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基于机器视觉的罐道检测机器人设计 摘 要近年来，国内煤炭行业效益日益好转，矿井安全问题也受到了更多的重视。由于新型传感技术、移动机器人技术和人工智能的发展，罐道缺陷的检测方法也不再拘泥于传统的人工检测手段。本设计对于罐道缺陷检测提出了一种基于机器视觉与移动机器人技术的新型解决方案。本次设计一共包括三个部分：机械部分设计、控制部分设计以及程序部分设计。机械设计包括小车的车架、驱动部分以及垂直升降装置部分设计。驱动部分设计采用双驱动轮和双万向轮的方式，升降部分设计采用丝杠传动的形式。而电气控制部分设计则包括了对控制芯片的选型、电源电路的设计、驱动电路设计、无线电路的设计以及元器件的选型设计等。软件部分设计则包括了对三个电机驱动控制程序、无线遥控部分程序以及图像处理相关程序的设计。最终此次设计的罐道检测机器人能够实现遥控控制和对罐道内缺陷的自动识别检测功能。本篇论文中使用了图和表分别有29幅、表14个，引用了参考文献23篇。关键词：罐道；机器视觉；移动机器人；垂直升降装置AbstractIn recent years, the situation of the domestic coal industry has been getting better and better, and mine safety issues have also received more attention. Due to the development of new sensor technology, mobile robot technology and artificial intelligence, the detection method of tank defects is no longer restricted to traditional manual detection methods. This design proposes a new solution based on machine vision and mobile robot technology for the detection of tank defects.This design includes three parts: mechanical part design, control part design and software design.The mechanical design includes the design of the cars frame, drive part and vertical lifting device. The driving part is designed with dual drive wheels and dual universal wheels, and the lifting part is designed with screw drive. The design of the control part includes the selection design of circuits and components such as control chips, power modules, motor drive modules, and wireless remote control modules. The software part design includes the design of three motor drive control programs, wireless remote control part programs and image processing related programs. Finally, the tank inspection robot designed can realize remote control and automatic identification and detection of defects of the tank.The paper has 29 pictures, 14 tables, and 23 references.Keywords: tank channel; mobile robot; image processing; vertical lifting device目 录摘要I目录II1 绪论11.1 课题选择的背景和选择此课题的意义11.2 国内外罐道检测技术现状21.3 现阶段发展的主要困难41.4 图像处理算法介绍51.5 课题设计要求和主要研究内容92总体设计102.1机械部分设计102.2 电控方案的选择122.3 上位机和下位机的局域网构建123 机械部分设计153.1 目标参数153.2 车体基本结构设计153.3 驱动部分设计计算153.4 垂直升降装置设计194 电气部分选型设计294.1 总体设计思路294.2 控制芯片294.3 无线模块304.4 电机及驱动模块324.5 传感器354.6 辅助光源374.7 工控机374.8 无线网络设备384.9 电源模块405 控制方案设计435.1 总体设计思路435.2 单片机控制程序设计436 图像处理部分设计466.1 总体设计思路466.2 算法的选择466.3 检测结果显示477 经济性分析498 总结50参考文献51附录I53附录II55附录III59ContentsAbstractIContentsII1 Introduction11.1 The Background and the Significance of this Topic11.2 Foreign and Domestic Development Technology Status21.3 Main Difficulties at This Stage41.4 Introduction to Image Processing Algorithms51.5 Design Requirements and main research content92 The Overall Design102.1 Mechanical Design102.2 Selection of Electronic Control Scheme122.3 The Construction of Cocal Area Network123 Mechanical Design153.1 Target Parameter153.2 Structure design153.3 Design of Driving part153.4 Design of Vertical Lifting Device194 Selction and Design of Electrical part294.1 Overall Design ideas294.2 Control Chip294.3 Wireless Module304.4 Motor and Drive Module324.5 Sensors354.6 Auxiliary Light Source354.7 IPC374.8 Wireless Network Equipment384.9 Power Module405 Control Scheme Design435.1 Overall Design ideas435.2 Design of Singlechip Control Program436 Simulation detection466.1 Overall Design ideas466.2 The Selection of algorithm466.3 Display of test results477 Economic analysis498 Conclusion50 References51 Appendix I53 Appendix II55 Appendix III59VII1 绪论1 绪论 1 Introduction1.1 课题选择的背景和选择此课题的意义（The Background and the Significance of this Topic）过去几年来，国内工业发展所需要耗用的煤炭等能源总量逐渐增加，煤炭行业的经济效益逐渐好转，所以国内煤矿企业一边投入开发新建矿井，一边对现有的矿井进行改扩工作。但由于罐道使用时间的增长、提升容器的偏载和煤矸石碰撞等因素，罐道难免会发生形变。并且罐道长期工作在潮湿、恶劣的环境中，很容易出现接头错位和间隙，等到故障十分严重时还会发生卡罐事故，所以立井罐道的缺陷检测直接关系到矿井的生产能力和人员的安全1。传统的检测罐道缺陷和变形的方法有利用倒置垂直摆线的方法检测、用设置钢丝绳作为基准线的方法检测等。但是传统的方法测量过程复杂、误差大、对人员依赖程度大，给矿井的安全维修带来诸多不便。面对矿井刚性罐道大纵深多方向变形诊断及其定位难题，众多专家学者们一直在对罐道检测方法如振动加速度法等进行改进，但由于罐道条件恶劣，结果依然不尽如人意。基于此基础上，例如移动机器人技术、传感技术和机器视觉等新兴技术可以给罐道的检测工作带来诸多便利。