gd i r e c t i o no ft h i sp r o b l e m ，m e a n w h i l e ，g i v em yi d e ao f t h ef u t u r eo ft h ep i p e l i n er o b o ta n dt h ed i f f i c u l t yd u r i n gt h ec o u r s eo f r e s e a r c h i n g a n d p r o d u c i n g s e c o n d l y ，t h ep a p e rg i v e st h ew h o l es c h e m ed e s i g no ft h ep i p er o b o t ，i nw h i c hi t m a i n l ye x p a t i a t e st h er e q u i r e s i o no f t h ew h o l es y s t e ma n de x p l a i n sa n da n l y s i z e st h e f e a s i b i l i t y o fe s t a b l i s h m e n to ft h e o p t i c a l a n dm a c h i n e r ya n de l e c t r o n i c a l s y s t e m w h a t sm o r e ，t h ep a p e ra n l y s i z e st h ef o r c ea n dm o v e m e n t s t a t i o no f t h em o b i l e m a c h i n eo ft h ep i p er o b o tf r o mt h em e c h a n i c sa n dk i n e m a t i c s ，a tl a s tg i v e st h er e s u l t o f t h ee t e r n a ld e s i g no f t h e p i p e r o b o t t h i r d l y ，t h ep o w e r d r i v e ra n d d i g i t a lc o n t r o l l i n g b o a r d b a s e do nt h ed s pf o rt h ed i r e c t c u r r e n ts e r v om o t o ri nt h ep i p er o b o ta n dt h ec o r r e s p o n d i n gs o f t w a r ef o rt h et e s t i n g b o a r da n d c o n t r o l l i n gm o t o ri sd e v e l o p e ds u c c e s s f u l l y , w h i c hi st h eb a s eo f t h ef u t u r a l a d v a n c e dr e s e a r c h ，a tt h es a m et i m e ，t h et e s t i n gr e s u l ts h o w st h eb o a r di sl o g i c a la n d p r a c t i c a b l e f i n a l l y ，t h ei m a g ep r o c e s s i n gs o f t w a r ea c c o r d i n gt ot h ea v a i l a b l ei m a g ep r o c e s s i n g a r i t h m e t i c si sd e v e l o p e d ，w h i c ha p p l i e st ot h ei m a g ep r o c e s s i n gm e t h o d ss u c ha st h e t r a n s f o r m i n g ，i n t e n s i f y i n g ，d i v i s i o n o ft h e i m a g ea c c o r d i n g t h e u p d a t ei m a g e p r o c e s s i n gt h e o r y ，t h e np r o c e s so n ei m a g e o f s p o i l i n gd