（机械电子工程专业论文）移动式视频监测装置的设计与运动控制的研究.pdf

武汉理工大学硕士学术论文 摘要 目前水下小型爬行检测机器人已经成为各国研究的热点。在核电厂停堆换料 大修期间，要对反应堆压力容器上部燃料组件上的定位销进行检查，但由于其与 换料堆地板的间距狭窄无法实施人工检查；进行装卸时又会不可避免地掉入换料 水池一些异物，这些异物对核电厂的安全运行构成重大的隐患，必须要及时检查 发现并予以清除；在现代工农业、石油、化学、核工业等领域大量使用管道，经 过长期使用，它们会出现裂纹、腐蚀、堵塞等故障，必须对这些管道进行定期检 测和维修；在水下养殖、考古，探矿、航运及水下工程监测等一些危险的场合或 人不方便检查的场合，远程小型爬行视频检查机器人也有广阔的应用空间。但就 目前来说国内相关水下爬行机器人由于体积还比较大，无法在较小管道中工作， 而随着国内核电工业的发展，将会新建大量的核电站，而由于其反应堆空间狭小 以及核辐射，使得以往采用的人工检查清理的方法所遇到的问题越来越多。因此 研制出在特殊环境中进行检查作业并具备在大型容器与管道内、换料水池内及压 力壳底部等区域的异物取出能力的水下小型爬行机器人具有十分重要的意义。 本文提出了一种新型水下小型爬行视频检测机器人的设计方案，重点解决了 结构设计中有关密封方式、电机驱动选型、小型化等问题。在控制方面从轮式爬 行移动机器人( w m r ) 的体系结构出发，重点设计了机器人移动控制系统的硬件、 软件平台。首先，通过对直流伺服电机模型的分析，建立了移动机器人的控制系 统模型。其次，设计了基于a v r 微型控制器a t 9 0 s 8 5 1 5 的移动控制系统，其中 主要包括p w m 功率驱动、测速单元和串行通讯模块等；对机器人速度、位置控 制采用模糊p i d 算法，较好地克服了移动机器人模型的不确定性、转速位置控 制要求的多变和环境改变等因素的影响。程序使用i c c a v rc 语言编写，在a v r s u d i o 调试软件中用i c e 2 0 0 仿真，并最终实现。仿真结果和机器人实际运行验 证了设计效果良好。该机器人可以推广应用于核电反应堆大修管道检查以及石 油、水下养殖、考古、探矿、航运、水下工程监测等一些危险或人不方便检查的 场合，有着广泛的应用前景。 关键词：水下机器人、远程控制、密封、轮式移动机器人( w m r ) ，脉宽调速( p w m ) ， 直流伺服电机，爬行视频检测机器人 武汉理工大学硕士学术论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t , s m a l l s c a l e du n d e r w a t e rc r e e p i n gd e t e c t i n gr o b o th a sb e c o m ea t o p i co f g e n e r a li n t e r e s tt or e s e a r c h e r si nm a n yc o u n t r i e s t h i sp a p e rp u tf o r w a r da n e wm o d e lo f i t , c o n c e n t r a t i n go ns o l v i n gt h ep r o b l e mo f s m i c t u r ed e s i g na n d p r o b l e m sa b o u th e r m e t i cs e a l i n gm o d e ，c h o i c eo f d y n a m od r i v e ，s u c ha st y p ea n dl o n g r a n g es i g n a lt r a n s m i s s i o no nl o n gr a n g ec o n t r 0 1 b u ts a yc u r r e n t l yd o m e s t i cr e l a t e d u n d e r w a t e rc r e e p i n gr o b o tb e c a u s eo f v o l u m es t i l lm o r eb i g ，c a n tw o r ki ns m a l l e r p i p e ，b u ta l o n gw i t hl o c a lp i te l e c t r i c i t yi n d u s t r yo f d e v e l o p m e n t , w i l ll a t e l ys e tu pa g r e a td e a lo f p i te l e c t r i c i t ys t a t i o n , b u tb e c a u s eo f i 拓r e a c t i o np i l es p a c en a r r o wa n d s m a l la n d p i tr a d i a t e ，m a k et oa d o p tb e f o r eo f m a n u a li n s p e c t i o nf e t t l eo f m e t h o dt h e q u e s t i o nm e e tm o r ea n dm o r e t h