机器视觉和图像处理技术是在利用相机拍摄到图像后，再将图像送至处理单元经过计算机处理，对图像进行识别运算等操作。移动机器人技术也是近年来工业热门研究领域之一，在环境恶劣的地方移动机器人比人具有更好的作业效果，并且能够保障人员的生命安全。传感技术也在近年来得到迅猛发展，与以往相比，利用激光、超声波等新型传感方式能够获得更高的检测精度。本课题设计的基于机器视觉的罐道检测小车结合了多种先进技术，例如有机械工程技术、电子技术、自动化技术、计算机技术、机器视觉技术、移动小车技术等。采用移动检测小车进行罐道检测，不仅不用考虑人员的安全问题，检测精度也更高，并且更容易观察罐道内隐藏的缺陷情况。不难看出，未来传统的罐道检测将都被自动设备所取代。中国既然拥有世界上最多的矿井，随着工业自动化的发展，罐道检测移动机器人将会是未来罐道检测方向的研究热点，具有广阔的发展前景。1.2 国内外罐道检测技术现状（Foreign and Domestic Development of Technology Status）1.2.1 罐道检测技术发展情况在罐道检测方法研究之前，首先我们需要了解罐道内通常会存在哪些缺陷。通常在矿井罐道中易于发生的缺陷形式有以下几类：罐道局部发生变形和弯曲、罐道接头处发生错位、罐道接头处的发生凸起以及罐道某一段发生较为严重的锈蚀等2。上述5种缺陷模型见图1-13。图1-1 常见罐道缺陷Figure 1-1 Common tank defects目前国内外罐道的几个主流的检测方法主要分为动态测试和静态测试两大类。I 静态检测法静态测试通常就是指利用观察、直接测量法得到实际数据。或者在提升容器停车或慢速（如0.5m/s的验绳速度）时对罐道外形、倾斜弯曲量等方面等进行检测，实际应用中测试方法包括有以下几项4：（1） 几何法这种方法现场应用的较多，通常是分别在井口、井底梁部位分别各取4个点，保证它们的两两交点与提升容器的形心重合。然后在下面布置4根钢丝做基线，上端和下端都在标定点处用螺丝进行固定。沿罐道横截面每隔一段距离量钢丝到罐道正面和侧面的距离。再选一段井筒，量取对角线与罐道正面两方向的夹角。根据所得数据，就可以判断罐道是否发生变形 5。（2） 仪器法原阜新矿院发明的精度F.S、标准偏差rad的立井罐道测量仪，其结果与几何法测量得出的结果比较，两者确定的罐道变形形式与方向完全相同，并且偏斜曲线基本吻合6。测量原理是利用放在井筒上的倾角传感器测量各个测量点的所测量的倾斜角的大小，再对各个测量点进行积分计算得到各点与罐道总体的偏斜量。其他方法诸如惯性平台、运动梁等由于检测方式繁琐并且结果不够准确，目前国内很少有采用这些方法进行测量。由上可知，利用现有的静态检测方法虽然能够检测罐道的倾斜、弯曲等变形，但由于实际的测量现场条件较为恶劣、测量方式采用抽检方式，测量过程繁琐且通过人工完成，经常导致检测精度偏低且检测周期较长，以至于部分罐道故障不能得到有效及时的维修，提升过程中仍可能存在着严重的人员安全性问题。II 动态检测法 动态检测法类是通过井筒的动力输出响应来推断罐道的运行情况，再对其中的缺陷位置和类型进行分析，根据结果来排除罐道内存在的缺陷隐患。提升容器运行时所受冲击载荷可以有效反映井筒装备的各种缺陷。通过检测分析其加速度信号，可就以了解提升容器的运行情况，这就是振动检测法的初衷7。例如文献8中采用井筒的振动加速度的数据以及罐耳、罐道间 压力数值作为动态检测过程的参数，对这些参数进行分析，从而判断能够影响罐道与罐耳间压力大小的因素。文献9介绍了通过井筒的加速度来检测罐道状态的方法，并且对加拿大数个实际生产中的立井罐道的安全性作出了有效评估。但目前来讲，动态检测还是存在很多缺陷，例如动态测试方法不够规范具体、测试系统的构建不够完整，功能不够全面、罐道的整体倾斜或弯曲的检测方法和效果不尽如人意等，这些问题一直是动态测量分析罐道状态的难点10。随着科技的发展，跨领域的技术交流越来越多，人工智能技术在机器等故障诊断的领域也得到了运用。BOSKOSKI11等人利用S（熵）作为测试对象单位，利用小波包的知识完成了对机器的故障问题的检测； YANG等12将EMD技术和人工神经网络技术融合实现了对轴承故障的诊断。这些新兴科技方法同样可以运用在罐道检测模型中。目前国内外罐道检测研究热点大多都是基于动态法的基础上，结合人工智能进行研究的。文献13中对经验模态分解（EMD）和向量机（SVM）技术在罐道故障诊断中实现应用的可能性进行了探讨。李占芳14等人利用小波和其他时域分析工具对罐道的振动信号中存在的奇异点进行识别和分析，并对基于倾角测量的低频趋势成分提取方法进行了深入探讨。而静态检测这方面，也有不少学者正在进行研究。众所周知，静态检测的缺陷主要为人工测量时条件恶劣有安全隐患、周期长、测量过程繁琐等，众多学者们便从测量方法上进行进一步探究。徐乐年等15发明了一种基于立体视觉的罐道巡检系统，采用搭建在罐笼上的摄像平台对整个井筒所有点的三维坐标进行采集，通过与历史数据进行比对来判断罐道是否发生变形；文献16中采用磁吸附式小车在罐道梁上自动行驶，利用激光标定及CCD相机连续捕捉拍摄，进行图像处理后来检验罐道梁是否发生变形；马天兵等17发明的立井罐道间距实时监测装置利用激光测距仪测量到测距板的距离来监测罐道间距；丁永静等18利用CCD相机拍摄遮光板上捕捉到的激光点，经过一系列的算法处理后，最终检测出了罐道横截面变形大小及其相应位置。利用静态检测和智能系统结合的技术能够有效提高检测精度和检测效率，本课题也是利用静态检测为基础结合机器视觉进行研究。1.2.2 移动机器人技术发展情况移动机器人，是一个能够实现自主导航、远程控制等多功能的综合机电系统。它集中了传感、机械、电子、计算机等众多工业领域的智慧，是工业科学界的智慧结晶。移动机器人技术自从上个世纪六十年代开始就已是众多领域的研究热点，具有数十年的发展历史。世界上第一台能实现移动的机器人名叫Shakey，它是由美国人查理罗森（Charlie Rosen）研制出。自此以后，由于移动机器人具有一些人类所不具备的特性，在代替人工作于不适合人类的工作环境下作业方面，是人类所不能及。于是机器人在很多领域例如太空探索、助残、矿洞探测、医疗等越来越多的工作场合得到了广泛应用。目前市场上出现的大多数都为第三代移动机器人，其能够装载多种传感器，能把得到的传感信号进行整合，并能适应各类环境，有较强自适应能力和学习能力。根据其应用范围可分为以下四大类型：工业、军事、探索以及服务机器人。近年来科学家们一直都在致力于让移动机器人更加智能化，但就目前来讲，现阶段研发的机器人智能水平并不是很高，还处于智能机器人的初级层次。目前智能机器人研发设计的主要问题有两点：第一点是要提高机器人的自主性，能够有自己的思想。人只需给出任务，机器人能够自己策划完成该任务的步骤然后执行。第二点是要提高其自适应性，即能够自动适应变换的环境。而在当今世界机器人发展情况来看，美国是最早开始对机器人技术的研究，并且一直领先于其他国家，并且已经将人工智能技术作用于航天、汽车等工业中。日本由于早期政府一系列的扶持科技发展的政策，机器人技术得到了迅速发展，已经成为当今世界最大的工业机器人生产国家。同时欧洲各国在智能机器人领域的研发也在世界前列。中国的机器人产业虽然起步较晚，但之后也得到了迅速发展。政府连续推行相关政策例如“七五”、863计划。这些政策都对国内的Robot产业都起到了扶持作用。而现如今的“中国制造2025”战略计划更是让中国机器人产业进入了发展的黄金时期。1.3 现阶段发展的主要困难（Main Difficulties at This Stage）1.3.1 目前检测技术的瓶颈尽管罐道检测的静态和动态技术已完善很多，但是仍有很多理论和实际上的缺陷，以及技术上的不足之处。现阶段罐道检测发展所面临的主要困难有以下几点：（1）动态、静态两种检测方法都没有具体、规范的系统，缺少更多的理论依据，这限制了更多的检测方法的开发。（2）两种方法都更偏向于理论的研究，与实际罐道情况的代入会存在较大偏差，有些方案实际操作并不可行。（3）传感技术极大地限制了罐道检测的精度，从而对罐道检测结果的分析造成很大的影响，不能得出更准确的结果。（4）传统方法对罐道现场布置要求较高，并且需要人员手工操作，既容易有安全隐患，检测精度也不高。1.3.2 移动机器人发展所遇到的困难目前中国的移动机器人产业虽然在各项政策的支持下发展较为迅速，但是要想迅速追赶或者说反超那些已处于机器人技术发展前列的国家，还是存在着较大的困难的。首先对于先进科学技术、制造能力而言，中国与那些发达国家还有一定差距，所以我国仍面临着巨大的技术考验。移动机器人的一些核心技术、核心专利几十年来一直都由外国所垄断了市场。组成一个完整的机器人需要有三个核心部位零部件，即控制器、伺服电机和减速器。然而这些地方我国依然和世界最顶尖的企业有一定的差距，三种核心要素的成本占到一个工业机器人的70%以上。目前中国自主品牌占有我国本国市场的份额不足30%，而且大部分为低端的机器人。在汽车领域，国产的工业机器人市场占有率几乎可以忽略。而大部分市场份额，依然被ABB、库卡、安川等跨国公司占领。我国机器人企业在研发过程中，这些关键部位的零部件一直依赖进口，国内还尚未有厂家能够做出精度达到要求的类似产品。