（控制理论与控制工程专业论文）新型微管道机器人控制系统与能量转换装置的研究.pdf

摘要 摘要 微管道机器人有着广泛的应用前景和社会需求，它可以应用于工业、 农业、航空、航天、国防、冶金、石油化工及城市水暖供应等领域。微 管道机器人技术是多学科技术的综合，它是驱动器、传动装置、传感器、 控制器、电源等的高度集成。目前的微管道机器人受到能源供给的限制， 不能长时间远距离进行工作，因此本文研究了一种新型无缆微管道机器 人，该机器人携带能量转换装置，并利用流体动能来运动和工作。该研 究对微管道机器人实现在管道内长时间、远距离工作有着特别的意义。 论文的内容包括： ( 1 ) 在查阅和掌握大量有关文献资料的基础上，对微管道机器人的 国内外科研进展情况进行较为全面和详实的介绍，并提出了在研究微管 道机器人上所存在的一些问题及发展方向。 ( 2 ) 详细分析了实现新型无缆微管道机器人特定功能的工作条件， 并建立在平直管道内微管道机器人的动力学模型，并进行了仿真实验。 ( 3 ) 针对管道内的流体性质( 气体或液体) ，确定了新型无缆微管 道机器人能量转换装置的设计方案，并设计制作了实验样品，验证了该 新型微管道机器人能量转换装置方案的可行性。 ( 4 ) 设计了微管道机器人控制系统的硬件电路，包括电磁铁驱动模 块、无线通信模块、电源模块等。 ( 5 ) 设计了微管道机器人的软件控制系统，并给出了各功能模块的 程序流程图。 关键词：微管道机器人，流体能量，动力学模型，能量转换装置 宰本课题得到了国家自然科学基金项目“利用流体自身能量的微管道机 器人研究”( 6 0 3 7 5 0 3 5 ) 和广东省自然科学基金项目“新型无缆管道机器 人的研究”( 0 3 2 4 6 8 ) 的资助。 a b s t r a c t i n p i p er o b o t sh a v eb r o a da p p l i c a t i o nf i e l d sa n ds o c i a ln e e d s i n p i p e r o b o t sc a nb eu s e di ni n d u s t r y , a g r i c u l t u r e ，a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s ， n a t i o n a l d e f e n c e ，m e t a l l u r g y , p e t r o c h e m i c a li n d u s t r y , m u n i c i p a l w a t e r s u p p l y & m u n i c i p a ld r a i n a g e a n ds o o n i n p i p e r o b o t t e c h n i q u e i sa s y n t h e s i so fm a n yd i f f e r e n td i s c i p l i n e s ，a n dah i g hi n t e g r a n t i o no fa c t u a t o r s ， d r i v ee q u i p m e n t s ，s e n s o r s ，c o n t r o l l e r s ，a n d p o w e rs u p p l i e s d u et ot h e c o n s t r a i n to fp o w e rs u p p l y , c u r r e n ti n p i p er o b o tc a n n o tw o r ki n l o n g d i s t a n c ea n df o ral o n gt i m e s ot h er e s e a r c hi sm a d eo nt h ed e s i g no fa n o v e lc a b l e l e s si n - p i p er o b o t ，w h i c hc a nt a k et h ed e v i c eo fp o w e r c o n v e r t o r - - d y n a m o t o rb yi t s e l f , w o r ka n dm o v eu s i n gt h es e l f - e n e r g yo f f l u i d o w i n gt ot h ef e a t u r e so ft h er o b o t ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt oa c h i e v el o n g d i s t a n c ea n dl o n gt i m ew o r k so fi n p i p er o b o t t h em a j o rc o n t e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r es h o w na sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do nt h ea m o u n to fr e c e n t l yl i t e r a t u r ei nt h i st h e s i s ，i n t r o d u c e s t h es t a t eo fr e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n go fi n p i p er o b o tg e n e r a l l ya n d d e t a i l l y , a n ds o m eq u e s t i o n so nt h es t u d i e so fi n p i p er o b o t ( 2 ) i ta n a l y s e sw o r kc o n d i t i o no fr e a l i z i n gs p e c i a lf u n c t i o no fm i c r o i n p i p er o b o t ，a n de s t a b l i s hi t sd y n a m i c sm o d e li nl e v e ls t r a i g h tp i p e 。a n d c a r r yo u tt h ee m u l a t i o ne x p e r i m e n t ( 3 ) c o n t r a p o s i n gt h ep r o p e r t yo ft h ef l o w i n go b j e c tw h i c hi sg a so r l i q u i di np i p e ，i tc o n f i r mt h ed e s i g n i n gp r o j e c to fe n e r g yc o n v e r s i o nd e v i c e o fm i c r oi n - p i p er o b o t ，a n dd e s i g na n de x p e r i m e n ts a m p l e ，w h i c hv a l i d a t t i n g t h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r o j e c t ( 4 ) t h ep a p e rd e s i g n sh a r d w a r ec i r c u i to ft h em i c r oi n p i p er o b o t c o n t r o ls y s t e m ，w h i c hi n c l u d e s e l e c t r o m a g n e t d r i v em o d u l e ，w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n sm o d u l e ，p o w e rm o d u l e ( 5 ) i td e s i g n e dt h ec o n t r o ls y s t e ms o f t w a r eo ft h em i c r oi n p i p e r o b o t ，a n dg i v e dt h ep r o g r a mf l o w i n gc h a r to f e a c hf u n c t i o nm o d u l e k e y w o r d s ： m i c r oi n p i p er o b o t ，f l o w i n go b j e c te n e r g y ，d y n a m i c sm o d e l ， e n e r g yc o n v e r s i o nd e v i c e 木t h er e s e a r c ht a s ki sf i n a n c e db yn s f c s ( n a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e f u n d a t i o no fc h i n a ) p r o j e c t ”r e s e a r c ho ni n p i p er o b o tw o r k e dw i t h f l o w i n gf l u i d se n e r g y ”( 6 0 3 7 5 0 3 5 ) a n dg u a n g d o n gp r o v i n c en a t u r a l s c i e n c ef u n d a t i o n sp r o j e c t ”r e s e a r c ho nn o v e lc a b l e l e s si n p i p er o b o t ” ( 0 3 2 4 6 8 ) i u 广东t 业大学工学硕十学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是 我个人在导师的指导下进行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，不包含本人或其他用途使用过的成果。