（通信与信息系统专业论文）管道机器人视像检测系统的研究与实现.pdf

摘要 管道检测机器人属于特种作业机器人的一种。其视像检测系统为当今的管道检测方式提供了较 为先进和有应用价值的补充。本文涉及的管道检测机器人来源于大庆市科技攻关项目，具有广阔的 应用前景。 论文首先介绍了管道检测和管道检测机器人的国内外发展现状和应用情况，在综合各种现有的 管道机器人系统解决方案的情况下，提出了采用六轮全时驱动管道机器人本体机械设计方案，其中 重点介绍了机器人本体结构设计、云台系统设计的主要环节；选择了目前比较流行的附a m 方式作 为管道机器人的整体控制方案；通过各种传输方案比较，最终将光电复合缆作为系统通信和电力传 输介质引入系统当中；并对视像检测系统的实现给出了整体解决方案。 其次，论文分别对管道检测机器人本体上的嵌入式系统，通信、步进电机驱动等硬件电路的设 计，以及开发嵌入式系统关于通信和步进电机控制软件等方面进行了着重介绍。为了满足图像信号 的显示、压缩、存储的需要，论文利用c g - 4 0 0 图像采集卡实现模拟图像信号的采集，利用v f w 技术 对图像信息进行压缩和存储。 论文从整体、硬件、软件三个角度介绍了管道机器人视像检测系统的设计与实现过程，最后根 据实验情况，对我们所开发出来样机的优点、缺点以及未来的改进方向进行了分析说明。 关键词：管道机器人管道检测视像检测a n nu c o s i i a b s t r a c t p i p e l i n er o b o ti so n ek i n do fs p e c i a lr o b o t , w h o s ei n s p e c t i o ns y s t e mm a k ea na d v a n c e da n dv a l u a b l e s u p p l e m e n to f p i p e l i n ei n s p e c t i o n t h ep i p e l i n ei n s p e c t i o nr o b o tr e f e r e di nt h i sp a p e rh a si t so r i o nf r o ma l l t e c h n o l o g i c a lp r o j e c to f d a q i n gc i t y i ts h o u l dh a v eaw i d eo u t l o o kf o ra p p l i c a t i o n f i r s t , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ta c t u a l i t ya n da p p l i c a t i o ns t a t u so fp i p e l i n ei n s p e c t i o na n d p i p e l i n er o b o tb o t h 砒h o m ea n da b r o a d u n d e rt h e c o n d i t i o no fg e n e r a ls o l u t i o n si ne x i s t e n c ef o rt h e p i p e l i n er o b o ts y s t e m , w ep u tf o r w a r dab l u ep r i n t , t h a ti s6w h e e l sr e a lt i m ed r i v ep i p e l i n er o b o tm a c h i n e r y 剐n k = “i l e w i t ht h ee m p h a s i sp r e s e n t a t i o no nd e s i g no fm a c h i n e r ya n dt h ep a n & t i l ts y s t e m w ec h o o s et h e p e r s o n a lc o m p u t e rp l u sa r mi nv o g u e ，a st h es c h m eo f t h er o b o tc o n t r o ls y s t e m v i at h ec o m p a r eo f v a r i o u s t r a n s m i s s i o ns c h e m e w ei n t r o d u c et h eo p t i c a l e l e c t r l e a lc o m p l e xw i r et ot h es y s t e ma st h em e d i u mf o r i n f o r m a t i o na n dp o w e rt r a n s m i s s i o n t h ep a p e ra l s op u tf o r w a r dt h ew h o l es o l u t i o n so fv i d e oi n s p e c t i o n s y s t e m s e c o n d l y , t h ep a p e rr e s p e c t i v e l yg i v et h ed i s c u s s i o ni nd