这些种种原因造成了机器人使用与研发成本过高，从而限制了国内机器人技术的发展。1.4 图像处理算法介绍（Introduction to image processing algorithms）1.4.1 Python语言简介Python是一种新兴的开源性计算机语言，由于利用python进行各种数据、图像计算速度很快，语言语句结构简单让人易懂易上手，所以在如今很多领域中备受开发者的青睐。此外，Python程序的运行采用解释运行方式，即编写完成后不需要像其他语言那样先进行编译再运行，二是可以直接通过解释器执行，是一种动态性语言，很大程度上提高了开发者写代码的效率。此外Python还是一种完全面向对象的语言，其有以下几大优点：（1） 易于学习：Python语法很简单，不像其他语言那样需要了解很多的结构形式，让人容易理解并上手。（2） 易于阅读：Python编写代码时对代码的缩进对齐有很高的要求，这也使得其代码有很好的可读性，代码定义得更清晰。（3） 有齐全的符合标准的库：Python最大的优点就是其具有特别多的程序库做支撑，并且与其他平台都能够完美兼容。（4） 可扩展：你可以用其他语言先完成一些关键代码的编写，再与python中进行调用。正是由于Python有诸多优点，所以它在计算机领域中越来越受重视，逐渐成为互联网从业者使用的主流语言。1.4.2 OpenCV简介OpenCV是一个在图像处理领域极具代表性的视觉处理库，具有跨平台的特性，可以运行在大多数的操作系统上。它的底层程序是由C+计算机语言编写完成的，并可为其他众多语言所调用。OpenCV-Python 是OpenCV 为python 特别定制版本。它最大化程度上结合了其原c+版本和python语言的优秀特征。Python中众多库之一的Numpy的支持使OpenCV在python中的使用变得更加方便。Numpy是一个高度优化的数值操作库，它结合了Matlab语言的优秀语法特征。在python语言中无论你用Numpy做什么操作，你都可以把它和OpenCV 结合起来，这在实际运用中非常有用。目前OpenCV功能包括以下几个部分：（1） cxcore:一些基本的运算函数；（2） cv：是实现图像处理功能的核心板块；（3） ml：机器学习模块；（4） cvaux：包括一些实验性的函数；（5） highgui：用户交互部分1.4.3 灰度摄像头所拍摄的图像正常为彩色RGB图像，即每个点的亮度256256256 种可能，若用RGB图像作为处理对象则计算量实在太大，处理速率会很慢。模型中，如果R=G=B，则此时呈现的为灰色，此时R=G=B的值就是灰度值。所以灰度图像每个像素不再需要三个字节分别存放3个方向上的亮度值，而是仅需要一个字节来存储该像素的灰度值，如此一来计算量与RGB图像相比无疑会减小很多，处理速率相对提高。所以我们需要对摄像头所拍摄的图像先进行灰度化处理以便后面的工作进行。1.4.4 图像滤波由于相机是在罐道内阴暗的环境中拍摄的照片，图像上会产生很多噪声。图像滤波，就是需要对图片中的这些噪声点进行过滤，同时又要做到最大限度内不对原来的图像中的有效信息造成影响。这是在图像处理工作中十分重要的一个环节，因为其处理效果会直接影响到后续处理分析的可靠性。目前常用的滤波方式有以下几种：（1）中值滤波：这种方式的原理与裁判评分方式有点类似，即认为最高值和最低值是无效值，再用其他数值的均值作为参照。但是实际上这种方法在滤波过程中过滤掉的不仅仅有噪声点，还有图像的边缘等有效信息等，所以中值滤波经常会造成图像一些线段等信息的丢失。（2）高斯滤波：这种方式是一种线性的滤波方法，由于高斯噪声是图像中经常出现的噪声，所以高斯滤波也得到了最广泛的应用。其原理是利用加权平均算法对点本身及领域内其他像素值进行计算，从而得到图像中每一个像素点的值。 （3）双边滤波：这种方式的原理是对图像中的像素点与周围点做折中处理，但又在算法中加入了对点的灰度相似性的考虑，从而做到了能够有效保留图像边缘信息又能够去除周围噪声点。几种滤波方式效果如图1-2，图中最左边为待处理图像，剩下的从左至右依次使用的滤波方法是中值、高斯、双边。图1-2 各滤波方式效果图Figure 1-2 Effect diagram of each filtering method1.4.5 Sobel算子Sobel算子它是一种通常被用于图像增强和边缘检测的较为方便的算法。其原理是通过计算图像明暗程度的近似值，根据图像边缘旁边明暗程度把该区域内超过某个数的特定点记为边缘。Sobel算子定位的边缘较为准确，常用作噪声较多的图像边缘检测的算法。其算法模板如公式所示，其中dx为水平计算矩阵，dy为垂直计算矩阵。1.4.6 基尔霍夫直线变换OpenCV库中基尔霍夫函数利用了限定特征提取的方式来对有明显特征的信息进行识别。起初Hough变换只是用以识别出图像中的直线信息，后来又发展为能够识别任意规则形状（尤其是圆的检测）。Hough直线变换作用是将图片上扫描到的一定宽度内亮度相近的点视为一条直线上的点并进行拟合。该函数有两种形式，一种为HoughLinesP函数。函数中可对检测点的区域宽度和线段长度阈值进行限制，即只有集中在直线周围某一宽度内的点才会被记入在这条直线上，和只有长度超过一定像素的线段才会被标定为一条直线。该函数的返回值有四个，是检测到的直线起点和终点的像素横纵坐标；第二种为HoughLines函数，该函数是利用极坐标的形式进行的直线检测。函数的返回值为一个表示直线起始点个终止点的极坐标的二维矩阵。并且函数中可以对检测直线的和的精度以及累加器阈值T作出限制。图1-3为图像处理中基尔霍夫直线变换的一个应用效果图。图1-3 基尔霍夫直线变换效果图Figure 1-3 Renderings of Hough linear transformation1.5 课题设计要求和主要研究内容（Design Requirements and main research content）1.5.1 设计目标本课题为基于机器视觉的罐道检测机器人设计，主要是基于静态检测法，利用移动机器人的灵活优势，能够在不需要人员亲自下罐道的情况下，对罐道进行检测。利用机器视觉和图像处理技术检测罐道是否存在缺陷，并编写小车控制程序以达到小车无线遥控的功能。1.5.2主要研究内容本课题的主要研究内容包括：（1）移动检测小车的总体机械结构设计参照AGV移动小车的结构，并根据实际功能的需求，增加相应的结构设计，使其能够满足设计要求，并能够适应工作环境，拥有良好的可靠性和通用性。结构尽量做到简单美观。（2）相应的电气系统选型设计对罐道检测小车的电机驱动模块、无线遥控模块、电源供能模块以及根据检测对象确定的传感器件进行选型设计，使小车能够完成遥控行走、检测等工作，并拥有较高的控制、检测精度，以及较长时间工作的能力。（3）相应的控制系统软件设计对选用的电气驱动、无线传输模块进行编程，能够让小车实现用遥控器遥控其执行前后左右行走及停止的功能。 （4）图像处理部分的软件设计通过编程，利用python或其他计算机语言对小车所获得的罐道内图像进行处理，使其能够识别出罐道并检测出缺陷大小情况，并将所得结果以数据形式呈现。702 总体设计2总体设计2 The Overall Design2.1机械部分设计（Mechanical Design）本次设计的目标是工作于矿井罐道井筒内对立井罐道进行检测的移动小车，机械设计主要分为两部分：小车底盘设计和升降式摄像相机搭载平台设计。由于小车所处的工作环境在矿井的罐道井筒内，通风效果较好，且小车只用于科学检测，不会长时间工作，所以对于防爆要求并不是很高。但是由于矿井井筒内经常会存在较多金属碎屑或煤矿煤渣，为防止井筒运行过程中因为抖动溅入小车车体内对元器件造成损坏，所以小车车体需要做密封式设计。并且由于罐道内环境有时较为潮湿，为了防止罐道渗水滴落损坏电路等，小车也理应做出相应的密封处理。2.1.1 车体部分设计本次设计的小车是用于检测的实验性小车，所以小车的总体重量不宜过重。设计中小车的车身材料都为性能优异的铝合金材料。铝合金材料具有密度低，能够减轻车体负担；强度高，保证整体稳定性；兼顾较好的塑性，能够被加工成任意形状等优点，另外还具有较好的导热能力和耐腐蚀能力，在工业中铝合金材料已被广泛用于车体的制作中。设计中小车的底盘和前后车壁为一体化设计，底盘和左右车壁之间采用角钢和点焊的形式进行连接，上端盖与车架采用角钢及螺栓的形式连接。小车的底盘部分设计中，参考到目前国内金属矿井下轨道之间的距离通常有600毫米、762毫米以及900毫米这三种规格，所以小车的底盘宽度加上小车车轮的总宽度需要小于600 mm。2.1.2 车轮的选择目前移动小车的主要运行方式根据小车车轮的选用分为两种形式，即麦克纳姆轮和差速轮。麦克纳姆轮驱动是一种新型的能够实现所有方位移动的驱动方式，它基于的原理是：在中心轮上有许多小轮轴，在移动时它们能够通过一定角度将各自不同方向上的力最终合成在任何要求的方向上，从而能够实现任意方向移动而不改变自身的方向，利用这项技术可以使小车的运动变得十分灵活。但由于麦克纳姆轮的太易于磨损，磨损成本很高，且本设计中小车工作时需要停在井筒内无需进行移动，对灵活性要求并不高，所以不采取麦克纳姆轮的设计，转而采用差速轮的结构。差速轮的运动系统是靠左右两个驱动轮采用两台动力系统，利用两轮转速不同来完成转向的原理。