一種兩核八軸無線傳輸履帶式天然氣管道機(jī)器人控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種兩核八軸無線傳輸履帶式天然氣管道機(jī)器人控制系統(tǒng)，所述的控制器采用雙核控制器，包括ARM和DSP，所述的ARM和DSP通過無線裝置進(jìn)行通訊連接。通過上述方式，本發(fā)明提供的兩核八軸無線傳輸履帶式天然氣管道機(jī)器人控制系統(tǒng)，自主研發(fā)了基于ARM+DSP的全新雙核控制模式，控制器以ARM為處理器核心，DSP實(shí)現(xiàn)圖像采集數(shù)字信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、無線傳輸以及CCD兩軸直流伺服定位系統(tǒng)控制，并時(shí)刻與ARM通訊，把ARM從復(fù)雜的工作當(dāng)中解脫出來，ARM實(shí)現(xiàn)六軸三相永磁同步電機(jī)的實(shí)時(shí)控制，并響應(yīng)DSP中斷，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和存儲(chǔ)實(shí)時(shí)信號(hào)。
【專利說明】
一種兩核八軸無線傳輸履帶式天然氣管道機(jī)器人控制系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及大型管道機(jī)器人的領(lǐng)域，尤其涉及一種兩核八軸無線傳輸履帶式天然氣管道機(jī)器人控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]天然氣管道的輸送介質(zhì)屬于易燃、易爆物質(zhì)，介質(zhì)中含有的硫化氫、二氧化碳、游離水、粉塵等雜質(zhì)，使敷設(shè)的管道處于內(nèi)外腐蝕條件，甚至有的時(shí)候內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生阻塞情況發(fā)生。再加上環(huán)境、地質(zhì)、氣象和水文災(zāi)害、管材及設(shè)計(jì)缺陷、操作失誤乃至人為破壞等因素，管道的安全受到眾多因素的威脅。
[0003]1989年6月4日，前蘇聯(lián)的一條輸氣管道發(fā)生泄漏，兩列對(duì)開火車在距離泄漏點(diǎn)I公里外的鐵路線上通過時(shí)，火車磨擦產(chǎn)生火花引起了泄漏的天然氣體爆炸，造成600多人死亡，數(shù)百公頃森林燒毀;2000年8月，美國新墨西哥州東南部一條720 mm口徑的輸氣管道發(fā)生天然氣爆炸，引起連天大火并至少造成10人死亡，在30多公里以外的地方都可以看見巨型火球沖上天空，爆炸后地面留下一道長25m、深6m的大坑;我國的石油天然氣管道亦曾多次發(fā)生事故，管道發(fā)生爆破、泄漏、停輸?shù)仁鹿什粌H造成巨大財(cái)產(chǎn)損失，而且也危害到生態(tài)環(huán)境。
[0004]管道機(jī)器人是一種可以沿著管道內(nèi)部或者是外部自動(dòng)行走，攜帶一種或多種傳感器和操作機(jī)械，在操作人員的控制下或者是計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制下完成一系列管道作業(yè)的機(jī)電一體化系統(tǒng)。管道機(jī)器人的研究開始于上個(gè)世紀(jì)四十年代，到了 70年代由于微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，國外管道機(jī)器人技術(shù)于90年代初得到了迅猛發(fā)展，研制了許多實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并取得了大量的研究成果。
[0005]用管道機(jī)器人巡檢天然氣管道，不僅可以提高管道檢測的效率，而且對(duì)于改善勞動(dòng)條件，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高作業(yè)效率，降低作業(yè)成本，保障人身安全都有著十分重要的意義。但是國內(nèi)還沒有采用管道機(jī)器人巡檢天然氣管道，天然氣管道爆炸時(shí)有發(fā)生，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染。
[0006]—個(gè)性能優(yōu)越的天然氣管道機(jī)器人必須具備以下幾個(gè)部分:
1)圖像采集系統(tǒng):圖像采集系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)的問題，并可以為工作人員提供管道受損和阻塞情況，為更換管道或者是清理管道提供可靠依據(jù)；
2)損傷采集系統(tǒng):損傷采集系統(tǒng)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道系統(tǒng)外壁出現(xiàn)的異常情況，避免了管道而長期破損導(dǎo)致抗壓能力減弱，最終導(dǎo)致天然氣大量泄露而產(chǎn)生爆炸事故發(fā)生；
3)濕度探測和阻塞物探測:如果濕度過大，天然氣管道的輸送介質(zhì)易于形成管道腐蝕，同時(shí)部分物質(zhì)會(huì)堆積起來產(chǎn)生阻塞情況；
4)電機(jī):執(zhí)行電機(jī)是管道機(jī)器人的動(dòng)力實(shí)施部件，它實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化電源的能量，根據(jù)管道機(jī)器人微處理器的指令來執(zhí)行機(jī)器人在天然氣管道內(nèi)的相關(guān)行走動(dòng)作；
5)算法:算法是天然氣管道機(jī)器人的靈魂，由于天然氣管道是一個(gè)封閉的管道，內(nèi)部情況非常復(fù)雜，天然氣管道機(jī)器人必須采用一定的智能算法才能準(zhǔn)確的從管道內(nèi)一點(diǎn)到達(dá)另外一點(diǎn)，形成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的巡檢，并實(shí)時(shí)存儲(chǔ)采集圖像、管道水汽信息、管道阻塞信息、管道受損情況和受損位置信息；
6)微處理器:微處理器是天然氣管道機(jī)器人的核心部分，是天然氣管道機(jī)器人的大腦；管道內(nèi)所有的信息，包括管道內(nèi)的濕度、阻塞情況、管道損傷信息以及損傷位置信息、電機(jī)狀態(tài)信息、電池狀態(tài)信息等都需要經(jīng)過微處理器處理并做出相應(yīng)的判斷；
7)無線傳輸裝置:為了能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理問題，全自動(dòng)管道機(jī)器人必須采用無線裝置，實(shí)時(shí)傳輸巡檢的圖像采集和損傷采集結(jié)果，并能通過總站二次確定問題所在。
[0007]國內(nèi)對(duì)管道機(jī)器人的研究只是剛剛起步，均是采用單核控制器，均處于實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)設(shè)計(jì)階段，離大規(guī)模使用具有一定的距離，主要面臨以下問題:
(1)受控制技術(shù)影響，所有的管道機(jī)器人均采用單核控制器，控制器的計(jì)算能力較弱，管道機(jī)器人無法快速處理實(shí)時(shí)環(huán)境，且機(jī)器人行走速度較低，巡查管道速度較慢，穩(wěn)定性較差;
(2)對(duì)于采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的管道機(jī)器人所攜帶的能源均采用可充電蓄電池，這些蓄電池均是通過簡單的串聯(lián)和并聯(lián)后形成高壓大電流能源系統(tǒng)，均沒有保護(hù)電路，壽命較短，正常工作時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)異常甚至干擾到管道機(jī)器人的工作；
(3)對(duì)于采用步進(jìn)電機(jī)或者是直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的管道機(jī)器人來說，受電機(jī)自身效率的影響，能源利用率較低，導(dǎo)致機(jī)器人在管道內(nèi)移動(dòng)距離較短；
(4)對(duì)于采用步進(jìn)電機(jī)或者是直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的管道機(jī)器人來說，受電機(jī)功率密度的影響，由于所采用的電機(jī)體積均較大，最終導(dǎo)致機(jī)器人的體積較大，重量較重，嚴(yán)重影響了管道機(jī)器人的使用范圍；
(5)管道機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)自我調(diào)整能力較差，受控制方式影響，機(jī)器人在管道內(nèi)的姿態(tài)參數(shù)識(shí)別較差，機(jī)器人無法識(shí)別自我平面與管道主平面的夾角，導(dǎo)致機(jī)器人行走時(shí)出現(xiàn)傾斜，甚至有時(shí)會(huì)翻車，導(dǎo)致任務(wù)失敗；
(6)對(duì)于有阻塞的天然氣管道，普通的輪式機(jī)器人與地面接觸面積較少，越障能力較弱，有的時(shí)候甚至無法越過障礙物，最終無法巡檢完成任務(wù)；
(7)目前大部分管道機(jī)器人，對(duì)管道中的環(huán)境識(shí)別較差，均是通過分析存儲(chǔ)的采集圖像來分析管道情況，實(shí)時(shí)情況辨別較差；
(8)對(duì)于采用四輪動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的管道機(jī)器人來說，機(jī)器人的動(dòng)力調(diào)整能力較兩輪動(dòng)力驅(qū)動(dòng)有所提高，可以滿足管道機(jī)器人簡單工況下的加速，但是遇到具有一定坡度的管道，需求功率較大，這種條件下造成需求功率得不到滿足，使得系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能降低；
(9 )單一三軸陀螺儀工作時(shí)測量的值會(huì)隨時(shí)間漂移，經(jīng)過長時(shí)間的工作三軸陀螺儀會(huì)累積出額外的誤差來，最終會(huì)導(dǎo)致管道機(jī)器人在管道中迷失位置。