与我同工 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 示了致谢。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取 得的，论文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此 声明。 指导教师签字锄 论文作者签名： 1 年 兹鸳 9 d 厶 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景和研究意义 在一般工业、核设施、石油天然气、军事装备等领域中，管道作为 一种有效的物料输送手段而得到广泛的应用。这此管道在经过一段时间 的使用之后，由于腐蚀、重压等原因，不可避免地会出现裂纹、漏孔等 现象。为提高管道的寿命、防止泄漏等事故的发生，就必须对管道进行 有效的检测维护。然而管道所处的环境往往是人们不易直接到达或不允 许人们直接进入的，检修难度很大。管道机器人正是为了满足高效准确 的管道检测维护任务而出现并发展起来的，它是一种可沿细小管道内部 或外部自动行走、携带一种或多种传感器及操作机械，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。目前所研制的微管道机器人的能量供给方式有“有缆”和“无缆” ( 蓄电池) 两种，对有缆方式供给能源的管道机器人，主要的问题是 当机器人行走到一定距离，特别是当转弯较多时，线缆与管壁的摩擦力 会变得很大，甚至达到机器人的牵引力所不能克服的程度，这就严重地 影响了机器人的最大行程，而且其可靠性也受到严重影响。而无缆机器 人的能源是蓄电池。蓄电池所储存的能量毕竟有限，而且受电池质量、 充电工艺等因素的影响，因而机器人的行走距离仍然受限制。 传统的微管道机器人研究一般是在假定管道里没有介质的情况下进 行的，而现实中大量使用中的管道里是充满介质的。以一定速度流动的 介质，其自身就带有能量。因此，我们提出一种新的无缆微管道机器人 的方案”1 ：这种微管道机器人在管道内运动的动力源是管道内流体的动 能；同时当机器人停下来作检查或修理工作时，流体的动能通过发电装 置转换为电能，并对机载的蓄电池充电。因此这种新型无缆微管道机器 人就具有运行时间长，行程大和在役工作等两大优点。 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 广东t 业大学t 学硕十学位论文 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 管道机器人的发展历史简介 管道检测技术主要是指管道内远距离直接检测技术的研究，始于五十 年代美、法、英、日等国。其初期成果是p i g 型管内检测设备，但p i g 类检测设备无自行走能力，移动速度及捡测区域均不易控制，不能算作 是管道机器人。 七十年代、石油、天然气、核工业等恶劣环境下，管道、罐状容器维 护的需要刺激了管道机器人的研究。一般认为，法国的j v e r t u t 较早 从事管道机器人理论和样机的研究。1 9 7 8 年他提出了轮腿式管内行走机 构模型i p r i v 。该机构虽然简单、却揭示了管道行走所必需的两个功能： 支撑吸附和驱动行走，起了抛砖引玉的作用。 八十年代，计算机、传感器、现代控制理论和技术的发展，为管道机 器人的研究应用提供了技术保证。1 9 8 6 到1 9 8 8 年，美国气体研究院实 施了旨在研制名为m o u s e 的用于地下天然气管道泄漏检测的机器人的全 面技术调查，并在此基础上研制了样机。在日本、八十年代以来，福田 敏男( t o s h i of u k u d a ) 、细贝英夫( h i d e m i h o s s o k a l ) 、冈田德次( t u k u u o k a d a ) 、屈正幸( 姒s a y u k l h o l r l ) 、福田镜二( k y o u it d m a ) 等人充分 利用法、美等国的研究成果和现代技术。开发了多种形式的管道机器人， 使日本国成为管道机器人研究最多，成果最为丰富，技术走在最前面的 国家。英法美等国研究者也分别研制了各具特色的实用新型管道机器人。 目前用于大口径管道的管内检测机器人己能实际应用。一般小管径 管道机器人是指作业管径小于8 0 m m 的机器人，研究经验表明由于受管 径空间和机器人结构的限制，小管径管道机器人的研制难度更大。 国内外对管道微机器人的研究仍处于实验室阶段，尚未有产业化的 实例。还有一些关键技术需要攻克，如微机器人的无缆供能、控制信号 的无缆传输和控制器、传感器以及机构的集成化技术。管道微机器人系 2 第一章绪论 统的开发，还要求确立相应的设计理论，利用多种材料和精密加工技术， 以及科学的测试手段。研究开发与应用的有机结合也是而临的重要课题 之一。