e t a i lo ft h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n , s u c ha s e m b e d e d e ds y s t e m ，c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，s t e p p e rm o t o rd r i v e ra n ds oo n , a l s oo f t h es o f t w a r ed e s i g n , s u c h a sc o m m u n i c a t i o na n ds t e p e rm o t o rc o n t r o le t c f o rt h es a k eo fg r a n t i n gt h ed e m a n d sf o rs i g n a l s d i s p l a y i n g , c o m p r e s s i o n , s t o r a g e , t h ep a p e ru s et h ei m a g ec a p t u r ec a r dc g - 4 0 0f o ra n a l o gi m a g es i g n a l s c a p t u r i n g , m a k eu s eo f v f wt e c h n o l o g yf o ri m a g ei n f o r m a t i o nc o m p r e s s i o na n ds t o r a g e t h e p a p e rd i s c u s s e st h ep i p e l i n er o b o t v i d e oi n s p e c t i o ns y s t e mf r o mt h r e ea s p e c t so ft h e w h o l e ，h a r d w a r e ，s o f t w a r e a tt h ee n d ，b a s eo nt h ee x p e r i m e n t , w eg i v et h ea n a l y s i so f t h em e r i t , s h o r t c o m i n g a n da m e l i o r a t i o nw a y sa b o u tt h es a m p l er o b o tw ed e v e l o p e d k e yw o r d s ：p i p e l i n er o b o t , p i p e l i n ei n s p e c t i o n , v i d e oi n s p e c t i o n , a r m , u c o s - i i i l l 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写 过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均巳在文中作了明确说明并 表示谢意 作者签名： 学位论文使用授权声明 本人完全了解大庆石油学院有关保留，使用学位论文的规定，学校有权保留学位论 文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用于非 赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文在解密后 适用本规定1 菩芸鬈茅鬟4 ：- 右扬日期：沙7 ，d 导师签名： 日期： 抛f 7 创新点摘要 由于目前大多数拖缆管道机器人都利用金属缆线传输图像、数据信息而本文所讨 论的方案将光电复合缆作为信息传输和电力供应媒介引入管道机器人领域；并将以a r m 为核心的嵌入式系统引入管道机器人系统中。负责系统通信、机器人行走机构与云台系 统的控制等功能；软件部分实现了数据信息与图像信息融合显示、压缩存储等a 目前这 一整套方案具有一定的先进性。 大庆石油学院颈士研究生学位论文 引言 一、课题研究背景及意义 1 ) 课题的来源和背景 课题来源：本课题来源于大庆市科技攻关项目，同时被评为黑龙江省研究生创新科 研项目。 管道机器人是一种可沿管道内行走的机械装置，它可以携带一种或多种传感器及操 作装置( 如c c d 摄像机、位置和姿态传感嚣、超声传感器、涡流传感器，管道清理装置、 管道裂纹及管道接1 2 1 焊接装置、防腐喷涂装置、简单的操作机械手等) ，在操作人员的远 距离控制下进行一系列的管道检测维修作业，是一种较为理想的管道自动化设备。 管道作为一种经济、高效而安全的物料输送手段一直被人们所关注【l 】。特别是现代 石油、化工、城市水暖供应、她下排水、核工业等部门所铺设的管道累计长度急剧增长。 仅以我国为例，已经铺设的输油、输气管道长达3 0 余万公里，且每年正以1 0 0 0 2 0 0 0 公里的速度铺设新的管线。由于管道长时间处于腐蚀的环境与工作条件下，极其容易发 生腐蚀、疲劳破坏或使管道内部潜在缺陷发展成破损而引起泄漏事故等，对人们的日常 工作和生活造成很大的影响和危害，并且极其耗费时间及维修费用。正是由于这些原因， 人们对管道的使用寿命、使用安全性和经济性极为重视。 