[0008]永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子與普通電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)具有相同的定子結(jié)構(gòu)，只是轉(zhuǎn)子上以釹鐵硼稀土永磁材料作為磁極取代了同步機(jī)的勵(lì)磁磁極和勵(lì)磁繞組，使電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)較為簡單，且省去了容易出故障的集電環(huán)和電刷，實(shí)現(xiàn)了無刷化，提高了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的可靠性。因?yàn)椴恍鑴?lì)磁電流，因此可以省去勵(lì)磁繞組的銅耗，極大提高了電機(jī)的效率;稀土永磁材料的使用使得電機(jī)功率密度較高，所以電機(jī)的體積可以做得更小，適合體積要求比較高的場合。永磁同步電動(dòng)機(jī)除了有明顯的節(jié)能效果外，還具有轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確、噪聲低的特性，稀土永磁同步電機(jī)基于轉(zhuǎn)子磁場定向或者是基于矢量控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高動(dòng)態(tài)性能、大范圍的調(diào)速或定位控制，這些特性使得稀土永磁同步電機(jī)特別適合使用于管道機(jī)器人這些要求比較特殊的機(jī)器人控制系統(tǒng)中。
[0009]履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)是輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的拓展，履帶本身起著給車輪連續(xù)鋪路的作用。相對(duì)于輪式機(jī)構(gòu)，履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)有著諸多優(yōu)點(diǎn)，如:支承面積大，接地比壓小；滾動(dòng)阻力小，通過性能較好;越野機(jī)動(dòng)性好;履帶支承面上有履齒，不易打滑，牽引附著性能好，有利于發(fā)揮較大的牽引力;變位履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)通過改變履帶的位置或履帶的機(jī)構(gòu)形式以達(dá)到適應(yīng)不同環(huán)境的要求，兩履帶的夾角可以調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的作業(yè)管徑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是提供一種兩核八軸無線傳輸履帶式天然氣管道機(jī)器人控制系統(tǒng)，自主研發(fā)了基于ARM+DSP的全新雙核控制模式，控制器以ARM為處理器核心，DSP實(shí)現(xiàn)圖像采集數(shù)字信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、無線傳輸以及CCD兩軸直流伺服定位系統(tǒng)控制，并時(shí)刻與ARM通訊，把ARM從復(fù)雜的工作當(dāng)中解脫出來，ARM實(shí)現(xiàn)六軸三相永磁同步電機(jī)的實(shí)時(shí)控制，并響應(yīng)DSP中斷，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和存儲(chǔ)實(shí)時(shí)信號(hào)。
[0011]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的一個(gè)技術(shù)方案是:提供了一種兩核八軸無線傳輸履帶式天然氣管道機(jī)器人控制系統(tǒng)，包括電池、控制器、永磁同步電機(jī)X、永磁同步電機(jī)Y、永磁同步電機(jī)Z、永磁同步電機(jī)R、永磁同步電機(jī)U、永磁同步電機(jī)W、直流電機(jī)A、直流電機(jī)
B、基于CCD圖像采集單元、圖像存儲(chǔ)單元、濕度采集單元、基于霍爾效應(yīng)管道探傷采集單元、無線裝置以及管道機(jī)器人，所述的電池單獨(dú)提供電流驅(qū)動(dòng)所述的控制器，所述的控制器采用雙核控制器，包括ARM和DSP，所述的ARM和DSP通過無線裝置進(jìn)行通訊連接，所述的基于CCD圖像采集單元和圖像存儲(chǔ)單元均與DSP通訊連接，所述的濕度采集單元和基于霍爾效應(yīng)管道探傷采集單元均與ARM通訊連接，所述的ARM分別發(fā)出第一控制信號(hào)、第二控制信號(hào)、第三控制信號(hào)、第四控制信號(hào)、第五控制信號(hào)和第六控制信號(hào)，由所述的第一控制信號(hào)、第二控制信號(hào)、第三控制信號(hào)、第四控制信號(hào)、第五控制信號(hào)和第六控制信號(hào)分別控制所述的永磁同步電機(jī)X、永磁同步電機(jī)Y、永磁同步電機(jī)Z、永磁同步電機(jī)R、永磁同步電機(jī)U和永磁同步電機(jī)W的信號(hào)合成之后再控制管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，所述的DSP分別發(fā)出第七控制信號(hào)和第八控制信號(hào)，由所述的第七控制信號(hào)和第八控制信號(hào)分別控制所述的直流電機(jī)A、直流電機(jī)B的信號(hào)合成之后與基于CCD圖像采集單元通訊連接。
[0012]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述的電池采用鋰離子電池。
[0013]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述的第一控制信號(hào)、第二控制信號(hào)、第三控制信號(hào)、第四控制信號(hào)、第五控制信號(hào)和第六控制信號(hào)均為PWM波控制信號(hào)。
[0014]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述的ARM采用STM32F746;所述的DSP采用TMS320F2812。
[0015]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述的管道機(jī)器人包括機(jī)器人殼體、激光位移傳感器、磁導(dǎo)航傳感器、左岔口傳感器、右岔口傳感器、三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)以及同步帶，所述的激光位移傳感器分別安裝在機(jī)器人殼體的前端，所述的左岔口傳感器和右岔口傳感器分別位于磁導(dǎo)航傳感器下方的左右兩端，所述的同步帶分別設(shè)置在機(jī)器人殼體的左右兩側(cè)邊并分別與永磁同步電機(jī)X、永磁同步電機(jī)Y、永磁同步電機(jī)Z、永磁同步電機(jī)R、永磁同步電機(jī)U和永磁同步電機(jī)W連接，所述的磁導(dǎo)航傳感器、三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)依次設(shè)置在機(jī)器人殼體上并位于永磁同步電機(jī)X和永磁同步電機(jī)Y之間，所述的直流電機(jī)A、直流電機(jī)B和無線裝置均設(shè)置在機(jī)器人殼體上并分別位于左岔口傳感器和右岔口傳感器的上方，所述的直流電機(jī)A和直流電機(jī)B均設(shè)置在機(jī)器人殼體上并分別位于左岔口傳感器和右岔口傳感器的上方，所述的無線裝置位于機(jī)器人殼體的后端。
[0016]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述的激光位移傳感器包括前方激光位移傳感器、左激光位移傳感器和右激光位移傳感器，所述的前方激光位移傳感器設(shè)置在機(jī)器人殼體正前方的中間位置，所述的左激光位移傳感器和右激光位移傳感器分別斜向設(shè)置在機(jī)器人殼體正前方的左右兩端。
[0017]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述的同步帶采用六軸八輪驅(qū)動(dòng)模式，是由一根內(nèi)周表面設(shè)有等間距齒的封閉環(huán)形履帶和相應(yīng)的帶輪所組成。
[0018]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述的天然氣管道機(jī)器人控制系統(tǒng)還設(shè)置有上位機(jī)程序、主運(yùn)動(dòng)控制程序、從運(yùn)動(dòng)控制程序、基于霍爾效應(yīng)管道損傷探測以及無線傳輸，所述的上位機(jī)程序還包括管道讀取、位置定位和電源信息，所述的主運(yùn)動(dòng)控制程序還包括基于ARM六軸永磁同步電機(jī)伺服控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和I/O控制，所述的從運(yùn)動(dòng)控制程序還包括基于DSP兩軸直流電機(jī)伺服控制和基于DSP圖像采集，所述的基于霍爾效應(yīng)管道損傷探測無線傳輸和分別與基于霍爾效應(yīng)管道探傷采集單元和無線裝置通訊連接。
[0019]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述的天然氣管道機(jī)器人控制系統(tǒng)還包括光電編碼器，所述的光電編碼器分別安裝在永磁同步電機(jī)X、永磁同步電機(jī)Y、永磁同步電機(jī)Z和永磁同步電機(jī)R、永磁同步電機(jī)U、永磁同步電機(jī)W、直流電機(jī)A和直流電機(jī)B上。
[0020]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明的兩核八軸無線傳輸履帶式天然氣管道機(jī)器人控制系統(tǒng)，為了提高能源的利用率和減少機(jī)器人體積，本系統(tǒng)用效率和功率密度均較高的永磁同步電機(jī)替代了步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)等電機(jī);為了提高系統(tǒng)加速要求，系統(tǒng)為這些特種工況加入了兩個(gè)功率較小的永磁同步電機(jī)起到加速助力作用，增加系統(tǒng)動(dòng)力特性;為了提高系統(tǒng)一般爬坡要求，系統(tǒng)為這些特種工況加入了兩個(gè)功率較小的永磁同步電機(jī)起到爬坡助力作用，增加系統(tǒng)動(dòng)力特性;為了提高運(yùn)算速度，保證自動(dòng)管道機(jī)器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，本發(fā)明在基于ARM的控制器中引入數(shù)字信號(hào)處理器DSP，形成基于ARM+DSP的全新雙核控制器，此控制器充分考慮電池在這個(gè)系統(tǒng)的作用，把控制系統(tǒng)中工作量最大的六軸管道機(jī)器人導(dǎo)航伺服系統(tǒng)、電池監(jiān)控、路徑讀取交給ARM處理，充分發(fā)揮ARM數(shù)據(jù)處理速度相對(duì)較快的特點(diǎn)，而圖像數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和CCD直流伺服定位系統(tǒng)控制等功能交給DSP完成，這樣就實(shí)現(xiàn)了 ARM與DSP的分工，同時(shí)二者之間也可以進(jìn)行通訊，實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和調(diào)用。