e f e c t i o n i nt h e p i p ea n dg e tt h e i d e a lr e s u l to fi m a g e p r o c e s s i o n ，w h i c h i st h e i m p o r t a n tp r a c t i c e o ft h ef u t u r a l d e f e c t i o nt e s ta n d r e c o g n i z a t i o n d u r i n gt h ec o u r s eo fr e s o l v i n gt h i sp r o b l e m ，t h et r a d i t i o n a ld e s i g no f r o b o ti nal a r g e d i a m e t e r p i p ei st h r e w o u ti no r d e rt op u r c u i tt h es i m p l ed e s i g n i n ga n gs m a l ls c a l ea n d b e i n ga p p l i c a b l e a b o v ea l l ，t h ep i p er o b o tu s e st h ed s p i nt h ec o n t r o l l i n gb o a r da n d i m a g ea c q u i r s i t i o nb o a r d ，w h i c hi sak e yo f t h ef u t u r a lm i c r oa n dr e a l t i m es y s t e mi n t h ev e h i c l e 1 k e yw o r d s ：p i p er o b o t ，d s p ，p w m ，m o t o r c o n t r o l ，i m a g ep r o c e s s i n g 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 样：争醐：皿吐 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 龆竹剔雠：畔吼一 第一章绪论 1 1 引言 7 0 年代以来，石油、化工、天然气及核 ：业等产业迅速发展，各种管道作 为一种重要的物料输送设施，得到了广泛应用。由于腐蚀、重压等作用，管道不 可避免地会出现裂纹、漏孔等现象，而管道所处的环境往往是入们不易或不能直 接接触的。因此，对管道的检测和维护，成了工业生产中的一道难题。传统的管 道检测方法有全面挖掘法、随机抽样法和s c a d a 系统法，这些方法均存在工程 量大、准确率低等缺点 2 3 】。 随着计算机、自动化、集成制造技术的蓬勃发展，机器人作为种能够进行 编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置登上了历史的舞 台。 机器人的发展势必带来其愈加广泛的应用，如用于航空航天、水下作业、极 端危险场所( 如核电站、火灾、地震现场等) 、工业生产、军事、医疗、日常生 活直至娱乐等领域，所用的机器人名目繁多、应有尽有、不胜枚举。 i 一种特种机器人管道机器人正是在机器人技术的飞速发展中的一个应用， 实例。在众多的机器人中( 工业机器人、水下机器人、太空机器人、爬壁机器人、 诊断机器人、娱乐机器人等) 管道机器人是一种可沿管道内部或外部自动行走、 携带一种或多种传感器及操作机械( 如机械手、喷枪、焊枪) ，在工作人员的遥 控操作或计算机自动控制下，进行一系列管道作业的机、电、仪一体化系统【1 1 。 目前国内外管道机器人的研究成果已经很多，可是在微小管道、特殊管道( 如变 径管道、带有u 型管的管道) 进行检测、维修还刚起步，但是由于该类管道在 各个领域的广泛应用，因此研发该类机器人极具吸引力。 1 2 管道机器人的特点 在不同管径不同材质及不同曲率条件下形成的圆柱形空间内沿管道内外壁 进行运动，这为管道机器人提出了一种严格的运行环境。管道机器人和通常的工 业机器人的组成原理基本相同，一般包括感知环境的传感器，运动的驱动和执行 部件，以及控制机器人的各种接口卡和计算机及其数据处理卡。传感器是机器人 采集数据数据的主要部件，常见的管道机器人一般采用感应式传感器( 涡流传感 器) 或视觉传感器，当然根据不同的目的可采用不同的传感器，这里包括采集温 度数据的温度传感器。压力传感器，湿度传感器等等。