与麦克纳姆轮相比，虽然灵活性较差但是不易磨损，成本低，是理想的选择。考虑到本课题中小车主要完成的是检测任务并非载重任务，再结合工作环境的因素，此处选择使用两个驱动轮和两个万向轮支撑的设计方案。2.1.3 升降部分设计搭载摄像机、传感器的升降式平台设计采用电机带动丝杠传动的形式。采用丝杠传动的顶升装置在工业应用中十分常见，其拥有精度高、设备体积小等优点。丝杠是一种能够将两种运动形式进行转换的一种传动机械，即旋转方向的运动转换成直线方向上的运动。其工作方式分为螺母固定丝杠运动和丝杠固定螺母运动两种。本次设计中采取电机带动丝杠轴转动，螺母连接升降平台实现竖直方向上的直线运动的方式。这样设计可以有效降低重心，将电机直接固定在小车底盘上，加强小车的运动平稳性。2.1.4 支撑结构设计由于不能将整个升降平台的重量都落在电机上，所以还需要有丝杠轴的固定外壳设计，将丝杠轴、螺母、轴承和搭载平台的重量转让给小车的上盖板承载，并且小车上盖板还需要承载锂电池电源的重量，出于结构及安全设计，需要在小车底盘和上盖板之间使用立柱进行支撑，立柱与两端面之间用螺钉进行连接。此外小车还应当在做好防潮保护的同时考虑到电源充电的方便性，另外还要注意底盘高度不宜过低、结构尽量做到对称性及美观等方面的考量。最终作出的小车的大致总体结构模型如下图2-1（上盖板及各车壁连接的角钢、螺钉已省略）：2.2 电控方案的选择（Selection of Electronic Control Scheme）考虑到小车实际使用时需要人工对小车的位置角度以及摄像平台的高度进行现场调节，为了提高使用时的方便性，本次设计中我们采用单片机控制丝杠电机、单片机和上位机共同控制两个驱动电机的方式。即设计无线遥控器使其能够发送控制指令对单片机进行遥控以控制小车的移动和相机搭载平台的高度位置调整；并且还能够通过上位机向工控机发送信号来驱动小车移动。据此我们选择51单片机作为小车驱动部分的控制系统。根据设计思路，初步确定小车电机的驱动部分需要以下几个模块，图2-2、图2-3为无线发射器和小车内部驱动系统原理图。图2-2 下位机接收控制模块图Figure 2-2 Schematic diagram of wireless receiving system图2-3 无线遥控器模块组件图Figure 2-3 Wireless remote control module component diagram2.3 上位机和下位机的局域网构建（The Construction of Cocal Area Network）根据设计内容可确定上位机和下位机主要是通过wifi无线通讯来进行数据的双向传输，两者进行数据传输需要处于同一个局域网内。但是由于矿井罐道通常深度为500米或600米，最深的可达甚至1000米，这远超出了一台设备可创建的局域网覆盖范围，并且矿井罐道中也并没有设置局域网，所以还需要利用现有技术手段解决上位机和下位机相隔数百米还能共处于同一个局域网内的问题。本设计中采用的是利用无线网桥和路由器组合搭建一个局域网的方案。无线网桥是一种能够将两个无线网络进行桥接的仪器。无线网桥在实际工程中的架设方式按照形式分为以下几种：（1）点对点桥接形式点对点型，即两网络之间“直接传输”。无线网桥设备可以连接两个相隔很远距离的网络。设备一般包括两个桥接器以及两个天线。两个设备的天线需要做到面对面放置，再使用电缆、网线把设备之间进行连接就行。（2）中继形式中继方式就是通过中间过度方式进行“间接传输”。例如P、Q两点之间有障碍物阻挡看不见放的位置，但两点可以通过M点间接进行传输。另外P、M两点以及Q、M两点之间都满足上述无线桥接的要求，便可采用中继形式。将M点设定做中间点，P、Q各按照第一种方式和M点之间把设备按要求进行摆放。M点的布置方式有三种：一是如果距离不长就架设一个网桥和一面全向天线；二是若M点用无线网桥的型号是单点对多点，在M点处把两块网卡插在无线网桥上，再分别连接天线，让它们对准P点和Q点；三是直接布置两个网桥和两面定向天线。（3）点对多桥接形式点对多点传输模式其实也是第一种方式演变过来的，通常用一个接收器对应多个发射器，适用于距离不远、分布较密集的情况。由于本次设计中只有两台设备，且罐道井筒与井口竖直无遮挡物，所以此处采用点对点的架设方式。而局域网络搭建过程如下：先由路由器1搭建一个局域网，再把两个路由器的IP地址设置为相同的，并将DHC选项关闭，那么两台路由器的连接设备便可处于同一局域网内。但是要注意的地方是，两台无线网桥的架设必须要面对面架设，及网桥设备需要一直保持“面对面”的摆放方式，且中间不可有遮挡物阻碍无线电波的传输，所以我们需要将网桥1保持悬放在井口，网桥2放于罐道提升容器的顶部，上位机接入放于井口的路由器1的局域网络，下位机即小车接入放于小车内的路由器2的局域网络，此时两者可实现在同一局域网络内进行数据的无线传输。具体器件布置可参照图2-4。图2-4 网桥布置示意图Figure 2-4 Schematic diagram of bridge layout5 控制方案设计3 机械部分设计3 Mechanical Design3.1 目标参数（Target Parameter）本课题旨在设计一辆在立井罐道井筒内工作的罐道检测小车，小车应灵活美观，能工作一定长度的时间，并具有一定的防潮防爆功能。小车主要参数如下：行驶速度1 m/s加速度0.5 m/s2工作时间2 h可运行坡度15o3.2 车体基本结构设计（Structure design）小车主要分成两层，下层放置工控机、电机、驱动器以及电源模块等，由于需要有一定的防潮防爆功能，所以下层车体结构为封闭式；上层主要放置摄像头和传感器组，即激光距离传感器、超声波传感器。小车主体为长方体，主车身尺寸参数初定为 500400150mm。外壳为可拆卸式，通过角钢和螺钉与底盘框架进行固定。且小车正面需留有可以露出工控机开关和各类接口的孔以便于连接键盘、显示屏等对工控机进行设置，另外还有装锂电池的外壳需要留有充电孔。车身还需要起到其上零部件的支撑作用，有一定强度要求，所以材料选择铝合金，其优点是密度小且强度高，可做强化处理和喷漆处理获得良好的耐腐蚀性能。车轮则采用两个驱动轮和两个万向轮四角布置。3.3 驱动部分设计计算（Design of Driving part）3.3.1 驱动轮设计首先已知橡胶与铸铁之间干摩擦时静摩擦系数为0.8-0.9，考虑到环境的影响，取静摩擦系数=0.7。则小车横向摩擦阻力加速度a = g= 7m/s2 5m/s2，不会产生横向滑动，所以车轮材料选择常见的聚氨酯橡胶材料。考虑到环境条件较为恶劣，且小车速度较低，所以选择实心轮胎。而轮胎越宽，抓地力越大，制动效果就越好；但同时阻力也更大，产生更多噪音。本课题中小车工作在矿井罐道中，对噪音没有要求。综合上述条件来看，最终决定驱动轮采用聚氨酯材料实心轮胎，轮宽40 mm，直径160 mm。3.3.2 驱动电机选型计算（1）驱动力与转矩的关系移动小车行驶时，小车克服地面给它的阻力向前行驶，电机转动提供的力矩 Tq经过减速机后增大，变为减速机输出的转矩Tt：Tt=igTq（3-1）式中：Tt输出转矩；ig减速机减速比；电机轴经减速机到驱动轮的效率；Tq电机输出转矩；驱动轮转动时，会受到地面对它的一个推力Ft，它的值就等于驱动力。所以驱动力大小为:Ft=TtRq（3-2）式中：Rq驱动轮半径；（2） 驱动力计算小车在行驶过程中需要克服的力有滚动、空气阻力。但是小车受到阻力最大的时候为刚起动的时候，此时所受到的静摩擦力最大。因此计算小车的起动阻力即可。其中，Ff为最大静摩擦力，Fw为空气阻力，Fi为坡度阻力。Fj表示加速度阻力。因此车辆运行的总阻力为: F=Ff+Fw+Fi+Fj （3-3）小车的静摩擦力Ff的计算：Ff=P= （3-4）式中:为最大静摩擦系数。车轮的材料选择聚氨酯橡胶，静摩擦系数在0.80.9之间，结合本课题小车实际工作环境，取静摩擦系数=0.7进行计算。P为小车重力。已知小车外壳为铝合金材料，其密度为2.85103 kg/m3。小车主体尺寸为 500400156 mm，四壁及上底板厚度为2mm，下底板厚度为3 mm，考虑余量后则材料体积约为210-3m3，重6 kg，加上车轮、其内配件等，小车估重30kg，所以P取300N。则Ff=P=0.7300=210 N加速阻力Fj的计算： Fj=ma（3-5）已知m= 30 kg，a= 0.5 m/s2；则Fj=ma=300.5=15 N坡度阻力Fi的计算：Fi=Psin（3-6）式中：为坡度角。由于本课题中小车工作路面可能会出现不平整，所以取坡度角=15o。则Fi=Psin=300sin15o=78 N空气阻力Fw的计算：Fw=-KV（3-7）式中：K是小车受到的空气阻力系数，值为：K=V2CDA/2 (式中：是空气的密度，V是小车移动速度，CD是空气阻力系数，A为汽车迎风面积)；此次小车的最高时速为1m/s并且迎风面积不大，所以Fw对小车的影响可以忽略。所以Fw=0 N综上所述，小车的总阻力F=Ff+Fw+Fi+Fj=210+0+78+15=303 N即总驱动力Ft=303 N，则单个驱动轮驱动力矩Ft=151.5 N。（3）电机转矩的计算小车行驶平均功率 Pt=Ftv=3031=303 W电机功率Pq=1nPt（3-8）式中：n为驱动电机数。