【附圖說明】
[0021]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖，其中:
圖1是本發(fā)明帶有兩核八軸無線傳輸履帶式天然氣管道機(jī)器人控制系統(tǒng)一較佳實(shí)施例的原理圖；
圖2是管道機(jī)器人二維結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是圖1的程序圖；
圖4是管道機(jī)器人巡檢原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面將對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0023I如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例包括:
一種兩核八軸無線傳輸履帶式天然氣管道機(jī)器人控制系統(tǒng)，包括電池、控制器、永磁同步電機(jī)X、永磁同步電機(jī)Y、永磁同步電機(jī)Z、永磁同步電機(jī)R、永磁同步電機(jī)U、永磁同步電機(jī)W、直流電機(jī)A、直流電機(jī)B、基于CCD圖像采集單元、圖像存儲(chǔ)單元、濕度采集單元、基于霍爾效應(yīng)管道探傷采集單元、無線裝置以及管道機(jī)器人，所述的電池單獨(dú)提供電流驅(qū)動(dòng)所述的控制器，所述的控制器采用雙核控制器，包括ARM和DSP，所述的ARM和DSP通過無線裝置進(jìn)行通訊連接，所述的基于CCD圖像采集單元和圖像存儲(chǔ)單元均與DSP通訊連接，所述的濕度采集單元和基于霍爾效應(yīng)管道探傷采集單元均與ARM通訊連接，所述的ARM分別發(fā)出第一控制信號(hào)、第二控制信號(hào)、第三控制信號(hào)、第四控制信號(hào)、第五控制信號(hào)和第六控制信號(hào)，由所述的第一控制信號(hào)、第二控制信號(hào)、第三控制信號(hào)、第四控制信號(hào)、第五控制信號(hào)和第六控制信號(hào)分別控制所述的永磁同步電機(jī)X、永磁同步電機(jī)Y、永磁同步電機(jī)Z、永磁同步電機(jī)R、永磁同步電機(jī)U和永磁同步電機(jī)W的信號(hào)合成之后再控制管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，所述的DSP分別發(fā)出第七控制信號(hào)和第八控制信號(hào)，由所述的第七控制信號(hào)和第八控制信號(hào)分別控制所述的直流電機(jī)A、直流電機(jī)B的信號(hào)合成之后與基于CCD圖像采集單元通訊連接。其中，所述的電池采用鋰離子電池;所述的第一控制信號(hào)、第二控制信號(hào)、第三控制信號(hào)、第四控制信號(hào)、第五控制信號(hào)和第六控制信號(hào)均為PWM波控制信號(hào)。
[0024]上述中，所述的ARM采用STM32F746;所述的DSP采用TMS320F2812。
[0025]STMicroelectronics所生產(chǎn)的全新STM32F7 MCU系列產(chǎn)品，是全球第一個(gè)量產(chǎn)且擁有32位元ARM Cortex-M7處理器的微控制器。Cortex_M7是Cortex-M系列產(chǎn)品中最新推出且效能最高的處理器核心，全新STM32F7 MCU是ST的STM32 M⑶系列產(chǎn)品中效能最高的一項(xiàng)產(chǎn)品，結(jié)合了 CorteX-M7核心與高階外圍裝置，可提升應(yīng)用程序效能、新增新功能、延長電池壽命、確保安全以及盡可能減少使用外部元件以節(jié)省成本與空間等無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。
[0026]STM32F7系列產(chǎn)品包括STM32F745及STM32F746，這兩項(xiàng)產(chǎn)品都配備擁有浮點(diǎn)運(yùn)算單位及DSP擴(kuò)充功能的Cortex-M7核心，運(yùn)算速度最高216MHz ATM32F7 MCU系列產(chǎn)品將ARMCortex-M7效能超越早期核心(譬如Cortex-M4)的優(yōu)勢(shì)運(yùn)用到極致，效能達(dá)到將近DSP兩倍，使此MCU非常適合用于高速電機(jī)控制之應(yīng)用。
[0027]TMS320F2812是基于代碼兼容的C28x內(nèi)核的新型高性能32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，C28x內(nèi)核的指令執(zhí)行周期達(dá)到了6.67ns，最高運(yùn)行頻率可以達(dá)到150MHz，F(xiàn)2812集成有許多外設(shè)，提供了整套的片上系統(tǒng)，其片上外設(shè)主要包括2X8路12位ADC(最快80ns轉(zhuǎn)換時(shí)間)，2路SCI，I路SPI，I路McBSP，I路eCAN接口等，并帶有兩個(gè)事件管理模塊(EVA、EVB)。另夕卜，該器件還有3個(gè)獨(dú)立的32位CPU定時(shí)器，以及多達(dá)56個(gè)獨(dú)立編程的GP1引腳。F2812采用統(tǒng)一編址方式，芯片內(nèi)部有18K的SARAM，包括M0、M1、L0、L1、H0共5個(gè)存儲(chǔ)塊，各存儲(chǔ)塊保持獨(dú)立，可以在同一機(jī)器周期對(duì)不同的RAM塊進(jìn)行訪問，從而減少流水線時(shí)延。而且F2812內(nèi)部有128K字的FLASH，地址空間3D8000h?3F7FFFh，適用于低功耗、高性能的控制系統(tǒng)。此外F2812提供了外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展接口(XINTF)，方便進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展，其尋址空間可以達(dá)到1MB;上述特點(diǎn)使得F2812在具備數(shù)字信號(hào)處理器卓越的數(shù)據(jù)處理能力的同時(shí)，又具有適于控制的片內(nèi)外設(shè)及接口，可廣泛應(yīng)用于各種高性能的系統(tǒng)控制中，上述特點(diǎn)使得TMS320F2812特別適合巡檢機(jī)器人的圖形采集、圖像存儲(chǔ)和位置信息存儲(chǔ)。
[0028]為了能夠準(zhǔn)確采集管道內(nèi)部損傷信息，本控制器為CCD圖像采集系統(tǒng)加入了基于DSP二維定位伺服系統(tǒng)，此二維系統(tǒng)包括直流電機(jī)A和直流電機(jī)B，當(dāng)DSP通過存儲(chǔ)圖像比較發(fā)現(xiàn)疑似區(qū)域后，由主站通過無線控制直流電機(jī)A調(diào)整CCD圖像采集系統(tǒng)升降的高度，然后由直流電機(jī)B調(diào)整CCD圖像采集系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)的角度，使得CCD的中心對(duì)準(zhǔn)疑似物體的中心，然后由主站實(shí)時(shí)分析疑似區(qū)域，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理這一區(qū)域，DSP實(shí)時(shí)存儲(chǔ)該區(qū)域采集到的圖像和位置信息，為管道機(jī)器人巡檢管道結(jié)果分析提供判斷依據(jù)。
[0029]為了能夠精確導(dǎo)引管道機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)檢測，本發(fā)明采用兩套傳感器導(dǎo)航模式(一套磁導(dǎo)航傳感器導(dǎo)航，一套激光位移傳感器導(dǎo)航)，本發(fā)明的管道機(jī)器人二維結(jié)構(gòu)如圖2所示:所述的管道機(jī)器人包括機(jī)器人殼體K、激光位移傳感器、磁導(dǎo)航傳感器ME1、左岔口傳感器ME2、右岔口傳感器ME3、三軸陀螺儀Gl、三軸加速度計(jì)Al以及同步帶T，所述的激光位移傳感器分別安裝在機(jī)器人殼體K的前端，所述的左岔口傳感器ME2和右岔口傳感器ME3分別位于激光位移傳感器下方的左右兩端，所述的同步帶T分別設(shè)置在機(jī)器人殼體K的左右兩側(cè)邊并分別與永磁同步電機(jī)X、永磁同步電機(jī)Y、永磁同步電機(jī)Z、永磁同步電機(jī)R、永磁同步電機(jī)U和永磁同步電機(jī)W連接，所述的磁導(dǎo)航傳感器ME1、三軸陀螺儀GI和三軸加速度計(jì)AI依次設(shè)置在機(jī)器人殼體K上并位于永磁同步電機(jī)X和永磁同步電機(jī)Y之間，所述的直流電機(jī)A和直流電機(jī)B均設(shè)置在機(jī)器人殼體K上并分別位于左岔口傳感器ME2和右岔口傳感器ME3的上方，所述的無線裝置I位于機(jī)器人殼體K的后端。其中，所述的激光位移傳感器包括前方激光位移傳感器LSF、左激光位移傳感器LSL和右激光位移傳感器LSR，所述的前方激光位移傳感器LSF設(shè)置在機(jī)器人殼體K正前方的中間位置，所述的左激光位移傳感器LSL和右激光位移傳感器LSR分別斜向設(shè)置在機(jī)器人殼體K正前方的左右兩端。
[0030]磁導(dǎo)航傳感器MEl時(shí)刻檢測管道中的磁條，并依此傳感器為第一導(dǎo)航判據(jù)，當(dāng)磁條不存在或?qū)Ш狡x距離較大時(shí)，左激光位移傳感器LSL和右激光位移傳感器LSR共同作用判斷前進(jìn)方向與左右管壁的距離，并作為管道機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)提供導(dǎo)航依據(jù)，前方激光位移傳感器LSF為管道機(jī)器人前進(jìn)障礙物的判別提供依據(jù)以及停車做判據(jù)。左岔口磁導(dǎo)航傳感器ME2和右岔口傳感器ME3分別檢測地面岔口標(biāo)志，然后分別作為交叉管道左轉(zhuǎn)或者是右轉(zhuǎn)的判據(jù)，并在此位置可以對(duì)天然氣管道機(jī)器人進(jìn)行精確補(bǔ)償，這對(duì)于管道機(jī)器人巡檢管道計(jì)算位置至關(guān)重要。