目前，国内外主要应用的泄漏检测方法有压力图像法( 压力分布法) 、压力点法 ( p p a ) 、负压波法、质量平衡法、声波法、管道泄漏溶解法等掣2 】，这些方法虽然可以 检测管道的泄漏情况，但需要进行一定量的理论计算和推导，往往不如图像信息简单、 直观。管道机器人是一种比较先进的管道检测设备，它由移动载体( 行走机构) 、检测系 统、通信系统和动力传输系统及控制系统组成，在操作人员的远距离控制下，沿管道内 行走并实时连续的拍摄、显示出管道内图像，直观清晰的反映出管道内故障点的状况， 克服了传统检测方法存在的弊端，提高了诊断精度，加强了对管道的认识和把握能力， 及时有效的完成了对管道的检测与维护、维修任务，显示出了巨大的应用前景。 为改善当前管道检测时工人的作业环境、降低检测的难度、保证检测的安全性、提 高管道的检测效率，有必要在这一领域进行一些实用的自动化研究。本课题的研究目的 是解决管道的视像检测问题，提高管道检测的质量和效率。 2 ) 本课题的研究意义 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、超负荷作用，加上管道本身可能 隐藏的内在缺陷( 如裂纹、砂眼、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或气体物质的渗泄事故，不得不停工 引言 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 潜在的有毛病的管道而提前预防，是现代民用与工业企业中迫切需要解决的课题。 本课题属于大庆市科技攻关项目，结合市政给排水管道的检测需要，设计了移动式 管道检测设备。由于给排水管道系统都埋在地下，当管道出现了裂痕或者腐蚀，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，会对检测人员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。本文所设计的移动式管道机器人可以携带c c d 摄像头深入到管道内部通过地面工作人员的远程控制，实现对管道的实时检测工作。 并能够将检测到的视像信号压缩、存储以供日后使用。 此外，本文所讨论的管道机器人还可以应用于其它领域，例如：输油气管道、化工 工业管道等等。 二、管道机器人的基本分类 1 ) 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主要靠车体自重、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，由驱动轮与管壁之间的附着力产生机器人向前行 走的驱动力，以实现机器人的移动，这是轮式管内移动机器人行走的基本原理。基本分 为一般轮式与内支撑轮式，如图l 所示： ( a ) 一般轮式( b ) 内支撑轮式 围1 一般轮式与内支撑轮式管道机器人 2 ) 履带式管道机器人 车轮式机器人的封闭力，即正压力一摩擦力一驱动力之问的矛盾使其越障性能在一 定程度上受到了影响，而且在管壁摩擦力小时会使其驱动力降低，因此，为了提高机器 人的牵引力，提高其在管内的越障能力，为了实现在油污、泥泞等恶劣条件下的管道内 移动，国外学者又在行走方式上研制了履带式管道机器人。 2 大庆石油学院硕士研究生学位论文 履带式管道机器人附着性能好，在管内存在油污、泥泞以及一定的障碍物的情况下， 也能较为良好地行走，但是这种移动形式的机器人结构上要比车轮式机器人复杂，不易 于控制和实现智能化。基本分为一般履带式和变位履带式。如图2 所示： ( a ) 一般履带式( b ) 变位履带式 图2 一般履带式和变位履带式管道机器人 3 ) 其他类型的管道机器人 有了车轮式和履带式管道机器入之后，人们在管内行走方式上继续探索新颖的机构 形式，通过对蚯蚓、毛虫等穴居动物的观察，发现它们是靠身体的伸缩运动的，首先是 用尾部支撑地面，身体伸长带动头部向前运动；然后再由头部支撑地面，身体收缩，带 动尾部向前运动，如此循环下去，它们实现了在洞穴内行走。专家们利用与之相似的原 理制造出了蠕动式管道机器人。 蠕动式管道机器入的蠕动需要支撑、缩回，这些运动都是直线的，不如转动容易实 现，而且运动是间歇的，受驱动部件起伏频率的限制，蠕动式管道机器人的移动速度一 般比轮式、履带式机器人慢。蠕动式的行走要有前后支撑部分的辅助运动，这些运动对 于行走来说都是“无效”的运动，因此蠕动式管道机器人行走效率低，而且更换支撑部 位时会产生机身不稳定现象，机器人行走也不连续，因而难以满足工程中“迅速完成作 业”的需要。因此，实际中应用较少。但弹性蠕动式管道机器人有两个优点：1 ) 是密 封性好；2 ) 机器人的横截面积小。这两个优点有利于管道机器人的在线检测作业。 还有一种步行式管道机器人，它通过左右两侧脚锁死和前后腿的机构变化实现机器 人在管道内壁的行进。该种管道机器人机构较复杂，而且控制起来非常繁琐，目前实用 性不强。 三、国内外管道机器人技术综述 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，甚至引起火灾，多数管道安装环境人们不能直接到达或人们不能直接介入，因 此，质量检测、故障诊断及维修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5 0 年代【3 】，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，这就是我们通常所说的一种无动力的管内清理检测设备- - p i g ，该设备简单、实用， 日i 言 在一定程度上解决了天然气管道的检测问题。