未来的微管道机器人将是把传感器、计算机( 或控制电路) 、驱 动器、执行机构、微型机械装罨以及通信接口集成于一体的智能机器人 口，各国的研究人员正在朝这个方向努力着。 1 3 国外微管道机器人的研发动态 日本、美国和一些欧洲国家已经从不同角度展开了对微机器人技术的 研究。日本在管道微机器人方面的研究最为活跃和富有代表性。日本通 产省的“微机械技术”十年计划的三大应用目标中就有两大目标与管道 有关，即制造出能进入工业管道检修的微型机械和能进入人体进行诊断 和实行手术的微型机器人“1 ，日本学者t m o r i m i t s u 等人于1 9 8 7 年成功研 制了一种振动式管内移动机器人。1 ，其结构简图如图1 - 1 所示其工作原 理是在机器人的外表面装有若干与机器人本体成一定角度的弹性针，靠 弹性针的变形使管道机器人压紧在管道内壁上。管道机器人的机身内装 有由电动机驱动的偏心重物，当偏心重物旋转时，所产生的离心力使弹 性针变形、滑动，从而带动管道机器人整体移动。该振动式管道机器入 结构简单，容易小型化，但是其在管道内的行走速度难以控制，而且振 动使管道机器人沿圆周方向自转，机器人本身运动时的姿态不稳定且难 以有效地控制，这些对传感器的工作和机器人的使用寿命均会产生很大 的影响。 图1 1 振动式管内移动机器人 f i g 1 一lv i b r a t i n gb r i s t l e dp i p er o b o t 3 广东工业大学工学硕士学位论文 如图1 - 2 所示为日本学者福田敏男，细贝英夫1 9 8 6 年研制的可以 通过“l ”形无圆弧过渡的管内移动机器人哺。9 1 。从转弯的难易程度考虑 “l ”型垂直管要比“圆型”弯管复杂。该机器人行走机构分别由头部 和本体两部分组成，头部和本体部分可以相对回转。当机器人在直管内 行走时，本体上的电动机m 通过减速装置带动本体上的驱动轮转动， 使机器人沿直管行走。当通过9 0 度弯管时，电动机m 。驱动头部作姿态 调整，同时驱动头部履带，引导机器人通过弯管。该机器人巧妙之处在 于使用二台电机完成了三种运动，由于该机器人的应用管径较小，所以 采用三台电机来完成三种运动是受空间限制的，因此我们得到的启示是 在管道机器人结构上尽量采用“一电机多驱动功能”的设计。这样可以 使结构简单紧凑，解决功能的实现与管道空间限制之间的矛盾。该机器 人的缺点是不可以逆行，只有沿前进方向的转弯功能该机器人的技术 指标为： 适应管径：p 5 0 m m ：行走速度：8 1 m m s ：转弯性能：可以通过9 0 度直角弯管：机器人重量：2 4 0 9 ：机器人长度：7 6 m m 。该机器人成功地 通过了“l ”型弯管。 图卜2 轮式小管径管内移动机器人 f i g i - 2r o l l e rb r i s t l e dp i p er o b o t 如图1 - 3 所示为日本d e n s 0 公司研制出了利用压电陶瓷逆压电效应 驱动的管内探伤检测微机器人，用于细小工业管道的自动化检测工作“。 微机器人主要由压电元件、配重和夹钳组成，携带两个涡流传感器工作， 该微机器人是根据惯性冲击运动的原理( 由于惯性力与最大静摩擦力的 大小关系发生变化而产生运动) 设计的。图卜3 所示为微机器人的运动 示意图。合理配置本体和配重的质量，再用一定频率，一定幅值的锯齿波 电压作用于压电元件，就可实现微机器人在管道内的前后移动。d e n s o 公 4 第一章绪论 司先用层叠式压电元件作为驱动器，做出的微机器人本体直径5 5 m m ，长 2 0 m m ，自重1 9 ，移动速度为6 m m s ，可在 e 时，则机器人在流体的推动下向前运动。 此时要求流体具有一定的速度及微管道机器人具有一定的迎流面 积，支撑机构与管壁的摩擦系数尽量小( 即改变为滚动摩擦状态) ，同时 支撑组件不施加压力( 即0 ：2 0 ) 则得： 吉v 2 脾i v , ( s i n 0 + 、3 c o s o ) ( 2 8 ) 式中，( s i n o + q 5 c o s o ) 的最大值为2 。设微管道机器人为截面积是彳， 长度是三，密度是n 的圆柱体，则机器人的重量为； 孵= a 店- g ( 2 9 ) 代入公式( 2 8 ) 得到： 丢v 2 印，a l p , g v 2 4 2 r l p , g p 乎 c z 设滚动轮与管壁均为钢，这时滚动摩擦系数为胁= 0 0 0 1 h ”， g = 9 8 1 m s2 ，机器人密度所= 2 4 * 1 0 3 k g m 3 ，代入式( 2 1 0 ) ，这时有： 刚，居 眨 a 当流体是液体( 水) 时，p = l * 1 0 3 k g m 3 ，可得出： v o 3 厄时，机器人便可依靠流体( 水) 的推力向前运动。 b 当流体是气体( 空气) 时，标准大气压，温度2 4 c 下的空气密度 为p = 1 3 k g m 3 ，可得出： v 8 5 i 时，机器人便可依靠流体( 空气) 的推力向前运动。 1 7 广东1 = 业大学t 学硕士学位论文 综上所述，无论管内流体是气体还是液体，当流体的速度大于 9 7 砉时，微管道机器便可依靠流体的推力向前运动。 ( 2 ) 当c e 时，则微管道机器人减速，最终停止。 