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管道机器人运动控制系统的设计摘 要在现代社会中，工农业中石油、天然气、排水等的运输为老百姓的生活质量提供了保障，而经济适用且成本较低的管道运输被大量应用；所以无论式城市还是农村的地下，都铺设了大量的管道，组成了及其庞大的管网系统。随着时间的流逝，数量庞大的管道必然会出现无法避免的管道老化、管道破损、管道变形等问题。为了保持运输的通畅，必须要对其进行维护或更换；那么通过传统人力方式对管道进行检修费时费力且成本高昂还可能对人的生命安全造成威胁；而管道检测机器人的出现为这一难题提供了有效的解决方案；因此，为避免管道机器人在管道内出现非正常工作情况，保持正常平稳运行，保证管道内部的实时情况能第一时间传输至地面，本文设计了一款以视频检测与激光扫描仪三维重建为一体的联合监控方式的管道检测机器人。设计了以地面监控系统、云台系统、机器人本体、云台升降机构组成的管道机器人的总体方案；建立起起以轮式为行走方式的运动模型，并对其进行运动学分析；确定了以PC作为上位机，下位机主芯片为STM32F103控制系统的PC+单片机的多控制器系统；最后对监控系统进行了了细致分析。关键词：管道检测机器人，控制系统，监控系统ABSTRACT In modern society, the transportation of oil, natural gas, drainage, etc. in industry and agriculture provides a guarantee for peoples quality of life, and the economical and low-cost pipeline transportation is used in large quantities; therefore, a large number of pipelines have been laid underground in both urban and rural areas, forming a huge pipeline network system. With the passage of time, the huge number of pipes will inevitably lead to unavoidable problems such as pipe aging, pipe breakage and pipe deformation. In order to keep the transportation smooth, it must be maintained or replaced; then the traditional human way of pipeline maintenance is time-consuming and costly, and may also pose a threat to human lives; and the emergence of pipeline inspection robots provides an effective solution to this problem; therefore, in order to avoid abnormal working conditions in the pipeline robot, to maintain normal smooth operation, to ensure that the pipeline Therefore, in order to avoid abnormal working conditions inside the pipeline, maintain normal and smooth operation, and ensure that the real-time situation inside the pipeline can be transmitted to the ground at the first time, this paper designs a pipeline inspection robot with video detection and laser scanner 3D reconstruction as one of the joint monitoring methods. The overall plan of the pipeline robot is designed with ground monitoring system, gimbal system, robot body and gimbal lifting mechanism; the motion model with wheel as the walking mode is established and kinematic analysis is carried out; the PC + microcontroller multi-controller system with PC as the upper computer and STM32F103 control system as the main chip of the lower computer is determined; finally, the monitoring system is detailed analysis of the monitoring system.Keywords: pipeline inspection robot, control system, monitoring system目录摘 要I第一章绪论11.1研究背景及意义11.2国内外研究及发展现状21.2.1 国外研究现状21.2.2 国内研究现状4第二章总体结构设计82.1系统方案的选择82.1.1行走机构82.1.2检测方式92.1.3电力供给方式92.1.4系统通讯方式102.2管道机器人总体组成102.2.1机器人本体102.2.2云台系统20102.2.3云台升降系统21102.2.4地面监控系统112.3管道机器人本体结构设计112.3.1驱动方式的选择112.3.2 驱动机构的传动设计122.4本章小结13第三章 管道检测机器人的运动学分析143.1 管道检测机器人运动学建模143.2 管道机器人的约束分析193.2.1 管道机器人结构参数计算193.2.2 管道约束下机器人越障能力分析223.2.3 管道环境下机器人所需牵引力分析243.3本章小结27第四章控制系统设计284.1控制系统整体设计284.2 控制系统的硬件设计294.2.1 电机驱动系统的设计294.2.2 主控芯片选型304.2.3电路设计334.3软件设计374.4本章小结39第五章 管道机器人检测系统的设计405.1 检测系统的组成405.2 视频检测405.3 激光扫描仪检测405.3.1 基于激光扫描仪管道三维重建的理论基础405.3.2 管道三维重建的具体实现415.4本章小结48总结与展望49参考文献51致谢53附录 附表54IV第一章 绪论1.1研究背景及意义管道机器人技术是一个超过传统工程学发展起来的新兴领域。