在结构上，p i g 的外径略大于管道直径， 这是为了密封，将其压入管道后，它主要靠首尾管内流体形成的压力差做驱动力，克服 管壁与活塞之间的摩擦力而向前运动1 4 1 。p i g 可以携带超声波、电涡流传感器，一边走 一边检测。并由其内部记录仪记录检测的数据。早期。这种技术发展很慢，到了7 0 年 代末，随着检测技术的发展，p i g 技术已经成熟，现在英、日、美、德、法等国大公司 的p i g 产品已经实用化、商品化。p i g 的特点是实用性好、行走距离远，可达3 0 0 公里 左右，而且不拖线作业，但是p i g 类检测设备无自动行走能力，移动速度及检测区域均 不易控制，严格说来它不能算做是机器人。 随着核工业、化工工业的发展，迫使人们研究管道机器人对这些恶劣环境下的管道、 罐状容器进行检测维修。在一定程度上刺激了管内机器人的发展。然而，管内机器人的 迅速发展时期还是始于上个世纪8 0 年代。 这是由计算机、传感技术、检测技术、现代控制理论技术的发展，为管道机器人的 研究应用提供了技术保证，使应用管内机器人进行检测，维修的手段成为现实，因此， 人们对各种管道机器人的行走机理、行走方式进行了大量的探索和研究，并取得了可喜 的成果。 日本、美国、英国、德国、法国等发达国家在管道机器入技术方面做了大量的工作， 取得了比较突出的成绩。 1 ) 国外管道机器人发展概况 1 日本福田敏男、细贝英夫研制的可通过l 型弯管的管内检测机器人 该机器人由可相对回转的头部和本体组成，当机器人沿直管行走时，本体上的电机 m 1 通过减速装置将动力传给本体上的驱动轮，当机器人沿弯管行走时，电机5 1 2 驱动头 部做姿态调整，并驱动头部履带引导机器人通过弯管。该机器入可作管内裂纹探测，其 具体技术指标为：适应管径：中5 0 r a m ；行走速度：0 - - - 0 4 8 m m i m 转弯性能：可通过 9 0 度直弯管；机器人重量：2 4 0 9 ；机器人长度：7 6 m 。该机器人成功地通过了“l ”型 弯管。如图3 所示： 图3l 型弯管检测机器人 2 俄罗斯“塔里斯”公司“月球车”，即机器人维修车【5 】 该维修车有9 个电驱动装置，能把整个机器联接起来。推出并转动工作部件，翻转 摄像机，用于观察修理过程。为了使机器人能从竖孔中钻进横向管道，机器人自身可打 4 大庆石油学院硕士研究生学位论文 折弯曲。因而可在直径1 9 0 毫米到6 0 0 毫米的管道中工作。机器人装有轮子，以每秒0 3 米的速度向前行驶，有大功率灯泡照明。摄像机向不同的方向旋转，可以判断故障点。 在发现故障点后，机器人用一整套工具铣刀、钻头、切割和清理工具完成各道工序。 如图4 所示： ( a ) 适应管径范围3 0 0 - 0 0 0 h m ( b ) 适应管径范围1 5 0 - 4 0 0 m ( c ) 适应管径范围9 0 舯以上 圈4 机器人维修车 3 大阪燃气株式会社研制的内置磁铁轮式煤气管道机器人【6 】 如图5 所示，该机器人可沿直管和弯管行走，采用光缆通讯，但由于携带的蓄电池 电能的限制，还不能实现较远的行走，其具体技术指标为： 适应管径：中1 3 5 一q ) 6 6 0 r a m ；行走速度：5 m m i n 。 图5 煤气管道机器人 4 p e a r p o i n t 公司开发的轮式自来水管道检测机器人f 7 j 如图6 所示，该机器人具有六个行走轮，能在自来水管道内前进或倒退行走适应管 径为m 1 5 0 一m 7 5 0 m m ；行走速度为0 - 1 2 m m i n ；行走距离大约6 0 0 m 左右。对于更大管径 的管道，加装2 0 w 灯泡( 选件) ，提供更明亮、精确的图像。电缆使用质地牢固重量轻 的合成纤维凯夫拉尔，坚固、防水，可抵抗1 5 k n 的张力。配有电缆自动收放系统，高 性能的带马达电缆盘，可提供超过5 0 k g 的牵引力。仪器精确确定电缆层数，可提高电 缆回绕速度和增加电缆寿命。微处理器控制的离合器和刹车系统，减少电缆回绕的摩擦 力，在整个测量过程中，使用操纵杆可精确控制爬行器及摄像机。 引言 圈8 轮式自来水管道检测机器人 5 r o b o p r o b et e c h n o l o g i e si n c 的系列产品嘲 此爬行器分为串联式爬行器和并联式爬行器两种，如图7 和图8 所示。此爬行器系 列采取不同结构形式，适应大范围的管径范围，最小管径为l o o m ，大管径可至9 0 0 m 以上 主要技术参数： 行走距离：3 0 0 m 左右 直视摄像头：1 3 c c d 彩色 工作温度：0 5 0 电源和控制箱：线形速度调节 防水深度：3 0 m图7 串联式爬行器 拖拉力：3 2 k g 单履 载重量：4 6 k g 单履 尺寸：3 8 c m 长x 9 c m 宽l o c m 高 重量：6 k g 铝制；1 2 k g 铜不锈钢 爬行速度：o 1 0 米分钟 电压：4 8 vd c 运载方式：微型履带 2 ) 国内管道机器人发展概况 图8 并联式爬行器 国内在管道机器人领域的研制方面还没有自己的成型产品，还没有达到实际应用。 