此时，要求增加支撑机构与管壁的摩擦系数( 即改变为滑动摩擦状 态) ，同时要求支撑机构施加一定的压力。考虑到机器人重量本身所产生 的阻力较小，这就要求： 以：= 昙，： 乃：= 筹 2 3 3 获得的能量分析 ( 2 1 2 ) 当微管道机器人处于停止状态时，机器人上的能量转换装置开始工 作，把流体的动能转换为电能。流体输入到能量转换装置的功率如式 ( 2 2 ) 所示，此时能量转换装置获得的功率为： 只= 叩只：寺r l p a v 3 ( 2 1 3 ) 式中，r 为能量转换装置的效率。 讨论： ( 1 ) 当流体是气体( 空气) 时，则风力发电机组获得的功率为： 只毛剃小吾叫妒3 式中，4 为风轮机旋转时叶片所扫掠的面积，d 为叶片的直径。 标准大气压，温度2 4 c 下的空气密度为p = 1 3 k g m 3 ，按照贝茨理论计 算，r 的的最大值约等于4 1 “，这里取玎= 4 0 ，则可得出表2 - 1 。 从表2 1 中可以看到，由于风能密度小，微管道机器人从流体中获 取的能量是很小的。特别是对于管径为2 0 m m 以下的微管道机器人，当流 体的速度为3 m s 时，它们获取的电能功率小于2 2 m w 。因此，这种新型 第一二章新型微管道帆嚣人及其动力学模型 无缆管道机器人能量转换方案不大适合于微管道机器人。 表2 - 1获得的功率与风速和叶片直径的关系 t a b 2 1r e l a t i o no fp o w e ra n dw i n ds p e e da n dd i a m e t e ro fi m p e l l e r 匙沁 5l o2 03 0 v 诫 l5 1 1 矿2 0 1 酽8 0 1 0 ri 6 * t 0 4 24 1 1 旷1 6 1 酽4 1 矿1 1 1 0 31 4 1 0 45 0 1 0 4z 2 1 矿5 1 1 0 r ( 2 )当流体是液体( 水) ，能量转换装置为水力发电机组时，同样 可得出水力发电机组所获得的功率与水的流速和水轮直径的关系。此时 式中彳为水轮机旋转时叶轮所扫掠的面积，d 为叶片的直径，水的密度p 为1 0 0 0 k g m 3 。在一般的小水电中水轮发电机组的效率，7 能达到0 6 以 上h “，( 水轮部分为0 7 0 8 5 、发电部分为0 8 8 0 9 0 、传动部分为 0 9 0 0 ，9 5 ) ，这里取刁= 5 0 。得表2 - 2 。 表2 - 2 获得的功率与水速和水轮直径的关系 t a b 2 2r e l a t i o no fp o w e ra n dw a t e rs p e e da n dd i a m e t e r o fi m p e l l e 逻。涂白 51 0 2 0 3 0 v 浠忒 l4 9 1 0 2 6 1 0 r7 6 1 0 r1 钟10 1 23 9 1 0 - 21 钟1 0 16 3 1 矿1 4 3 1 3 1 矿5 错1 0 72 14 8 从表2 - 2 可以看到，由于水的能量密度大，微管道机器人从流体中 获取的能量则相对比较大。对于管径为2 0 m m 以下的微管道机器人，当流 体的速度为3 m s 时，它们所获取的电能功率能达到2 1 w 。因此，这种 新型无缆管道机器人能量转换方案适合于微管道机器人。 综上所述，当管内流体为气体时，这种新型无缆管道机器人能量转 换方案不适合微管道机器人；当管内流体为液体时，这种方案适合微管 道机器人。 1 9 广东工业人学工学硕士学位论文 2 3 4 结论 本节针对我们提出的新型无缆微管道机器人方案，详细分析了微管 道机器入的受力及能量获取情形。指出当流体速度大于9 一l ( l 为机 v p 器人长度，p 为流体的密度) 时，微管道机器人能在流体的作用下在管 道内运动。同时指出，由于气体的能量密度小，能量的回收较小，这种 新型无缆管道机器人方案不大适合于微道机器人，而液体的能量密度大， 回收的能量也比较大，这种方案适合于新型无缆微管道机器人。可见本 研究为微管道机器人的研究打下了坚实的基础。 2 4 微管道机器人动力学模型的研究 2 4 1 微管道机器人动力学模型的建立 为： 根据牛顿第二定律，管道机器人在平直管道内运行时的动力学模型 f , - f , 2 埘，百d r , ( 2 1 5 ) 式中，m ，为机器人质量。 把( 2 3 ) 式、( 2 7 ) 式代入上式，则管道机器人动力学模型变为： 吾v 2 一言p a e r 一( 只c ：) = 坼百d v 誓+ 筹= 筹一昔c 耻黝 亿 设弘筹一= 筹一蚩( 聊砌，得到： 鲁州= 6 ( 2 - 1 7 ) 第一章新型微管道机器人及其动力学模型 可见，本管道机器人动力学模型是特殊的黎卡提方程的特殊情况， 是一个非线性常微分方程“。 2 4 2 微型管道机器人的动力学模型分析 2 4 2 1 徽管道机器人的速度解 上面已论述本微管道机器人动力学方程是特殊的黎卡提方程的特殊 情况。从科学出版社的常微分方程手册可知，微管道机器人遥过初 始状态的速度解“”如下： f ，y r o 面+ 6 槲何e t 。) 