它是集机械工程、计算机科学、电子技术、人工智能、机电一体化等学科为一体的复合性技术。随着现代自动控制技术、传感器技术、通讯技术、机器视觉及人工智能等技术的发展，机器人除了在传统工业机器人方面大力发展之外，适用于特殊环境和用途下的特种机器人也得到了长足的发展。特种机器人是指应用于航天航空、深海探测、国防军事、社会服务以及家庭服务等专业领域并且常常由经过了专业培训的人员使用或操作的，辅助或代替人们执行工作任务的机器人，目前已广泛应用于各大场景，尤其在特殊环境和用途下，机器人更具有宽阔的发展前景和应用需求。近几十年，伴随着我国经济快速持续发展和国民生活物质水平明显提高，各行各业面临的首当其冲的问题就是各类物料的运输。因为管道运输具有输送量大、结构简单、方便快捷、安全可靠以及环保等优点，特别是在气液态物质和粉尘类运输过程中管道发挥着尤为重要的作用，如今在化工、食品加工、城市供排水、农业灌溉、石油、核工业军事以及制造工厂通风等领域已被广泛应用。在当今社会，各种管道设施在生活中无处不在，管道在给人类生产生活提供便利和经济效益的同时也给人类带了新的问题，管道在使用的过程中会不可避免的因为老化、漏孔、裂纹等问题停止使用进行维护更换。如果没有定期对管道进行检测维护和更换，一旦发生事故会不可避免的会给国家、企业及个人带来较大经济财产损失，在严重情况下甚至会对生态系统造成破坏和威胁人类生命健康安全。因此定期的对管道检测、维护及清理显得至关重要。然而大部分的管道系统要么深埋于地下要么就是架于高空，在这样的环境下以人力来对管道内部进行检测、维护以及清理提升了巨额成本且容易发生安全事故。因此应运而生了适用于管道检测、维护及清理的管道机器人。1.2国内外研究及发展现状世界各国的科研学者们针对传统机器人在管道内部作业过程中出现的通过性差、牵引力小、稳定性差等实际问题在机械结构、越障能力、控制方式等方面进行研发与创新，设计出许多性能卓越且能完成实际需求的管道检测机器人。在20世纪90年代初，管道机器人技术因为计算机学、材料学、控制工程学等各种科学的迅猛发展而进入到新的领域，为之后的机器人研究留下了极其珍贵的经验与技术；管道机器人在本质上属于一种机电一体化装备，在脱离传统人工的基础上由计算机或操作员控制，将各类传感器安装在管道检测机器人上，再将之送入管道内部进行检测，以此来实现维护、检修、清理管道的目的，从而有效提高了管道的安全保障。1.2.1 国外研究现状 国外对管道机器人的研究相较国内提早了几十年，直至二十世纪八十年代末，电子信息技术学科有了长足的发展与进步，与之息息相关的管道机器人也在国外逐渐应用于市场。首当其冲的是德国、加拿大、日本等工业强国。其生产的管道检测机器人种类已经多种多样，应用于石油、排水等诸多领域，甚至一部分已经实现了产业化。其中，结构相对简单、运动平稳、高效可靠的轮式机器人占据了主导地位，被大量研发与生产。韩国的卢世刚等人设计了一种名为MRINSPECTV的三轮全驱动管道机器人，这个管道检测机器人1的三个轮子均为驱动轮，由三个独立的电机分别驱动，且在圆截面上呈120度均匀分布，能顺利通过各种类型的管道，同时具有远程智能控制能力。如图1-1所示。图1-1 韩国的MRINSPECTV日本研制的 KANTARO机器人（图1-2）取消了所有电缆，通过在机体安装蓄电池来完成工作，想以此来实现完全自动化，由机器人携带的摄像头采集管道信息，4 个轮子上装有弹簧以适应不同管径，可以在内径为 200mm300mm 的范围内工作2。图 1-2 日本 KANTARO 机器人2014 年，Tung-Ching S 等人3设计了一种 CCTV 排水管道机器人（图1-3），这种机器人最大的特点是利用形态学对CCTV采集并进行了灰度变换的灰度图像进行处理，最后基于 Otsu（大津法）自适应得到阈值分割图像，从而实现管道缺陷检测。 图1-3 排水管道机器人目前采用模块化和智能化的设计理念的奥地利 iPEK 超级摄像检测系统4在欧美市场被大量使用，它具有可搭配多种摄像头，极高的防水深度，耐腐蚀，结构强度高，较高的复杂环境适应性等特点；上位机PC端安装了触控屏幕，使地面工作人员的操作更加简便流畅。而此公司出售量最多的型号是IPEK 600，此型号管道内检机器人在世界各地（包括中国、日本、美国等地）被大量使用；它的爬行器可以通过较小管径的管道且适用于各种复杂的管道情况。IPEK600如图1-4所示。图 1-4 IPEK600 管道检测机器人1.2.2 国内研究现状 全世界第一代工业机器人出现于二十世纪五十年代，也是结构最简单的机器人，需要人工预先输入程序，然后机器人根据程序指令来完成相关操作，他只能完成一些动作简单的机械操作。此后，随着科技与社会的不断进步，第二代工业机器人也相继问世，它具备了更加灵活的特点也可以暂时脱离人工在离线的情况下完成预设动作，有利于工业的发展。在二十一世纪伴随着人工智能的发展，人们将只能简单操作的机器人再次进行升级改造，在机器人上安装智能传感器以实现工业生产的自动化与智能化，极大地提升了生产效率。在满足工业需求的情况下让机器人服务于生活。相较国外，中国的机器人发展道路起步较晚，但在前人的努力下一步一个脚印争取赶超其他国家，国家政府也在机器人研究上给予了大力支持，如今，随着中国对机器人的深入研究，技术也逐渐成熟，已经大大缩小了国内外的差距，发展至今，中国在电器与汽车领域这两个领域发展迅猛已不输于国外。我国因为种种原因在管道机器人领域起步较晚，直至二十世纪八十年代，我国才开始研发真正意义上的管道机器人，其中以清华大学为代表，包括哈尔冰工业大学、上海交通大学在内的众多研究机构取得了显著的成果。清华大学研究设计出一种管道清淤机器人，如图 1-5（a）所示，该机器人采用轮式行走方式，可以在直径 400mm 以上的管道内作业5。