一种管道机器人结构与控制系统的设计.docx

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1、摘要在现代社会中，人们总要遇到各种各样的管道设施，而许多管道 系统不是架设在空中就是深埋于地下，这样一来，通过人力对管道的 内部进行检测就很不方便。本文研制的移动式管道机器人本身携带 CCD摄像头，可以对一定口径的管道内壁进行检测，具有较高的实用 价值。本文首先对国内外管道机器人技术的发展做了综述，给出了移动 式管道机器人本体结构设计方案，详细介绍了机器人的驱动机构、云 台系统等环节的结构。所讨论的机器人采用上下位机的控制模式，使用了目前在国内较 为先进的光纤信来传送控制信号和来自CCD摄像机的图像信号。下位 机以LPC2114为核心处理器，进行了移动式管道机器人行走电机的驱 动控制设计、云台

2、电机的驱动控制设计、RS232串口通信电路以及控 制系统外围电路的讨论。关键词：本体结构，控制系统，管道机器人。AbstractIn modern society, people always encounter a variety of pipeline facilities, and many are not set up in the air piping system is buried underground, so that, through human testing within the pipeline is very inconvenient. This pipe mobi

3、le robot developed to carry CCD camera itself, you can certainly detect pipe wall diameter, has a high practical value.Firstly, the domestic and international pipeline robot technology summarized in this paper, given the structure of portable pipeline design of the robot body, detailing, the robot d

4、rive mechanism, heads and other aspects of the system structure.Robot discussed by upper and lower computer control mode, using more advanced in the domestic fiber channel to transmit control signals and image signals from the CCD camera. The next crew to LPC2114 core processor for the mobile pipeli

5、ne robot drive motor for control design, the design head of the motor drive control, RS232 serial communication circuit and control system peripheral circuit discussion.Key word： Body structure, Control system, In-pipe robot.目录一、绪 论 1二、管道机器人技术综（一）车轮式管道机器人3（二）履带式管道机器人5（三）其他类型的管道机人5三、移动式管道机器人的本体结构设计7（

6、一）移动式管道机器人的结构参数和特点7（二）移动式管道机器人的总体结构组成7（三）机器人本体结构设计81、驱动机构82、机器人本体密封及防腐9（四）机器人云台系四、移动式管道机器人控制系统硬件设计11（一）管道机器人的常规控制形式11（二）控制系统硬件总体设计12（三）电机驱动器设计131LPC 2 Il 4 简介132、电机驱动器设计133、步进电机驱动器设计15（四）外围电路设计161、电源电路162、复位电3、统时钟电路174、S232电平转换电路17（五）供电及通信系统18五、移动式管道机器人控制系统软件设计19（一）直流电机控制的软件设计191 转 速 计 算 及 显示192 电 子

7、 换 向 的 软 件 实现21（二） 四串口通信程序设计22（三） 上位机控制软 件 设计25结语26参考文献27致谢28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、超负荷等作用，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、气体物质的 泄渗事故，不得不停工停产进行检修。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问

8、题的管道而提前 预防，是现代民用及工业企业中迫切需要解决的课题。由于管道系统 或者埋在地下，或者架设在高空，或者管道内径很小，用人携带仪器 检查十分困难，有时甚至根本无法做到。止匕外，有些危险和环境条件 恶劣的工作场地。由人去检查会对人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。在这种情况下，管道机器人作为一种先进的管道检测手段纳 入了国内外机器入研究开发人员的眼中。管道机器人属于特种机器人的研究范畴，它在管道这个特定的极 限环境中作业，通常携带各种探测仪器和作业装置，在操作人员的遥 控或者计算机的自动控制下完成管道的检测或者维修工作。从上

9、个世 纪五十年代起，为了满足管道运输、自动清理以及检测的需要，美、 英、法、日等国相继展开了管道机器人的研究。最初的研究成果就是 一种无主动力的管内检测设备一PIG,该设备是依靠其首尾两端管内 流体形成的压差为驱动力，使之随着管内流体的流动向前运动。随着 机械、电子以及自动控制理论的快速发展，管道机器人的研究也在不 断进步，人们从管道机器人的驱动结构、工作方式、控制系统等方面 入手研究出许多样式的机器入。总的说来国外一些国家的管道机器人 技术的发展已经比较成熟，基本上进入了使用化阶段。我国对管道机器人的研究开始于上个世纪八十年代未期，哈尔滨 工业大学、上海交通大学、广州工业大学以及上海大学等高