】 ，、i 妇6 + a v r o t h 4 a b 隹- t o ) l 也l f j = lv r o 届+ 6 甜面f t 。) 】 1 二曲+ d 域一曲譬一气) 1 当a b o 时 当a b o 一2 筹2 m 一等( 耻蚴，傲管道机器人起动或加 ，掰， 速时，要求流体所产生的推力要大于机器人所受到的阻力( 即b 0 ) ， 所以微管道机器人起动或加速时的速度解为： 哪) 2 错a b 等at粼h a b t t + l 、一 l ( 2 1 9 ) 同理，微管道机器人减速或制动时，要求机器人所受到的阻力大于 流体所产生的推力( 即b 0 ) ，所以微管道机器人减速或制动时的速度 解为： 埘2 篙a b 篇- i - 捌a b v 一口i ，o f 2 i 一f n i ( 2 。2 0 ) 下面仅就微管道机器人的起动和制动时的过渡过程进行分析。 2 i 广东f 业人学t 学硕士学位论文 2 4 2 2 微管道机器人的起动 1 理论分析 微管道机器人起动时，如上所述，为了保证流体所产生的推力大于 机器人所受到的阻力，支撑组件不施加压力( 即c 22 0 ) ，支撑组件与管 壁的接触为滚动接触( t = o 0 0 1 ”1 ) ，初始时刻状态为：t o = 0 、v r o = o ，由 式( 2 1 9 ) 可得到微管道机器人起动时的速度方程为： 堋= 存似历) ( 2 2 1 ) 当时间，趋向于无穷时，机器人的速度达到稳定值v 。，v 。为： = 2 2 r a r e i z z ， 通常认为，当管道机器人速度上升到稳定速度的9 7 时过渡过程结 束，起动过渡过程时间t 。可由下式求得： 0 9 7 = v 。t h 【) f ，】 a r t h o 9 72 0 9 辱季面医- m r 互z m r 面 ( 2 2 3 ) 可见，起动过渡过程时间与机器人质量、机器人迎流面积、支撑组 件的状态等有关，也与流体的密度和速度有关。当机器人设计完成后， 其质量和迎流面积也随之确定，同时机器人的工作环境( 即流体的密度) 及机器人支撑组件的状态也可确定。因此，流体的速度决定了起动过渡 过程的时间，起动过渡过程时间的大小随着流体速度的大小成反向变化。 2 仿真实验及实物实验 在本研究中，运行于管径为o 0 4 m 的微管道机器人机长为o 0 7 m ，直 径为o 0 2 2 m ，迎流面积为3 8 1 0 。4 m 2 ，质量为o 0 5 2 堙。实验时，管道机器 人一个支撑组件与水平线的夹角为3 0 0 ( c = 2 ) ，管道内的流体为水 ( p = 1 0 0 0 姆m 3 ) ，支撑组件不施加压力。 第二章新型微管道机器人及其动力学模型 当管内水的流速分别为l m s 、2 m s 、3 m s 时，测得管道机器人的 稳定速度分别为0 9 9 m s 、1 9 9 m s 、2 9 9 m s ，起动过渡过程时间为别为 o 5 9 s 、0 3 1 s 、0 2 2 s 。采用式( 2 2 1 ) 对管道机器人起动过渡过程进行 仿真，仿真曲线如图2 - 3 所示： 图2 - 3 机器人起动过渡过程仿真曲线 f i g 2 3e m u l a t i o n a lc u r v eo fr o b o ts t a r t u p 实物实验与仿真实验都表明：管道机器人起动过渡过程时间的大小 与流体速度的大小成反向变化。同时还表明，管道机器人的速度接近于 流体的速度，管道机器入所受的滚动摩擦力对机器入起动过程的影响很 小，可以忽略不计。 2 4 2 3 微管道机器人的制动 1 理论分析 如前所述，要实现管道机器人的制动，主要通过支撑组件施加一定 的压力只：，同时将它与管壁的接触改变为滑动状态( 支撑轮采用橡胶材 料，与聚乙烯管壁的滑动摩擦系数p = o 1 8 “6 1 ) 来实现的。此时要求机 器人重量办和支撑组件施加的压力疋：所产生的阻力大于流体所产生的 推力( 即6 o 竺) i y e s 霄p b = i() 开中断 赢鲁 图5 - 4 监控中断子程序流程图 f i g 5 - 4p r o g r a mf l o wc h a r to fm o n i t o ra n dc o n t r o l 5 4 软件的可靠性设计 软件的可靠性对于整个系统的稳定运行是很重要的。尤其当系统受 到干扰时，软件要及时处理故障，并自动回到正确运行状态。 军 第五章新型微管道机器人控制系统的软件设计 5 4 1 采用模块化程序设计方法 本系统程序设计采用了按功能细分成不同的模块的设计方法，这样 程序结构清晰，为差错奠定了基础。通过调试，可方便地找到错误。模 块化设计使子程序之间没有相互等待的依赖关系，也大大减轻了程序的 死锁可能性。另外，编程的时候养成给程序加注释的习惯很重要，这样 为以后程序的升级改进提供了方便。 5 4 2 合理安排中断 本文的中断有a d c 中断，无线通信中断，速度和电量检测中断。将 速度检测作为一个子函数调用放在a d c 中断里，是充分利用了a v r 单 片机可执行中断嵌套的优点。一般当m c u 响应一个中断请求后，会自 动将全局中断允许位自动清零，则后续中断的响应会被屏蔽，只有当中 断返回时，全局中断允许位会自动置“l ”，以允许下一个中断。 