一種兩核兩軸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)明公開了一種兩核兩軸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控制器和DSP處理器，所述的基于CCD圖像采集單元和圖像存儲(chǔ)單元均與DSP處理器通訊連接，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控制器通訊連接。通過上述方式，本發(fā)明提高了能源的利用率和減少機(jī)器人體積，自主發(fā)明了基于ARM+DSP的全新雙核控制模式，控制器以ARM控制器為處理器核心，DSP處理器實(shí)現(xiàn)圖像采集數(shù)字信號(hào)的實(shí)時(shí)處理并與ARM控制器通訊，把ARM控制器從復(fù)雜的工作當(dāng)中解脫出來，實(shí)現(xiàn)兩軸三相永磁同步電機(jī)的實(shí)時(shí)控制，并響應(yīng)DSP處理器中斷，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】
一種兩核兩軸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，尤其涉及一種兩核兩軸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(cè)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)實(shí)用的天然氣管道機(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(cè)和阻塞物探測(cè):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。
[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，受外界干擾影響穩(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?。?br> (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)。
[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(chǎng)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(chǎng)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兩軸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控制器為處理器核心，DSP處理器實(shí)現(xiàn)圖像采集數(shù)字信號(hào)的實(shí)時(shí)處理并與ARM控制器通訊，把ARM控制器從復(fù)雜的工作當(dāng)中解脫出來，實(shí)現(xiàn)兩軸三相永磁同步電機(jī)的實(shí)時(shí)控制，并響應(yīng)DSP處理器中斷，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:提供了一種兩核兩軸履帶式天然氣管道機(jī)器人控制系統(tǒng)，包括電源裝置、控制器、永磁同步電機(jī)X、永磁同步電機(jī)Y、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)管道探傷采集單元以及管道機(jī)器人，所述的電源裝置單獨(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控制器和DSP處理器，所述的ARM控制器和DSP處理器進(jìn)行通訊連接，所述的ARM控制器分別發(fā)出第一控制信號(hào)和第二控制信號(hào)，由所述的第一控制信號(hào)和第二控制信號(hào)分別控制所述的永磁同步電機(jī)Y和永磁同步電機(jī)X的信號(hào)合成之后再控制管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，所述的基于CCD圖像采集單元和圖像存儲(chǔ)單元均與DSP處理器通訊連接，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控制器通訊連接。
[0012]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述的電源裝置采用鋰離子電池。
[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)和第二控制信號(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控制器采用STM32F746;所述的DSP處理器采用 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、距離修正傳感器、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，所述的磁導(dǎo)航傳感器和距離修正傳感器均設(shè)置在機(jī)器人殼體上并位于激光位移傳感器的下方，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和永磁同步電機(jī)Y連接，所述的三軸加速度計(jì)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。
[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，所述的同步帶采用兩軸六輪驅(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、運(yùn)動(dòng)控制程序、基于DSP圖像采集以及基于霍爾效應(yīng)管道損傷探測(cè)，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，所述的運(yùn)動(dòng)控制程序還包括基于ARM兩軸永磁同步電機(jī)伺服控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和I/O控制，所述的基于DSP圖像采集和基于霍爾效應(yīng)管道損傷探測(cè)分別與基于CCD圖像采集單元和基于霍爾效應(yīng)管道探傷采集單元通訊連接。
[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和永磁同步電機(jī)Y上。