上海交通大学研发的履带式管道机器人（图 1-5（b），该机器人采用了带齿轮减速机的直流伺服电机驱动6方式。（a）轮式管道机器人 （b）履带式管道机器人图 1-5 国内轮式和履带式管道机器人哈尔滨工业大学的邓宗全老师等人开发了两款管道机器人，如图 1-6 和图1-7 所示，分别针对小管径和大管径的管道，这两种机器人实用性较强，已经在实际工况中得到了应用7。图1-6内置动力源管内X射线探伤机器人 图1-7X射线探伤机器人2015 年浙江工业大学的吴挺、鲁少辉等人研制了一种基于主动式全景视觉检测原理的爬行管道机器人8，如图 1-8 所示。这种机器人安装有圆形激光发生器、ODVS、LED灯带以及圆锥形反射器，可以同时进行机器人运动和图像采集分析的操作，能够获取管内壁的全景图像信息和激光横断面的扫描全景图像。图 1-8 基于主动式全景视觉的管道检测机器人一部分企业也着手于研究管道机器人，但研究水平参差不齐。其中，大部分的产品华而不实，只是一个钢铁壳子，起不到任何作用。但仍有一小部分公司对管道机器人起到了推进作用，例如武汉中仪物联公司、深圳施罗德公司等，他们公司的产品技术成熟，已经开始应用于各种市场，以下则是失落的公司的代表产品：SINGA200 型管道机器人（图 1-9），该管道机器人安装有LED灯光源，在机器人进行信息采集的时候提供了比较明亮的拍摄环境，在采集信息的同时了同步传输至上位机系统。图1-9 施罗德公司SIBGA200型管道机器人但不可否认的是它们与国外的管道机器人任然存在明显的差距，这些差距体现在对轮式管道机器人的深度研究、可靠的理论模型和对应的控制算法，所以只能采用人工操控，自动化技术也有待提升无法实用，管道三维重建更是遥遥无期。国内的邓宗全教授团队在近几年研发出了一种应用于海底管道的管内检测机器人，因为这款机器人利用六个独立电机分别为六个独立轮提供驱动力，所以具备极其强大的驱动力和机动能力，能在短时间内移动很远的距离，为深海探测提供了保障；虽然能顺利通过L型管，但对六个轮子的转速协调是一个较大的考验，所以其控制系统极其复杂。如图1-10所示。图1-10六独立轮管道检测机器人第二章 总体结构设计2.1系统方案的选择2.1.1行走机构按照驱动方式的不同，可将行走方式9大致分为以下几种行走方式9。 蠕动式10、多足行走式11、螺旋驱动式12、履带式13、轮式；蠕动式的特点是以支撑部分的径向伸缩运动来实现机器人的移动，但这种行走方式缺点明显，如运动不连续、行走效率低下，较难对管内作业任务要求进行快速响应，故在实际应用中可行性很低。多足行走式是模仿动物的一种高级行走方式，适用于凹凸不平或有障碍的路面行走运动，相较一般移动机器人有更好的灵活性，机动性较好，支撑点的固定一般由固定摩擦力来实现，质量分布和重量大小会直接影响机器人的稳定性，故，这类机器人常常会对机器人的行走姿态有比较严格的要求，而要实现这个要求就需要大量高精度的传感器，所以研制成本高，且牵引力较弱，在拖曳缆线的情况下难以完成长距离的作业任务。螺旋驱动式相较多足式具有较大牵引力、运动较连续、结构简单的优点但同样的具有运动效率低的缺点，因为其实际运动速度乃沿管道轴线的螺旋运动速度分量；空间占有率、越障能力也是需要解决的问题，再加上对管内壁形状要求苛刻以及基本不具备主动转向能力等原因导致其很难被广范围采用，只适用于中小直径的直管和圆弧弯管。履带式管内驱动机器人具有牵引力大、较出色的防滑性、越障性能强等优点，可以搭载摄像头、扫描仪等设备，但履带缝隙一般较大容易被小石子儿等杂物影响行走并且机械结构一般设计尺寸较大，多应用于管径较大的管道。而本设计拟采用应用较广泛的轮式行走方式；轮式机器人的行走方式与车辆在路面行驶相似，依靠自身的质量提供正压力，具有移动平稳、能耗小，以及容易控制移动速度和方向等优点。2.1.2检测方式 管内检测一般用图像信息来表达管内详细情况，常用的方法包括声纳14、超声波15、声纳与视频联用、视频检测等；声纳和超声波因其强穿透力、高灵敏度、探伤灵活等特点一般应用于管径大和超负荷的排污水管。视频检测一般与激光扫描等方式配合使用，因为虽然能输出比较完整的图像或录像信息，但无法提供深度信息，故无法准确测量管内缺陷或裂痕的尺寸信息；而激光扫描仪能在无技术文档的情况下，迅速测出目标的轮廓、尺寸等数据；并能进行数据融合加以编辑、计算然后格式化的数字化曲面模型16，从而得到管道变形率、尺寸以及其他相关信息。综上本文拟采用视频检测、激光扫描联合的探测方式以在能直观了解管内情况的同时获取准确、实时的位置、尺寸等相关信息。 2.1.3电力供给方式管道机器人的电力供应通常分为两种方式：蓄电池供电与外部缆线供电 （1）蓄电池供电 通过在机器人本体上安装蓄电池的方式来为机器人的各种运动提供电能供应；这种方式有利有弊，利在于机器人不需要提供额外的缆线拖动力；弊在于若要机器人作业时间较长，那么蓄电池的体积会占据机器人内空间很大的一部分，机器人的小型化设计17将很难进行；且无法通过人工拖曳的方式将故障机器人从管道力救回。（2）电缆供电18 通过缆线将机器人与外部供能装置相连接的方式来为机器人作业提供电能，这种方式与蓄电池不同的是不需要考虑因电能不足而停止作业的问题，而且在机器人故障时能通过缆线将其回收；但与之相对的是需要额外的拖缆力牵引缆线随机器人一起移动且只能低效率的降低缆线单位重量来减少所需拖缆力来增加机器人的作业距离。 在对上述两种供电方式进行分析之后，本文选择电缆供电方式来为管道检测机器人供电。 2.1.4系统通讯方式 机器人的通讯方式主要分为无线通讯19和有线通讯两大类。 无线通讯的通讯信号会受到管内环境较为严重的影响，产生信息传输延迟、停滞甚至信号中断的情况导致机器人失联；在特殊管内环境下其通讯质量和机器人本身的安全性无法得到保障，不利于机器人的行走操控。而有线通讯不易受管道内部的环境影响相较于无线通讯更有利于保证机器人与地面之间的通讯质量，不会影响机器人信息的采集以及传送，较强的抗干扰性比无线通讯方式更适用于在环境情况复杂的管道作业的管道检测机器人。综合已选择的缆线供电，本文选用可与之适配的同轴电缆作为机器人的通讯方式。2.2管道机器人总体组成2.2.1机器人本体本文设计的机器人本体载体与轮式小车外形相似，采用四轮双驱动。内部安装有通讯设备，电机驱动设备等等从而实现前、后、左、右、加减速等基本运动。同时要求机器人本体具有一定的防水性、耐压性、耐蚀性等来适应管内的各种环境。2.2.2云台系统20 云台系统即一个安装平台，装有两台电机，以此实现水平、垂直运动，其上安装有CCD变焦摄像机、激光扫描仪，可通过旋转、俯仰电机驱动来实现全方位检测管道的目的。