a v r 单片机允许用户在中断处理程序中将全局中断允许位置1 ，打 开中断响应，这样就可以再次响应中断。值得注意的是，a v r 单片机在 响应中断及从中断返回时，不会对状态寄存器进行自动保存和恢复，因 此要用软件做好保护现场与恢复现场的工作，以保证程序的正确执行。 5 4 3 程序“跑飞”与“死锁”的解脱 由于干扰，程序有时会跳转到未知区域，是系统的控制出现混乱， 这种现象称之为“程序跑飞”，为此，在程序空间中的未用区域设计“软 件陷阱”，一旦程序跑飞，落入软件陷阱，将强制使程序复位，恢复到正 常状态。但有时尽管采用了各种方法，还会有一些因素使程序在进入软 件陷阱之前就陷入死锁，这时可利用a v r 内部的硬件“看门狗”产生复 位信号。只要在程序初始化时使能“看门狗”，它就周而复始的运行，不 过，要在正常的程序代码的合适位置，插入一段复位“看门狗”的指令， 这样系统既不会由于死锁而无法解脱，也不会使正常运行的程序被打断。 6 i 5 5 本章小结 本章结合了a v r 单片机的编程特性对系统的软件设计思想进行了 分析，详细介绍了管道机器人控制系统的软件设计，包括软件总体设计、 无线通讯中断子程序、a d 采样中断子程序以及速度和电量监控中断子 程序，并就本文实际应用介绍了软件可靠性设计的重要性。 结束语 结束语 目前的微管道机器人受到能源供给的限制，不能长时间远距离进行 工作，为了满足高效准确的管道检测维护需求，必须进行管道机器人的 研究及应用推广。因此本文研究了一种新型无缆微管道机器人，这种管 道机器人依靠管内流体的能量作为其动力源，利用流体的推力作用实现 机器人在管内的运动行走；当机器人停下来作检查或修理工作时，又通 过发电装置将流体的动能转换为电能，并对机载的蓄电池充电，从而实 现了管道机器人的能量自给。该研究对微管道机器人实现在管道内长时 间、远距离工作有着特别的意义。 本文主要研究了新型微管道机器人的工作条件、动力学模型以及能 量转换装置，并取得了以下研究成果； ( 1 ) 指出新型微管道机器人的工作条件：当管内流体为气体( 空气) 、 流速大于8 5 ( l 为机器人长度) 时，微管道机器人能在管内运动； 当管内流体为液体( 水) 、流速大于o 3 工时，微管道机器人能在管内运 动。 ( 2 ) 研究表明新型微管道机器人在平直管道内运行时的动力学方程 是特殊的黎卡提方程的特殊情况，是一个非线性常微分方程。 ( 3 ) 对新型微管道机器人的能量转换装置进行了研究。指出： a 、由于气体的能量密度小，微管道机器人能从管道中气体获取 的能量也很小。因此新型微管道机器人不应带有能量转换装置，只 能设计成被动式微管道机器人； b 、当管道的管径较大，管内流体为气体时，管道机器人可采用 被动式驱动、带气轮发电机组能量转换装置的设计方案； c 、当管道的管径较大，管内流体为液体时，管道机器人可采用 被动式驱动、带水轮发电机组能量转换装置的设计方案； d 、由于液体的能量密度大，微管道机器人能从管道中液体获取 的能量也较大。但是，采用水轮发电机组作为能量转换装置，由于 广东工业大学- 【学硕上学位论文 其结构复杂性，使得它不是最佳方案。因此，现时只能选用压电材 料制成新型微管道机器人的能量转换装置。 由于新型无缆微管道机器人的研究刚刚起步，基础比较薄弱，而微 管道机器人系统又是技术含量很高的高科技产品；同时由于整个系统还 没有完全实现，因此机器人控制系统不可避免存在许多问题，还需要不 断的完善。就本文研究的内容来说，本课题在以下几个方面还有待改善 或进一步研究： ( 1 ) 本文所建立的微管道机器人动力学模型是针对在平直管道内运 行时的情况，由于在现实生活中的管道环境并没有这么简单，其动力学 模型也相当复杂，因此在以后的工作中仍需要做大量的研究工作。 ( 2 ) 本文设计的新型微管道机器人能量转换装置所选用的p v d f 压电材料是种半导体材料，其内阻很大，还不是作为新型微管道机器 人能量转换装置的最佳方案，因此寻找更好的解决方案仍然是以后工作 的难点。 ( 3 ) 机器人的导向机构需要建立数学模型，以便更好的通过控制电 磁铁来实现导向头部的摆动，使机器人能向任何方向转弯。 由于时间、精力和学识有限，本论文只是理论性、实验性的探讨了 微管道机器人控制系统和能量转换装置的设计，还需要迸一步理论化、 系统化和实用化。 参考文献 1 甘小明等管道机器人的发展现状机器人技术与应用 2 0 0 3 ( 6 ) ：5 1 0 2 李锻能等新型无缆管道机器人运动机构的设计机床与液压。 