下面简单介绍一下相关的管道检测机器人方面的研究情况。 1 上海交通大学的履带式管道机器人1 9 1 该管道机器人仿造履带式车辆行走原理，采用带齿轮减速箱的直流伺服电机驱动。 机器人上部装有c c d 图像传感器，由另一个直流伺服电机控制c c d 图像传感器作俯仰运 动，以扩大检测范围。另外，机器人上还装有角度传感器。如图9 所示： 其相关参数如下： 电机功率5 w ，减速箱减速比为1 0 0 ，输出转速为o 3 0 r m i n ； 最小管道直径中1 2 0 m m ； 运行速度可由计算机给定，一般为1 2 m m i n 。 6 大庆石油学院硕士研究生学位论文 图9 履带式管道机器人的运动机构简图 2 哈尔滨工业大学研制的小口径蠕动式管道机器人 如图1 0 所示，此图为模型图，该机器人由蠕动丝杠i 、螺母2 、前后支撑足3 、4 、 前后封闭弹簧7 、8 组成，可以实现双向超越方式行走，提高了输出牵引力和行走速度， 并采用了主被动转弯方式，解决了管内转弯的问题，其具体技术指标为： 适应管径：0 8 0 - 中1 l o r e ： 移动速度：3 m m i n ： 一 输出牵引力；5 0 n ： 机器人重量：5 k g ： 行走性能：可在直管内正反向行走，可以在弯管和三通管内转弯。 3 l6 固1 0 蠕动式管道机器人模型图 3 。清华大学的下水道自动清淤机器人 该下水道自动清淤机器人适合4 0 0 m m 的管道。载体采用了轮式的行走结构，四轮驱 动方式、以三相异步电机作原动机。 其实验数据如下： 在空载干净的管道中运行时，功率约为3 5 0 - 4 0 0 w 。速度在5 7 5 9 m m i n 载体的推 力为6 0 k g f 。 淤泥沉积到管径的i 3 处。平均速度为4 5 m m i n ，机器人总功率增加到4 0 0 5 0 0 w ， 运行平衡，但有打滑现象【埘。 综合上述国内外发展情况，根据目前实际应用的要求，管道机器人一般都应该具备 7 引言 实时检测、与操作人员交互的功能，在管道中行走时，需要具有自驱动能力。早期的管 道机器人，一般都在机器人本体上安装记忆器件，等待操作结束后，工作人员才能获得 检测信息，这种方法显然已经不适合实用。 无缆线管道机器人，若不带有自驱动能力，很难满足实用要求，并且很难保证拥有 充足、持续的动力源。所以无缆线机器人，在目前的情况下，还不利于实用。对于有缆 线管道机器人来说，行走距离，缆线重量，动力源的提供与信息传输方式等，一直都是 管道机器人研究过程中需要重点考虑的问题。目前，有缆线机器人一般都用金属缆线来 传输视像信号或其他信息，一方面增加了缆线的重量，不利于管道机器人长距离行走； 另一方面，由于距离的增大，传输信息的质量也在下降，很难满足检测要求。 目前，国外的管道机器人技术比较先进，但是由于知识产权保护的原因，我们很难 得到国外这方面的关键技术，除此之外，使用国外的管道机器人一般费用很高，不适合 我国的国情；国内这一领域的研究很少，还处于科研阶段，所以本课题的研究非常必要， 而且具有很大的社会效益和经济效益。尽管我国在研制多种形式的轮式管内移动机器人 方面已经作出了很大努力，并取得了一定的成绩，但仍存在不少的缺点，如管内行程不 够大，力的提高受封闭力的限制，研究还有待进一步的完善和成熟，研制可适用于小管 径和不同管径的深行程管内移动机器人有着广阔的发展前景。因此，基于以上这些原因， 我们课题组结合国内外的管道机器人发展情况，决定自主开发一套管道机器人设备，希 望这套设备能够在降低管道检测成本、提高可用性等方面作出有意义的探索。 四、论文的主要研究内容 本论文讨论的管道检测机器人主要任务是携带缆线穿过排水管道并进行检测与简 单的维修工作。主要由控制系统、驱动装置、视像采集、通信和机器人本体结构几大部 分组成，由于所涉及的内容和专业领域较多，必须由一个团队来负责完成所有的研究内 容。本文只针对视像检测系统所涉及的通信、控制、视像采集处理等方面的工作展开讨 论。因此，本论文的主要研究内容拟定如下： 1 ) 协助团队完成管道机器人整体方案的制定； 2 ) 管道机器人通信方法的研究与设计； 3 ) 管道机器人视像采集的研究与设计； 4 ) 管道机器人关于视像采集系统控制器软硬件设计： 5 ) 管道机器人样机的制作与实验。 3 大庆石油学院硕上研究生学位论文 1 管道机器人的总体设计方案 1 1 引言 管道机器人要在管道这样的极限环境内完成检测、维修等作业任务，其移动载体的 性能是关键。为满足对管道的检测、维修等作业任务的要求，所研究的移动式管道机器 人要具有良好的自定心性、较高的越障能力、良好的通过性、大的驱动力输出特性和较 高的驱动效率等特性，这样才能保证移动式管道机器人在管道这样的极限环境下圆满的 完成预期的作业任务。本章将介绍研制的轮式全时驱动拖缆机器人的总体结构与系统组 成。 1 2 管道机器人的结构参数和特点 管道机器入结构参数如下： 1 ) 行走方式：轮式 2 ) 驱动方式；6 轮全驱动 3 ) 外形尺寸：2 2 0 ( 宽) m m 1 9 0 ( 高) m m x 7 0 0 ( 长) 哪( 不含云台) 4 ) 总体重量：2 5 k g 5 ) 行走速度：o 1 2 m r a i n 无级可调 6 ) 适应管道：巾2 5 0 巾5 0 0 m m 7 ) 行走距离：2 0 0 m 8 ) 通讯方式：光纤 1 3 管道机器人的总体结构组成 移动式管道机器人的总体结构主要由机器人移动本体、二自由度云台及云台起升架 等组成。