[0031]三軸加速度計(jì)在較長時(shí)間的測量值(確定管道機(jī)器人航向)是正確的，而在較短時(shí)間內(nèi)由于信號(hào)噪聲的存在，而有一定誤差。三軸陀螺儀在較短時(shí)間內(nèi)則比較準(zhǔn)確，而較長時(shí)間則會(huì)隨著漂移的存在而產(chǎn)生一定誤差，因此，需要三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀相互調(diào)整來確保航向的正確。為了提高天然氣管道機(jī)器人在密閉管道行走過程中導(dǎo)航的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)的自動(dòng)精確調(diào)整以及提升自主導(dǎo)航能力，本發(fā)明在天然氣管道機(jī)器人伺服硬件系統(tǒng)中加入了三軸陀螺儀Gl和三軸加速度計(jì)Al。在管道機(jī)器人行走管道期間全程開啟三軸陀螺儀Gl和三軸加速度計(jì)Al，三軸陀螺儀Gl和三軸加速度計(jì)Al分別用來測量管道機(jī)器人三個(gè)前進(jìn)方向的角速度和角加速度，控制器根據(jù)測得的角加速度和角速度通過積分得到其準(zhǔn)確加速度、速度和傾斜角度。當(dāng)管道機(jī)器人的姿態(tài)發(fā)生變化超過設(shè)定閥值時(shí)，在一個(gè)新的采樣周期控制器就立即對(duì)其位置補(bǔ)償，避免管道機(jī)器人在行走過程中因?yàn)閮A斜過大而翻到現(xiàn)象的發(fā)生，提高了其快速行走導(dǎo)航時(shí)的穩(wěn)定性；如果對(duì)三軸陀螺儀Gl和三軸加速度計(jì)Al進(jìn)行積分，且把它變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系中，管道機(jī)器人在密閉管道中可以不依賴于任何外部信息就能夠得到其在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的加速度、速度、偏航角和位置等信息，所產(chǎn)生的導(dǎo)航信息連續(xù)性好而且噪聲非常低，極大增強(qiáng)了管道機(jī)器人的自主慣性導(dǎo)航能力。當(dāng)管道機(jī)器人讀到交叉管道入口時(shí)，機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)90或者是右轉(zhuǎn)90的動(dòng)作，在這種情況下，三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)可以準(zhǔn)確計(jì)算出機(jī)器人旋轉(zhuǎn)的角度，保證了其轉(zhuǎn)彎的準(zhǔn)確性；當(dāng)管道機(jī)器人處于爬坡巡檢時(shí)，三軸陀螺儀Gl和三軸加速度計(jì)Al可以精確測量爬坡角度，ARM根據(jù)這一角度可以精確計(jì)算出爬坡所需功率，保證機(jī)器人能夠按照指定速度完成巡檢管道任務(wù)。
[0032]同步帶T傳動(dòng)是由一根內(nèi)周表面設(shè)有等間距齒的封閉環(huán)形履帶和相應(yīng)的帶輪所組成。運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶齒與帶輪的齒槽相嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，是一種嚙合傳動(dòng)，因而具有齒輪傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和平帶傳動(dòng)的各種優(yōu)點(diǎn)。同步帶T傳動(dòng)具有準(zhǔn)確的傳動(dòng)比，無滑差，可獲得恒定的速比，可精密傳動(dòng)，傳動(dòng)平穩(wěn)，能吸震，噪音小，傳動(dòng)效率高，不需潤滑，無污染，特別適合在不允許有污染和工作環(huán)境較為惡劣的場合下正常工作，結(jié)構(gòu)緊湊特別適用多軸傳動(dòng)，因此本發(fā)明采用同步帶技術(shù)形成六軸八輪驅(qū)動(dòng)模式。
[0033]本發(fā)明為了解決國內(nèi)管道機(jī)器人存在的問題，研發(fā)了一種由六臺(tái)稀土永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的八輪無線傳輸履帶式雙核天然氣管道機(jī)器人，其中兩個(gè)功率較大的稀土永磁同步電機(jī)為機(jī)器人正常速度巡檢時(shí)提供能量需求，另外四個(gè)功率較小的稀土永磁同步電機(jī)功率相等，其中的兩只稀土永磁同步電機(jī)在機(jī)器人加速巡檢時(shí)提供動(dòng)力，另外兩只小功率稀土永磁同步電機(jī)在機(jī)器人爬坡時(shí)提供動(dòng)力；左右側(cè)的多個(gè)輪分別通過履帶機(jī)械鏈接，基于兩軸直流電機(jī)的伺服系統(tǒng)為CCD圖像采集系統(tǒng)提供定位功能，天然氣管道機(jī)器人依靠其攜帶傳感器進(jìn)行巡檢大型天然氣管道。
[0034]本發(fā)明在吸收國外先進(jìn)控制思想的前提下，自主研發(fā)了基于ARM+DSP的全新雙核控制模式。本次設(shè)計(jì)的控制器原理圖如圖1:控制板以ARM為處理器核心，DSP實(shí)現(xiàn)圖像采集數(shù)字信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、無線傳輸以及CCD兩軸直流伺服定位系統(tǒng)控制，并時(shí)刻與ARM通訊，把ARM從復(fù)雜的工作當(dāng)中解脫出來，ARM實(shí)現(xiàn)六軸三相永磁同步電機(jī)的實(shí)時(shí)控制，并響應(yīng)DSP中斷，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和存儲(chǔ)實(shí)時(shí)信號(hào)。
[0035]如圖3所示，所述的天然氣管道機(jī)器人控制系統(tǒng)還設(shè)置有上位機(jī)程序、主運(yùn)動(dòng)控制程序、從運(yùn)動(dòng)控制程序、基于霍爾效應(yīng)管道損傷探測以及無線傳輸，所述的上位機(jī)程序還包括管道讀取、位置定位和電源信息，所述的主運(yùn)動(dòng)控制程序還包括基于ARM六軸永磁同步電機(jī)伺服控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和I/O控制，所述的從運(yùn)動(dòng)控制程序還包括基于DSP兩軸直流電機(jī)伺服控制和基于DSP圖像采集，所述的基于霍爾效應(yīng)管道損傷探測無線傳輸和分別與基于霍爾效應(yīng)管道探傷采集單元和無線裝置通訊連接。
[0036]為達(dá)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案，為了提高能源的利用率和減少機(jī)器人體積，本系統(tǒng)用效率和功率密度均較高的永磁同步電機(jī)替代了步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)等電機(jī)；為了提高系統(tǒng)加速要求，系統(tǒng)為這些特種工況加入了兩個(gè)功率較小的永磁同步電機(jī)起到加速助力作用，增加系統(tǒng)動(dòng)力特性;為了提高系統(tǒng)一般爬坡要求，系統(tǒng)為這些特種工況加入了兩個(gè)功率較小的永磁同步電機(jī)起到爬坡助力作用，增加系統(tǒng)動(dòng)力特性;為了提高運(yùn)算速度，保證自動(dòng)管道機(jī)器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，本發(fā)明在基于ARM的控制器中引入數(shù)字信號(hào)處理器DSP，形成基于ARM+DSP的全新雙核控制器，此控制器充分考慮電池在這個(gè)系統(tǒng)的作用，把控制系統(tǒng)中工作量最大的六軸管道機(jī)器人導(dǎo)航伺服系統(tǒng)、電池監(jiān)控、路徑讀取交給ARM處理，充分發(fā)揮ARM數(shù)據(jù)處理速度相對(duì)較快的特點(diǎn)，而圖像數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和CCD直流伺服定位系統(tǒng)控制等功能交給DSP完成，這樣就實(shí)現(xiàn)了 ARM與DSP的分工，同時(shí)二者之間也可以進(jìn)行通訊，實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和調(diào)用。
[0037]如圖4所示，對(duì)于本文設(shè)計(jì)的ARM+DSP雙核控制器，在電源打開狀態(tài)下，ARM先對(duì)管道機(jī)器人的電池SOC(荷電狀態(tài))進(jìn)行判斷，如果電池能源較低，控制器會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)；如果電池能源較高，先由無線裝置把巡檢天然氣管道長度和半徑等信息輸入給ARM，然后管道機(jī)器人被放到管道檢測口，管道機(jī)器人先進(jìn)入自鎖狀態(tài)，等待入口閥門Fl打開，當(dāng)前方激光位移傳感器LSF確定閥門打開后，管道機(jī)器人進(jìn)入待檢緩沖區(qū)域，然后入口閥門Fl關(guān)閉，入口閥門F2打開，管道機(jī)器人進(jìn)入管道檢測區(qū)域;管道機(jī)器人攜帶的圖像采集系統(tǒng)、濕度采集系統(tǒng)和管道損傷探測裝置、無線控制裝置均開啟，管道機(jī)器人按照設(shè)定速度沿著巡檢路線快速巡檢，ARM按照磁導(dǎo)航傳感器MEl參數(shù)或者無線傳輸信號(hào)二次調(diào)整管道機(jī)器人永磁同步電機(jī)X、永磁同步電機(jī)Y、永磁同步電機(jī)Z、永磁同步電機(jī)R、永磁同步電機(jī)U和永磁同步電機(jī)W的PffM輸出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)六臺(tái)永磁同步電機(jī)的實(shí)時(shí)伺服控制，DSP通過直流電機(jī)A和直流電機(jī)B兩軸直流伺服定位系統(tǒng)使CCD實(shí)時(shí)有效采集管道信息并存儲(chǔ)，如果DSP對(duì)巡檢某一個(gè)位置有疑問，將通過無線向主站發(fā)出圖像傳輸中斷請(qǐng)求并與ARM通訊，由無線控ffjijARM發(fā)出停車指令使管道機(jī)器人停車，主站通過無線裝置實(shí)現(xiàn)CCD二次圖像采集和損傷探測，并由DSP實(shí)時(shí)記錄和存儲(chǔ)；如果管道機(jī)器人完成左轉(zhuǎn)或者是右轉(zhuǎn)巡檢輔助管道再次返回主管道時(shí)，ARM將開通助力永磁同步電機(jī)Z和永磁同步電機(jī)R，按照磁導(dǎo)航傳感器MEl參數(shù)和速度要求二次調(diào)整管道機(jī)器人永磁同步電機(jī)X、永磁同步電機(jī)Y、永磁電機(jī)Z和永磁電機(jī)R的PWM輸出，實(shí)現(xiàn)四臺(tái)永磁同步電機(jī)的實(shí)時(shí)伺服控制，為了減少能源消耗，在返回主通道前DSP將關(guān)閉CCD的信息采集；如果管道機(jī)器人在巡檢過程，三軸陀螺儀Gl和三軸加速度計(jì)Al檢測到管道機(jī)器人處于爬坡巡檢管道，ARM將開通助力永磁同步電機(jī)Z、永磁同步電機(jī)R、永磁同步電機(jī)U、永磁同步電機(jī)W，按照磁導(dǎo)航傳感器MEl參數(shù)和速度要求再次調(diào)整管道機(jī)器人永磁同步電機(jī)X、永磁同步電機(jī)Y、永磁同步電機(jī)Z、永磁同步電機(jī)R、永磁同步電機(jī)U和永磁同步電機(jī)W的PWM輸出，實(shí)現(xiàn)六臺(tái)永磁同步電機(jī)的實(shí)時(shí)伺服控制。