e r e f o r ed e v e l o pp r o g r e s st oc h e c ko p e r a t i o ni nt h e s p e c i a le n v i r o n m e n ta n dh a v ei nt h el a r g ec o n t a i n e ra n dt h ep i p ea n dc h a n g et o a n t i c i p a t ei n s i d ep o n da n dp r e s sh o u s i n gb o t t o me t c t h ef o r e i g nb o d yo f t h er e g i o n t a k eo u tc a p a b i l i t yo f u n d e r w a t e rs m a l ls c a l e dc r c q , i n gt h er o b o th a v ef u l li m p o r t a n t m e a n i n g i nv i e wo f t h ea r c h i t e c t u r eo f w h e e l e dm o b i l er o b o t , t h i sp a p e r e m p h a s i z e so n t h ed e s i g no f h a r d w a r ea n ds o f t w a r ep l a t f o r mb a s e do nc o n t r o ls y s t e m f i r s t l y , a w h o l ec o n t r o lm o d e li sg i v e na f t e ra n a l y z i n gt h ew h e e l e ds t r u c t u r ew i t h n o n h o l o n o m i cc o n s t r a i n t sa n dt h em o d e lo f d cs e r v o - m o t o rb u i l d i n g s e c o n d l y , w e d e v e l o pam o t i o nc o n t r o ls y s t e mu s i n ga t 9 0 s 8 5 1 5m i c r o c o n t r o l l e r ac l o s e dp u l s e w i d t hm o d u i a t i o n ( p w m ) r e g u l a t i n gs p e e ds y s t e mf u rd cs e r v o - m o t o ri sp r e s e n t e d , i t i sc o m p o s e do f a v rm i c r o c o n t r o l l e r , p w mp o w e rd r i v e r , u n i to f s p e e dd e t e c t i o n u s i n ge n c o d e ra n das e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，e t e f u z z yp i da l g o r i t h mi s e m p l o y e dt oc o n t r o lt h es p e e da n dp o s i t i o no f w m r t h em e t h o d 啪s o l v e e f f e c t i v e l ys o m ep r o b l e m ss u c ha st h eu n c e r t a i n t yo f w m r sm o d e l , t h ev a r i e t i e s d e m a n d ，t h ec h a n g eo f s i t u a t i o n p r o g r a mi sw r o t ei ni c g a v rcl a n g u a g ea n d d e b u g g e di na v r s t u d i ow i t hi c e 2 0 0s i m u l a t o r t h ec o n t r o ls y s t e mo f w h e e l e d m o b i l er o b o th a sg o o dp e r f o r m a n c e s i m u l a t e dr e s e ta n dp r a c t i c a lp e r f o r m a n c eb o t h a p p r o v et h ev a l i d i t yo f d e s i g n a tl a s t ，w es t u d yo nr o b o tp a t hp l a n n i n gf o ra n i i 一一基堡墨三奎兰堡主兰查堕苎 a p p r o a c ht ot h i sk i n do f r o b o tc a nb ew i d e l ya p p l i e di nt h cs i t u a t i o n