课题采用差速驱动，n=2；为从电机到减速机最后再到驱动轮的累积效率，先估值大小为0.85。所以Pq=1nPt=123030.85=178.2 W考虑工作余量，取Pq=250W。则单个驱动轮力矩：Tt=FtRq=151.50.08=12.12 Nm则电机转矩Tq=Ttig（3-9）估取ig=20，=0.97。则Tq=Ttig=12.12200.97=0.62 Nm（4）驱动电机、减速器的选型由计算可知电机的大概参数为：电机功率Pq=300 W；电机转矩Tq=0.62 Nm；减速机减速比ig=20；驱动轮最高转速 nt=vD=10.16=119 r/min；电机最高转速 n=ntig=11920=2380 r/min；综合以上数据我们选择了德马克公司的DSBLD300-24GU-30S直流无刷减速电机，其搭载的减速器型号为5GU20K，减速比为20，搭配BLD-750驱动器。电机详细参数如下表3-1：表3-1 电机参数Table 3-1 Motor parameters名称数值型号DSBLD300-24GU-30S功率300 W电压24 V额定转速3000 r/min减速后额定输出转速150 r/min额定电流15.63 A额定转矩0.96 Nm减速后转矩12.61 Nm重量2.2 kg3.3.3 键的选择及校核根据电机的减速器输出轴轴径d=15mm，查机械设计手册书上的表11-1，此处选用 5525型号的平键连接。查机械设计手册得知，普通平键的许用挤压应力 p=100 MPa。键所受最大挤压应力：p=4Tmaxdhl（3-10）式中：l为键的工作长度， l=L-b=25-5=20 mm；d为电机轴直径，d=15 mm；所以p=4Tmaxdhl=436015520=0.96 MPa p ,校验合格。3.4 垂直升降装置设计（Design of Vertical Lifting Device）3.4.1 基本参数：轴向承受压力：（摄像机、传感器、保护壳、搭载平台、滑块等）m1+m2+m3+m4 = 0.6kg + 2kg + 0.3kg + 0.08kg = 3kg搭载平台移动速度：v = 0.05 m/s = 3 m/min 加减速时间：t1=t2=0.5 s加速度: a = 0.1 m/s搭载平台上升行程：l = 300 mm综合考虑采用电机驱动丝杠旋转的设计形式。3.4.2 丝杠设计查资料可知梯形螺纹旋合面为锥面，不易松动滑落，此处选择梯形螺纹作为丝杠螺纹。螺杆材料为了保证强度，一般用 45 钢，再经过调质处理。查国标GB/T699-1999可知，45钢屈服极限 s=355 MPa,抗拉强度Rm=600 MPa，抗弯强度EI=400 MPa。而螺旋材料许用应力= s3-5=118-71 MPa，此处取= s4=88.75 MPa；查表6.1-15得知，45钢的容许剪切应力=0.6=53.25MPa，以及容许弯曲应力b=（11.2），此处取b=1.1=97.63MPa。螺母材料选择ZCuAl10Fe3青铜材料，查现代机械传动手册表12-1-10可知，b=40-60 MPa, =30-40 MPa，此处取b=50 MPa，=35 MPa。另外查表12-1-9可知，钢对青铜材料在速度为0.05 m/s时许用压强p=11-18 MPa，此处取p=12 MPa。轴向载荷 Fa： F=K(mg+ma+f)（3-11）式中：K为系统冲击系数，考虑到小车在罐道内随井筒上升存在中等冲击，取K=1.2；mg为螺母所承载的轴向压力，此处mg = 30 N;f为滑块和导轨之间摩擦力，由于本设计中导轨为竖直放置，理论f应为0N。但为防止小车颠簸时造成滑块出现卡死，此处取f=5N；所以F=Kmg+ma+f=1.230+30.1+5=43 N预设电机转速n=1000 r/min，已知丝杠速度v=0.05 m/s=3 m/min，则丝杠导程 P=vn=31000=3 mm。根据梯形螺纹的耐磨能力的设计计算式为: d2Fp（3-12）式中：d2为螺杆中径；为螺纹型式系数。梯形螺纹时的值大小为0.8；F为轴向力；为螺母的长度l和螺杆中径d2的比值大小。当螺母是整体式螺母时，=1.2-1.5，此处取1.4;p为材料许用压强，p=12 MPa。所以d2Fp=0.8431.412=1.28 mm螺杆光杆直径d需满足： Fd24b（3-13）式中：F为轴向力；b为材料抗拉强度，此处b=600MPa。所以 d4Fb=0.3 mm根据螺距p=3 mm，参考国标GB5796.3-86，并考虑到方便轴承的安装等，最后选择梯形螺纹的公称直径大小为d=22 mm。中径d2=20.5 mm，大径D4=22.5 mm，小径d3=18.5 mm，D1=19mm。螺距p=3 mm。螺纹精度为7级精度，单线，螺旋升角=30o，工作长度为377 mm。螺母旋合长度 l=d2=1.420.5=28.7 mm (整体式螺母取1.4)螺母旋合圈数 m=lp=28.73=9.6 ，满足自锁条件。式中：f为螺杆和螺母之间的摩擦系数，查机械设计手册中表12-1-7，45钢制的螺杆与青铜制螺母之间的摩擦系数f大小为0.08-0.1，此处取大小为0.09。3.4.3 丝杠校核（1）螺杆强度校核：传递扭矩 Mt： Mt=d2Ftan(+v)2=20.543tan(2.67o+5.32o)2=61.9 Nmm=0.062 Nm则当量应力 ca： ca=(4Fd3)2+3( Mt0.2d3)2=(44318.5)2+3( )2=29.13 MPa小于许用应力=88.75 MPa，满足要求。（2）螺纹牙强度校核：螺杆螺纹牙剪切强度1： 1=Fd3bm（3-14）式中：b是螺纹牙底宽度，梯形螺纹的b=0.65p=0.653=1.95 mm。所以1=4318.51.959.6=0.04MPa小于材料许用抗剪强度1=53.25 MPa，满足要求；螺母螺纹牙抗剪强度2： 2=FD4bm=4322.51.959.6=0.032 MPa小于材料许用抗剪强度2=35 MPa，满足要求；螺杆螺纹牙抗弯强度b1： b1=3Fhd3b2m=3431.518.51.9529.6=0.91 MPa 小于材料的许用抗弯强度b1=97.63MPa，满足要求；螺母螺纹牙抗弯强度b2： b2=3FhD4b2m=3431.522.51.9529.6=0.075 MPa小于材料的许用抗弯强度b2=50 MPa，满足要求。（3）螺杆稳定性校核：螺杆的柔度r： r=Lwi（3-15）式中：为螺杆的长度系数，查现代机械传动手册表6.1-17可知，两端固定时=0.5；Lw为螺杆最大工作长度，设计中Lw取377 mm；I为最危险的横截面的惯性半径， i=d34=18.54=4.625 mm；所以r=Lwi=0.53774.625=40.7 由现代机械传动手册表6.1-16可知，当 r2.54, 所以满足要求。（4）螺杆刚度校核：螺纹导程由于轴向力导致的变形量F：F=4FPhEd32=44332.0710518.52=2.3210-6 mm式中：E为材料的弹性模量，45钢 E=2.07105 MPa;力矩Mt导致的变形量T：T=16MtPh22Gd34=1666.9328.310418.54=110-7 mm式中：G为材料的切变模量，45钢G=8.4104 MPa；每个螺纹导程的总变形量：=FT=2.4210-6 mm (当轴向力与运动方向相反时取加号)。所以单位长度变形量：=Ph=2.4210-63=8.6710-7=(56)10-5，（通用场合中取(56)10-5）所以螺杆刚度合格。（5）螺杆横向振动校核：临界转速n0：n0=6012i2L21000E（3-17）式中：L为螺杆两支承之间的距离（mm），设计中L=395 mm； 1为支承系数，查表6.1-17得知，两端固定时1=4.73；为材料密度，45钢密度为=7.810-6 kg/mm3。所以n0=6012i2L21000E=604.73218.542395210002.071057.810-6 =3.26104 r/min工作转速n的校核： n=10001.25（3-22）式中：Tmax为电机瞬时最大扭矩，此处Tmax=0.955 Nmm;TL为丝杠扭矩，TL=0.062 Nmm；所以TmaxTL=0.9550.062 1.25，满足要求。（2）转矩校核：螺旋丝杠转动惯量 Js=d4l32g=0.02247.81030.4433210=8.010-6 kgm2联轴器的转动惯量 Jg=2.210-6 kgm2换算到电机轴上 Jm=Js+Jg=1.0210-5 kgm2电机转子惯量 J= 610-6 kgm2所以加减速时转矩Ta ： Ta=2n60taJ+ Jm=21000600.5 610-6+1.0210-5=3.3410-3 Nm瞬时最大转矩Tmax： Tmax=Ta+TL=0.062+0.004=0.066 Nm 小于电机瞬时最大转矩0.955Nm，满足要求。有效转矩Trms：加速时 T1=Tmax=Ta+TL=0.066 Nm；匀速时 T2=TL=0.062 Nm；减速时 T3=TL-Ta=0.058 Nm；所以有效转矩Trms： Trms=T12t1+T22t2+T32t3t1+t2+t3=0.06620.5+0.6222.5+0.5820.50.5+2.5+0.5=0.062 Nm小于电机的额定转矩，满足要求。