[0038]參照?qǐng)D1，圖2，圖3和圖4，其具體的功能實(shí)現(xiàn)如下:
1)管道機(jī)器人電源打開后，ARM會(huì)對(duì)電池SOC進(jìn)行判斷，如果電池SOC較低時(shí)，ARM將禁止六臺(tái)永磁同步電機(jī)工作，永磁同步電機(jī)輸入PWM波被封鎖，同時(shí)報(bào)警傳感器將工作并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，ARM通過無線裝置向總站發(fā)出更換電源中斷請(qǐng)求;如果電池SOC正常，管道機(jī)器人進(jìn)入待工作狀態(tài)，等待工作命令；
2)總站通過無線裝置把天氣然管道長度、半徑和管道地形圖等信息、已經(jīng)上次檢錄信息傳輸給ARM，然后無線裝置引導(dǎo)管道機(jī)器人到管道檢測的開始端，為了精確導(dǎo)航管道機(jī)器人在封閉管道中的行走，ARM首先開啟管道機(jī)器人基于三軸陀螺儀Gl和三軸加速度計(jì)Al的慣性導(dǎo)航模式；
3)管道機(jī)器人的ARM開始通過磁導(dǎo)航傳感器MEl讀取地面導(dǎo)航磁條，磁導(dǎo)航傳感器MEl的反饋值與實(shí)際設(shè)定中心值相比較，ARM根據(jù)偏差的大小通過其內(nèi)部三閉環(huán)伺服控制程序自動(dòng)調(diào)整永磁同步電機(jī)X、永磁同步電機(jī)Y、永磁同步電機(jī)Z、永磁同步電機(jī)R、永磁同步電機(jī)U、永磁同步電機(jī)W的PffM輸出，使管道機(jī)器人沿著導(dǎo)航磁條快速前進(jìn)，同時(shí)前方激光位移傳感器LSF將工作，ARM實(shí)時(shí)檢測管道機(jī)器人與前方入口閥門Fl的距離D，然后在可靠停車范圍內(nèi)自動(dòng)停車，原地自鎖；
4)當(dāng)前方激光位移傳感器LSF檢測到入口閥門Fl打開時(shí)，管道機(jī)器人將開啟自動(dòng)巡航模式;控制器ARM將實(shí)時(shí)記錄管道機(jī)器人沿著磁條運(yùn)動(dòng)的距離，當(dāng)確定機(jī)器人完全進(jìn)入待檢區(qū)域后，入口閥門Fl將再次關(guān)閉，天然氣泄露裝置檢測到入口閥門Fl完全關(guān)閉后，入口閥門F2將打開，此時(shí)前方激光位移傳感器LSF將二次判斷前方入口閥門F2的狀態(tài)，確定前方閥門打開無誤后，管道機(jī)器人開始進(jìn)入巡檢區(qū)域開始檢測天然氣管道內(nèi)部實(shí)際情況；
5)管道機(jī)器人進(jìn)入管道檢測區(qū)域后，無線裝置將通過DSP開通C⑶圖像采集系統(tǒng)，DSP同時(shí)啟動(dòng)兩軸直流伺服定位系統(tǒng)；ARM根據(jù)磁導(dǎo)航傳感器MEl的反饋，讀取管道機(jī)器人實(shí)際的位置信息、三軸加速度計(jì)Al和三軸陀螺儀Gl的數(shù)值，并與設(shè)定位置相比較，確定管道機(jī)器人偏離中心距離和傾斜的角度，ARM再結(jié)合電機(jī)電流反饋、光電編碼器反饋、三軸加速度計(jì)Al和三軸陀螺儀Gl的反饋，根據(jù)其內(nèi)部三閉環(huán)伺服控制程序得到兩臺(tái)永磁同步電機(jī)的PWM波控制信號(hào)，并通過驅(qū)動(dòng)電路實(shí)時(shí)調(diào)整管道機(jī)器人姿態(tài)，使管道機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)行在磁條中心附近，如果總站通過反饋的采集圖像發(fā)現(xiàn)管道機(jī)器人較大幅度偏離了導(dǎo)航軌道，將通過無線控制裝置優(yōu)先校正管道機(jī)器人的姿態(tài);ARM實(shí)時(shí)記錄機(jī)器人已經(jīng)運(yùn)行的直線距離，距離修正傳感器S時(shí)刻檢測地面修正標(biāo)志，一旦讀取到修正裝置，ARM記錄的位置距離信息要以修正標(biāo)志的位置信息為準(zhǔn)，消除管道機(jī)器人在行走時(shí)的所造成的位置誤差;如果管道機(jī)器人在行走過程中誤讀了地面修正標(biāo)志，主站將通過無線傳輸裝置與ARM通訊，并自動(dòng)修改管道機(jī)器人的位置信息；
6)管道機(jī)器人進(jìn)入檢測區(qū)域后，如果ARM通過三軸陀螺儀Gl和三軸加速度計(jì)Al的反饋發(fā)現(xiàn)管道機(jī)器人處于爬坡巡檢狀態(tài)，為了保證管道機(jī)器人能夠按照指定速度完成巡檢管道任務(wù)，按照系統(tǒng)速度和加速度要求，ARM首先計(jì)算出爬坡所需功率，再結(jié)合電機(jī)電流、光電編碼器、三軸加速度計(jì)Al和三軸陀螺儀Gl的反饋，實(shí)時(shí)調(diào)整管道機(jī)器人永磁同步電機(jī)X、永磁同步電機(jī)Y、永磁同步電機(jī)Z、永磁同步電機(jī)R、永磁同步電機(jī)U和永磁同步電機(jī)W的PffM控制信號(hào)，使管道機(jī)器人滿足常速巡檢管道要求;在爬坡探測過程中，ARM根據(jù)磁導(dǎo)航傳感器MEl的反饋，讀取管道機(jī)器人實(shí)際的位置信息、三軸加速度計(jì)Al和三軸陀螺儀Gl的數(shù)值，并與設(shè)定位置相比較，確定管道機(jī)器人偏離中心距離和傾斜的角度，ARM再結(jié)合電機(jī)電流反饋、光電編碼器反饋、三軸加速度計(jì)Al和三軸陀螺儀Gl的反饋，根據(jù)其內(nèi)部三閉環(huán)伺服控制程序得到六臺(tái)永磁同步電機(jī)的PWM波控制信號(hào)，并通過驅(qū)動(dòng)電路實(shí)時(shí)調(diào)整管道機(jī)器人姿態(tài)，使管道機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)行在磁條中心附近，如果總站通過反饋的采集圖像發(fā)現(xiàn)管道機(jī)器人較大幅度偏離了導(dǎo)航軌道，將通過無線控制裝置優(yōu)先校正管道機(jī)器人的姿態(tài);ARM并實(shí)時(shí)記錄管道機(jī)器人已經(jīng)運(yùn)行的直線距離，距離修正傳感器S時(shí)刻檢測地面修正標(biāo)志，一旦讀取到修正裝置，ARM記錄的位置距離信息要以修正標(biāo)志的位置信息為準(zhǔn)，消除管道機(jī)器人在行走時(shí)的所造成的位置誤差，當(dāng)ARM通過三軸陀螺儀Gl和三軸加速度計(jì)Al反饋發(fā)現(xiàn)管道機(jī)器人已經(jīng)完成爬坡動(dòng)作進(jìn)入正常巡檢環(huán)境，控制器封鎖永磁同步電機(jī)Z、永磁同步電機(jī)R、永磁同步電機(jī)U和永磁同步電機(jī)W的PffM控制信號(hào)，使系統(tǒng)進(jìn)入永磁同步電機(jī)X和永磁同步電機(jī)Y驅(qū)動(dòng)狀態(tài)；
7)管道機(jī)器人進(jìn)入正常檢測區(qū)域后，如果管道機(jī)器人在主管道巡檢過程中左岔口傳感器ME2讀到地面轉(zhuǎn)彎標(biāo)志，ARM首先根據(jù)地面裝置修正管道機(jī)器人在管道中的位置信息，消除管道機(jī)器人行走誤差;ARM按照系統(tǒng)速度和加速度要求，然后結(jié)合電機(jī)電流、光電編碼器、三軸加速度計(jì)Al和三軸陀螺儀Gl的反饋，實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)器人永磁同步電機(jī)X和永磁同步電機(jī)Y的PffM控制信號(hào)，使管道機(jī)器人在距離R內(nèi)停車，然后ARM結(jié)合三軸陀螺儀Gl和三軸加速度計(jì)Al的反饋使管道機(jī)器人原地旋轉(zhuǎn)左90度，管道機(jī)器人進(jìn)入左岔道進(jìn)行巡航;在左岔道探測過程中，前方激光位移傳感器LSF時(shí)刻開啟并檢測疑似堵塞物并檢測與前方終點(diǎn)的距離；ARM根據(jù)前方激光位移傳感器LSF的反饋實(shí)時(shí)記錄前進(jìn)距離，并在距離岔道終點(diǎn)前有效范圍內(nèi)使管道機(jī)器人有效停車，管道機(jī)器人在三軸陀螺儀Gl和三軸加速度計(jì)Al控制下原地旋轉(zhuǎn)180度準(zhǔn)備返回主通道；由于左岔道已經(jīng)巡檢完畢，為了使管道機(jī)器人快速返回到主管道中，ARM開啟助力永磁同步電機(jī)Z和永磁同步電機(jī)R，使系統(tǒng)進(jìn)入加速返回狀態(tài);在整個(gè)返回過程中，ARM按照系統(tǒng)速度和加速度要求，然后結(jié)合電機(jī)電流、光電編碼器、三軸加速度計(jì)Al和三軸陀螺儀Gl的反饋，實(shí)時(shí)調(diào)整管道機(jī)器人永磁同步電機(jī)X、永磁同步電機(jī)Y、永磁同步電機(jī)Z和永磁同步電機(jī)R的PffM控制信號(hào)，使管道機(jī)器人能夠加速沿著地面磁條回到主管道;進(jìn)入正常巡檢環(huán)境后，控制器封鎖永磁同步電機(jī)Z、永磁同步電機(jī)R的PffM控制信號(hào)，使系統(tǒng)進(jìn)入永磁同步電機(jī)X和永磁同步電機(jī)Y驅(qū)動(dòng)狀態(tài)；
8)管道機(jī)器人進(jìn)入正常檢測區(qū)域后，如果管道機(jī)器人在主管道巡檢過程中右岔口傳感器ME3讀到地面轉(zhuǎn)彎標(biāo)志，ARM首先根據(jù)地面裝置修正管道機(jī)器人在管道中的位置信息，消除管道機(jī)器人行走誤差;ARM按照系統(tǒng)速度和加速度要求，然后結(jié)合電機(jī)電流、光電編碼器、三軸加速度計(jì)Al和三軸陀螺儀Gl的反饋，實(shí)時(shí)調(diào)整管道機(jī)器人永磁同步電機(jī)X和永磁同步電機(jī)Y的PTOi控制信號(hào)，使管道機(jī)器人在距離R內(nèi)停車，然后ARM結(jié)合三軸陀螺儀GI和三軸加速度計(jì)Al的反饋使管道機(jī)器人原地旋轉(zhuǎn)右90度，管道機(jī)器人進(jìn)入右岔道進(jìn)行巡航;在右岔道探測過程中，前方激光位移傳感器LSF時(shí)刻開啟并檢測疑似堵塞物并檢測與前方終點(diǎn)的距離;ARM根據(jù)前方激光位移傳感器LSF的反饋實(shí)時(shí)記錄前進(jìn)距離，并在距離岔道終點(diǎn)前有效范圍內(nèi)使管道機(jī)器人有效停車，管道機(jī)器人在三軸陀螺儀Gl和三軸加速度計(jì)Al控制下原地旋轉(zhuǎn)180度準(zhǔn)備返回主通道；由于右岔道已經(jīng)巡檢完畢，為了使管道機(jī)器人快速返回到主管道中，ARM開啟助力永磁同步電機(jī)Z和永磁同步電機(jī)R，使系統(tǒng)進(jìn)入加速返回狀態(tài);在整個(gè)返回過程中，ARM按照系統(tǒng)速度和加速度要求，然后結(jié)合電機(jī)電流、光電編碼器、三軸加速度計(jì)Al和三軸陀螺儀Gl的反饋，實(shí)時(shí)調(diào)整管道機(jī)器人永磁同步電機(jī)X、永磁同步電機(jī)Y、永磁同步電機(jī)Z和永磁同步電機(jī)R的PffM控制信號(hào)，使管道機(jī)器人能夠加速沿著地面磁條回到主管道;進(jìn)入正常巡檢環(huán)境后，控制器封鎖永磁同步電機(jī)Z、永磁同步電機(jī)R的PWM控制信號(hào)，使系統(tǒng)進(jìn)入永磁同步電機(jī)X和永磁同步電機(jī)Y驅(qū)動(dòng)狀態(tài)；