驱动和执行部件根据被检 测管道尺寸的不同而采取不同的驱动方式和执行方式，例如对于大管径的管道利 用电机来驱动用传统的轮式传动和执行机构即可以了，而对于较为细的( 熏 誊捧卉 ( a j 向右移动( ”向立够动 幽i - 3 压电式管道机器人运动不恿怪l1 4 m e i t e c 研制的管道机器人 日本m e i t e c 公司研制出用压电晶片作驱动器的管道微小机器人，图1 - 4 为其结构示意图。机器人由本体和8 个针形驱动器组成，每个针形驱动器由1 块 薄的弹性金属板和贴在板两面均布的4 对压电晶片、以及固定在金属板的驱动腿 构成。将不同波形、频率或相位的电压作用于各块压电晶片上使压电晶片产生交 变位移，则金属板发生弯曲扭转振动，从而使针形腿的末端与管道内壁发生相互 作用产生驱动力推动机器人运动。通过控制弹性金属板的振动模式可使机器人作 前后直线运动、旋转运动和螺旋运动。该机器人直线运动最快速度为7 3 m m s 。 法国在1 9 9 5 年已研制出直径1 c m 、长度为3 c m 的医用管道微机器人。其一 端备有可更换的头部装置，安装照明电源、切割头、电视头等。微机器人从口 腔进入人体后，医生在体外通过无线电对其进行跟踪和控制。微机器人可在胃肠 道特定部位施放药物，观察病灶情况，甚至可以用丝线套住，结扎小肿瘤并将其 切除。 美国加州理工学院研制了一种主动内窥检查微机器人，这种管道微机器人尾 部拖有线缆( 控制信号线，进出气导管和光纤束) ，本体主要由支撑器和延展器组 成，采用蚯蚓蠕动方式运动。卡内基一梅隆大学也研制了一种主动内窥检查微机 器人，它由导向机构、骨架和橡胶管组成。骨架能够在刚性和柔性之间转换，橡 胶管有一定硬度且能沿着骨架移动，两者之间有足够的润滑来保证相互滑动。 第一章绪论 加拿大制造的管道爬行机器人，该管道爬行器携带c c d 摄像机，应用于热 电厂、核电j 一、水电厂、石油化工等管道的检测，三足竖管爬行器可以在垂直的 管道爬行检测，增加二级三足爬行器，可以由垂直管转弯爬行到水平管道中。 意大利开发了用于结肠检查的携带主动内窥镜的微机器人。机器人由母体、 微型手臂和人机接口组成。母体装有诊断和手术工具，并提供驱动力，运动方式 为蠕动式。母体由三个模块组成，两个模块起定位和支撑作用，第三个模块起伸 缩作用。每个工作循环有7 个状态，受微型气体分配器控制。 德国西门子公司研制出仿蜘蛛的爬管微机器人，这类机器人有4 、6 、8 只脚 三种类型，可在各种类型的管内移动，其运动原理是利用腿推压管壁来获得驱动 力，多腿可以很方便地在各种形状的管道内移动作业，但其控制较复杂。 微型机器人对世界的科技，经济发展和国防建设有着巨大的影响，在各个领 域中有着广泛的应用，如：在农业，核工业，医学，军事和航空等领域；在农业 上可以用来杀灭害虫，定点洒农药：核工业上可以用来处理核电站事故，进行设 备维护及对核燃料进行处理：医学上微型机器人可以放入人体的血管运行，帮助 抽出不正常的细胞和监视细菌；军事上，可以用于军事要地报警，防卫战略要地， 攻击敌人的重要设施，获得军事情报等；航天上，发射微型卫星可以大大降低成 本和发射费用。 1 3 2 国内的研究现状 我国对微机器人的研究起步较晚，在管道微机器人的研究上还主要是进行技 术跟踪。自1 9 8 9 年起进行管道机器人开发研究，到1 9 9 3 年，开发了煤气管道探 测机器人系统，这种机器入可携带c c d 摄像头和工业y 射线监；受1 l 以及远涡流探 测装黄，对管内的缺陷和异物进行检测，以便进一步的处理，在此基础上，1 9 9 3 年起，又开发了适于2 0 0 6 0 0 m m 管径和任意弯曲曲率的管道探测机器人，机器 人可以在无人干涉的情况下在管道内平稳运行3 0 0 m ，可在人为干涉情况下绕过 管内障碍，通过又管和t 型管，越过5 m m 高的障碍，在距探溺物体0 4 0 6 m 出检测出o 5 m m 的缺陷，该管道机器人的载体装有两个相互独立驱动的履带驱 动系统，机体上带有倾斜传感器和计算机系统组成的自适应系统，控制机器人在 不同管径管道的自适应运动过程。 自驱动管内机器人1 2 4 1 包括图l 一1 所示的轮式、脚式、爬行式、蠕动式，还包 括履带式等。国内的太原理工大学研制成功管内脚式行走机器人如图l 一5 。 图1 5 脚式管道机器人结构图 图1 - 6 空气压力蠕动式管道机器人 上海交通大学研发了小口径管道内蠕动式移动机构如图1 - 6 ，它是模仿昆虫 在地面上爬行时蠕动前进与后退的动作设计的。 西安交通大学以电致伸缩陶瓷微位移器做驱动器，电磁铁机构做可吸附于行 走表面的保持器，设计制作了蠕动式微动直线自行走机构如图1 7 。 