sw h i c ha r e d a n g e r o u s o ri n c o n v e n i e n tf o rh u m a n b e i n g s ，s u c ha sp i p ei n s p e c t i o no f n u c l e a r p o w e r r e a c t o ro v e r h a u la n du n d e r w a t e r f a r m i n g , a r c h a e o l o g i c a ls t u d i e s ，m i n e r a l e x p l o r i n g , s h i p p i n g , u n d e r w a t e rp r o j e c ti n s p e c t i o na n d s oo i lt h e r e f o r e ，i tw i l lb e w i d e l ya p p l i e di nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：s u b m a r i n er o b o t ；c o n t r o lo f l o n g - d i s t a n c e ；s e a lw m r , p w m , n o n t t o l o n o m i cc o n s t r a n t , d cs e r v om o t o r , m o t i o nc o n h o i l l 武汉理工大学硕士学术论文 1 i 机器人技术概述 第一章绪论 机器人技术是一种面向未来的现代化技术，机器人技术与网络技术、基因技 术、通信技术、计算机技术等一样，属于高新技术。它涉及的学科有材料科学、 计算机技术、控制技术、传感器技术、微电子技术、通讯技术、人工智能、数学 方法、仿生学等等很多学科。机器人的定义是多种多样的，其原因是它具有一定 的模糊性。1 9 7 9 年美国机器人协会将机器人定义为：“可重复编程的多功能操纵 器，设计成通过不同的编程动作为执行多种任务移动原料、部件、工具或专门的 设备“1 。”基本上，一个机器人包括： 机械设备，如可以与周围环境进行交互的车轮平台、手臂或其它构造 设备上或周围的传感器，可以感知周围环境并向设备提供有用的反馈 根据设备当前的情况处理传感输入，并按照情况指示系统执行相应动作 的系统 1 9 8 8 年法国的埃斯皮奥将机器人学定义为：“机器人学是指设计能根据传感 器信息实现预先规划好的作业系统，并以此系统的使用方法作为研究对象”。 我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是 这种器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力 和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。 机器人的最初形式是工业机器人，它能有效地提高产品的生产率和质量，改 善人们的劳动条件，在焊接、装配、喷漆等方面得到了广泛的应用。在未来社会 中，机器人的广泛应用和发展是一个必然的发展趋势。 机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机 器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人，而 特种机器人则是除工机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器 人。目前，国际上的机器人学者，从应用环境出发将机器人也分为两类：制造环 境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿生机器人。 我国的机器人学研究起步较晚，但进步较快，已在工业机器人、特种机器人 武汉理工大学硕士学术论文 和智能机器人各个方面都取得了显著成绩。在“七五”期间，完成了示教再现工 业机器人成套技术( 包括机械手、控制系统、驱动传动单元、测试系统的设计、 制造应用和小批量生产的工艺技术等) 。为跟踪国外高技术，3 0 年代国家高技术 计一划中安排了智能机器人的研究开发，包括水下无缆机器人、高功能装配机器 人和多种特种机器人。进行了智能机器人体系结构、机构、控制、人工智能、机 器视觉，高性能传感器及新材料等的应用研究，取得了一批成果。9 0 年代初期， 我国主要开发下列机器人及相关技术：( 1 ) 喷涂机器人( ( 2 ) 点弧焊机器人( ( 3 ) 搬 运机器人( ( 4 ) 装配机器人( ( 5 ) 矿山、建筑、管道作业等一些特种机器人。9 0 年 代后半期实现国产机器人的商品化，为产业化奠定基础。全国高校研究机器人比 较好的有清华大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学等，中 科院沈阳自动化研究所机器人研究水平也比较高。 中国工程院院长宋健指出：“机器入学的进步和应用是2 0 世纪自动控制最有 说服力的成就，是当代最高意义上的自动化”。机器人技术将是2 1 世纪科学研究 的重要领域之一 1 2 目前研究热点及发展趋势 目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究，并朝着 智能化、电脑化、实用化、家庭化、大众化、多功能化方向发展。