3.4.7 联轴器的选型参考伺服电机与螺杆两连接轴直径，选择米思米单膜片型联轴器，型号为MCSSCWK25-8-10,联轴器主要参数如下表3-5：表3-5 联轴器参数Table 3-5 Coupling parameters名称数值d1、d28mm、10mm容许扭矩2.8 Nm容许偏角1o惯性矩2.210-6 kgm2最高转速5000 r/min重量24 g3.4.8 键的选型与校核（1）电机输出轴与和联轴器所选用的键的选型与校核根据电机输出轴的直径d1=8 mm，参考表11-1，选用A型普通平键，尺寸大小为 bhL=226 mm。键所受挤压应力p： p=4T1dhl（3-23）式中：l为键的工作长度，此处 l=L-b=6-2=4 mm；所以p=4T1dhl=40.0660.0080.0020.004=4.13 MPa小于材料挤压强度p=100 MPa，校验合格。（2）丝杠与联轴器键的选型和校核由丝杠轴直径d2=10 mm，参照手册选普通A型平键，尺寸大小为bhL=336。 键的工作长度为l=L-b=6-3=3 mm。键所受挤压应力 p=4T1dhl=40.0660.010.0030.003=2.93 MPa小于材料挤压强度，校验合格。3.4.9 导轨的选型根据负载重量及外形尺寸等情况，最终我们选用米思米微型直线导轨，具体型号为SSEBZ20-406（如图3-1）。图3-1 导轨示意图Figure 3-1 Guideway schematic导轨的基本参数如下3-6：表3-6 导轨参数Table 3-6 Rail parameters名称数值长度406 mm基本额定动载荷2.2 kN基本额定静载荷3.3 kN滑块重量（单个）0.004 kg导轨重量（单列）0.61 kg/m4 电气部分选型设计4 Selction and Design of Electrical part4.1 总体设计思路（Overall Design ideas）本次设计中除了机械部分外，电气系统也十分重要。根据设计，我们需要选用工控机来采集存储拍摄的照片和传感器数据，并用软件进行图像处理；需要选用单片机对小车的移动进行无线遥控控制；需要选择电机驱动小车移动以及丝杠转动；还需要选择电源模块对小车各元件进行供电等等。具体电器元件选型如下：4.2 控制芯片（Control Chips）由前文可知本次设计电机驱动由单片机单独进行控制，并需要设计无线遥控器对其进行遥控操作。本次设计中小车内被控部分单片机芯片型号选用AT89C52。AT89C52单片机芯片的内部载有8k字节、能够让使用者反复擦写很多次的Flash PEROM和256 字节的RAM。AT89C52单片机在电子行业中得到了广泛使用。AT89C52单片机芯片引脚如图4.2-1所示。其基本功能主要包括：（1）遵从MCS-51标准的指令系统和相关电路引脚的功能；（2）拥有32个双向I/O串口，全部都是可自主编程控制；（3）256x8 bit内部RAM；（4）可编程UART串行通道；（5）集成了8个中断源；（6）三级加密程序存储器；（7）3个16位计数/定时器；（8）低功耗空闲和掉电模式；（9）软件设置睡眠和唤醒功能；图4.2-1 AT89C52引脚图Figure 4.2-1 Pin diagram of AT89C52图4.2-2 AT89C2051引脚图Figure 4.2-2 Pin diagram of AT89C2051至于遥控部分的单片机芯片，考虑到遥控器体积较小，并且并不需要很多引脚实现太多功能，只需要型号我们选择AT89C2051。AT89C2051是一个带有2K 字节EEPROM的单片机。事实上，AT89C2051单片机其实就是AT89C51型号的简化版，由于减少了引脚数从而降低了其成本和价格，对于不需要太多引脚功能的电路设计来讲AT89C2051相比于AT89C51是个更好的选择。AT89C2051单片机芯片引脚如图4.2-2所示，它的一些功能如下：（1）2.7-6V较宽的工作电压范围；（2）能够保持静态处理，且频率为0Hz至24MHz；（3）拥有15条双向I/O口线，全部都是可自主编程控制；（4）拥有2个16位定时器/计数器；（5）6个中断源；（6）遵从MCS-51标准的指令系统和相关电路引脚的功能；无线遥控部分充分利用了其串行通信的功能，将无线发射模块以及按键模块与其相接，15个可编程I/O串口刚好能够满足所需，并且只占用较小的空间。4.3 无线模块（Wireless Module）至于遥控器中所使用的无线模块的选择，目前移动小车中常见的无线遥控信号传输的方式主要有：蓝牙传输、wifi传输以及无线电波传输。考虑到实际使用情况以及成本，我们优先选择无线电波传输作为无线数据传输方式，于是需要在以下两种方案中对比作出选择：1）采用PT2262/PT2272作为无线电传输模块：PT2262/2272是一种基础型的编码/解码电路，具有功率小、价格低的优点，它是现在用于无线数据传输通信电路中最常用、最基础的芯片之一。芯片最多可有十二位3态地址用来设定管脚,并且最多能够提供五十多万个不同的地址编码。PT2262最多可有六位数据端管脚,设定的地址码和数据码从十七引脚通过串行进行输出。编码芯片PT2262是编码芯片，其发出的信号由三个部分组成。分别是地址码、数据码以及同步码。而PT2272接收到信号后，需要先对其地址码进行2次检查，vt引脚继而会输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平。前者每次发送编码信号时至少需要发送含有4组数据的码，由于在无线数据传输时，字码组1经常性地会受到低电平的影响，从而造成错误的编码。图4.3-1、图4.3-2为PT2262/PT2272引脚示意图。图4.3-1 PT2262引脚图图4.3-2 PT2272引脚图Figure 4.3-1 Pin diagram of PT2262Figure 4.3-2 Pin diagram of PT22622）选用PTR2000无线模块作为无线数据传输模块：PTR2000无线模块芯片拥有很好的传输能力，在业界得到了广泛的使用。其最大的特点是它需要的外部配合的电气元件非常少，使用起来十分便利。PTR2000在它的芯片内部高度集成了频率放大发射电路、频率放大接收电路、FSK调制/解调电路、功率放大电路等众多功能，是目前来讲集成度最高的无线数传模块之一。以往人们想要实现产品之间的无线数据传输通常都需要价格较为高昂的无线设备或者需要专业的无线领域知识进行设计，而且传统的电路方案又由于电路太过复杂并且调试过于困难从而让人们感觉无可奈何，从而影响了人们的使用和关于无线数传产品的研发。就是因为PTR2000模块的出现，使人们想要做相关设计时不需要再对无线电路设计产生太多困扰。其拥有的众多优点让该模块备受需要设计便携移动遥控产品的人们所青睐。该无线收发模块的主要特征如下：（1）该器件能同时实现接收和发射两功能； （2）模块无线电频率时国际通用频段433MHZ； （3）具有很强的抵抗噪音干扰能力； （4）频率稳定性好； （5）灵敏度高，更准确; （6）功耗小，更节能； （7）有两个频道，以防需要多信道通信的需求； （8）工作速率高; （9）数据发送、接收距离远（可至一千米）；图4.3-3为PTR2000芯片的产品引脚图：图4.3-3 PTR2000模块引脚图Figure 4.3-3 Pin diagram of PTR2000两种方案对比考虑之后，最终选择使用PTR2000无线传输模块作为无线遥控的无线模块。4.4 电机及驱动模块（Motor and Drive Module）前文计算部分我们已选定车轮驱动电机和丝杠驱动电机。两个车轮驱动电机型号为德马克DSBLD300-24GU-30S直流无刷减速电机，其搭载的减速器型号为5GU20K，减速比为20。丝杠驱动电机选择德马克40M-R3230A5-E直流伺服电机。已知设计中小车的驱动方式采用差速驱动的形式，两个驱动轮连接两台电机进行驱动，并通过编写相应的控制程序来对两台电机的转向和转速进行控制以实现小车的移动功能。由于小车的移动控制精度需求较高且直流无刷电机控制较为复杂，所以我们选用官方配套的专供直流无刷电机使用的电机驱动器BLD-750。BLD-750电机驱动器由广东一能公司生产。对于额定功率不高于七百五十瓦的三相直流无刷电机都可以用它作为驱动电机的驱动器。其内部具有优异的管理控制电路，拥有产生噪声较小、使用过程中振动较小等特性。并且内部芯片能够实现产生PID电流和利用对电流、电压、温度的检测对电路进行保护的功能。此外，这款驱动器调节电机的转速除了可以用PWM脉冲调节，还可以实现手动旋钮调节恒定转速以及用上位机模拟的电压进行速度调节。图4.4-1为BLD-750驱动器的接口示意图。图4.4-1 BLD-750接口示意图Figure 4.4-1 Interface diagram of BLD-750而与丝杠连接的直流伺服电机则采用L298N芯片作为电机驱动模块。L298N是一款能够接受可达46V较高输入电压的电机驱动模块，并它可以不同种类的电机如直流电机和步进电机。一片L298N驱动芯片可同时控制两个直流减速电机做不同动作，驱动电压可变化在4.8V到46V的电压范围内，并且芯片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。