链筒7 一 图1 7 自行走机构简图图i 8 蠕动体结构示意图 清华大学研制了一套小型蠕动机器人系统，其机构如图1 8 ，由i 蠕动体和 2 、3 、4 电致伸缩微位移器组成。蠕动体的蠕动变形形态由粘贴于柔性铰链部位 的电阻应变实时感，机器人的外形尺寸为1 5 0 x 6 1 x 4 6 m m ，重2 k g ，最大步距1 0 1 ti i 1 ，行程4 0 m m ，运动精度0 2l am 。 哈尔宾工业大学研制开发了一种蠕动式管内移动机器人机构。图1 - 9 为蠕动 式管内移动机构的模型图。该机构由蠕动丝杠1 、螺母2 、前后支撑足3 、4 、前 后封闭弹簧7 、8 组成。在图中需要向左行走时，分别使左右支撑足上端与管壁 接触，下端用滚轮与管壁接触。驱动蠕动丝杠依次左转和右转，使螺母在丝杠上 左右移动( 蠕动) 。 图1 - 9 蠕动体结构图图1 1 0 仿蚯蚓蠕动体结构图 石油大学仿照蚯蚓在孔内蠕动的过程，研制了一种在孔内行走的机器人驱动 装置。该机器人如图1 1 0 所示。 上海交通大学针对微小空间、微小管道实时探测的要求，研制成电磁驱动微 小型管道机器人样机( 如图1 1 1 a 、b ) 。微小管道机器人由四节电磁驱动单元组 成，驱动机理模拟生物体的蠕动爬行。它是通过给线圈加一系列的时序脉冲的控 制，依次使各单元动作，以多拖少而达到蠕动式爬行的运动形式。 攀 第豪绪论 皇ii , = l * i i l - m l i - u i 詈i 兰寡鼍皇曼皇曼詈皇喜詈鼍鼍 磁橱 鞭动部件 _ _ * _ q ，_ 垒h ( 二dq ，_ 兰h ( d 图1 1 t 微型机器人结构图 广州工业大学借用仿生学原理，研制成结特、简单的微管道机器人。机器人 的运动由电磁力驱动如图1 1 2 ，初始状态时线圈c 1 、c 2 、t 1 、t 2 分别通电， 机器人的驱动器1 和驱动器2 ( 主体) 相互吸合，当线圈c l 掉电时，由s l 将机 器人前部( 驱动器1 ) 向前推动一段位移：其它依次类推。 l 篙1麓。_ ? c i 图1 1 2 电磁驱动管道机器人结构图 国1 1 3 液体压力驱动结构图 上海大学利用石油管道的石油高压研制成在役石油管道检测机器人如图 1 1 3 ，该型机器人分成多节，利用与管道密封的橡胶环( 皮碗) ，相当于活塞， 在输油管内压力油作用下，推动检测机器人向前行走。 中国科技大学研制出了基于s m a 导向的用于人体肠道检查和腹腔手术的医 甩蠕动式管道微机器入1 2 “，携替的内窥镜检测微机器人在可控的s m a 元件的作 用下可以实现自主导向。s m a 元件的变位量与温度、内阻存在一对应的关系， 所以s m a 既可作为驱动元件又可作为传感器。其中，s m a 元件和软芯被做成多 竹节结构，通过对其通电控制，微机器人头部的内窥镜整体能在空间三维方向弯 曲成所需要的形状，乃至复杂的s 形，因此微机器人容易穿越大肠不规则的各种 管道，大大降低患者的痛苦。图l 一1 4 所示为该微机器人主动引导机构。 圈1 1 4 肉窥检查机器入主动；l 导机构 暾 1 4 管道机器人发展中遇到的问题及解决思路 从以l 来看，管道机器人的研制、开发在国际上也属发展阶段，离实际应用 还有一定的差距。大部分机器人还只能运行一般的直管道，而工程中广泛应用的 变径管道、u 型弯管道的检测机措人还处在试验开发阶段，通用性也很差。运行 在弯管道里主要靠支撑管内壁( 即靠封闭力) 、磁吸附和真空吸附等，而这些应 用极其有限。因此研究特殊管道( 管径变化、无磁性、有弯管等) 机器人检测维 修系统，有着极高的学术价值和实用价值。这些特殊管道机器人的研究设计应从 以下方面考虑： ( 1 ) 可靠的行走机构 管道机器人在弯管、支岔管中的通过性问题是一个难点，要解决这一问题， 要在机构上保证机器人能够在这些特殊环境中顺利行走，需要寻找融合各种机构 优点及可靠的机构方案。 ( 2 ) 驱动方式 由于管道机器人是在管道限定的环境里运行，尤其是在有弯曲管道里运行， 一方而，机器人在弯管( 包括垂直管道) 行走中要有足够的摩擦力来克服重力的 影响，另一方面需要提供足够大的驱动力来克服各种阻力，现在使用的驱动方式 一般是电机，这就需要尺寸小而扭矩大的电机。 ( 3 ) 信号、电力的传输和供给方式 在直管道线缆可以顺利进出，但是在弯曲管道里，尤其是有几个弯曲的管道 里，必须考虑线缆在转弯处的阻力。采用无线的方式来传递信号，由于金属管道 具有一定的屏蔽作用，需要考虑发射信号的频率。电力的供给现在一般采用高能 干电池、蓄电池和管外供电( 线缆) 的方式。 ( 4 ) 控制器的微小化 无缆化同时也带来了另外一个问题，即机载的机器人微小控制器，它必须实 现能源的转换，信息的传递，动作控制等功能。目前这个技术还没有很好的解决， 有待计算机和集成技术的突破。 1 5 本课题的研究目标、内容、意义 本课题是为实现对小型管道的安全检测而提出的，同时也作为大范围管道检 测方法诸如超声波检测方法的难点和检测不准确性的一种弥补，进而利用现行条 件下国内外迅猛发展的机器视觉技术，对传统的管道的进行无损检测探伤，能够 充分利用机器视觉和人工智能方面的优势，对机器人的智能化做一些有意义的研 究工作。而且，随着国际上将微型机械和微电子技术紧密结合的尖端高集成技术 m e m e s 的争先恐后的发展，人们对系统的微型化、智能化提出越来越高的要求， 因此，在机器人微型化、智能化方面充分利用现代微电子加工制造技术同时集成 第一章绪论 现代信息技术及人工智能技术势在必行，正是出于此种想法，本课题抛丌传统的 大管径管道检测的机器人模型，而追求小型化、适中化，尤其生活中应用最多的 管道管径( 经调查统计楼道的水气管道在o5 2 1 4 2 r a m 最常用) ，这一直是本课 题追求的一大特色。 本课题主要包括以下几部分内容： 1 ) 管道机器人移动机构的设计与分析； 2 ) c c d 光学成像系统的设计： 3 ) 移动机构执行电机的驱动控制卡的设计； 4 ) 驱动控制软件系统的实睨； 5 ) 图像采集处理与管道内壁缺陷识别算法实现； 第二章机器人整体结构方案设计 方寨设计在任何系统设计中都占有重要地位，尤其设计管道机器人就更不例 外，管道机器人的设计方案可以有很多构想，但是哪一种更能从经济适用方面满 足自己的要求，这就要作一权衡考虑。设计一个系统最大的要求是系统的风险最 小，这一点最重要，因为这样能够保证一次试车成功，降。f g , - - 次加工的成本。所 咀，在设计方案时要从能够满足次性需要出发，在此成功的基础上再进行以后 的复杂方案设计。本章正是按照这样的思路将给出管道机器人的方案设计。 2 1 系统结构与功能 本系统的结构原理图如下图2 1 。包括计算机，图像采集卡，机器人控制卡， 轮式移动机器人，直流伺服电机，小型c c d 传感器和l e d 光源。其中，机器人 控制卡、轮式移动机器人需要自己搭建。而电机、图像采集卡、小型c c d 传感 器需要购买。而且，机器人的运动机构采用单电机驱动，利用蜗轮、蜗杆、齿轮 传动机构。这里要自行设计，具体情况可以从下面的介绍中进一步了解。 图2 1 机器人整体框架图 本系统实现和预实现以下功能： ( 1 ) 轮式移动机器人必须按照预定的要求在管道内运动，这是作为一个机器人 最起码的要求； ( 2 ) 通过c c d 图像传感器、图像采集卡及相关的图像处理算法计算机必须能够 监测到管道内壁比较明显的缺陷( 如：l m m 宽的裂纹) ，这是构建整个系统的最 重要的一个目的； ( 3 ) 通过电机的测速系统能够在监测到缺陷的基础上，通过软硬件加之一些必 要的算法，能够初步确定缺陷的位置，并给出返回数据结果，这是对整个系统进 行检验的一个重要判据： ( 4 ) 倘若在以上系统构建完毕还有充裕时间，我们还可以从无缆供能( 通过微 波供能) 和无缆传输( 通过射频无线网) 以及微型化( 利用微加工技术) 上做一 些工作， 2 2 系统工作原理 当将机器人放入管道，通过撑紧机构将机器人的轮撑到紧贴管道内壁后，通 过计算机发出指令让机器人在管道中以一定速度运动，这时驱动c c d 使之工作， 这里我们可以使c c d 及其光源沿着机器人的轴线运动，利用多个l e d 发光在中 心的c c d 传感器采集信号( 具体_ f 面有介绍如下图2 2 ) ，当然这要求快速处理， 当发现所采的信号与现在计算机中存的缺陷信号( 图像) 一致或相差不多时，这 时计算机发出指令，将此时的图像记录下来，并传到计算机的人机界面，利用已 编制的软件给出缺陷的位置和图像。这样运行下去，直到计算机发出停止指令为 止；至于缺陷式样我们可咀做一个常见缺陷的图库，存到计算机中作为机器人的 运行判据。 倒2 - 2j + 作原理图 后面的章节将就本系统的各部分组成及工作原理作一下较为详细的介绍，主 要包括：传感器部分，移动机器人的机械设计部分，机器人控制卡部分，图像采 集卡部分和图像处理算法部分。 2 。3 方案构想与优化 下面从两个方面分析并说明此机器人设计中结构优化的必要性，一方面是从 机器人移动机构的方案设计与选择，另一方面从图像传感器c c d 在管道内成像方 式在管道机器人结构设计方面的考虑。 