主要研究内容 集中在以下1 0 个方面： 1 工业机器人操作机结构的优化设计技术：探索新的高强度轻质材料，进一 步提高负载自重比，同时机构向着模块化、可重构方向发展。 2 机器人控制技术：重点研究开放式，模块化控制系统，人机界面更加友好， 语言、图形编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络化，以及基于 p c 机网络式控制器已成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作 性之外，离线编程的实用化将成为研究重点。 3 多传感系统：为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是 其题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线 性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问题就是传感系统 的实用化。 武汉理工大学硕士学术论文 4 机器人的结构灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方向发展。 5 机器人遥控及监控技术，机器人半自主和自主技术，多机器人和操作者 之间的协调控制，通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延的情况下， 建立预先显示进行遥控等。 6 虚拟机器人技术：基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实 现机器人的虚拟遥操作和人机交互 7 多智能体调控制技术：这是目前机器人研究的一个崭新领域。主要对多智 能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、 群体行为控制等方面进行研究。 8 微型和微小机器人技术：这是机器人研究的一个新的领域和重点发展方 向。过去的研究在该领域几乎是空白，因此该领域研究的进展将会引起机器人技 术的一场革命，并且对社会进步和人类活动的各个方面都会产生不可估量的影 响，微小型机器人技术的研究主要集中在系统结构、运动方式、控制方法、传感 技术、通信技术以及行走技术等方面。 9 软机器人技术：主要用于医疗、护理、休闲和娱乐场合。传统机器人设计 未考虑与人紧密共处，因此其结构材料多为金属或硬性材料，软机器人技术要求 其结构、控制方式和所用传感系统在机器人意外地与环境或人碰撞时是安全的， 机器人对人是友好的。 1 0 仿人和仿生技术：这是机器人技术发展的最高境界，目前在这方面基 础研究正在兴起。 1 3 本课题的来源与研究内容 1 3 1 移动式视频监测机器人课题来源及其研制现状 在核电厂停堆换料大修期间，要对反应堆压力容器上部燃料组件上的定位 销进行检查，但由于其与换料堆地板的间距狭窄无法实施人工检查；进行装卸时 又会不可避免地掉入换料水池一些异物，这些异物对核电厂的安全运行构成重大 的隐患，必须要及时检查发现并予以清除；在现代工农业、石油、化学、核工业 等领域大量使用管道，经过长期使用，它们会出现裂纹、腐蚀、堵塞等故障，必 须对这些管道进行定期检测和维修；在水下养殖、考古、探矿、航运及水下工程 武汉理工大学硕士学术论文 监测等一些危险的场合或人不方便检查的场合，远程小型爬行视频检查机器人也 有广阔的应用空间。 近年来国外水下机器人技术发展很快，且技术水平高。美国v i d e o r a y 公司 已经开发出它的“侦察兵”遥控水下摄像机系统，它采用了美国海岸警卫队海上 安全与救助队正在使用的技术，可用于本土防卫和部队保护，整个系统重3 2 千 克，包括一个手持式水下装置和彩色摄像机，通过4 0 米长的线缆把二者连接起 来。水下装置仅重3 6 千克，能潜入1 0 0 米水深处。美国e v e r e s t v i t 公司研制 出管道机器人r o v e r6 0 0 ，它长2 8 2 m ，宽1 1 8 m ，高9 0 衄，能在1 5 0 姗至9 0 0 砌的管道中进行检测与摄像( 如图1 1 所示) 。 在国内，水下机器人技术同国外相比还存在一定的差距，但近些年来发展也 比较快。中科院西安光机所研制出水下电视摄像系统，能在水下环境即时获取清 图1 1 r o v e r6 0 0 水f 肥行嚣 晰图像，所研制成功的s s 型系列水下摄像及监视系统能满足在水下1 0 0 0 米深度 内正常工作的要求，其综合性能指标达到国际先进水平。2 0 0 4 年，中科院沈阳自 动化所研制出自走式海缆埋设机，自走式海缆埋设机属于爬行式水下机器人，其 技术成果不仅具有较高的学术意义，而且在海洋通信、海洋工程、海洋开发和军 事上有广泛的实用意义。 但就目前来说国内相关水下爬行机器人由于体积还比较大，无法在较小管道 中工作，而随着国内核电工业的发展，将会新建大量的核电站，而由于其反应堆 空间狭小以及核辐射，使得以往采用的人工检查清理的方法所遇到的问题越来越 多。因此研制出在特殊环境中进行检查作业并具备在大型容器与管道内、换料水 池内及压力壳底部等区域的异物取出能力的水下小型爬行机器人具有十分重要 的意义。 