10、校和科研 院所都做了这方面的工作，在理论上和实用上取得了很大进步。虽然 如此，我们的管道机器人技术还远远地落后于发达国家，存在机器人 负载能力差，工作时间短，检测精度不够高，检测距离短，不利于商 品化等缺陷。就排水管道而言，目前国内还没有比较先进的检测方式, 大多数采用开挖的方法进行检测。在管道机器人的发展过程中，控制系统的设计是一个十分重要的 问题。传统控制策略应用于机器人的运动控制是最普遍的，如PlD控 制。只要被控对象的数学模型是比较精确的、变化不大的、近似于线 性的，传统的PID控制可以满足这种情况下管道内作业机器人的控制 要求。目前，在计算机技术的发展和实际应用需求的激励下，各种新

11、型的、先进的、智能的控制策略也应运而生，并迅速在实际系统中得 到应用、改进和发展，如自适应控制、鲁棒控制、预测控制、模糊控 制、专家控制、神经网络控制等。在这些控制策略中，有的已经在机 器人控制领域得到了实际应用，而有的仍处于不断丰富的研究过程中。针对于我国管道机器人的研究状况和背景，在查阅了大量国内外 文献的基础上，结合大庆市科技局的一个科技攻关项目，本文提出了 一个合理的移动式管道机器人的实现方案，在机器人的本体机构、检 测方式、通信和控制系统等方面都采用了当前国内先进的技术。主要 讨论了对移动式管道机器人控制系统的设计和研究，从软硬件角度介 绍了移动式管道机器人的设计过程，完成了系统硬件

12、的设计和调试， 软件的编制和调试。在机器人的研制过程中采用了改进的积分分离 PID控制策略，通过样机的试验结果表明设计的合理性和有效性。同 时，对自适应模糊控制方法进行了研究，设计了无刷直流电机的自适 应模糊控制器，通过仿真结果验证算法的可行性。移动式管道机器入 作为一种新型的管道检测设备，正在被越来越多的人关注和研究，它 的应用前景将十分广阔。二、管道机器人技术综述机器人技术属于自动化领域高科技范畴之一，研制机器人的主要 目的之一就是要代替人在危险的或者人无法到达的环境下作业。现代 机器人技术起源于遥控主从型机械手，它是在第二次世界大战期间为 了对付放射性材料而发展起来的，为此，四十年代后期

13、美国橡树岭和 阿尔贡国家实验室开始研制遥控式机械手，用于搬运放射性材料。上 个世纪五十年代，随着电子计算机的迅速发展，使得机器人的发展步 伐加快，这也使人们研究能自主、重复操作的更加复杂的机器人系统 成为可能。随后，美国的UninIation公司于1962年制造了实用的机器 人，并取名为Unimate。紧接着，欧洲的第一台程序控制一号操作工 业机器人于1963年由瑞典一家公司推出，这标志着机器人在工业生产 中应用的时代已经到来。进入八十年代，现代工业生产技术从大批量 生产自动化时代进入多品种自动化时代，于是，工业机器人在这个时 代中起着越来越重要的作用。在上述非结构环境中作业的机器人统称 为特

14、种机器人。现代传统的机器人及特种机器人属于两个不同的应用 范畴，由于在上述环境中作业的特种机器人的研究开发的必要性显得 越来越重要，许多国家把特种机器人的研究列入国家和各国的合作计 划，并给予强有力的经济和技术支持，因此特种机器人的研究和开发 具有重要的战略意义。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于引起火灾，多数管 道安装环境人们不能直接到达或人们无法直接介入，因此，质量检测、 故障诊断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50年代，由于当时天然气等

15、大口径管道的发展激励人们去研究 一种管内检测设备，这就是我们通常历说的一种无动力的管内清理检 测设备一PiG，该设备简单、实用，在一定程度上解决了天然气管 道的检测问题。到了70年代末，随着检测技术的发展，PlG技术已经 成熟。现在英、日、美、德、法等国大公司的PIG产品已经实用化、 商品化。PIG的特点是实用性好、行走距离远，可达300公里左右，而 且不拖线作业，但是PlG类检测设备无自动行走能力，移动速度及检 测区均不易控制，严格说来它不能算做是机器人。管道机器人的迅速发展时期还是始于上个世纪80年代，它属于特 种机器人的研究范畴小咒能够在管道这个特定的极限环境中作业， 通常携带各种探测仪器和作业装置，在操作人员的遥控或者计算机的 自动控制下完成管道的检测和维修工作，检测作业项目包括防腐状 况、对接管道焊缝质量、管道内腐蚀程度、防腐层厚度、管壁缺陷等; 维修项目包括清扫、补口、焊接等。实践已经证明随着管道机器人技 术的发展，其应用将会越来越广泛。目前日本、美国、英国、德国、 法国等发达国家在管道机器人技术方面做了大量工作斥力尤其是日 本，在管道机器人的研究及开发中取得了领先的地位。（一）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