9)管道機(jī)器人進(jìn)入正常檢測區(qū)域后，如果管道機(jī)器人在主管道巡檢過程中左岔口傳感器ME2和右岔口傳感器ME3同時(shí)讀到地面轉(zhuǎn)彎標(biāo)志，說明管道機(jī)器人進(jìn)入了十字管道交叉口，ARM首先根據(jù)地面裝置修正管道機(jī)器人在管道中的位置信息，消除管道機(jī)器人行走誤差;ARM按照系統(tǒng)速度和加速度要求，然后結(jié)合電機(jī)電流、光電編碼器、三軸加速度計(jì)Al和三軸陀螺儀Gl的反饋，實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)器人永磁同步電機(jī)X和永磁同步電機(jī)Y的PWM控制信號(hào)，使管道機(jī)器人進(jìn)入右岔道進(jìn)行巡航，ARM根據(jù)前方激光位移傳感器LSF的反饋實(shí)時(shí)記錄前進(jìn)距離，并在距離岔道終點(diǎn)前有效范圍內(nèi)使機(jī)器人有效停車，管道機(jī)器人在三軸陀螺儀Al控制下原地旋轉(zhuǎn)180度返回主通道，ARM開啟助力永磁同步電機(jī)Z和永磁同步電機(jī)R，使系統(tǒng)進(jìn)入四輪加速返回狀態(tài)；當(dāng)右激光位移傳感器LSR和左激光位移傳感器LSL的反饋出現(xiàn)較大幅值變化時(shí)，說明管道機(jī)器人已經(jīng)進(jìn)入十字口位置，此時(shí)ARM開始修正管道機(jī)器人行走的誤差，保證管道機(jī)器人位置距離信息正確，當(dāng)右激光位移傳感器LSR和左激光位移傳感器LSL的反饋再次出現(xiàn)較大幅值變化時(shí)，說明管道機(jī)器人已經(jīng)進(jìn)入左岔道口管道，此時(shí)ARM開始修正管道機(jī)器人行走的誤差，保證管道機(jī)器人位置距離信息正確，ARM按照系統(tǒng)速度和加速度要求，然后結(jié)合電機(jī)電流、光電編碼器、三軸加速度計(jì)Al和三軸陀螺儀Gl的反饋，實(shí)時(shí)調(diào)整管道機(jī)器人永磁同步電機(jī)X和永磁同步電機(jī)Y的PWM控制信號(hào)，使管道機(jī)器人進(jìn)入左岔道進(jìn)行巡航，ARM根據(jù)前方激光位移傳感器LSF的反饋實(shí)時(shí)記錄前進(jìn)距離，并在距離岔道終點(diǎn)前有效范圍內(nèi)使機(jī)器人有效停車，管道機(jī)器人在三軸陀螺儀Gl和三軸加速度計(jì)Al控制下原地旋轉(zhuǎn)180度返回主通道，ARM開啟助力永磁同步電機(jī)Z和永磁同步電機(jī)R，使系統(tǒng)進(jìn)入四輪加速返回狀態(tài)；當(dāng)右激光位移傳感器LSR和左激光位移傳感器LSL的反饋出現(xiàn)較大幅值變化時(shí)，說明管道機(jī)器人已經(jīng)返回十字口位置，ARM開始修正管道機(jī)器人行走的誤差，保證管道機(jī)器人位置距離信息正確，控制器讓管道機(jī)器人行走一段距離后穩(wěn)穩(wěn)停在十字路口，然后在三軸陀螺儀Gl和三軸加速度計(jì)Al控制下左轉(zhuǎn)90度重新回到主管道檢測區(qū)域；
10)如果管道機(jī)器人在正常運(yùn)動(dòng)過程中受到外界干擾或者是遇到磁條斷裂，磁導(dǎo)航傳感器MEl無法讀取到地面磁條信息，此時(shí)ARM將通過無線控制裝置與總站通訊，左激光位移傳感器LSL和右激光位移傳感器LSR開啟工作，二者將測得的距離輸入給ARM控制器，控制器與設(shè)定值相比較得到偏離中心的位置，ARM再結(jié)合電機(jī)電流反饋、光電編碼器反饋、三軸加速度計(jì)Al和三軸陀螺儀Gl的反饋，根據(jù)其內(nèi)部三閉環(huán)伺服控制程序得到兩臺(tái)永磁同步電機(jī)的PffM波控制信號(hào)，并通過驅(qū)動(dòng)電路實(shí)時(shí)調(diào)整管道機(jī)器人姿態(tài)，使管道機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)行在磁條中心附近，ARM并實(shí)時(shí)記錄機(jī)器人已經(jīng)運(yùn)行的直線距離，距離修正傳感器S時(shí)刻檢測地面修正標(biāo)志，一旦讀取到修正裝置，ARM記錄位置距離信息要以修正標(biāo)志的位置信息為準(zhǔn)，如果管道機(jī)器人在行走過程中誤讀了地面修正標(biāo)志，主站將通過無線傳輸裝置與ARM通訊，并自動(dòng)修改管道機(jī)器人的位置信息，消除管道機(jī)器人行走時(shí)的位置誤差；
11)在管道機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中，圖像采集中的CCD時(shí)刻開啟，DSP實(shí)時(shí)存儲(chǔ)CCD采集的圖像，DSP把采集的圖像與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)管道信息進(jìn)行比對(duì)，如果二者比對(duì)結(jié)果出現(xiàn)較大誤差，為了防止誤操作，DSP立即通過無線裝置向主站發(fā)出中斷請(qǐng)求，并與ARM通訊，ARM立即響應(yīng)DSP中斷，并讓管道機(jī)器人停車;DSP通過內(nèi)部三閉環(huán)直流伺服控制程序調(diào)整直流電機(jī)A和直流電機(jī)B的輸出定位CCD位置，使CCD圖像采集中心對(duì)準(zhǔn)疑似圖像中心，CCD二次采集管道信息并通過無線傳輸裝置實(shí)時(shí)傳輸，主站實(shí)時(shí)分析該疑似區(qū)域，DSP 二次存儲(chǔ)該圖像，疑似處理完畢后無線控制重新開啟管道機(jī)器人，ARM開啟永磁同步電機(jī)X、永磁同步電機(jī)Y、永磁同步電機(jī)Z和永磁同步電機(jī)R使管道機(jī)器人處于加速階段，當(dāng)達(dá)到設(shè)定速度后ARM封鎖永磁同步電機(jī)Z和永磁同步電機(jī)R的PffM控制信號(hào)，使管道機(jī)器人處于永磁同步電機(jī)X和永磁同步電機(jī)Y的兩軸驅(qū)動(dòng)狀態(tài)并沿著管道導(dǎo)航標(biāo)志繼續(xù)前行；
12)在管道機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中，濕度采集系統(tǒng)中的濕度傳感器時(shí)刻開啟，ARM實(shí)時(shí)存儲(chǔ)濕度傳感器采集到的濕度信息，并與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)管道濕度信息進(jìn)行比對(duì)，如果二者比對(duì)結(jié)果出現(xiàn)較大誤差，ARM立即通過無線裝置向主站發(fā)出中斷請(qǐng)求，并與DSP通訊，DSP立即響應(yīng)ARM中斷，通過內(nèi)部三閉環(huán)直流伺服控制程序調(diào)整直流電機(jī)A和直流電機(jī)B的輸出使其定位CCD位置，使CCD圖像采集中心對(duì)準(zhǔn)疑似水圖像中心，CCD 二次采集管道信息并通過無線傳輸裝置實(shí)時(shí)傳輸，主站實(shí)時(shí)分析該疑似區(qū)域，確認(rèn)無誤后，DSP 二次存儲(chǔ)該圖像和位置信息，然后主站通過無線裝置重啟ARM，控制管道機(jī)器人繼續(xù)前行，當(dāng)通過疑似區(qū)域后，ARM開啟永磁同步電機(jī)X、永磁同步電機(jī)Y、永磁同步電機(jī)Z和永磁同步電機(jī)R使管道機(jī)器人處于加速階段，當(dāng)達(dá)到設(shè)定速度后ARM封鎖永磁同步電機(jī)Z和永磁同步電機(jī)R的PffM控制信號(hào)，使管道機(jī)器人處于永磁同步電機(jī)X和永磁同步電機(jī)Y的兩軸驅(qū)動(dòng)狀態(tài)并沿著管道導(dǎo)航標(biāo)志繼續(xù)前行；
13)在管道機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中，前方激光位移傳感器LSF時(shí)刻開啟，ARM實(shí)時(shí)處理前方位置信息，當(dāng)在管道運(yùn)行前方有異常物時(shí)，前方激光位移傳感器LSF探測值將出現(xiàn)異常，ARM首先通過內(nèi)部三閉環(huán)伺服控制程序主動(dòng)調(diào)整兩臺(tái)永磁同步電機(jī)X和永磁同步電機(jī)Y的PWM波控制信號(hào)，降低管道機(jī)器人的速度使其慢速駛向疑似管道阻塞區(qū)域，同時(shí)ARM立即向總站和DSP發(fā)出中斷請(qǐng)求，DSP立即響應(yīng)ARM中斷，并通過內(nèi)部三閉環(huán)直流伺服控制程序調(diào)整電機(jī)A和電機(jī)B的輸出使其定位CCD位置，使CCD圖像采集中心對(duì)準(zhǔn)疑似阻塞物圖像中心，CCD 二次采集管道信息并通過無線傳輸裝置實(shí)時(shí)傳輸，主站實(shí)時(shí)分析該疑似區(qū)域，當(dāng)確定前方為小型阻塞物時(shí)，由于本次設(shè)計(jì)的管道機(jī)器人是多輪履帶式結(jié)構(gòu)，ARM控制管道機(jī)器人同時(shí)開啟永磁同步電機(jī)X、永磁同步電機(jī)Y、永磁同步電機(jī)Z、永磁同步電機(jī)R、永磁同步電機(jī)U、永磁同步電機(jī)W使其通過越過障礙物并繼續(xù)前行。當(dāng)通過疑似區(qū)域后，ARM控制器關(guān)閉永磁同步電機(jī)Z、永磁同步電機(jī)R、永磁同步電機(jī)U和永磁同步電機(jī)W驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使管道機(jī)器人處于永磁同步電機(jī)X和永磁同步電機(jī)Y的兩軸驅(qū)動(dòng)狀態(tài)并沿著管道導(dǎo)航標(biāo)志繼續(xù)前行；