武汉理工大学硕士学术论文 1 3 2 本课题水下小型移动式视频监测机器人研制要求与应用价值 近两年，国际油价持续走高，无论是欧美发达国家，还是发展中国家，纷纷 掀起核电建设商潮。美国彭博新闻公司最近援引国际能源机构的市场调查分析报 告资料说，预计在2 0 3 0 年前的2 5 年中，全世界在核电站建设领域，总投资需 2 0 0 0 亿美元以上，法国政府最近已制定了计划，要投资3 6 亿美元兴建核电站， 为了减少对俄罗斯的石油进口的过分依赖，乌克兰也要建设核电站，韩国正在建 设和计划建设8 座核电站。近年来，随着我国国民经济的快速稳定发展，能源短 缺对经济社会的制约日益明显。目前我国的核电仅占电力总装机容量的2 ，但 其作为一种清洁安全、技术成熟、供应能力强的发电方式，对实施能源多元化、 优化电源结构、加强环境保护、保障能源安全的具有十分重要作用。目前中国核 电只占总发电量的2 ，依据国家发改委的规划，到2 0 2 0 年，中国核电将达到总 装机容量的4 ，即3 2 g w “4 0 g w 。 为了确保核电厂的安全运行，需要对核电厂的狭小区域进行定期检查，而核 电站的检查、保养工作中有很多操作过程都带有放射性，由于工作环境十分恶 劣，需要研制出能在狭窄区域行走作业的视频监测装置。另外，随着现代科学技 术的发展，在现代工农业、石油、化学等领域大量使用了管道，经过长期使用， 它们会出现裂纹、腐蚀、堵塞等故障，为了防患于未然，必须对这些管道进行定 期检测和维修，而管道所处的环境给人们的检测工作带来了困难。在公共安全中， 深入狭小区域排除危险物具有非常重要的意义。 本课题所研制的爬行式水下机器人与浮游式机器人相比，除具有动力、控制、 密封、材料等共性技术外，还包含体积小、载体爬行、水下作业等独特技术。由 于采用有缆控制，机器人在工作时出故障可以通过电缆拉出，故可靠性比较高。 同时由于爬行式水下机器人抗水流能力、负载能力和作业能力强，除可以应用于 核电站反应堆检查清理，还可以大量应用在复杂环境下的管线的铺设、检测、维 修以及水下养殖、考古、探矿、航运、水下工程监测等一些危险的或人不方便检 查的场合，故而有着广泛的应用前景和极大的经济价值。 本课题所设计的水下小型爬行视频检查机器人主要技术要求如下：设备 能在水深3 0 m 处正常工作，也能在无水的环境中工作( 但无法在过于崎岖不平的 地方工作) ；机器人能实现前进、后退、左右转向、原地转向等动作；可在 武汉理工大学硕士学术论文 t 3 0 。的斜坡上运动工作，载重量应6 k g ；控制驱动电缆长度大于1 5 0 m 。 移动机器人是一个集环境估计、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功 能于体的综合系统，具有大延迟、高度非线性。本文的主要内容包括以下几个 方面： 体系结构及系统设计 本课题使用了比较常用的单片微处理器来实现系统功能，设计了相应的外围 接口电路和接口程序，以及编程实现其特定功能。 数学模型和运动控制分析 要对机器人进行控制，就要对机器人系统建立数学模型，文中对直流伺服电 机模型、轮式移动机器人运动学和动力学进行了分析建模。给出了电机控制实现 的一般方法和轮式移动机器人运动控制分析设计方法，并对此作了部分仿真验 证。 控制算法 为了使系统工作更为稳定和精确，适应复杂工作环境的要求，要对控制算法 进研究，由于p i d 控制不能适应多环境变化，所以本课题采用了模糊p i d 参数调 整算法，并对其进行仿真实验证并编程实现。控制过程中，所需的机器人环境信 息主要由视觉传感器( 摄像机头) 和位置传感器给出。 人机接口 为了便于机器人的控制，还设计一个简单机器人的控制面板，在这上面能够 进行机器人的启动、转弯、暂停等简单操作。还可以通过p c 机向机器人控制器 发送指令，改变行走路线，设置机器人移动速度。 通信功能 同时还设计了机器人与计算机的串行通信功能，实现单片机与p c 机的信息 通讯，通过对机器人速度检测，设计简单的复合控制器，可进行速度控制、位置 控制和路径跟踪控制。计算出来的指令信息通过串口通信传给a t 9 0 s 8 5 1 5 控制 器，实现对给定任务调整和监视系统运行 武汉理工大学硕士学术论文 第二章移动机器人的体系结构 总的来说，轮式移动机器人( w h e e l e dm o b il er o b o t w m r ) 系统主要包括：机 械结构、直流伺服电机、电源、测速元件、c c d 摄像头、微控制器、功率驱动模 块等。以下将分别作些简要介绍。 2 1 机械结构 机器人的移动方式有很多种，但大致就分为两种：车轮式和足步式两种，车 轮移动方式的大部分技术比较成熟，控制也比较容易，而足步行走方式控制要困 难得多，但随着传感器技术与微控制器的发展，己经有了很大的进展。 本文所研究的w m r 采用车轮式移动机构。它有三个车轮，其中前轮为从动轮，为 万向自由轮，选用直径为l o o m m 的万向夹板轮：后两轮为驱动轮，固定式不可转 向，且相互独立，选用硬橡胶夹板轮，直径为2 0 0 m 。两个后轮各由一个2 0 0 m m 长的轴和轴承座固定在底板上，每个轮子有独立的电气驱动模块和变速机构，变 速机构采用链条传动装置。三轮成等腰三角形分布。这样的对称性有利于车体的 前后左右自由地转向，也容易对车体姿态的计算与控制。