2.2.3云台升降系统21云台升降机构由直流电机驱动，锥齿轮传动，通过机械臂与机器人本体连接，来实现竖直、水平方向的运动以此来配合安装在其上的激光扫描仪与摄像头完成检测任务。2.2.4地面监控系统地面监控系统是集检测、微电子、电力、计算机、通讯网络等技术于一体的智能化监控体系，能够实时监控管内情况并进行实时信息处理和对机器人进行人工干预，为科学安全管内作业提供可靠的技术支持与保障。图 2-1 机器人系统组成2.3管道机器人本体结构设计2.3.1驱动方式的选择不一样的驱动方式会直接影响管道检测机器人的行走特性和越障强度。在轮式机器人电机驱动方式中可分为所有车轮均是驱动轮的全驱动方式和驱动轮带动从动轮的部分驱动方式。部分驱动相较全轮驱动虽具有结构简单、传动机构占用空小、成本低等特点；但在环境复杂的管道内部，机器人的越障能力和通过性尤为重要。而全轮驱动的驱动力强，不易打滑，通过性较部分驱动有较强提升；所以全驱动相较部分驱动更适用于管道机器人的工作条件。 以驱动轮是否统一驱动为标准可分为单电机全驱动、独立全驱动和双电机全驱动三种22。双电机顾名思义是载体左右轮是被两个电机分别驱动，左右轮再分别通过两侧的链轮链条将驱动力传递至其余各个车轮；这样即可实现差速转向。而单电机驱动则无法实现自主转向的能力；独立全驱动电机较多，占用空间大，降低了机器人的灵活性。而双电机全驱动在保障了自主转向功能的同时提高了空间利用率。所以本次设计采用双电机全驱动的驱动方式，较好的保障了管道机器人的越障能力。2.3.2 驱动机构的传动设计 机器人的驱动动力产生的原因是由于传动机构将直流电机的动力分别配给每一个驱动轮。因为链传动具有防滑，稳定准确的平均传动比，较高传动效率，较小压轴力，强过载能力，较强低速重载下的工作能力，较强适应能力等特点；锥齿轮有高负荷承载力，重量轻，成本低，易于成型，润滑性好，耐化学和腐蚀性强等特点，还能实现两和垂直轴的传动。故在机器人本体内置空间较小、传动距离较长的情况下本文设计的管道机器人选择链传动和锥传动负责机器人驱动力的传递。机器人的传动简图见图 2-2 所示。 图 2-2 驱动机构传动图2.4本章小结本章基于管道检测机器人的任务要求，对管道机器人的总体结构进行了分析与设计；确定了行走方式、监控系统、供电方式、通讯方式的整体系统设计；其中行走机构选择了使用较普遍的轮式行走方式；监控系统确定了以视频检测为主激光扫描三维重建技术辅的联合监控方式；供电方式、通讯方式均选择了缆线的方式为管道机器人提供电能与通讯保障。确立了以机器人本体、云台系统、云台升降机构、地面监控系统组成整个机器人系统的设计方案。最后选择了双电机全驱动的驱动方式并对其传动机构进行了简要分析。确定了管道机器人的总体构成。第三章 管道检测机器人的运动学分析运动学建模分析对于管道检测机器人的设计是十分重要的，它可以优化其各个相关设计参数，为后续的研究设计打下了坚实的理论依据。3.1 管道检测机器人运动学建模 由于现实情况中管道检测机器人移动是种三维空间运动，研究与设计起来比较麻烦；所以以先创建柱面坐标系，而管道与车轮总有一个接触点位，机器人在不同的位置就有不同的接触点位，再通过对这些接触点位进行定量分析则可以表述出管道机器人作业时的运动状态及相关特性。 由于管道内部环境比较复杂，对相关参数或情况进行简化和假设是研究机器人运动模型的常用方式。设机器人为刚体，机器人质心与几何中心重合，车轮为刚性轮，摩擦力足够，管道是规则圆柱体，忽略车轮厚度以及管道障碍产生的影响；以前轮为万向轮后轮为驱动轮的三轮机构代替四轮管道机器人进行分析。机器人在管内的初始位姿是研究机器人运动规律的前提条件，而要描述一个刚体的位姿则需要了解机器人中心的绝对坐标x0,y0,z0和机器人的位姿角即欧拉角(,)这两个重要参数。由欧拉角的定义可知机器人的原始位置经过平移，再绕 x 轴旋转，再绕 y 轴旋转，然后绕 z 轴旋转即可得到后某一时刻机器人所处的位置，其中、分别称为俯仰角，偏转角和横滚角，旋转矩阵为：R(,)=cccss-sccsc+ss0scsss+ccssc-cs0-scscc00000 （3-1） 图 3-1 机器人管道位姿示意图如图 3-1 所示管道机器人位姿，已知机器人的后轮轮距为 b，后轴到前轮之间的距离为l。建立其移动坐标系：以后轴中点H为原点，HB为 x 轴，HA为 z 轴，y轴与HB、HA垂直。建立绝对坐标系：以管道中轴线为Z轴，横切面水平方向为X轴，横切面的竖直方向为Y轴。从移动坐标系到绝对坐标系的坐标变换矩阵可由机器人绝对坐标为x0, y0, z0的后轴中心经式（3-1）和机器人欧拉角的定义可得：D(ij)=R(,)dij01 （3-2） 其中dij=x0,y0,z0T，假设机器人上的某一点在移动坐标系下的坐标设为x,y,z，在绝对坐标系下的坐标为(x,y,z) 由式（3-2）可得：&x&y&z&1=D(ij)&x&y&z&1 （3-3）现以右后轮与管道壁接触点Q为原点，以Q点的轨迹速度方向、过Q点且垂直于右后轮曲线的法线、过Q的车轮半径方向分别作为z1轴、x1轴、y1轴建立以此为基准的移动坐标系x1,y1,z1。由于刚性轮的速度方向为车轮平面内过接触点的切线方向，可得: 移动坐标系x1,y1,z1在车体坐标系中的方向向量：Tx1=&1&0&0T （3-4）Tx2=&0&cos&-sinT （3-5）Tx3=&0&sin&cosT （3-6）由式（3-4）- (3-6)得到旋转矩阵：R=1000cossin0-sincos （3-7）原点 Q 在车体坐标系中的坐标dQ为-b2,rcos,-rsin。其中 表示为右后轮上过点 Q 的半径和垂直于车体的半径之间的夹角。由式（3-4）、(3-5)、(3-6)可得机器人移动坐标系x1,y1,z1相对与车体坐标系的变换矩阵：D(Q)=RdQ01 （3-8） DQ=100-b20cos-sinrcos0-sincos-rsin0001 （3-9）由于分析的三轮机构前轮为万向轮，故后轮轮心速度即为机器人本体的速度，电机的输出转速、轮子与管道壁的接触点在轮平面内的切线方向分别又决定了轮心速度的大小、方向；已知速度方向是沿z1轴方向的单位向量（0，0，1），其绝对速度方向则可通过矩阵变换得到。又DR=&1&0&0&0&0&1&0&0&0&0&1&1&0&0&0&1 （3-10）则右后轮的速度方向矩阵为：Dr=D(ij)DQDR （3-11）同理可得管道机器人左后轮的速度方向矩阵为：DI=D(ij)DPD （3-12）式(3-12)中DP是原点为左轮与管壁的接触点建立的与右轮坐标系坐标轴同方向的的移动坐标系。