机器人移动本体：实现机器入在管道内部稳定行走，将检测装置送入待检测的 管道内部。要求管道机器人有较强的越障能力，能在泥泞、杂物堆积、一定曲率与坡度 的管道内部顺利通过。此外，还要求机器入本体应具有很强的负载、牵引能力，保证机 器人在管内行走距离大于2 0 0 m ；2 自由度云台：主要是为视像检测提供一个平台，云台 上可安装一台微型摄像机，通过云台的俯仰和摆动扫描，全方位的检查管内情况，实时 记录行走路线及其方位，以便为管内故障的准确定位提供可靠依据。机器人的总体结构 如图卜1 所示。 9 i 管道机器人总体设计方案 l23 1 ，机器人移动本体2 、云台起升系统3 、云台旋转摆动系统 图1 - 1 机器人总体结构 1 4 机器人本体结构设计 在综合考虑了管道机器人的管内工作环境，紧密结合检测、维修管道的实际情况下， 充分分析和借鉴已有管道机器人以及其它行业特种机器人的成熟技术，决定采用六轮全 时驱动( 6 w d ) 的机器人本体移动方式，该移动方式具有以下优点：结构简单，行走连 续平稳、速度快、行走效率高、易于控制、容易小型化等。并且由于采用了全时驱动技 术，任何一个轮子在任意时刻都为驱动轮，避免了从动轮阻力大的缺点，提高了机器人 的越障能力，将电机的功率最大效率的发挥出来。机器人本体结构如图1 - 2 所示。 1 4 1 驱动机构 1 ，后轴2 ，驱动轮3 、中轴4 、驱动电机5 、传动轮6 、前轴 图1 - 2 机器人本体结构 机器人常用的驱动方式有液压驱动、气动驱动、电动驱动和机械式驱动四种基本驱 动方式。电动驱动主要有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。考虑到机器入特殊 的作业环境以及使用的方便性、机器人的严格尺寸要求等，机器人的电机驱动系统要具 有高转矩重量比、宽调速范围、高可靠性，而且电机的转矩转速特性受电源功率的影响， 这就要求驱动具有尽可能宽的高效率区。我们所使用的电机一般为直流电机，主要用到 永磁直流电机、伺服电机及步进电机三种直流电机的控制很简单，性能出众，直流电 i o 大庆石油学院硕士研究生学位论文 源也容易实现。因此，我们选用了瑞士的m a x o n 公司的e c 4 01 2 0 w 电机，配以g p 4 2 的减速器，完全满足了我们设计的要求。图1 - 3 是我们选用的m a x o n 电机的外形及技 术参划1 1 】 图卜3t l a x o ne 0 4 0 电机外形图 1 ) 标称功率1 2 0 w 2 ) 额定电压4 8 v 3 ) 堵转转矩7 2 6 m n m 4 ) 空载电流9 8 m a 5 ) 空载转速5 9 0 0r p m 6 ) 最大连续电流( 5 0 0 0 r p m ) 1 6 a 7 ) 最大连续转矩( 5 0 0 0 r p m ) 1 0 8 4m n m 8 ) 最大效率8 1 9 ) 重量3 9 0 9 1 4 2 机器人本体密封及防腐 从移动式管道机器人的工作环境及工作要求来看，该机器人应满足可以在水下工作 的要求，也属于水下机器人的范畴。机器人内部装有大量的电子元件及导线，保持内部 电子元件良好的工作环境是机器人正常工作的前提，为此要作好机器人本体的密封工 作，防止外部水、灰尘等杂质进入到本体内部影响机器入的正常工作。机器人箱体采用 的是组合结构，即通过分散加工各箱体盖，然后通过螺栓紧固连接成为一个整箱体，各 箱盏之间采用连接0 形圈进行密封，可以满足密封要求。轴的伸出端采用轴用齿形组合 密封，对旋转轴的密封效果良好。齿形组合密封是一种组合旋转密封，采用o 形圈和聚 四氟乙烯环组合，依靠0 形圈的弹性变形力，将聚四氟乙烯环压紧在旋转轴的圆周，起 到很好的密封作用。同时因为聚四氟乙烯材料本身的自润滑性和耐磨性，减小了接触面 i 管道机器人总体设计方案 的摩擦力，提高了密封件的使用寿命，同时也减4 , t 轴转动的阻力，提高了工作效率 如图卜4 所示。 图1 4 轴端密封 由于移动式管道机器人所在的管道内的工作环境比较特殊，可能含有水、泥沙、油 污以及腐蚀性气体、液体等对机器入有腐蚀破坏等影响的物质存在，故要求机器人耐腐 蚀、耐碰撞等特性，除了在形状结构上予以考虑解决以外，还从本体的材料上入手，选 择超硬铝合金( 7 a 0 4 ) 作为本体的材料，完全可以满足工作要求。 1 5 机器人云台系统 机器人在管道内工作，为了实现机器人实时可靠的控制，及时的了解和掌握管道内 的情况，机器人需携带视像检测装置“c c d 摄像机”。为了详细清晰的反映管内的形貌， 发挥出摄像机应有的功能，我们设计了一套具有2 自由度的云台系统。图卜5 为云台系 统图。通过云台的俯仰、摆动功能，配合以“c c d 摄像机”的调焦。能够将“摄像机” 所在范围内的管内形貌及肘准确的反映出来。图i - 6 为云台系统扫描范围图。 1 、o 摄像机2 、云台摆动机构 3 、云台旋转机构4 、云台座 图l - f i 云台系统图 1 6 管道机器人的控制系统 图i - 6 云台系统扫描范围凰 通常情况下，管道机器人控制系统都采用上、下位机的控制形式，要解决的关键问 题有两个：一个是管内外远程通信的可靠性，另一个是下位机控制器的稳定性。由于管 道机器人在管线内部作业。