为测量驱动电机的转速， 其输出转轴内侧底板上装有测速电机：在底板下两后轮的轮轴内侧装有2 4 0 0 线 的光电码盘，与后轮同速旋转，本文测速主要采用它。车身的方向和速度依靠改 变两轮的速度来实现。 机器人总体结构较为简单，外观上主体有圆形底座、长方形保护壳与摄像头 等。底座选用8 m 厚的铝板，能够承受系统所需要的重量和强度，轮子、电机及 传动装置与码盘等都固定在其上。保护壳为3 m 厚的铝板，上面固定有铝型材支 人机交互界面b 控制驱动系统c 电缆d 云台e 车体f 车轮g 摄像头俯仰装置 图2 1 水下小型爬行视频检查机器人组成示意图 - 7 - 武汉理工大学硕士学术论文 架，里面装有控制驱动电路板和供电电源模块。四个1 2 v 蓄电池，两个提供给电 路，另两个给直流伺服电机供电。考虑到实验阶段的移动机器人系统主要用在实 验室和地面较为平整的环境中，小车不必有较大的负载承受力，但应具有较强的 灵活性，能在狭窄的过道中行走，也要具有较小的转弯半径。本文中的w m r 街机 构基本外形设计成为直径7 0 0 c m 的圆形，再加上三个轮子构成的三角平面，符合 架构稳定要求。总体结构如图2 1 所示 2 1 1 系统组成与工作原理 如图2 所示，视频检查机器人主要由人机交互界面( a 部分) 、控制驱动系 统( b 部分) 、爬行小车( e 部分) 和摄像头俯仰装置( g 部分) 四部分组成，爬 行小车的左边和右边各有3 个车轮，分别由2 台直流伺服电机通过同步带传动分 别驱动，操作人员通过有线遥控，操作小型机器人按要求运动，机器人车体上云 台部分可根据工作需要安装摄像装置和机械手，对检查目标进行摄像检查和异物 夹取。2 台直流伺服电机以同样的转速转动时，机器人可沿直线前进或后退：以 相同的转速按相反的方向转动时，机器人可实现原地转动：差速转动时，机器人 转弯。电机和c c d 摄像头等密封在机器人内舱，机器人的连接线等接头部分采 用密封联接头，工作时爬行器内舱保持稍大于水压的气体压力，在内舱设置有密 封气体压力传感器，对密封压力进行实时检测，以保证机器人在水下能可靠地工 作。 2 1 2 摄像头俯仰装置 本系统采用高灵敏度、低噪声、高分辨率的c c d 器件作为水下光电成像器件， 摄像检测技术中的摄像角度是指摄像镜头对路面的俯角，即镜头的视场角。摄像 镜头高度一定时，如果摄像角度选择太大，会使所摄图像清晰度下降：如果摄像 角度选择太小，虽可提高图像清晰度，但降低取景范围，影响效率。在水下一方 面，光的衰减非常大：另一方面，由于水中存在各种污浊物，使光的散射现象相 当严重，上述两点是影响图像质量的根本问题，对于第一个问题，用加强光源即 可解决；可是对第二点光的散射现象却随光的增强而增大，因此有必要设计摄像 头俯仰装置，扩大c c d 摄像头的摄像取景范围，提高图像清晰度。 武汉理工大学硕士学术论文 摄像头俯仰装置如图3 所示，电机x 、y 和齿轮v 等密封在车体的密封舱内， c c d 器件l 等密封在摄像头俯仰装置的密封舱内，伺服电机x 经过内空心轴传动 电机支板b ：车箱体c ：轴承d ：电机支座e 齿轮f 电缆g ：仰俯左臂h ：密封件i ：c c d 镜筒j 镜罩x 高亮度l e d 照明灯l ：c c d _ ：密封件蜗轮机构0 ：仰俯右臂p ：带传动机构q ： 密封件r 轴承s ：密封盖t ；外空心管u ；内空心v ：齿轮；联接轴x 电机y t 电机 图2 2 摄像头俯仰装置 带动c c d 镜筒上下做俯仰运动；外空心轴和摄像头俯仰装置的密封舱紧固联接， 伺服电机y 经过外空心轴传动带动整个摄像头俯仰装置旋转，使得摄像头随摄像 头俯仰装置的密封舱一起旋转，由于在垂直方向和竖直方向都能旋转，故此摄像 装置能全方位的摄像。 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，电荷藕合器件) 传感器是把环境信息作为图像 加以输入的最常用的传感器，其基本结构是一种密排的m o s 电容器，它能够存储 圈2 3 摄像头转动装置位于移动载体前面 由入射光在c c d 像敏单元激发出的光信息电荷，并能够在适当相序的时钟脉冲驱 动下，把存储的电荷以电荷包的形式定向传输转移，实现自扫描，完成从光信号 武汉理工大学硕士学术论文 到电信号的转换。将它安装开移动机器人的正前方，镜头的视场范围为车体前方 大约0 5 米到1 0 米。摄像机安装在车体前端的柱子上，高度可以自由调节，镜 头的安装位置根据目标的质心高度来定，考虑到搜索目标主要是地面目标，镜头 稍微向下倾斜。为了使目标成像能有一定的清晰度，本课题中选用了焦距为6 舢 的固定焦距镜头，有很大的景深，调好像距范围后，就能使目标在镜头前0 9 l o m 的范围内有良好的清晰度。 2 1 3 驱动方式的选用 由于机器人要能在水下狭窄的空间运动，工况对机器人的尺寸要求苛刻，机 械本体设计有很大的局限性。常用的驱动方式有轮式驱动、履带式驱动、腿式驱 动。 履带式结构具有良好的稳定性能、越障性能和较长的寿命，适合在崎岖的地 面上行走，但沉重的履带和繁多的驱动轮使其整体结构笨重，消耗功率较大，腿 式结构具有良好的越野能力和适应能力，但效率较低。 步行机器人的机构复杂，控制难度较大，主要因为其运动学及动力学模型复 杂。而步行机器人的移动却有着很大的不同，它可以在保持身体姿态不变的前提 下，既能前后左右的移动又能沿着楼梯拾级而上，从这一点来看步行机器人的移 动是在三维空间的移动。 