[0020]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明的兩核兩軸履帶式天然氣管道機(jī)器人控制系統(tǒng)，采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)，提高了能源的利用率和減少機(jī)器人體積，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控制器中引入DSP處理器數(shù)字信號(hào)處理器，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)中工作量最大的兩軸永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)、管道讀取、電源信息交給ARM控制器處理，充分發(fā)揮ARM控制器數(shù)據(jù)處理速度相對(duì)較快的特點(diǎn)，而圖像數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)等功能交給DSP處理器完成，這樣就實(shí)現(xiàn)了 ARM控制器與DSP處理器的分工，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)明帶有兩核兩軸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?；诒景l(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:
一種兩核兩軸履帶式天然氣管道機(jī)器人控制系統(tǒng)，包括電源裝置、控制器、永磁同步電機(jī)X、永磁同步電機(jī)Y、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)管道探傷采集單元以及管道機(jī)器人，所述的電源裝置單獨(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控制器和DSP處理器，所述的ARM控制器和DSP處理器進(jìn)行通訊連接，所述的ARM控制器分別發(fā)出第一控制信號(hào)和第二控制信號(hào)，由所述的第一控制信號(hào)和第二控制信號(hào)分別控制所述的永磁同步電機(jī)Y和永磁同步電機(jī)X的信號(hào)合成之后再控制管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，所述的基于CCD圖像采集單元和圖像存儲(chǔ)單元均與DSP處理器通訊連接，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控制器通訊連接。其中，所述的電源裝置采用鋰離子電池;所述的第一控制信號(hào)和第二控制信號(hào)均為PWM波控制信號(hào)。
[0024]上述中，所述的ARM控制器采用STM32F746;所述的DSP處理器采用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控制器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 MCU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處理器擴(kuò)充功能的Cortex-M7核心，運(yùn)算速度最高216MHz JTM32F7 MCU系列產(chǎn)品將ARM控制器Cortex-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處理器兩倍，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]為了能夠精確導(dǎo)引管道機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，本發(fā)明采用兩套傳感器導(dǎo)航模式(一套磁傳感器導(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、距離修正傳感器S、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，所述的磁導(dǎo)航傳感器MEl和距離修正傳感器S均設(shè)置在機(jī)器人殼體K上并位于激光位移傳感器的下方，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和永磁同步電機(jī)Y連接，所述的三軸加速度計(jì)Al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。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。
[0029]磁導(dǎo)航傳感器MEl時(shí)刻檢測(cè)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)。
[0030]為了提高管道機(jī)器人在密閉管道過程中行走導(dǎo)航的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)的自動(dòng)調(diào)整以及自主導(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加速度計(jì)Al，三軸加速度計(jì)Al用來測(cè)量管道機(jī)器人三個(gè)前進(jìn)方向的角加速度，控制器根據(jù)測(cè)得的角加速度通過連續(xù)積分得到其傾斜角度。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)三軸加速度計(jì)Al進(jìn)行連續(xù)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。
[0031]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K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(chǎng)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)形成兩軸六輪驅(qū)動(dòng)模式。
[0032]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)了一種由兩臺(tái)稀土永磁同步電機(jī)差速驅(qū)動(dòng)的六輪履帶式雙核天然氣管道機(jī)器人，四個(gè)輔助輪通過同步帶分別與左右驅(qū)動(dòng)電機(jī)機(jī)械鏈接，左右側(cè)的多個(gè)輪分別通過履帶機(jī)械鏈接，然后天然氣管道機(jī)器人依靠其攜帶傳感器進(jìn)行巡檢大型天然氣管道。