2 3 1 移动机构方案设计 从第一章绪论中，我们介绍了几种常用管道机器人的结构模型，在上述几种 模型中，本系统采用的是电机驱动直进式，而在这种方式中，也有几种方式需要 讨论与分析。电机驱动直进式有三种结构：单电机驱动移动载体，双电机驱动移 动载体，三电机驱动移动载体。分别如图2 3 ，2 4 ，2 5 所示1 4 钔。单双电机驱动方 式的驱动结构相同，均是用轴向放置的电机驱动蜗杆，在由蜗杆驱动三个蜗轮， 通过齿轮系传动到驱动轮，整个驱动机构用弹簧压紧在管壁上，利用驱动轮与管 壁的摩擦力即可实现行走，不同的是单电机即用一个电机驱动，而双电机式则轴 北京工业大学工学硕士学位论文 向放置了两个电机。三电机驱动则比较复杂，如图2 5 所示，三个电机分别固定 在三个支撑壁上，电机通过蜗轮蜗杆直接驱动，驱动采用这种具有差动功能，在 管道有一定曲率或出现凸凹不平现象时，三个驱动轮可随着各自的路径而调整转 速以适应各种管内条件。 凰 固2 - 3 单电机；b 动 囝2 4 双电机s e 动 基q 在第一种单电机驱动的情况下，对于本管道机器人的要求，不太适合，因为 本系统是适于小管径管道( 由1 3 0 m m 左右) ，同时又要有一定的负载能力，因此 整个系统在理论上显得很优化，但是在行星轮系统的加工上实现这种小尺寸在现 实条件下难度比较大。第二种双电机驱动，倘若采用这种模式也有很大的困难。 而第三种，三电机驱动对于整个系统的尺寸空间、载荷要求、成本要求很高，而 且结构很复杂，很难保证一个蜗杆同时驱动三个蜗轮时产生结构上的干涉与卡 死，进而系统不能工作。 ( a )l b j 图2 6 机构方案设计图 出于以上考虑，本机器人的移动机构采用的结构方案为单电机蜗轮蜗杆传动 方案。如图2 - 6 所示。其中，一个重要的特点是从图中能够看出，本设计采用的 是单电机六轮直进式移动机构，单直流电机驱动，在运动过程中，靠上支撑轮的 内部弹簧撑紧机构提供的正压力转化到橡胶轮与管壁之间的滚动摩擦力来运动a 第二蕈机器人整体结构方案设计 整个系统由于利用了对称性，抵消了机器人在运动过程中各方面不平衡力偶的干 扰，从而使所有的力集中到电机运转轴线上所在的竖直平面上，同时，又在通过 电机轴线的竖直平面上保证机器人的重心与电机运转轴心之间适当的距离，从而 保证了整个机器人运行过程中的平稳性。 2 3 2c c d 成像方案设计 现有光学管道内壁检测方法有激光束扫描法，圆形结构光扫描法以及内壁环 带视觉装置等。前两种方法可用于精确测量管道内壁形貌的精确测量，最后一种 方法可用于管道内壁的环视及实现缺陷相对传感器的位置检测。激光束单点扫描 方法需要旋转机构以实现对管道的扫描。下面主要对结构光扫描法以及内壁环视 装置作一比较。 ( 1 ) 圆形结构光扫描法1 4 5 】 圆形结构光扫描法采用的是圆形结构光扫描，应用三角相似原理来进行坐标 计算。b a o h u a z h u a n 和m h a r t r u m p f 绷l j 提出了两种采用圆形结构光实现管道内 壁检测的装置，z h u a n g 提出的方法为圆形结构光扫描法，h a r t r u m p 腚出的方法 为对称放射结构光投射法，现比较一下两种方法，并根据本系统的需要主要介绍 一下z h u a n g 的方法。 z h u a n g 的方法是利用一台半导体激光器( l d ) 构成的环形光发生器和一个 c c d 摄像头，主要适于的管径为8 0 1 4 0 m m ，而h a n r u m p f 的方法采用分束器构成 的结构光投射装置和两个c c d 摄像头，适于的管径为2 0 - 5 0 c m 。 两种方法共提供出了三种发生器，分别如图2 7 ，2 - 8 ，2 - 9 ，2 - 1 0 所示，图2 7 所示的结构当管径变化时，投在内壁的光环宽度会随之变化，图2 8 的装置则可 以产生一固定宽度的圆环，从而可获得恒定的横向分辨率。图2 9 所示结构为利 用衍射光栅( 图2 1 0 ) 来产生的圆环，该结构适用于空间较小，结构紧凑的场合。 球颖孥 b 2 - 7 蕻置一 胄2 8 球霉二 陶匡 田2 9 藏置兰 舶 1 d 衔舯光橱 z h u a n g 的方法其结构原理如图2 一1 1 所示。图中l 为半导体激光器光源，2 为圆 形结构光发生器，7 为管道内壁，4 为接收镜头，5 为c c d 摄像头。整个装鼍装在 个步进马达驱动的移动机构上以实现对整个管壁的测量。 7 气3 卜2 ( ，) l 矧彳a 一驴腑- l 咩厣 i ，l 量 i i零w 二兰：玉 幽2 一1 1 结构原理图 上图中假设激光束由a 点发出，打在管壁上的m 点后被反射和散射，在经焦 距f 的接收镜头后打在c c d 接收面上n 点，点n 即为点m 的像。