轮式驱动机构的特征与其他移动机构相比，车轮形移动机构有下列一些优 点：能高速稳定的移动，结构简单，容易实现，能量利用率高，能借鉴至今已积 累的汽车技术和经验，控制简单等。它的缺点是移动只限于平面。 比较这三种方式的优缺点，结合工况对机器人的要求，最后确定采用轮式驱 动机构。采用六个轮子驱动以增大机器人和路面的接触面积，使移动更加平稳、 高效。 2 1 4 能源供给方式的选用 其能源供给方式有两种选择：有缆方式或无缆方式，对有缆方式的机器人， 主要的问题是当机器人行走距离较大时，线缆与接触面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，这严重地影响了机器人的最大行 武汉理工大学硕士学术论文 走距离。 无缆机器人的能源供给目前有两种方案，一种是携带蓄电池，另一种是携带 燃油发电机组，这两种方案除了体积庞大这一共有的缺点外，还分别有各自的弱 点：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。 由于此机器人所要求的行走距离不大，线缆不长，如果携带蓄电池或燃油发 电机组必然增加了重量和体积；采用有线控制操作，这样可保证控制操作的有效 性和可靠性，当设备出现故障，通过有线连线可以将爬行器撤回到安全区域，故 选用有缆方式。 2 1 5 密封方式的选用 密封是水下机器人研制的关键问题。静密封采用o 形圈和密封垫片，易解决。 如图3 中外空心轴和摄像头俯仰装置的密封舱紧固联接处就采用0 型圈密封。密 封难点是对转动轴的密封，如图2 2 中h 、m 、q 处的密封，轴在旋转时，由于轴 与机壳问存在间隙，就会产生泄漏。由于机器人所受的水压不高，车轮的转速不 高，采用0 形密封圈与聚四氟乙烯滑环的组合密封方式。如图4 所示，0 形密 封圈与聚四氟乙烯滑环的组合密封由聚四氟乙烯滑环c 和0 形圈b 组成，填充聚 四氟乙烯具有良好的自润滑性，耐磨性能优异，其可靠性和使用寿命较高，且结 构紧凑。 桀l 出l l l l l l # 1 1 l l l l l l i l l l # - 图2 40 型隧一聚四氟乙烯滑环组合密封图2 5 小车爬坡受力结构不薏圈 轴& 0 形圈c 聚四氟乙烯滑环 机械密封作为旋转设备的轴封装置，广泛应用于石油，化工，能源，制药， 冶金，机械等许多行业。如图2 6 所示，轴a 带动动环d 旋转，静环c 固定不 动，依靠静环c 和动环d 之间接触端面的滑动摩擦保持密封，当端面产生磨损时， 弹簧推动动环d 使动环d 与静环c 武汉理工大学硕士学术论文 丸轴b 0 形圈c 静环d 动环e 传动螺钉f 紧定螺钉 图2 6 机械密封结构和原理图 的端面紧密贴合而无间隙。为了防止介质从静环c 与壳体之间纳间隙泄漏，装有 0 形圈，为了防止介质从动环d 与轴a 之间的间隙中泄漏，装有0 形圈。机械密 封的特点是：( 1 ) 密封性能可靠，泄漏量极小，通常可控制在3 5 毫升时；( 2 ) 使用范围广，适用于各种工况条件，在高速、高压、高温、低温、高真空、腐蚀 性介质、高粘度介质等工况下，都有良好的密封效果，压力可以达到4 5m p a ，温 度为- - 2 0 0 4 5 0 ，转速高达1 5 0m s ；( 3 ) 使用寿命长，有的工况可以达到 1 0 年不需维修，不需经常更换，功耗小；( 4 ) 抗振性强缓冲性好；( 5 ) 结构复 杂，装配较困难，价格较贵。正由于这些特点，我国研制的c r 一0 1 ”6 0 0 0 米 水下机器人的动密封就是采用机械密封这种密封方式 2 1 6 电机功率的计算与电机选型 电机的选型是技术难点之一所设计的机器人要求体积小、重量轻，且能 在水下工作，因此在满足功率要求的前提下，尽可能选用体积小的电机首先计 算机器人在水下工作所需的电机功率。车轮通过同步带传动，小车的受力不考虑 水的阻力，同时由于小车要能适应在陆上运动，故以陆上运行不考虑水下浮力来 计算所需最大驱动功率，如图2 5 所示。 动摩擦力： = 盘只= 血岛c o s 0 重力分量：f f - - m l x g x s i n 口 电缆与接触面摩擦力：f t k 2 xm 2 xg xc o s 口 匀速上坡时受到的阻力：，与一镌埚 匀速上坡时所需电机最小功率：p = - f xv ， 小车需克服的最小阻力矩：i f r ：( j 吖+ f 2 + f 3 ) 斤 武汉理工大学硕士学术论文 小车的质量2 0 k g 、负重6 k g 、电缆按1 5 0 m 计算质量为1 5 k g 、车轮与接触 面滚动摩擦系数扁为0 1 ，电缆与接触面摩擦系数岛为0 3 ，小车车轮直径2 r 为9 0 m m 。分别代入1 6 式计算，在3 0 4 斜坡上爬行时，小车需克服的最小阻 力矩为8 6 2 n m ，爬行速度6 m m i n 所需功率为1 9 1 w 。考虑水下作业，电机选 用德国f a u l h a b e r - 3 2 5 7 一b 4 8 v 直流伺服电机，功率为8 4 5 w2 台，配分辨率为 5 1 2 线的编码器i e 一5 1 2 ，选择行星轮减速器，减速比1 ：1 3 4 ，最大输出转矩 i o n m ，故小车最大输出转矩，没考虑传动链摩擦力矩；l o x 2 = 2 0 n m 8 6 2 n m ， 直流伺服电机功率为8 4 5 w2 台最大输出功率1 6 9 w 1 9 1 w ，故可以达到爬行 3 0 。