[0033]本發(fā)明在吸收國外先進(jìn)控制思想的前提下，自主發(fā)明了基于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:控制器以ARM控制器為處理器核心，DSP處理器實(shí)現(xiàn)圖像采集數(shù)字信號(hào)的實(shí)時(shí)處理并與ARM控制器通訊，把ARM控制器從復(fù)雜的工作當(dāng)中解脫出來，實(shí)現(xiàn)兩軸三相永磁同步電機(jī)的實(shí)時(shí)控制，并響應(yīng)DSP處理器中斷，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和存儲(chǔ)實(shí)時(shí)信號(hào)。
[0034]如圖3所示，所述的兩核兩軸履帶式天然氣管道機(jī)器人控制系統(tǒng)還設(shè)置有上位機(jī)程序、運(yùn)動(dòng)控制程序、基于DSP圖像采集以及基于霍爾效應(yīng)管道損傷探測(cè)，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，所述的運(yùn)動(dòng)控制程序還包括基于ARM兩軸永磁同步電機(jī)伺服控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和I/O控制，所述的基于DSP圖像采集和基于霍爾效應(yīng)管道損傷探測(cè)分別與基于CCD圖像采集單元和基于霍爾效應(yīng)管道探傷采集單元通訊連接。
[0035]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控制器的控制器中引入數(shù)字信號(hào)處理器DSP處理器，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)中工作量最大的兩軸永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)、管道讀取、電源信息交給ARM控制器處理，充分發(fā)揮ARM控制器數(shù)據(jù)處理速度相對(duì)較快的特點(diǎn)，而圖像數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)等功能交給DSP處理器完成，這樣就實(shí)現(xiàn)了 ARM控制器與DSP處理器的分工，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。
[0036]如圖4所示，對(duì)于本文設(shè)計(jì)的ARM+DSP雙核控制器，在電源裝置打開狀態(tài)下，ARM控制器先對(duì)管道機(jī)器人電源裝置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PC機(jī)通過USB接口把巡檢天然氣管道長度和半徑等信息輸入給ARM控制器，然后管道機(jī)器人被放到管道檢測(cè)口，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確定入口閥門Fl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(cè)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(cè)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控制器按照磁導(dǎo)航傳感器MEl參數(shù)二次調(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輸出，實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)永磁同步電機(jī)的實(shí)時(shí)伺服控制，DSP處理器通過CCD實(shí)時(shí)采集管道信息并存儲(chǔ)，如果對(duì)巡檢某一個(gè)位置有疑問，將與ARM控制器通訊，ARM控制器發(fā)出停車指令使管道機(jī)器人停車，然后通過DSP處理器二次圖像采集和損傷探測(cè)裝置對(duì)管道系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行判斷。
[0037]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)器人的電源裝置打開后，ARM控制器會(huì)對(duì)電源裝置SOC進(jìn)行判斷，如果電源裝置SOC較低時(shí)，ARM控制器將禁止兩臺(tái)永磁同步電機(jī)工作，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)；如果電源裝置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)人工借助PC機(jī)把把管道長度、半徑和管道地形圖等信息通過USB接口傳入到ARM控制器，由ARM控制器預(yù)先處理管道信息，然后人工引導(dǎo)管道機(jī)器人到管道檢測(cè)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控制器首先開啟管道機(jī)器人基于三軸加速度計(jì)的慣性導(dǎo)航模式；
3)管道機(jī)器人ARM控制器開始通過磁導(dǎo)航傳感器MEl讀取地面導(dǎo)航磁條，然后磁導(dǎo)航傳感器MEl的反饋值與實(shí)際設(shè)定中心值相比較，ARM控制器根據(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和永磁同步電機(jī)Y的PWM輸出，使管道機(jī)器人沿著導(dǎo)航磁條慢速前進(jìn)，同時(shí)前方激光位移傳感器LSF將工作，ARM控制器實(shí)時(shí)檢測(cè)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(cè)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控制器將實(shí)時(shí)記錄管道機(jī)器人沿著磁條運(yùn)動(dòng)的距離，當(dāng)控制器確定機(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(cè)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)域檢測(cè)天然氣管道內(nèi)部實(shí)際情況；