2 0 0 5 ( 6 ) 总第2 0 4 期：7 9 3 蔡鹤皋，孙立宁，安辉等微型机械和微型机器人的发展状况 j 仪器仪表学报，1 9 9 6 ，1 6 ( 2 ) ：3 8 4 1 4 】龚振邦微技术的发展与若干思考 c 重庆：9 7 全国微系统研讨 会论文集，1 9 9 7 ( 1 ) ：1 5 1 9 5 m o r i m i t s ut ，s a k a t ah ，n o m u r ay as t u d yo nav i b r a t i n gb r i s t l e dv e h i c l ef o r s m a l lp i p e s t r a n s a c t i o n so ft h ej a p a ns o c i e t yo fm e c h a n i c a le n g i n e e r s19 8 7 5 3 ( 4 8 9 ) ：1 0 2 2 1 0 2 7 6 m o r i m i t s ut ，s a k a t ah ，t s u j i m u r at d r i v i n gm e c h a n i s mf o rv i b r a t i n gb r i s t l e d v e h i c l ef o rs m a l lp i p e s t r a n s a c t i o n so f t h ea s m e 。1 9 8 8 ，i1 0 ：8 6 9 i 7 m o r i m i t s nt ，s a k a t ah as t u d yo fav i b r a t i n gb r i s t l e dv c h i c l ef o rs m a l l p i p e s j s m ei n t e r n a t i o n a lj o u r n a l ，s e r i e si i ，1 9 8 8 ，3 l ( 1 ) ：1 5 2 1 8 f u k u d at ，h os o k a i h s t u d yo i li n s p e c t i o n m o b i l er o b o tf o rt h el n s i d eo f p i p e l i n e t r a n s a c t i o n so ft h ej a p a ns o c i e t yo fm e c h a n i c a le n g i n e e r s ，19 8 4 ，5 2 ( 4 7 7 ) ：i5 8 4 1 5 8 8 9 m o v i n gp o s t u r eo fac r a w l i n gi n p i p er o b o ti ns t r a i g h tp i p e t h es e e o n das i a n c o n f e r e n c eo nr o b o t i c sa n di t sa p p l i c a t i o n 1 9 9 4 ，1 1 1 4 ：1 - 4 1 0 t a k a s h i k ，n o b u a k i k r & ds t a t u so f w i r e l e s sm i c r o m a c h i n ei n p i p e s c 1 p r o c o f c h i n a j a p a nj o i n tw o r k s h o po nm i c r o m a c h i n e m e m s 1 9 9 7 ：7 1 7 4 1 1 1 s h i n i c h i r o k ，t o s h i k i l ，n o b u y u k i0 m u l t i 1 a y e r e dp i e z o e l e c t r i c b i m o r p h a c t u a t o r 【c 】i e e e19 9 7i n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u mo nm i c r o m a c h i n ea n d h u m a ns c i e n c e 1 9 9 7 ：7 3 7 7l 1 2 h t t p ：w w w n y g a s o r g p u b l i c a t i o n s 7 3 5 0 1 d d f - 6 5 广东工业大学t 学硕仁学位论文 13 b r e t ts ，j o e lb 。w a r r e ng d e v e l o p m e n to far o b o t i ce n d s c o p e c i e e ei n t c o n f o ni n t e l l i g e n tr o b o t sa n ds y s t e m s 1 9 9 5 ，( 2 ) ：1 6 2 - 1 7 1 1 4 r o b e r th ，s t u r g e sj ，s c h i t tl af l e x i b l et e n d o n c o n t r o l l e dd e v i c e f o re n d s c o p y 【j 】t h ei n t e r n a t i o n a lj o u r n a lo f r o b o t i c sr e s e a r c h 1 9 9 3 ，1 2 ( 2 ) ：1 2 1 一1 3 i ， 1 5 龚振邦微技术的发展与若干思考 c 重庆：9 7 全国微系统研 讨会论文集，1 9 9 7 1 16 c a r r o z z am as e n s o r i s z dr o b o t i cs y s