14)在管道機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中，基于霍爾效應(yīng)的管道探傷傳感器將工作，當(dāng)管道運(yùn)行前方探測值出現(xiàn)異常，ARM首先通過內(nèi)部三閉環(huán)伺服控制程序主動(dòng)調(diào)整兩臺(tái)永磁同步電機(jī)X和永磁同步電機(jī)Y的PWM波控制信號(hào)，降低管道機(jī)器人的速度使其慢速駛向管道損傷疑似區(qū)域，同時(shí)ARM立即向總站和DSP發(fā)出中斷請(qǐng)求，DSP立即響應(yīng)ARM中斷，并通過內(nèi)部三閉環(huán)直流伺服控制程序調(diào)整直流電機(jī)A和直流電機(jī)B的輸出定位CCD位置，使CCD圖像采集中心對(duì)準(zhǔn)疑似損傷管道部位，CCD 二次采集管道信息并通過無線傳輸裝置實(shí)時(shí)傳輸，主站實(shí)時(shí)分析該疑似區(qū)域，如果DSP圖像采集圖像未發(fā)現(xiàn)管道損傷，DSP將記錄疑似損傷實(shí)際位置信息，并標(biāo)記為外部損傷，當(dāng)通過疑似區(qū)域后，ARM開啟永磁同步電機(jī)X、永磁同步電機(jī)Y、永磁同步電機(jī)Z和永磁同步電機(jī)R使管道機(jī)器人處于加速階段，當(dāng)達(dá)到設(shè)定速度后ARM封鎖永磁同步電機(jī)Z和永磁同步電機(jī)R的PWM控制信號(hào)，使管道機(jī)器人處于永磁同步電機(jī)X和永磁同步電機(jī)Y的兩軸驅(qū)動(dòng)狀態(tài)并沿著管道導(dǎo)航標(biāo)志繼續(xù)前行；
15)在管道機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中，ARM會(huì)時(shí)刻儲(chǔ)存所經(jīng)過的管道所處的位置或者是經(jīng)過的參考點(diǎn)，并根據(jù)這些距離信息由ARM計(jì)算得到相對(duì)下一個(gè)參考點(diǎn)管道機(jī)器人永磁同步電機(jī)X和永磁同步電機(jī)Y分別要運(yùn)行的距離、速度和加速度指令值，ARM控制器再結(jié)合電機(jī)電流反饋、光電編碼器反饋、地面磁條、三軸加速度計(jì)Al和三軸陀螺儀Gl的反饋，根據(jù)其內(nèi)部三閉環(huán)伺服控制程序得到兩臺(tái)永磁同步電機(jī)的PWM波控制信號(hào)，使管道機(jī)器人按照設(shè)定速度快速前行；
16)在運(yùn)動(dòng)過程中如果管道機(jī)器人發(fā)現(xiàn)距離求解出現(xiàn)死循環(huán)將向ARM發(fā)出中斷請(qǐng)求，ARM會(huì)對(duì)中斷做第一時(shí)間響應(yīng)并原地自鎖，然后向總站發(fā)出中斷請(qǐng)求;總站通過無線裝置重新復(fù)位ARM，傳輸新的位置等信息，ARM根據(jù)管道磁條導(dǎo)航標(biāo)志反饋和左激光位移傳感器器LSL和右激光位移傳感器LSR的反饋，實(shí)時(shí)調(diào)整永磁同步電機(jī)X和永磁同步電機(jī)Y的速度，管道機(jī)器人從新的位置開始巡檢；
17)裝在永磁同步電機(jī)X、永磁同步電機(jī)Y、永磁同步電機(jī)Z、永磁同步電機(jī)R、永磁同步電機(jī)U、永磁同步電機(jī)W上的光電編碼器會(huì)輸出其位置信號(hào)A和位置信號(hào)B，光電編碼器的位置信號(hào)A脈沖和B脈沖邏輯狀態(tài)每變化一次，ARM內(nèi)的位置寄存器會(huì)根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行方向加I或者是減I;光電編碼器的位置信號(hào)A脈沖和B脈沖和Z脈沖同時(shí)為低電平時(shí)，就產(chǎn)生一個(gè)INDEX信號(hào)給ARM內(nèi)部寄存器，記錄永磁同步電機(jī)的絕對(duì)位置，然后換算成管道機(jī)器人在管道檢測系統(tǒng)中的具體位置；
18)管道機(jī)器人在運(yùn)行過程ARM根據(jù)其內(nèi)部算法實(shí)時(shí)計(jì)算電池SOC，如果控制器發(fā)現(xiàn)電源能量較低時(shí)，ARM會(huì)與DSP通訊，并通過DSP關(guān)閉CCD圖像采集工作和圖像存儲(chǔ)工作，并通過其內(nèi)部三閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)程序調(diào)整永磁同步電機(jī)X和永磁同步電機(jī)Y的PWM輸出，管道機(jī)器人在無線控制下以較慢的速度駛向出口處，保證管道機(jī)器人能夠順利到出口處；
19)在管道機(jī)器人巡檢過程中，如果伺服控制器檢測到永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)脈動(dòng)，由于本發(fā)明采用的永磁同步電機(jī)控制是基于矢量控制，因此控制器會(huì)很容易補(bǔ)償此干擾，減少了電機(jī)轉(zhuǎn)矩對(duì)巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程的影響；
20)當(dāng)管道機(jī)器人駛向出口閥門的過程中，其攜帶的前方激光位移傳感器LSF會(huì)時(shí)刻檢測其與閥門之間的位移，當(dāng)確定出口閥門F3在打開狀態(tài)，管道機(jī)器人將開啟巡航模式，控制器ARM實(shí)時(shí)記錄管道機(jī)器人已經(jīng)沿著磁條運(yùn)動(dòng)的距離，當(dāng)確定管道機(jī)器人完全進(jìn)入出口待檢區(qū)域后，出口閥門F3將關(guān)閉，天然氣抽吸裝置將抽吸待檢區(qū)域的天然氣情況，當(dāng)天然氣泄露裝置未檢測到待檢區(qū)域有天然氣殘留時(shí)，出口閥門F4將打開，此時(shí)前方激光位移傳感器LSF將二次判斷前方出口閥門F4的狀態(tài)，確定前方閥門打開無誤后，管道機(jī)器人駛出檢測管道，回到檢測終點(diǎn)，等待下一個(gè)檢測命令。
[0039]本發(fā)明具有的有益效果是:
1:在管道機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中，充分考慮了電池在這個(gè)系統(tǒng)中的作用，基于ARM+DSP雙核控制器時(shí)刻都在對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和運(yùn)算，既避免了由于大電流放電而引起的鋰離子電池過度老化現(xiàn)象的發(fā)生，又可以有效預(yù)測電池的能量，為管道機(jī)器人巡檢提供了有效保證；
2:由ARM處理管道機(jī)器人六只永磁同步電機(jī)基于矢量控制的伺服控制以及動(dòng)力調(diào)整，由DSP實(shí)現(xiàn)CCD的兩軸直流伺服定位系統(tǒng)的控制，二者既實(shí)現(xiàn)了分工，有減少了ARM的工作量，使得控制比較簡單，大大提高了運(yùn)算速度，解決了單片機(jī)軟件運(yùn)行較慢的瓶頸，縮短了開發(fā)周期短，并且程序可移植能力強(qiáng)；
3:本發(fā)明基本實(shí)現(xiàn)全貼片元器件材料，實(shí)現(xiàn)了單板控制，不僅節(jié)省了控制板占用空間，而且有利于管道機(jī)器人體積和重量的減輕；
4:本發(fā)明管道機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)采用永磁同步電機(jī)替代了傳統(tǒng)機(jī)器人系統(tǒng)中常用的步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)、直流無刷電機(jī)，由于其體積較小，效率較高，使得管道機(jī)器人體積可以進(jìn)一步縮小，能源利用率大大提尚;
5:由于采用基于矢量控制的永磁同步電機(jī)，使得調(diào)速范圍比較寬，調(diào)速比較平穩(wěn)，即使在低速階段電機(jī)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩也非常小，有利于提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能；
6:由于本控制器采用DSP處理圖形采集、存儲(chǔ)、兩軸直流伺服定位系統(tǒng)的大量數(shù)據(jù)與算法，把ARM從繁重的工作量中解脫出來，有效地防止了程序的“跑飛”，抗干擾能力大大增強(qiáng)；7:在控制中，ARM控制器可以根據(jù)機(jī)器人外圍運(yùn)行情況適時(shí)調(diào)整六軸永磁同步電機(jī)伺服控制的PID參數(shù)，實(shí)現(xiàn)分段P、H)、PID控制和非線性PID控制，使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能大大提高；
8:管道機(jī)器人上配備有濕度采集系統(tǒng)，可以輕易地檢測出隧道里的濕度異常區(qū)域，可有效查出管道水滴的存在，無線傳輸系統(tǒng)可以有效提高系統(tǒng)濕度的檢測效率；
9:管道機(jī)器人上配備有圖像采集系統(tǒng)，可以輕易地檢測出管道內(nèi)部管道腐蝕等異常情況，并有效存儲(chǔ)其圖像，無線傳輸系統(tǒng)可以提高圖像采集系統(tǒng)的效率；
10:基于無線圖像傳輸可以使總站工作人員準(zhǔn)確判斷疑似區(qū)域，同時(shí)無線遙控技術(shù)可以很好的解決管道機(jī)器人出現(xiàn)的突發(fā)狀況，比如求解死機(jī)、重啟管道機(jī)器人等；
11:基于DSP的圖像存儲(chǔ)功能使得管道機(jī)器人完成任務(wù)后方便工作人員讀取巡檢結(jié)果，可以輕易的從存儲(chǔ)結(jié)果中讀取管道受損信息和具體位置，然后及時(shí)維修；
12:管道機(jī)器人上配備有基于霍爾效應(yīng)的損傷探測采集系統(tǒng)，可以輕易地檢測出管道外部管道腐蝕和損傷等異常情況，有利于及早發(fā)現(xiàn)問題管道；
13:三軸陀螺儀Gl和三軸加速度計(jì)Al的加入可有效準(zhǔn)確探測管道機(jī)器人偏離管道平面的傾斜角度，ARM會(huì)時(shí)刻對(duì)此角度進(jìn)行調(diào)整并通過無線裝置傳輸給總站，有效控制了管道機(jī)器人的姿態(tài)；
14:磁導(dǎo)航傳感器MEl和激光位移傳感器的加入使得系統(tǒng)導(dǎo)航具有一定的冗余度，極大提高了管道機(jī)器人的穩(wěn)定性，并且使得此管道機(jī)器人可以巡檢非等徑的復(fù)雜管道；
15:同步帶技術(shù)的加入使得多個(gè)輪都具有動(dòng)力，同時(shí)履帶的加入有效增加了管道機(jī)器人在管道中接觸的面積，使管道機(jī)器人可以有效通過具有障礙阻塞物區(qū)域，提高了環(huán)境適應(yīng)性；