原点 P 在车体坐标系中的坐标dp为-b2,rcos,-rsin，左轮接触点坐标系在车体坐标系中的旋转矩阵为：R=1000cossin0-sincos (3-13)式中 为垂直于车体的半径和左轮上过点P半径间的夹角。 经(3-12)、(3-13)计算得左轮坐标系的坐标变换矩阵：Dp=100b20cos-sinrcos0-sincos-rsin0001 (3-14)式(3-12)中可得DI DI=&1&0&0&0&0&1&0&0&0&0&1&1&0&0&0&1 (3-15)由上计算得左、右两个车轮的速度方向，再设其速度分别为vl、vr：vl=rtl (3-16)vr=rtr (3-17)其中tl：左轮速度方向矢量；tr：右轮的速度方向矢量。由上式计算的vl、vr可得后轮轴心的速度矢量：v0=12vl+vr （3-18） =12vl-vr/b （3-19）设已知机器人初始状态、机器人中心的绝对坐标x0,y0,z0、机器人的位姿角即欧拉角(,) 以及两个角度变量(,) 根据管道机器人在管道中接触点的位置约束来求解(,) 与机器人的位姿角即欧拉角(,) 之间的关系。由机器人的几何关系得机器人的位姿欧拉角(,)， 设机器人的初始状态水平，并在原点处沿Z轴方向，车轮与管道壁的接触点固定，当机器人绕x轴旋转时，车身横滚角度可得：= （3-20）其次分析机器人绕 y 轴转动的欧拉角，如图 3-2 所示：图 3-2 机器人绕 y 轴旋转图图3-2为机器人的初始状态，l ：车轮所在平面；d：管道截平面；d与l相互垂直。当机器人绕 y 轴转过时，接触点与车轮和车身的垂直半径不重合，夹角(,) 发生变化，如图 3-2 右图所示。夹角(,) 的大小，可由l面在d面投影的椭圆曲线与管道圆的交点坐标求出，另外夹角(,) 左轮与夹角(,) 右轮大小相等、方向相反。设椭圆与圆交点半径与竖直夹角为 r，则有：r=sin=-sin （3-21）即 =-=r/sin （3-22）以上述椭圆曲线的中心为原点建立椭圆方程，再联结圆方程解出其交点，随后计算椭圆圆心到交点的方向向量与竖直方向的夹角，就可求出角度r。椭圆方程与圆方程分别如下：x2r+y2rsin=1 （3-23）(x-a)2+y-lcos22=D2 （3-24）a：椭圆圆心到管道圆心的纵坐标距离欧拉角-它是机器人绕管道轴线 z 轴转动的角度，由运动关系得(,)不会因为机器人绕 z 轴旋转而变化，由此结论得出(,) 的数值求解为：=+r/sin （3-25）=-r/sin （3-26）3.2 管道机器人的约束分析 3.2.1 管道机器人结构参数计算 管道机器人几何尺寸的量化计算是设计机器人的一个重要前提，否则机器人将不能顺利的进行各种操作。 （1） 对机器人水平过弯的运动约束 若机器人的长度过长那么则会出现在较小尺寸管道内无法过弯的情况。图 3-3 机器人水平过弯示意图如图 3-3 所示，若机器人过弯时要求不与管壁发生干涉，则 R+D22-R-D2+d2l28(D-d)-d2 （3-28）由上式得，机器人不发生干涉的最大长度与弯道半径以及机器人宽度成反比。当曲率半径R=0 时，弯道为直角弯，得：l/2+d2D （3-29）上式即为机器人车体能够顺利通过直角弯的临界表述。 （2）机器人在过竖直弯道时的运动约束 同水平过弯一样，若底盘高度过低，当竖直弯道与底盘相接触时，车轮会处于悬空状态。图 3-4 机器人过竖直弯道示意图如图 3-4 ，若管道机器人在竖直过弯时不与管壁发生干涉，则：R-D2-R-D22-(2R-D)B4(R+r)-2D2h （3-30）式中代数如下表3-2： 表3-2 r、R、B、D、h代表的含义r机器人车轮直径R弯道曲率半径B机器人的轴距D管道直径h机器人底盘的高度当管道直径和弯道曲率半径一定时，管道机器人的底盘高度会随着车身轴距的增加而减少。 （3）机器人在管道中不倾覆的临界约束条件 管道机器人的倾覆角必须大于车身平面与水平面的夹角 a。图 3-5 机器人在管道中倾角示意图如图 3-5 可知，机器人平面法线与水平面夹角需满足：aR0fd2-h (3-41)最大越障能力 h可由输出扭矩与底盘设计的最高高度计算出。由上述可知，在实际情况允许下应该尽可能选择较大直径的车轮与设计较高的底盘，以提高越障能力成增强管道机器人对复杂环境的适应性。3.2.3 管道环境下机器人所需牵引力分析 机器人在管内行走时对所需的牵引力 F 受力分析如下： （1）克服机器人自身的重量所需的牵引力 F1； （2）克服机器人以一定速度行走时的阻力 F2，其中包括与管道内壁的摩擦力、与管内介质的摩擦力等； （3）克服机器人携带电缆的重量所需牵引力 F3； （4）电缆与管道内壁或者介质的摩擦力 F4。 其中 F1，F3只有在机器人爬坡的情况下才会存在，在水平移动时以摩擦力得形式对F产生影响。 要知道拖动线缆所需的牵引力，需要计算线缆的重量，有公式：G2=r2ln(3-42)式中：r电缆的半径；电缆的密度； l电缆的长度； n电缆的数量。 为了方便推导和分析管道内的拖缆力，需作以下几点假设18： （1） 电缆与管道之间无未接触得情况； （2） 电缆为理想柔韧体（不可伸缩），无内部损耗； （3） 电缆的运动速度为恒定速度； （4） 电缆与管道的接触线为直线和圆弧。 直线管道中的牵引力情况分析如下：图 3-9 电缆直管中受力图如图 3-9 所示，管道与水平面的夹角为，V是电缆得运动方向。在电缆的任一段取长为ds 的单元体进行分析。两端拉力分别是 F 和F+f，dN 是长度为ds的电缆所受的管道内壁对它的支撑力。F1 ，F2 分别是长度为 S 的缆线两端面所受的拉力。设f1 为电缆与管道内壁的摩擦系数。则该单元体所受的力方程组为：F+f1dN+dssin=F+dF (3-43)dN=dscos (3-44)上式中为单位长度缆线的质量。 由式（3-43）、（3-44）得：F2=F1+f1cos+sinS (3-45)由式（3-45）可以得出如下结论：管道的倾斜角、缆线长度以及与管道壁的摩擦系数决定了缆线在直管中的阻力。弯管具体受力分析如下：图 3-10 电缆弯管受力图如图 3-10 所示，线缆在弯管中的受力情况，其中 a 为弯曲管道圆弧部分的包角，r 为圆弧的曲率半径，暂只考虑水平面内的弯管。由上图可得电缆单元体的受力方程为：(F+dF)cosda2-Fcosda2-f1dN=0 (3-46)dN-(F+dF)sinda2-Fsinda2=0 (3-47)当da20时，sinda2da2，cosda21，上述方程组变形以后得到F2=F1ef1a （3-48）经上述得，圆弧包角和摩擦系数主要决定了在弯管中的缆线阻力，而圆弧曲率半径与之无影响。 