而对于丝杠电机转速的控制，我们采用PWM控制，通过对模拟信号（方波信号）的高电平占空比进行调节从而实现电机转速的调节。L298N芯片的具体参数特征如下：（1）逻辑控制部分输入值范围：6 7 V；（2）驱动部分输入范围Vs：4.846V;（3) 逻辑控制部分输入Iss： 36mA;（4）最大耗散功率：25W（T=75）；（5）工作温度：-25130；（6）驱动形式：双路大功率H桥驱动；图4.4-2为L298N芯片的引脚图。图4.4-2 L298N芯片引脚图Figure 4.4-2 Pin diagram of L298N图4.4-3为L298N芯片的内部逻辑图。由图中可以很直观地看出L298N芯片内部的两个H桥电路设置，H桥是一个经典的直流电机控制电路设计。L298N芯片其内含有八个三极管，每四个三极管分别组成H桥电路。通过导通位于对角线上的两个三极管来控制电机的启停；通过控制不同三极管对的通断，来控制不同电机的转向。图4.4-3 L298N芯片内部逻辑图Figure 4.4-3 Logic diagram of L298N图4.4-4为L298N芯片作用的驱动模块电路原理图。本次设计中只需要其驱动一个电机的转动，所以不需要占用芯片的所有引脚功能。具体的电路图详见电气图纸。图4.4-4 L298N实际使用电路图Figure 4.4-4 Circuit schematic of L298N4.5 传感器（Sensors）4.5.1 超声波传感器超声波传感器能够把超声波信号转变为电信号。传感器采用高频率（20kHz）的机械波作为信号，这种波对在液体、固体中的抗阻挡能力很强，会回弹于杂质、分割面处。本次设计中利用超声波传感器反射时间突变信号来确定小车所处的实时高度位置，最终选用US-100型超声波广安器，传感器的具体参数如下表4-1。表4-1 超声波传感器参数Table 4-1 Parameters of sensor 名称数值型号US-100工作电压DC 2.4V5.5V静态电流2 mA工作温度-20o +70oC输出方式电平或 UART（跳线帽选择）感应角度小于15o探测距离2cm-450cm探测精度0.3cm 1%为提高使用的方便性，选用厂商自带的RS232底板与其配套使用。图4.5-1、图4.5-2分别为US-100超声波测距模块及RS232底板示意图。图4.5-1 US-100实际示意图 图4.5-2 RS232底板示意图Figure 4.5-1 Schematic diagram of US-100Figure 4.5-2 Schematic diagram of the bottom plate4.6.2 激光位移传感器激光位移传感器是利用激光进行测量的传感器。传感器内部由以下几大部分组成：信号处理器、激光脉冲生成装置和脉冲回收装置等。激光位移传感器发射激光到障碍物时，会由于反射原理反射至其接收装置，通过计算激光射到障碍物再返回至接收器所花费的时间，从而计算出距离值，并且输出值为将上千个激光脉冲计算结果的平均值。本次设计中利用激光位移传感器接收到的突变信号结合时间来测量罐道间隙的大小，最终选择型号为KLH-01T-20hz的激光位移传感器，其具体参数见表4-2。表4-2 激光位移传感器参数Table 4-2 Parameters of laser displacement sensor 名称数值型号KLH-01T-20hz工作电压DC 33.3 V工作电流100 mA测量范围0.03-80 m测量精度 1 mm激光类型635 nm激光等级II级，1mW工作温度-20+70重量60 g4.6.3 编码器编码器是电机中将角位移转换成电信号输出的检测仪器，根据编码器的工作可以将其分为以下两大类：第一种为增量式。它先把丝杠的旋转角度转换成周期性电信号，再转变成信号脉冲数，旋转角度的大小是以脉冲的个数来判断。第二种为绝对式。它的原理可以理解为丝杠每个角度都有唯一一个专属的数字编码与其对应，最后用起始点和终止点的位置来判断旋转角度。本设计中已选择的直流无刷电机以及直流伺服电机中已配备有增量式编码器，所以在此不用进行自主选型。4.6.4 摄像头本次设计中需要用摄像机或工业CCD相机对罐道进行持续拍摄从而从图片判断是否存在罐道错位情况。此处有摄像机与工业黑白CCD相机两种形式可选，虽然后者功能能够达到要求，但是由于相机需要搭载双自由度的云台且空间尽可能小，所以此处我们可直接选择云台结构的摄像机作为机器视觉的图像获取部分。并且它还有高像素、能够连续拍摄等优点。最终选择摄像头型号为嘉腾KT-H033，其具体参数见表4-3。表4-3 摄像头参数Table 4-3 Parameters of camera名称数值图像传感1/2.7英寸CMOS彩色有效像素200万图像信号HD19201080（1080P）信号制式NTSL,PAL镜头3.1 mm（定焦115o广角）最低照度0.1 Lux信噪比50 db水平摇移355o俯仰摇移-30o +90o工作电压DC 12V重量30 g4.6 辅助光源（Auxiliary Light Source）由于小车工作环境实在地下深处的矿井罐道内，照明条件较为恶劣，为了使摄像头能够拍摄到清晰的画面我们必须借助辅助光源来进行照明。目前日常使用的光源中LED光源是最普遍的。LED光源有以下几个优点：光照强度高、不易发热、不会产生抖动、能用很长时间、耗电少。而LED光源又可分为众多种类，其中以形状分类最为常用的几种各自特点及应用领域如下：（1）环形光源：可以从不同角度进行照射，结构较为紧凑，能够减小安装空间，亮度较大；应用领域:电路板检测，电器元件检测，显微镜辅助照明，液晶面板校正等。 （2）条形光源：适合检测方形的对象，并且可以任意调节安装角度以提供不同的照射角度；应用领域:物体表面平整度、缝隙检查，裂纹检测，OLED面板检测等。（3）点光源：体积小、高效散热装置，能够有效地提高使用寿命；应用领域:芯片检测，对马克点进行定位，辅助液晶玻璃底基校正。（4）同轴光源：能够有效减小由于物体表面凹陷或凸起而产生的不明亮处；应用领域：适合照明金属、薄利等具有较高反射度的物体，辅助其表面划痕检测，马克点定位等。由于照明对象为金属罐道，结合上述各光源特征来看，最终我们选择条形光源作为摄像头的辅助光源，并将其装与摄像头搭载平台的顶部向下倾斜照明。4.7 工控机（IPC）根据本次设计的需求，我们需要在获取图片后对图像进行缺陷的识别及处理。由于51、32型单片机都不具备图像处理的能力，另外树莓派（一种微型电脑）虽然能够实现一些简单的图像处理功能，但是速度远远达不到本次设计的要求，所以在此我们需要选用小型工控机来对图像进行处理并分析各传感器所传输的数据，并且工控机需要有wifi模块用来与上位机通过局域网进行数据传输。最终我们选择极晟公司生产的MA802嵌入式插卡主机，它是一款具有高图形处理性能的工业控制主机，其具体参数见表4-4。表4-4 工控机参数Table 4-4 Parameters of IPC 名称信息处理器Intel Celeron G3900（2.8GHz） 2M缓存 2核2线程内存4GB DDR4 2400硬盘64GB 固态硬盘显卡因特尔图形处理器网络千兆有线 + 300M无线工作电压DC 12V工作温度-20 +70 工作接口RS232、RS485、接线端子航空头、加密狗、USB3.0可拓展卡GT1030系列显卡、视频采集卡、Intel多物理插口网卡等支持系统Windows 7/10、WES7、Windows 10 IoT、Ubuntu、CentOS等主体体积200mm 200mm 80mm重量2.5 kg由以上参数可知，MA802工控机的Intel 2核CPU、4GB的内存足以满足多任务的运行内存需求，Intel图形处理器也足够普通图形处理工作所需，并且众多种类的插口也满足了各传感器数据传输的需求。图4.7-1为MA802工控机的接口部位示意图。图4.7-1 MA802工控机背部示意图Figure 4.7-1 Schematic diagram of the back of MA8024.8 无线网络设备（Wireless Network Equipment）4.8.1 无线网桥如前文所述，由于本次设计中需要利用无线网桥和路由器在上位机和下位机之间构建无线局域网，所以我们需要选择一款传输覆盖范围能够满足需求的无线网桥。以本课题的研究对象即800m矿井为模型，则无线网桥的有效传输范围需要大于1000米。最终我们选择的无线网桥型号为水星MWB505。无线网桥的具体参数见表4-5。表4-5 无线网桥参数Table 4-5 Parameters of wireless bridge名称信息型号MWB505工作电压12 V工作电流1 A工作频段5.155.25GHz、5.7355.835GHz标准IEEE802.11n、IEEE802.11g、IEEE802.11b、IEEE802.3、IEEE802.3u、IEEE802.11ac无线速率867 Mbps最远传输距离5 km无线覆盖角度水平方向45o，垂直方向30o工作温度-3055壳体材质ASA工程塑料无线网桥可以达到本次设计中的传输距离和速度要求，并且它还支持IP55等级防尘防水，不会受罐道内的恶劣环境干扰。