16:基于直流電機(jī)A和直流電機(jī)B的兩軸CCD圖像采集定位系統(tǒng)可以使圖像采集更可靠，為主站進(jìn)行管道損傷和阻塞信息實(shí)時(shí)分析提供了可靠依據(jù)；
17:地面轉(zhuǎn)彎導(dǎo)航標(biāo)志配合左右側(cè)激光位移傳感器使得系統(tǒng)可以輕松讀出管道信息，有利于管道機(jī)器人在復(fù)雜管道中的定位和位置誤差的消除；
18:三軸陀螺儀Gl和三軸加速度計(jì)Al的加入可有效準(zhǔn)確測量管道機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)的角度，為管道機(jī)器人在復(fù)雜管道中的轉(zhuǎn)彎導(dǎo)航提高了可靠依據(jù)；
19:三軸陀螺儀Gl和三軸加速度計(jì)Al的加入可有效準(zhǔn)確探測管道機(jī)器人爬坡時(shí)的角度，ARM會(huì)時(shí)刻對(duì)此角度進(jìn)行檢測，并有效開啟助力電機(jī)為管道機(jī)器人巡檢具有坡度的管道提供動(dòng)力需求；
20:兩臺(tái)助力永磁同步電機(jī)的加入使得系統(tǒng)的動(dòng)力性能調(diào)整具有可選擇，使得機(jī)器人可以滿足不同工況下的動(dòng)力要求，使得機(jī)器人的適應(yīng)能力加強(qiáng)；
21:三軸陀螺儀Gl和三軸加速度計(jì)Al的加入可有效測量管道機(jī)器人在直線導(dǎo)航發(fā)生的三軸加速度計(jì)Al、速度和方向偏移，為管道機(jī)器人在復(fù)雜管道中的慣性導(dǎo)航提高了可靠依據(jù)。
[0040]綜上訴述，本發(fā)明的兩核八軸無線傳輸履帶式天然氣管道機(jī)器人控制系統(tǒng)，為了提高能源的利用率和減少機(jī)器人體積，本系統(tǒng)用效率和功率密度均較高的永磁同步電機(jī)替代了步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)等電機(jī);為了提高系統(tǒng)加速要求，系統(tǒng)為這些特種工況加入了兩個(gè)功率較小的永磁同步電機(jī)起到加速助力作用，增加系統(tǒng)動(dòng)力特性;為了提高系統(tǒng)一般爬坡要求，系統(tǒng)為這些特種工況加入了兩個(gè)功率較小的永磁同步電機(jī)起到爬坡助力作用，增加系統(tǒng)動(dòng)力特性;為了提高運(yùn)算速度，保證自動(dòng)管道機(jī)器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，本發(fā)明在基于ARM的控制器中引入數(shù)字信號(hào)處理器DSP，形成基于ARM+DSP的全新雙核控制器，此控制器充分考慮電池在這個(gè)系統(tǒng)的作用，把控制系統(tǒng)中工作量最大的六軸管道機(jī)器人導(dǎo)航伺服系統(tǒng)、電池監(jiān)控、路徑讀取交給ARM處理，充分發(fā)揮ARM數(shù)據(jù)處理速度相對(duì)較快的特點(diǎn)，而圖像數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和CCD直流伺服定位系統(tǒng)控制等功能交給DSP完成，這樣就實(shí)現(xiàn)了 ARM與DSP的分工，同時(shí)二者之間也可以進(jìn)行通訊，實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和調(diào)用。
[0041]以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其它相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種兩核八軸無線傳輸履帶式天然氣管道機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于，包括電池、控制器、永磁同步電機(jī)X、永磁同步電機(jī)Y、永磁同步電機(jī)Z、永磁同步電機(jī)R、永磁同步電機(jī)U、永磁同步電機(jī)W、直流電機(jī)A、直流電機(jī)B、基于CCD圖像采集單元、圖像存儲(chǔ)單元、濕度采集單元、基于霍爾效應(yīng)管道探傷采集單元、無線裝置以及管道機(jī)器人，所述的電池單獨(dú)提供電流驅(qū)動(dòng)所述的控制器，所述的控制器采用雙核控制器，包括ARM和DSP，所述的ARM和DSP通過無線裝置進(jìn)行通訊連接，所述的基于CCD圖像采集單元和圖像存儲(chǔ)單元均與DSP通訊連接，所述的濕度采集單元和基于霍爾效應(yīng)管道探傷采集單元均與ARM通訊連接，所述的ARM分別發(fā)出第一控制信號(hào)、第二控制信號(hào)、第三控制信號(hào)、第四控制信號(hào)、第五控制信號(hào)和第六控制信號(hào)，由所述的第一控制信號(hào)、第二控制信號(hào)、第三控制信號(hào)、第四控制信號(hào)、第五控制信號(hào)和第六控制信號(hào)分別控制所述的永磁同步電機(jī)X、永磁同步電機(jī)Y、永磁同步電機(jī)Z、永磁同步電機(jī)R、永磁同步電機(jī)U和永磁同步電機(jī)W的信號(hào)合成之后再控制管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，所述的DSP分別發(fā)出第七控制信號(hào)和第八控制信號(hào)，由所述的第七控制信號(hào)和第八控制信號(hào)分別控制所述的直流電機(jī)A、直流電機(jī)B的信號(hào)合成之后與基于CCD圖像采集單元通訊連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣管道機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的電池采用鋰離子電池。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣管道機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的第一控制信號(hào)、第二控制信號(hào)、第三控制信號(hào)、第四控制信號(hào)、第五控制信號(hào)和第六控制信號(hào)均為PWM波控制信號(hào)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣管道機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的ARM采用STM32F746;所述的 DSP 采用 TMS320F2812。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣管道機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的管道機(jī)器人包括機(jī)器人殼體、激光位移傳感器、磁導(dǎo)航傳感器、左岔口傳感器、右岔口傳感器、三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)以及同步帶，所述的激光位移傳感器分別安裝在機(jī)器人殼體的前端，所述的左岔口傳感器和右岔口傳感器分別位于激光位移傳感器下方的左右兩端，所述的同步帶分別設(shè)置在機(jī)器人殼體的左右兩側(cè)邊并分別與永磁同步電機(jī)X、永磁同步電機(jī)Y、永磁同步電機(jī)Z、永磁同步電機(jī)R、永磁同步電機(jī)U和永磁同步電機(jī)W連接，所述的磁導(dǎo)航傳感器、三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)依次設(shè)置在機(jī)器人殼體上并位于永磁同步電機(jī)X和永磁同步電機(jī)Y之間，所述的直流電機(jī)A、直流電機(jī)B和無線裝置均設(shè)置在機(jī)器人殼體上并分別位于左岔口傳感器和右岔口傳感器的上方，所述的直流電機(jī)A和直流電機(jī)B均設(shè)置在機(jī)器人殼體上并分別位于左岔口傳感器和右岔口傳感器的上方，所述的無線裝置位于機(jī)器人殼體的后端。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的天然氣管道機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的激光位移傳感器包括前方激光位移傳感器、左激光位移傳感器和右激光位移傳感器，所述的前方激光位移傳感器設(shè)置在機(jī)器人殼體正前方的中間位置，所述的左激光位移傳感器和右激光位移傳感器分別斜向設(shè)置在機(jī)器人殼體正前方的左右兩端。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的天然氣管道機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的同步帶采用六軸八輪驅(qū)動(dòng)模式，是由一根內(nèi)周表面設(shè)有等間距齒的封閉環(huán)形履帶和相應(yīng)的帶輪所組成。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣管道機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的天然氣管道機(jī)器人控制系統(tǒng)還設(shè)置有上位機(jī)程序、主運(yùn)動(dòng)控制程序、從運(yùn)動(dòng)控制程序、基于霍爾效應(yīng)管道損傷探測以及無線傳輸，所述的上位機(jī)程序還包括管道讀取、位置定位和電源信息，所述的主運(yùn)動(dòng)控制程序還包括基于ARM六軸永磁同步電機(jī)伺服控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和I/O控制，所述的從運(yùn)動(dòng)控制程序還包括基于DSP兩軸直流電機(jī)伺服控制和基于DSP圖像采集，所述的基于霍爾效應(yīng)管道損傷探測無線傳輸和分別與基于霍爾效應(yīng)管道探傷采集單元和無線裝置通訊連接。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣管道機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的天然氣管道機(jī)器人控制系統(tǒng)還包括光電編碼器，所述的光電編碼器分別安裝在永磁同步電機(jī)X、永磁同步電機(jī)Y、永磁同步電機(jī)Z和永磁同步電機(jī)R、永磁同步電機(jī)U、永磁同步電機(jī)W、直流電機(jī)A和直流電機(jī)B上。
【文檔編號(hào)】F16L55/32GK105881539SQ201610406266
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年6月12日
【發(fā)明人】張好明, 鮑庭瑞
【申請(qǐng)人】江蘇若博機(jī)器人科技有限公司