环境恶劣，不允许出现管内失控的重大事故，因此除了对机 1 2 大庆石油学院硕士研究生学位论文 器入的能源动力系统等强电部分提出严格的要求之外，还对机器人的控制单元提出了极 高的运行可靠性要求，以保证控制单元不受环境影像，在有效的控制策略下起到稳定的 控制作用。目前，管道机器人的常规控制形式有以下几种： 1 ) p i e p l c 控制系统 该系统中，上位机和下位机都采用p l c ，构成由p l c 为控制核心的主从二级控制系 统。管外控制部分作为主控制系统，管内控制部分作为从控制系统，两个控制器间通过 专用的p l c 扩展通信单元进行通信联络。p l c 系统本身可靠性很高，可维护性好开发 周期短，操作简单，对于一些逻辑运算功能显著，不过它也有一些缺点，比如运算速度 慢、价格贵等。 2 ) p c 一单片机控制系统 该系统中，上位机采用p c 机，下位机采用单片机。目前研究的管道机器人大多数 采用这种控制形式，例如由张晓华等人研制的基于视觉的管内作业机器人的控制系统“” 就是用的这种形式。作为上位机的p c 机主要完成参数设置、视觉处理、控制命令的输 出及控制状态的显示等工作，而单片机负责接收控制命令、应用速度和位置闭环控制算 法及控制信号输出、现场数据的采集等工作。p c 一单片机控制系统运算速度快，控制精 度高，利于小型化和智能化，但是单片机系统的开发周期长，可靠性要不断改进。 3 ) p c 一单片机+ d s p 控制系统 在有些系统中，把一些计算量比较大的工作( 例如图像处理) 交给下位机来完成，这 时候需要下位机有一定的计算和存储能力，往往可以由单片机+ d s p 构成双机控制系统， 其中单片机负责控制部分，d s p 负责对数据的运算和处理。这种控制系统可以完成更为 复杂的工作，在设计周期上有了一定的限制。 本控制系统也是采用上、下位机的控制形式，上位机负责图像处理和发送控制指令。 下位机主要负责底层的控制和机器人行走速度信号的反馈，包括对行走电机的控制，对 云台电机的控制，反馈机器人的速度信息，由于运算量主要集中在上位机，所以使用的 是p c 一单片机控制系统。 控制系统的整体结构如图卜7 所示，p c 机和单片机之间通过光纤进行通信，c c d 摄 像机拍摄的图像信号直接通过光纤传送给p c 机，p c 机一方面要采集c c d 的图像信号并 保存，一方面利用一个控制台程序向下位机发送控制指令来实时地调节机器人的行走速 度和云台的姿态，同时接收下位机反馈回来的速度信号，显示实时速度以及行走距离。 下位机采用的是p h i l i p s 公司的a p 6 1 7 单片机l p c 2 1 1 4 。下位机接收上位机的控制指令并 译码，相应地控制各个电机，并通过对编码器反馈回来的电机转速信号进行处理并发送 给上位机。 i 臂道机器人总体设计方案 图i - 7 控制系统总体结构 l p c 2 1 1 4 是基于一个支持实时仿真和跟踪的1 6 3 2 位a r m 7 - t d m i - sc p u ，并带有1 2 8 k b 嵌入的高速f l a s h 存储器。1 2 8 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使3 2 位代码能够在 最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用1 6 位t h u m b 模式将代码规模 降低超过3 0 9 6 ，而性能的损失却很小。由于l p c 2 1 1 4 2 1 2 4 非常小的6 4 脚封装、极低的功 耗、多个3 2 位定时器、4 路1 0 位a d c 、6 路p w m 输出、4 6 个g p i o 以及多达9 个外部中断使它 们特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和电子收款机、机器人控制等领域。由于 内置了宽范围的串行通信接口，它们也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软件 调制解调器以及其它各种类型的应用。图1 - 8 为l p c 2 1 1 4 的结构功能卧“j 。 1 7 嵌入式系统技术在下位机中的应用 由于，本文讨论的管道机器人控制系统是由p c 一单片机组成的上、下位机控制系统， 其中下位机是由p h i l i p s 公司的a r m 7 单片机l p c 2 1 1 4 为核心的嵌入系统组成，下面本 文对嵌入式系统做一下简要的介绍。 1 7 1 嵌入式系统的定义 目前，对嵌入式系统的定义多种多样，但没有一种定义是全面的。下面给出两种比 1 4 大庆石油学院硕士研究生学位论文 图卜8l p c 2 1 1 4 结构功能图 较合理的定义f 1 3 】： 1 ) 从技术的角度定义：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁减、 适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 2 ) 从系统的角度定义：嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧 密耦合在一起的计算机系统。术语嵌入式反映了这些系统通常是更大系统中的一个完整 的部分，称为嵌入的系统。 