因为真实管道形状复杂，直管和弯道均存在。可使用公式（3-45）和（3-48）进行分段计算。3.3本章小结本章主要对管道检测机器人在管道内部的运动模型进行了运动学分析；为了简化模型主要以前轮为万向轮后轮为驱动轮的三轮机构代替双驱四轮管道机器人进行分析，将不同位置的坐标系经过变换到同意个全局坐标系下建立运动学模型，然后在几何约束条件下分析了管道机器人的越障能力以及在直管和弯管中对缆线的拖缆力分析。第四章 控制系统设计本文设计的管道检测机器人控制系统选择上、下位机的控制方式，控制命令经上位机发送，由下位机接收到以后控制机器人作业。4.1控制系统整体设计使用单一的控制器系统对机器设备进行控制，一般不太稳定，容易出现风险，若控制系统故障，则可能导致机器设备停运甚至有出现安全事故的可能也难以及时的提供修复方案，另外在更新换代日渐提速的时代，对单一的控制系统进行拓展升级同样是个比较麻烦的问题且收益效率低下。所以多控制器系统在现代社会得到了愈来愈多的重视和应用。而目前可供本文选择的多控制器系统有以下几种： 1. PLC+PLC 控制系统 是一种上位机作为主控系统，下位机为从控系统，其中上、位机均以PLC为控制核心的控制系统。这样的控制系统易于操作，性能稳定，易于维护，非常可靠。然而，它在应用层面仍有缺点，如数据处理速度慢，市场价格昂贵。2. PC+单片机控制系统 是一种由单片机为核心的下位机在接收由PC为上位机的控制命令和操作机器人进行作业的控制系统。这样的控制系统拥有更好的计算能力，更高的集成度，故更容易被市场接受，但摆在台面上的缺点就是研发时间长。因为需要满足本文摄像机和扫描仪等数据信息的采集与计算和控制命令的执行的设计要求，故选择PC+单片机控制系统。图 4-1为机器人的控制总体结构。 图 4-1 控制系统结构框图4.2 控制系统的硬件设计 4.2.1 电机驱动系统的设计步进电机是一种离散运动的装置，不必进行数/模转换，用起来很方便，同时步进电机具有其快速起停、精确步进和定位等特点，随着嵌入式系统的应用广泛，步进电机的使用也随之增加，它和现代数字控制技术有着本质的联系；在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。虽然步进电机在低俗速时易出现低频振动现象，但可通过阻尼技术来克服低频振动现象（如在电机上加阻尼器），而且如今与步进电机相配套的驱动器技术也日渐成熟，便于使用。综上，行走主电机选用了57两相闭环步进电机，型号为57HS10N,电机的参数如图4-2：图4-2 57两相闭环步进电机57HS10N行走主电机的驱动器选用了与之对应的HBS57，这一款驱动器是基于十几年步进与伺服研发经验，开发成功的一款新型闭环步进电机驱动器；芯片和应用矢量型闭环控制算法，从而彻底克服了开环步进电机丢步的问题，同时也能明显提升电机的高速性能、降低电机的发热程度和减小电机的高中低速振动，从而提升机器的加工速度和精度以及降低机器的能耗。4.2.2 主控芯片选型主控芯片对控制系统的扩展性、稳定性和实用性等方面都有十分重要的影响。主控芯片选型需要注意以下几个因素： (1) 接口丰富 接口是两个模块之间通信的标准，通信的规范。如果接口数量足够多，种类足够全，理论上就能实现足够多的功能，从而满足各种工程需求。(2) 低功耗 早期的单片机因半导体工艺的限制功耗都普遍偏高,而现在的单片机基本都只有100NW左右；这体现的是实际应用对低功耗的需求，只有芯片的功耗足够低，才能降低芯片的发热量，从而保证其可靠性。所以，低功耗是目前电路设计的一个重要因素。 (3) 高处理能力 更高的处理能力能提供更快的计算速度、更复杂的运算方式与多端模块同步服务的能力，这些都对控制系统有至关重要的作用。 (4) 低成本 降低主控芯片的成本能在批量生产中大大提高经济性，从而更广范围的应用于市场。 (5) 方便高效的开发测试环境 良好的开发测试环境对于科研学者们对设备的研究与开发有至关重要的影响，比如，若缺少了相关的研究设备则会对相关环节的研究进度造成极大影响，更甚对整个实验项目造成无限期停滞的影响；而开发周期的延长则会提高无可估计的高开发成本，对公司或研究机构的经济造成困扰；所以开发测试环境也相当重要。 综合实际需求，本文选择STM32F103ZET6芯片作为控制核心，功能如下附录附表1.1。其MCU_GPIO如图4-3。图 4-3 微控制器 STM32F103ZET6 引脚分布管道检测机器人控制系统由 STM32 微控制器、电源电路、时钟电路、复位电路和程序下载接口电路、电机驱动电路等组成23。控制板实物图如图4-4所示。图4-4 控制板4.2.3电路设计 (1) 电源电路 电源系统是否稳定对管道机器人控制系统的影响十分大，若电源系统产生故障，有可能会使机器人不能正常作业。电源系统分为两种：AC-DC（交流-直流）电路与 DC-DC（直流-直流）电路.AC/DC即为将交流变换为直流,其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”； DC/DC是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流暂波；从而向各个模块供电。 本文设计的管道检测机器人工作电压具体情况如下表4-1表4-1各部分工作电压主控制器电源+3.3V步进电机驱动器HBS57+24V直流电机驱动芯片 L298N+5V直流电机驱动+12V舵机+6V通过变压器将 220V 交流电源转化为 24V 直流电源。而在电路中通过电源转换芯片即可得+12V、+6V、+5V、+3.3V。+12V、+6V、+5V可分别由转换芯片LM7812、LM7806、LM7805转化得到，电源转换电路如图4-5所示。图 4-5 +6V 转+5V 电路图而主控芯片STM32F103ZET6的额定工作电压在 2.0V3.6V之间，一般情况下为3.3V 。其工作电压+3.3V 是通过转换芯片LM1117转换+5V得到的，为降低电源扰动对电路的影响，在LM1117转换芯片输出、入两侧均增装了电容，以提高其可靠性24 。图4-6为其电源转换电路图。图 4-6 +5V 转+3.3V 电路图(2) 复位电路 在程序运行过程中，让电路恢复到起始状态的复位电路是必不可少的一项，就如计算器清零的作用一样，在多种情况下均需使用到。其复位电路原理图如图4-7所示。