坡的要求。 2 2 电气结构 本节简要介绍w m r 的电气结构，包括电源模块、传感器及其接口、控制电路、 c c d 摄像头、直流伺服电机等。 2 2 1 电源 其能源供给方式有两种选择：有缆方式或无缆方式，对有缆方式的机器人， 主要问题是当机器人行走距离较大时，线缆与接触面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，这严重影响机器人的最大行走距离。无 缆机器人的能源供给目前有2 种方案：携带蓄电池，携带燃油发电机组， 这2 种方案除体积庞大这一共有的缺点外，还有各自的弱点：蓄电池所储存的能 量有限，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。由于此机器人所要求的行走距离不大，线缆不长，如果携带蓄电池或燃油 发电机组必然增加重量和体积：采用有线控制操作，这样可保证控制操作的有效 性和可靠性，当设备出现故障，通过有线连线可以将爬行器撤回到安全区域，故 选用有缆方式。 2 2 2 传感器 任何机器人都离不开传感器，机器人要具备智能行为必需不断感知外界环 境，从而做出相应的决策行为。传感器可以说是人们为了得到五感的感觉器，大 武汉理工大学硕士学术论文 致可分为内部传感和外部传感器。检测机器人本身状态是内部传感器，本课题中 采用的光电编码器用来检测机器人移动速度属此类。检测机器人所处环境及状况 的是外部传感器，用来摄取环境信息的摄像头，用来检测当前障碍物距离的超声 波传感器，有轨引导中使用的电磁感应器，都是外部传感器。 2 2 3 控制电路 控制系统中主要采用了a t m e l 公司的a t 9 0 s 8 5 1 5 微控制器，主要因为它有两 路p w m 输出，非常适合用来控制两个直流伺服电机。而且它相对于一般的单片机 而言，运算速度要快很多。控制电路中还包括电光编码器计数模块、串行通讯模 块、电机驱动模块、按键模块等，这些将会在后续章节中讲述。 2 2 4 直流伺服机构 机器人采用的执行器有很多种删，常用的有电磁执行器，如直流电机、无刷 电机、同步电机、步进电机、感应电机以及直接驱动式转矩电机。还有油压执行 器，如油压缸( 直线运动) 和油压马达：气压执行器，如气压缸和气压马达等。现 在还出现了压电执行器、超声波执行器、形状记性合金执行器和静电执行器等新 型执行机构。 一般机器人用电机的基本性能要求：( 1 ) 启动、停止和反向均能连续有效的进 行，具有良好的响应特性：( 2 ) 正转反转时的特性相同，且运行特性稳定：( 3 ) 良好 的抗干扰能力，对输出来说，体积小、重量轻：( 4 ) 维修容易，不用保养。根据移 动机器人的移动性能要求、自身重量、传动机构特点等因素，选择驱动电机类型 为7 0 s z 5 1 电磁式直流何服电机。 传动方式为同步带传动方式，同步带传动具有下列特点为：同步带传动为 同步带与带轮的啮合传动，可以得到准确的平均传动比，并可用于较大的中心距 间的传动：传动效率较高；不需张紧力，作用在轴上的载荷较小：容易实现 多轴传动：瞬时传动比不等于常数，在减速装置中，必然有摇摆、间隙和振动 存在。 一、电机7 0 s z 5 1 参数 伺服系统带动被控对象运动，常常很难用简单的数学表达式来描述，为便于 武汉理工大学硕士学术论文 工程设计计算，需作合理的简化。将被控对象运动负载作必要的典型分解，以转 动形式为例，常见的典型负载有以下几种： q 寻铎臻丸1 妃铤t o = | t c | m g n 口：n m j 口表示负载转动的角速度 惯性转矩t ，= j8 j 负载转动惯量，e 负载角加速度 粘性摩擦力矩t b ：b 6 2 b 为粘性摩擦系数 重力力矩t o = g 1 g 表示负载重量，l 负载重心垂线到转动中心的距离 弹性力矩t f k0 k 为扭转弹性系数，0 为负载转动角度 风阻力矩t f = f f 为风阻系数 本课题中电机带动机器人小车运动主要有t 。和t j 两种负载特性。 带减速装置的传动形式称之为多轴传动。多数伺服系统执行电机与被控对象 之间有减速传动装置，减速比i ，执行电机的转速是负载转速的i 倍，执行电机 轴的输出力矩是负载转矩的i if i ，t l 】。【生，( ，) 一生r 胄，这样才能将电枢电流的脉动量限制到 希望的最小值内，确保电流连续，降低电动机的附加损耗 开关频率厂应高于调速系统的最高工作频率五，这样p w m 变换器的延迟时 间r 对系统的动态性能的影响可以忽略不计 ，还应高于系统中所有回路的谐振频率，防止产生共振开关频率的上限受 电力电子器件的开关损耗和开关时间限制。 在本课题中，频率选择还与a t 9 0 s 8 5 1 5 本身的定时器计数器l 的时钟源选 择有关。参看3 2 2 章节，系统选用的晶振为8 m h z ，将c s 0 2 ，c s 0 1 ，c s 0 0 值 设定为( 0 ，0 ，1 ) ，采用9 位p w m ，则频率为，= 8 m 5 1 2 = 1 6k h z 。这与根据经验 估算出来的频率5 2 0 k h z 是相符的，实验效果也验证了其合理性。 二、脉宽调速的几个特殊问题 1 电枢电流脉动量 假设在一个开关周期内，电机转速的变化忽略不计，则电枢回路的电压平衡方程： 玑= 也+ r d 破j o + 疋 o s ， k u l r + l t + e | t 。t t t