1 7 2 嵌入式系统的分类 1 ) 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u 。在应用中，将微处理器装配在专门 设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积 和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，虽然嵌入式微处理器在功能上和标准微处理 器基本是一样的，但一般在工作温度、抗电磁干扰及可靠性等方面都做了各种加强。 l 管道机器人总体设计方案 2 ) 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到块芯片中。 嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成r o m e p r o m 、r a m 、总 线、总线逻辑、定时计时器、w a t a c h d o g 、i o 、串行口、脉宽调制输出、a d 、d a 、 f l a s hr a m 和e e p r o m 等各种必要功能和外设。 与嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功 耗和成本下降，可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上 外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。 3 ) 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p ) d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行d s p 算法，编译效 率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波，f 订及谱分析等方面d s p 算法正在大量进 入嵌入式领域，d s p 应用正从在通用单片机以普通指令实现d s p 功能，过渡到采用嵌入 式d s p 处理器。 4 ) 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 随着e d i 的推广和v l s i 设计的普及化及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实 现一个更为复杂的系统的时代已来临，这就是s o c 。各种通用处理器内核将作为s o c 设 计公司的标准库，和许多其他嵌入式系统外设一样，成为v l s i 设计中一种标准的器件， 用标准的v h d l 等语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统，仿真 通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除个别无法集成的器件外，整个 嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去。应用系统电路板将变得很简洁。对 于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。 本文所讨论的嵌入式系统技术，主要是关于嵌入式微控制器方面。 1 8 管道机器人的通信系统 视频图像作为一种信息源，在管道在线检测中具有重要的作用，它不但可以提供直 观的检测信息，还可用于机器人的控制与导航。地面工作站可以通过视频来实时地观察 管道内部的阻塞情况、管道内壁表面的腐蚀分布情况，操作人员可以通过视频图像来控 制机器人在管道中的作业因此，适合管道作业条件下的视频图像传输技术是管道机器 人系统的一项关键技术1 1 4 1 。 另外，本论文所讨论的管道机器入采用上、下位机的控制方案，上位机与下位机之 间的通信也是管道机器人系统所要考虑的关键问题之一。通常情况下，由于管道的屏蔽 效应，无线通信很难应用于上、下位机之间的通信，而任何一种金属缆线传输介质又很 难同时满足视频图像信号和上、下位机之间数据传输的要求。 与同轴电缆、双绞线传输信号相比，用光纤传输信号具有频带宽、传输容量大、损 耗小、传输距离远、抗电磁性好、重量轻体积小，保密性好等一系列明显的优点，所以， 1 6 大庆石油学院硕士研究生学位论文 本系统将光纤作为传输介质引入通信系统设计方案中。同时为了解决系统电能供应的问 题，将光纤和电力缆线复合成一组缆线，组成光电复合缆作为管道机器人的主缆线。 1 9 管道机器人视像检测系统的组成和功能 实际上，管道机器人的各个组成部分是紧密结合在一起的整体，它们结构上紧密结 合、功能上互相依赖。为了更好的叙述本文所做的主要工作，将本文所傲的主要工作傲 为管道机器人视像检测系统来叙述，下面就视像检测系统的组成和主要功能作简要的介 绍。 与管道机器人的控制方式类似，视像检测系统也主要分成上、下位机两个部分，如 图1 - 9 所示。 下位机主要包括：c c d 摄像机、光端机、嵌入式系统、云台系统。其中c c d 摄像机 负责采集模拟视像信号；光端机负责将模拟视像信号和下位机反馈数据传递给上位机； 嵌入式系统主要负责生成反馈数据和控制云台系统的动作；云台系统主