图4-7 复位电路原理图(3) 时钟电路 顾名思义即像能无时无刻不准确转动的时钟一样，此电路也能准确运转，且时钟电路是一种振荡电路能像时钟的摆针一样发生周期变化；它就电路里的钟表一样操纵着工作顺序。时钟电路一般由晶体振荡器、晶振控制芯片和电容组成。电路图如图4-8所示。图4-8时钟电路(4) 程序下载接口电路 使用 JTAG 接口实现程序的调试与下载，JTAG是一种国际标准测试协议（IEEE1149.1兼容），主要用于芯片内部测试。现今多数的高级器件都支持JTAG协议,如DSP、FPGA、ARM、部分单片机器件等。标准的JTAG接口是4线：TMS、TCK、TDI、TDO,分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。 TRST为测试复位引脚，低电平有效。JTAG 接口的这四个引脚分别与 STM32F103ZET6单片机的同名引脚相连，其电路设计如图4-9所示。 图4-9程序下载调试电路(5) 电机驱动电路 驱动电路的基本任务，就是将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。对半控型器件只需提供开通控制信号，对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号，以保证器件按要求可靠导通或关断。L298N25是一款接受高电压的电机驱动器，直流电机和步进电机都可以驱动。一片驱动芯片可同时控制两个直流减速电机做不同动作，在6V到46V的电压范围内，每一个H桥可提供2安培的电流，接受5vTTL电平，具有过热自断和反馈检测功能。L298N可对电机进行直接控制，通过主控芯片的I/O输入对其控制电平进行设定，就可为电机进行正转反转驱动，操作简单、稳定性好，可以满足直流电机的大电流驱动条件。驱动电路设计如图4-10所示。选用匹配的步进电机驱动器驱动步进电机。舵机可直接用单片机的管脚控制，不需要另外接驱动模块。图 4-10电机驱动电路4.3软件设计机器人运动控制系统主要分为上位机和下位机，上位机主要是发送控制指令到下位机系统，而下位机在接收到程序之控制管道机器人进行各项操作动作。上位机系统初始化后26，判断上、下位机之间的通信是否正常。若通信正常，则等待下一步操作。倘若是发送指令，上位机就把程序指令发送到下位机系统；假若是下位机传送到上位机的接收指令，上位机就接收图像信息并显示；如果上位机收到的指令是退出指令，就关闭系统。上位机系统设计流程如图 4-11所示。图4-11 上位机系统控制流程图下位机系统初始化后，判断上、下位机之间的通信是否正常。若通信正常，等待读取上位机发送的控制指令。若是行走指令，通过控制直流减速电机的转动，实现管道检测机器人行走机构的前进、后退、停止等运动；若是云台升降指令，通过控制云台步进电机的转动，实现云台升降机构上升、下降等运动；若是云台旋转指令，通过控制云台旋转电机的转动，实现云台旋转俯仰机构的旋转运动；若是云台俯仰指令，通过控制舵机的转动，实现云台旋转俯仰机构的俯仰运动。管道检测机器人调整好位姿后，开始采集管壁图像。在相机拍照前，先控制 LED灯亮，保证管道内具有充足的光照，这样相机可以获取质量更好的管道图像，为后续的图像分析降低了难度。相机拍照后，为了节能，控制 LED 灯灭。若下位机收到的是退出指令，就关闭下位机系统。下位机系统控制流程如图4-12所示。图4-12 下位机系统控制流程图4.4本章小结本章主要对管道检测机器人的控制系统进行了总体设计，确定了PC+单片机的多控制系统的控制方式；选择了以STM32F103为主控芯片，步进电机等硬件设备，并对相关电路进行了分析；最后对上、下位机的软件系统进行了相关分析。第五章 管道机器人检测系统的设计5.1 检测系统的组成 当管道出现了裂痕、缺陷、破裂等问题或其它微小形变时，由于摄像头拍摄所获取的视频信息只是二维信息，无法获取深度信息，故无法对出现的问题进行分析与相关维护等操作；再随着时间的累积，排水等功能会受到严重影响，严重时甚至会造成管道上方路面的损坏和沉降；所以本文设计的管道检测机器人拟在视频检测的基础上配以基于激光扫描仪的管道三维重建技术，操作人员将在直观了解管内情况的同时定量计算出管道的形变率。5.2 视频检测 视频监控系统测机器人的重要组成部分，由CCD摄像头、控制、传输、显示四部分共同组成；当监控系统处于工作状态时，在摄像头的视角覆盖范围的区域内出现异常情况时，摄像头能将及时捕捉的现场信息情况转化为电信号，通过同轴电缆传输至监控终端，并将电信号还原成现场图像，体现在监控器电子屏幕上，同时监控终端操作人员能通过控制器对机器人进行操控，对其进行追踪，不断地将现场图像以电信号的形式传送至监控终端还能进行录像以便对已发事件进行复盘分析。5.3 激光扫描仪检测 5.3.1 基于激光扫描仪管道三维重建的理论基础 本设计通过安装在机器人上的激光扫描仪对管道内部现场进行扫描，再将所获大量相关数据经计算在虚拟世界中创建实际物体的数字模型。再使用插值或拟合方法从采样点计算出曲面的连续函数，获得较完整且质量较高的场景三维数27。接下来通过局部曲线拟合等技术对大量点云数据因技术误差产生的噪声进行排除过滤，然后通过HARDY算法进行平滑处理，最后利用基于曲率的点云数据精简的算法对大量点云数据进行数据精简，从而减少了一部分计算压力，加快了计算速度。 为了得到场景较完整的三维数据，还需通过ICP算法将不同视点的管道表面模型集中放于同一公共的坐标系下以进行更好的问题分析与处理；然后进行通过DELAUNAY算法进行三角网络构建再进一步进行NURBS建模，最后为了模型的直观性作了曲面渲染处理。其整个技术路线如图5-1 所示。图 5-1 管道三维重建技术路线图5.3.2 管道三维重建的具体实现 管道三维重建的实现步骤如下： 1)管道内部数据点的获取以及数据的预处理 管道机器人上装有二维激光扫描仪28，其中扫描仪扫描的区域如图 5-2 中红色扇形区域所示，在扫描仪扫描中心线上安装一个旋转电机，其旋转方向如图 5-4中左侧旋转轴所示，这样二维扫描仪的扫描区域就变成了圆柱型区域，其扫描某段管道的点云见图 5-3 所示。图5-2 扫描仪工作示意图图5-3 扫描仪扫描某段管道点云图为了排除机械引起的误差（安装间隙角）要对其进行标定。（a）激光扫描仪坐标的设置 （b） X-Y 平面图 5-4 激光扫描仪标定图 5-4 显示了激光扫描仪对俯仰角的标定，图中 O 为扫描仪旋转中心点，为俯仰角误差，为理想状态下扫描仪激光头相对于正前方转过的角度，为实际扫描仪激光头相对于正前方转过的角度，为理想状态下测量的数据，为实际测量的距离数据，d为测距中心与障碍物的距离（已知），通过计算可得出。