4.8.2 无线路由器至于路由器的选择由于在本次设计中路由器与各部分连接终端距离都很近，所以对路由器的覆盖范围等功能没有太大要求，只需要设有LAN接口就可以。在此我们选择淘宝上的朵点牌普通迷你单口路由器，其具体参数见表4-6。表4-6 无线路由器参数Table 4-6 Parameters of wireless router名称信息网络接口单个LAN接口无线传输速率300 Mbps供电方式USB 5V供电外形尺寸57mm57mm18mm工作模式AP模式、wifi无线路由模式等4.9 电源模块（Power Module）4.9.1 电池的选择（1）小车供电电池整个检测小车设计中，需要消耗电能的有以下几部分：小车驱动电机、丝杠电机、工控机、单片机、路由器、无线网桥、辅助光源摄像头以及传感器。此处我们主要考虑的是功率较大的电机和工控机所需的电源容量，各元件所需的供电电压及电流、功率等参数详见表4-7。表4-7 元件供电情况Table 4-7 Components power supply元件名称工作电压工作电流功率驱动电机224 V15.63 A300W丝杠电机24 V7 A100W工控机12 V5 A60W本次设计的检测小车预定的总工作时间为2h，但是又考虑到小车各模块的工作时间有很大差别，例如：小车的驱动电机只有在将小车驶入/驶出提升容器时才会使用，工作时间只占小车总工作时间的10%来算，即t1=210%= 0.2 h;丝杠电机只有在进入提升容器后调节搭载平台高度时才会使用很短的时间，t2 = 0.05 h；工控机则在整个小车工作过程中都在使用，即t3 = 2h。所以小车完成检测工作总共消耗电能W为：W=P1t1+P2t2+P3t3=15.630.22+70.05+52=16 Wh。考虑其他小功率元器件消耗的电能，则最终小车需要电源容量为20Wh的电池。目前市面上最常见的移动小车用的电池有以下几种：镍氢化合物电池、镍镉化合物电池、锂离子电池以及铅酸蓄电池四种，为了减小电池体积我们选择能量密度大的三元锂电池提供电能。而锂电池电池的选择有以下两种方案：1）每个模块单独选用一个锂电池组对其供电。这种方法供电较为简便，选定输出电压便无需额外设计降压模块电路，但是零散分布的电池会造成小车充电功能上的困难；2）直接选用一个20Wh大容量锂电池组，通过额外设计的电源分压模块得到24V、12V、5V、3.3V各部分模块所需要的电压。这种方案虽然需要自行设计降压模块，但是供电稳定、小车充电方便。综合来看，最终我们选择第二种方案，选用钜大25.2V 20Ah 16850储能锂电池，其具体参数见表4-8。表4-8 锂电池参数Table 4-8 Parameters of lithium battery 名称信息电池规格18650-7S8P标称电压25.2 V标称容量20 Ah输出24V稳压直流输出电池重量3 kg尺寸190*170*90mm（Max）锂电保护电路防短路保护、电池防过充保护、充电防过流保护、军用级防水防尘外壳（2）无线遥控器电池我们还需要给无线遥控器中的单片机和无线收发模块进行供电。考虑到遥控器体积小，且元件耗电功率小，两者所需电压都为5V，因此选用普通干电池串联，并用降压稳压电路稳定输出5V电压进行供电。4.9.2 降压稳压模块的设计已知在本次设计中电器元件有电机、工控机、单片机、传感器、辅助光源等，各模块需要的电压各不相同，所以需要设计降压稳压模块来提供24V、12V、5V、3.3V四种不同的电压供各元件使用。此处我们选择LM2596开关型集成稳压芯片对电压进行调节。LM2596系列是一款功能性很强的开关型集成降压稳压芯片，最大能够输出3A的电流。芯片内部集成了多种电器元件，其中包括频率振荡器和基准稳压器。并且还设计有能够实现限制电流大小、防电路过热等保护功能的保护电路。并且LM298N不需要太多的其他元件就可以组成高效降压稳压电路,可调节输出小于37V的各种电压，其特征有：（1）可以实现输出包括3.3伏、5伏和12伏等常用的固定电压和最低1.2伏、最高37伏的可调节电压；（2）输出线性好且负载可调节（3）可以输出高达3A的电流，并且输入电压很高，可达40V；（4）待机时消耗能量很少，节省能源；（5）包含保护电路可以起过热保护和限流保护功能；（6）不像其他的降压稳压电路需要很多外部其他元件才能组成完整电路，LM2596仅需四个进行外接就可以实现，并且都是常见的标准电感；图4.9-1、图4.9-2分别为LM2596的内部结构图和引脚图。图4.9-1 LM2596内部结构图 图4.9-2 LM2596引脚图Figure 4.9-1 Internal structure of LM2596Figure 4.9-2Pin diagram of LM2596图4.9-3为LM2596降压模块的典型12V转5V电路电路原理图，本次设计中12V、5V、3.3V输出电路原理图详见电气图纸。图4.9-3 LM2596应用原理图Figure 4.9-3 Application schematic of LM25965 控制方案设计5 Control Scheme Design5.1 总体设计思路（Overall Design ideas）本次设计中需要对两部分进行控制：（1）需要通过对单片机进行编程从而实现小车电机的遥控控制。（2）需要利用图像处理技术实现罐道缺陷的检测，即利用摄像头拍摄罐道内照片再对图像进行处理分析从而判别罐道是否存在缺陷情况，如果有，还需要对图像中缺陷部分做进一步的处理得出缺陷大小数值。5.2 单片机控制程序设计（Design of Singlechip Control Programs）5.2.1 无线发射部分程序设计使用无线模块时需要注意的是，PTR2000接收数据是随机接收。即发射端发送/未发有效信息时，接收端都会接收到有效/无效数据。所以我们需要编写一个简单的通讯协议，通过对有效信息作出格式上的规定来使其能够识别哪些为有效数据。而又由于模块是随机接收数据的，噪声并无特定的规律，所以只能对有效信息的识别开始和结束字节作出规定。于是此处我们规定发送的有效数据格式为：任意一个字节（第一字节的数据发送时易发生丢失）+0xFF0x00+有效数据+0xFF；并规定接收端只接收0xFF0x00与0xFF之之间的有效数据。由前文所示的遥控系统原理图可知，遥控部分由单片机、按键模块、无线发送模块构成。单片机需要保持对按键端口的扫描以判断是否有按键信息，有则将按键信息通过无线模块发送给下位机。无线遥控器发射部分程序流程图如图5-1所示，具体程序见附录I。图5-1 无线发射端程序流程图Figure 5-1 Wireless transmitter program flow chart5.2.2 接收部分程序设计下位机的单片机芯片通过无线接收模块接收到遥控器发送的按键信息后，按照其指令调用电机控制子程序对直流电机进行控制。下位机程序流程图如图5-2，具体程序见附录II。在此处键入图5-2 下位机程序流程图Figure 5-2 Receiver program flow chart6 图像处理部分设计6 图像处理部分设计6 Simulation detection6.1 总体设计思路（Overall Design ideas）由前文所述，我们需要对所拍摄的图片进行图像处理从而识别并检测出罐道错位缺陷。此处我们选择使用Python语言结合OpenCV计算机视觉库编写程序对图像进行处理。检测原理为：先将所获得的图片转化为灰度图片，之后对图片进行滤波降噪处理，再对图片进行增强效果及边沿检测。图片预处理完之后对图片中检测到的罐道边沿上的点利用基尔霍夫直线变换进行直线拟合将罐道边缘提取出来，利用算法求出拟合后的直线x、y坐标。之后再利用坐标关系分别求出罐道的像素宽度和错位、间隙的像素宽度，利用已知的罐道实际宽度比例算出错位、间隙的实际大小。6.2 算法的选择（The Selection of algorithm）由于硬件条件限制，此处便不再对小车的遥控行驶功能进行实物检测，而对罐道检测的算法部分进行模拟仿真测试。罐道的错位和间隙以图6-1的样式代替表示，本次设计需要能够测得图片中的错位及间隙大小。此处为理想情况下，因为罐道间隙部位因常年受到侵蚀，很难有图像中的对比度，所以实际检测中罐道的间距需要利用激光位移传感器进行检测。图6-1 罐道错位间隙模拟图Figure 6-1 Simulated figure of misalignment gap of tank tunnel在图像滤波算法的选择过程中，通过对高斯滤波、中值滤波以及双边滤波的滤波效果进行了对比，结果见图6-2，从左至右分别为高斯滤波、中值滤波和双边滤波的效果图。图6-2各滤波效果示意图Figure 6-2 Schematic diagram of each filter 从效果图中我们可以看出，双边滤波对于噪声的去除和边缘的保留效果最好，所以设计中最后选用了双边滤波作为滤波算法。而图像锐化增强算法我们也在拉普拉斯算子(Laplacian)和索贝尔算子(Sobel)中进行了对比选择，并得到了效果对比图6-3，（左为Laplacian处理效果，右为Sobel处理效果）结果发现Sobel算子
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