根据三角形相似原 理，可以得到下面一简单等式： ，：丛塑竺f 2 i ) 州t a n o r r 一 式中：r 为光环的像，r 为管道半径，m 为a 点距接收透镜中心的距离，口为结构 光与传感器中心线的夹角。 ( 2 ) 内壁环视装置 内壁环视装置采用轴向放置c c d 摄像管，摄像管的前方安装一球面反射镜， 摄像管的四周有照明灯，这样管内壁通过球面反射摄入摄像管，反射图像为一环 带。光学成像原理图2 1 2 ，理想情况下，视觉传感器的轴线于管道的轴线重合， 其中管壁上的任意一点a ( 一d 2 ，z o ) 经球面镜成像于旋转曲面上的a ( y z a ，) 点， 再经物镜成像于另一旋转曲面上的a ”( y a ，z a ，) 。由球面镜成像公式及三角形相 似原理( aa b c aa b c ) 可得a ，a 两点坐标问的一次成像关系。二次成像 是一次成像经c c d 物镜在其像敏面上所成的平面图像，为一圆环，可以通过监视 器直接观察。也可根据坐标变换关系求出a 点的相对位置，从而实现对缺陷的位 置检测，其设计适用孔径为2 1 9 - 6 6 0 r a m 。 “& 墟 f 、瑚 图2 1 2 内壁环装置图 圆形结构光扫描法及内壁环视装置均适用于较大直径的管道。圆形结构光扫 描法可以实现较高精度的测量，但所需零件较多，结构相对细小管道而言比较复 杂，不宜实现。内壁环视装置兼顾了周向观察失真小、视野范围宽广的优点，并 可实现缺陷相对传感器的位置检测。 ( 3 ) 本管道机器人c c d 光学成像设计 通过以上的分析给出了以下方案设计： 苗谨 图2 1 3c c d 方案设计图 如图( a ) 所示，采用多个发光二极管作为内置式光源，照明管道内部，直 接用c c d 摄取管内图像，该方案要求c c d 的接收镜头组具有广角特性。优点为结 构简单，缺点为像质较好的视场中心部分被弃而不用，而像质较差的视场边缘部 分却作为观测的主要部分。为克服这一点，可采用广角的镜头和较好的光源，最 好用白光光源。同时，要选用分辨率较高的c c d 摄像头。本系统采用这种方案， 其缺点得到了很好的克服，其效果达到了预定的要求。 对于图( b ) 而言，中间的像质较好的视场中心部分得到了充分利用，同时 能够使得成像的质量得到提高，成像为一圆盘，整个圆盘都能得到利用。但是， 这种方案的最大缺陷是结构复杂，而且中间的锥面镜需要加工成本、难度较大。 锥面镜还要固定，这可能导致光线受阻，从而影响成像效果。 图( c ) 为第三种方案，其中中间利用步进电机的旋转带动光源和c c d 来扫 描管道内壁，使管道内壁成带状分布到后期的屏幕上，这种方案的复杂程度可想 而知，但是这种方案成像效果最好。 2 4 器件选择经验 2 4 1电机的选择 伺服系统设计通常从执行电机的选择开始。作为伺服系统的执行元件，应能 方便的实现连续的、平滑的、可逆调速，对控制信号反映快速，才能保证整个系 统带动被控制对象所需要的规律运动。 选择执行电机不能只停留在确定电机的类型及其控制方式上，还必须确定具 体型号与规格，需要做定量的核算。为此，要根据被控对像的运动形式( 旋转或 直线运动) ，运动的交化规律，运动负载的性质和具体数量，运行工作体制( 是 长期连续运动或短时间歇式运行) ，结合系统的稳定性能指标要求，做定量分析a 伺服系统带动被控制对象运动。常常很难用简单的数学表达式来描述，为便 于工程设计计算，需做合理的简化，首先应将被控对像运动负载做必要的典型分 解，本系统是采用轮式单电机带载沿管道内壁靠摩擦力的直线运动，而电机的旋 转运动靠蜗轮蜗杆实现运动的转换，主要有下列几种负载： ( 1 ) 干摩擦力力矩( 2 ) 惯性转矩( 3 ) 重力力矩 显然，被控对像的运动是与执行电机的运动同时进行的。执行电机除了要克 服被控对像所形成的负载外，还必须克服电机自身的千摩擦力距、电机转子的惯 性转矩。当执行电机与被控对象之间有变速传动装置时，还需要考虑传动比、传 动效率和传动装置的等效转动惯量等因素。 图2 一1 4 电机选型简化计算图 图2 - 1 5 电机特性曲线图 如图2 1 4 为整个系统简化到蜗轮蜗杆副的电机选择计算图，表2 - 1 给出了 计算的输入参数，通过电机选择特性曲线图2 - 1 5 得到后面选择电机的结果。 