用一样的方法对左右倾角进行标定，然后计算出相应的X-Y轴的坐标值。 为了减小时间复杂度，须在数据融合前对游离点云进行人工去噪，然后对剩下的数据点Xi,Yi,Zii=0,1,N，计算相邻两点的距离如下式 5-1 所示。di=xi+1-xi2+yi+1-yi2(i=1,2,N-1) （5-1）再统计各距离值dii=1,2,N-1的均值和方差2计算公式为：=i=1N-1diN-1 （5-2）2=i=1N-1di-2N-1 （5-3）通过上述公式计算得到均值和方差2后，建立相邻距离的正态分布N,2，随后在扫描线上将相邻两点的直线距离视为统计对象，根据其正态分布N,2的 3法判断点的去留。对于数据点P其邻域点为Ni(i=0,1,m) ，m为点P的邻域内点的个数。用Ni构造一张曲面Sx,y,z，然后将点P的x,y,z代入曲面方程求得函数值，用此值修正点P0当对所有的点都进行了修正后，就实现了数据的平滑.这种方法称为HARDY算法。设Sr,t是连续的参数平面，设k1，k2是曲面Sr,t在点Sr0,t0处的两个主曲率，是切平面内选取方向与主曲率k1所在主方向的夹角，则根据Euler 理论可得式 5-4：kn=k1cos2+k2sin2 （5-4）两个主曲率的乘积与中值分别称为高斯（Gaussian）曲率K和平均曲率H：K=k1k2 （5-5）H=k1+k22 （5-6）在曲面重构过程中根据曲率精简点云的一般原则是：“大曲率区域则保留足够多的点，而小曲率区域保留少量的点”。由此设定出一个曲率的范围，曲率大的点保留，曲率小的点则舍去。 然后在通过ICP算法进行数据融合中给定己经获得的两个独立的3D点集：M（模型点集）和D (数据点集)，运用 ICP 算法可得一个旋转矩阵 R 和一个平移矩阵T组成的变换矩阵。q=qRqTT (5-7)其中q=qRqTT为旋转变换向量,它描述了绕旋转轴旋转一个角度,可以得到 33 的旋转矩阵RqR，q=qRqTT为平移变换向量，且qT=M-RqRD，矩阵qT就是扫描仪分别对模型点集和数据点集测量时所在的位置之间关系的矩阵，用矩阵与数据点集相乘就得到了一个与M相同坐标下的点集。M（模型点集）的坐标是自己设定的，一般取初始位置为M的坐标。重复相同的操作，获得更多的（模型点集），再对此进行数据处理，即能得到相同坐标系中的点云数据。2)坐标变换 扫描仪在扫描信息的过程中，机器人是在不断移动的，所以需要将扫描信息从机器人坐标系中转到全局坐标系中。不同位置下的坐标系如图5-5所示。图5-5 两个不同位置下机器人坐标系与全局坐标系只有将不同坐标系下的数据转到同一坐标系下才能进行比较以进行后续的管道拼接29；图5-6 机器人坐标系与全局坐标系机器人坐标系xA,yA,zA和全局坐标系xG,yG,zG如图5-6所示，其坐标转换关系如下30：xGyGzG1=AGTxAyAzA1 （5-8）坐标转换转换矩阵为：AGT=AGRGPAROG0001 （5-9）其中AGR是33旋转矩阵，GPAROG是31平移向量。3)不同段管道的拼接 在经过了坐标系转换后，点坐标有了统一的参考标准，可进行管道拼接操作；应用ICP算法对图5-7、5-8中的点云图进行融合拼接。ICP算法是目前针对三维建模应用最多的精确配准算法，其关键就在于原始点集的采集、确定对应点集与计算变化矩阵。（a）机器人坐标系 （b）全局坐标系（正面）（c）全局坐标系（侧面）图5-7 视点1扫描的管道三维点云（a） 机器人坐标系 （b） 全局坐标系（正面）（c） 全局坐标系（侧面）图5-8 视点2扫描的管道的三维点云ICP算法具体实现步骤：首先假设源数据集及目标集数据集为S、T，计算S中数据点Pk在T中的最近点Qk，首先估计配准参数R、T然后构造距离最小值函数F(R,T)。F(R,T)=minRpi+T-qi2 （5-10）计算估计误差k，并迭代出下一个点Pk+1Pk+1=HkP0=RkP0+Tk （5-11）当两次计算的估计误差的差值dk-dk+1T时，停止迭代，该点Pk+1即为最近点，此时的两段管道的所处的位置即为拼接的位置。能清楚地看到裂痕以及量出具体尺寸。如图5-9 图5-9 两段管道的拼接图5.4本章小结本章主要对管道检测机器人的监测系统作了详细介绍，介绍了以视频检测和三维重建技术的组成以及三维建模的细致分析。总结与展望本设计以管道检测机器人为对象，围绕机器人本体、动力系统、控制系统、检测系统展开了研究设计，并进行了运动学分析；能实现基本运动及检测功能。主要重点有如下几点;1.本文基于真实的管道环境，在进行运动学分析以及三维重建设计中均采用实际管道模型进行研究设计。2. 对管道机器人的控制系统进行了具体分析，确定了PC+单片机的控制形式，对其上、下位机、主控芯片、电路进行了详细的分析与设计，确保了机器人在管道内部作业时系统的稳定性。3.对管道检测机器人的机械结构和运行原理进行了具体分析，确定了四轮双电机全驱动的驱动方式对电力供给、通讯系统、云台系统进行了具体分析，并对机器人在管内的越障能力与通过性进行了解析。4.对管道检测机器人的检测系统做出了分析与设计，确定了以视频检测和激光扫描三维建模的综合检测方式；保证了地面人员获取管内信息的时效性和准确性，可以精准测得管道的缺陷及裂痕的尺寸数据与位置信息，有助于对管道的维护与修复。但就管道机器人广阔的市场应用而言，本文设计的管道检测机器人任然有许多的不足之处和未考虑到的地方。如：1.机械误差、环境因素以及突发情况均能在实际应用中对管道检测机器人的作业进程造成巨大影响，在以后的设计研究中应进行各种完善且强烈的真实环境测试以达到稳定应用于市场的目的。2.目前的控制系统是 一对一 的结构，即上面的计算机相当于下面的机器人，这使得操作员控制多个机器人非常困难，但如果计算机可以用来控制多个机器人，控制系统就可以设计成 一对多 的结构。如果一台计算机可以用来控制几个机器人，那么控制系统就可以设计成 一对多 的结构，这样就可以更容易地控制机器人，也可以让几个机器人同时运行。因此，有必要在今后的工作中研究和设计这种 一对多 的结构。参考文献1 李灏. 基于数字图像处理技术的无缆管道检测机器人研究D.南京航空航天大学,2018. 2 邱建刚. 轮式管道机器人的控制研究及管道变形率的测量D. 哈尔滨工业大学机械电子工程, 2011.3 Tung-Ching S, Ming-Der Y. 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