表2 - 1 电机选择参数估算表 摩擦系整体重蜗轮半摩擦力机构效机构传折算电 电缆考 数 量( n )径( m m 、 转距动比机轴转虑 ( m y r a ) 矩 ( m n m ) ( m n m ) o 54 01 56 0 005 58 ：l1 3 6 3 62 7 2 7 2 表2 - 2 电机选择参数表 功率( w ) 转速( r p m )工作电压额定电流 启动电流减速箱 ( v )( a )( a )减速比 7 07 0 2 0 4 21 5 91 532 1 ：1 2 4 2c c d 及其光电转换原理 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 电荷耦合器件自美国贝尔实验室研制成功以 来，随着半导体技术、微电子技术的发展，其自身技术日臻成熟，应用领域不断 第二苹机器人整体结构方案设汁 曼! ! 竺詈! 皇! ! 墨皇皇鼍詈= 皇! ! ! 曼曼詈鼍詈昔! ! 皂! ! 曼竺詈詈! 皇! 曼詈鼍ii 皇鼍s 曼皇詈鼍! ! 拓展。c c d 摄像机具有以往摄像机所不具备的诸多有点：体积小、重量轻、坚固 耐用、功耗低、无磁场干扰、无重合误差。此外，c c d 摄像机图像重现好，全区 域无几何失真，并且不会发生灼伤、彗尾和图像残留现象。 c c d 摄像元件是利用光电效应，首先将入射光转变成对应的光电荷，并把光 电荷暂时存储在相素的微小电容上，然后通过固体扫描方式将信号读出。c c d 摄像元件具备光电变换、光电荷存储和固体扫描三个基本功能。其中比较特殊的 是固体扫描方式。它是利用电子的转换、移位来完成扫描过程的。在c c d 摄像元 件的硅基片上镶嵌排列着许多各自独立的像素，通过在电路上施加扫描脉冲将在 存储在像素上的光电荷按顺序读出【4 。 光源采用多l e d 照明，此装置共采用多个l e d 用于照明。l e d 具有体积小、 重量轻、耗电少、寿命长、亮度高等优点。通常l e d 的照明区域受到其有效立体 角的限制。采用这种方式照明时，应将其照明区域与c c d 摄像头的有效成像区域 结合起来分析。 2 4 3光学成像系统元件参数确定 光学系统对c c d 的成像质量有着卜分重要的意义。它担负着传递目标光学信 息的作用，直接影响着c c d 成像系统的工作距离、视场、分辨率、灵敏度和几何 畸变等性能参数。c c d 摄像系统对光学系统的基本要求是：成像清晰，透光力强， 杂闪光少、像面照度分布均匀，图像几何畸变小，足够的相对孔径，焦距、光圈 可调等。常用c c d 的像素空问分辨率在4 0 8 0 线对毫米范围，这是一般光学系统 都能满足的。 在高精度测量中，要求光学系统的相对几何畸变小于0 0 3 ，这种大像场、 高精度要求是般工业摄像头达不到的，所以一个高精度的c c d 摄像头系统，必 须配置一个专用的大象场和小畸变的光学系统。 镜头的光学特性主要包括成像尺寸、焦距、相对孔径和视场角等几个参数。 1 成像尺寸 镜头一般可分为2 5 4 m m ( 1 i n c h ) 、1 6 9 m m ( 2 3 i n c h ) 、1 2 7 m m ( 1 2 i n c h ) 、 8 4 7 m m ( 1 3 i n e h ) 和6 3 5 m m ( 1 4 i n c h ) 等几种规格，它们分别对应着不同的成像尺 寸，选用镜头时，应使镜头的成像尺寸与摄像机的靶面尺寸大小相吻合。 对于本系统所选用的2 3 i n c h 靶面的摄像机，当镜头的成像尺寸比摄像机靶面 尺寸大时，不会成像，但实际成像的视场角要比浚镜头的标称视场角小( 见图 2 1 6 a ) ，而当镜头的成像尺寸比摄像机靶面的尺寸小时，就会影响成像，表现为 成像的画面四周被镜筒遮挡，在画面的4 个角上出现黑角( 见图2 1 6 b ) 胁心 i i ( a ) ( b ) 图2 1 6 镜头参数选择 2 焦距 在实际应用中，经常会有用户提出该摄像机能看清多么远的物体或该摄像机 能看清多么宽的场景等问题，实际上有所选用的镜头的焦距来决定，因为焦距决 定了摄取图像的大小，用不同焦距的镜头对同一位置的某物体摄像时，配长焦距 镜头的摄像机所摄取的景物尺寸就大，反之，配短焦距镜头的摄相机所摄取的景 物尺寸就小。当然，被摄物体成像的清晰度还与所选用的c c d 摄像机分辨率及监 视器的分辨率有关。 理论上，任何一种镜头均可拍摄很远处的物体，并在c c d # e 面上成一很小的 像，但受c c d 单元( 像素) 物理尺寸的限制，当成像小到小于c c d 传感器的一个 像素大小时，便不再能形成被摄物体的像，即便成像有几个像素大小，该像也难 以辨识为何物。 根据镜头成像原理，当点目标与透镜之间距离为d 。，所对应的立体角内的 光线，通过透镜后会被聚成一点，称为像点，像点与透镜之间的距离叫像距，用 d ，来表示，这时像距d ，物距d