5)管道機(jī)器人進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域后，ARM控制器先根據(jù)磁導(dǎo)航傳感器MEl的反饋，讀取管道機(jī)器人實(shí)際的位置信息和三軸加速度計(jì)Al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控制器再結(jié)合電機(jī)電流反饋、光電編碼器反饋和三軸加速度計(jì)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，ARM控制器并實(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(cè)地面修正標(biāo)志，一旦讀取到修正裝置，ARM控制器記錄的位置距離信息要以修正標(biāo)志的位置信息為準(zhǔn)，消除機(jī)器人在行走時(shí)的所造成的位置誤差；
6)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)左激光位移傳感器LSL和右激光位移傳感器LSR將開啟工作，二者將測(cè)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控制器再結(jié)合電機(jī)電流反饋、光電編碼器反饋和三軸加速度計(jì)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)行在管道平面中心附近，ARM控制器并實(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(cè)地面修正標(biāo)志，一旦讀取到修正裝置，ARM控制器記錄位置距離信息要以修正標(biāo)志的位置信息為準(zhǔn)，消除機(jī)器人行走時(shí)的位置誤差；
7)在管道機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中，圖像采集系統(tǒng)中的CCD時(shí)刻開啟，DSP處理器并實(shí)時(shí)存儲(chǔ)CCD采集到的圖像，DSP處理器把采集的圖像與設(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)較大差距，為了防止誤操作，DSP處理器立即發(fā)出二次中斷請(qǐng)求，ARM控制器立即響應(yīng)DSP處理器中斷，并讓管道機(jī)器人停車，DSP處理器控制CXD二次采集管道信息，DSP處理器二次存儲(chǔ)該圖像并與標(biāo)準(zhǔn)管道信息進(jìn)行比對(duì)得到最新結(jié)果并存儲(chǔ)，ARM控制器重新開啟永磁同步電機(jī)X和永磁同步電機(jī)Y使機(jī)器人沿著管道導(dǎo)航標(biāo)志繼續(xù)前行；
8)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控制器實(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)較大差距，為了防止誤操作，ARM控制器通過內(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和電機(jī)Y的PWM控制信號(hào)，降低管道機(jī)器人的速度使其慢速通過有疑問區(qū)域，同時(shí)ARM控制器立即向DSP處理器發(fā)出中斷請(qǐng)求，DSP處理器立即響應(yīng)ARM控制器中斷，并加大CCD管道采集信息中液態(tài)水的比對(duì)，DSP處理器存儲(chǔ)該區(qū)域的液態(tài)水疑似圖像和實(shí)際位置信息，然后ARM控制器控制管道機(jī)器人繼續(xù)前行，當(dāng)通過疑似區(qū)域后，ARM控制器通過內(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和電機(jī)Y的PWM控制信號(hào)，恢復(fù)管道機(jī)器人的速度使其正常巡檢管道；
9)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控制器實(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(cè)值將出現(xiàn)異常，ARM控制器會(huì)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和電機(jī)Y的PWM控制信號(hào)，降低管道機(jī)器人的速度使其慢速駛向障礙物，同時(shí)ARM控制器立即向DSP處理器發(fā)出中斷請(qǐng)求，DSP處理器立即響應(yīng)ARM控制器中斷，并加大CCD管道采集信息中堵塞物的比對(duì)，DSP處理器存儲(chǔ)該區(qū)域的堵塞疑似圖像和實(shí)際位置信息，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)，所以ARM控制器控制管道機(jī)器人可以通過越過障礙物并可繼續(xù)前行，當(dāng)通過疑似區(qū)域后，ARM控制器通過內(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和電機(jī)Y的PffM控制信號(hào)，恢復(fù)管道機(jī)器人的速度使其正常巡檢管道；
10)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(cè)值出現(xiàn)異常，ARM控制器會(huì)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和電機(jī)Y的PWM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控制器立即向DSP處理器發(fā)出中斷請(qǐng)求，DSP處理器立即響應(yīng)ARM控制器中斷，并加大CXD管道采集信息中管道損傷的比對(duì)，如果DSP處理器發(fā)現(xiàn)疑似管道損傷圖像將存儲(chǔ)此圖像，如果DSP處理器未發(fā)現(xiàn)管道損傷圖像，將記錄疑似損傷實(shí)際位置信息，并標(biāo)記外部損傷。當(dāng)通過疑似區(qū)域后，ARM控制器通過內(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和電機(jī)Y的PffM控制信號(hào)，恢復(fù)管道機(jī)器人的速度使其正常巡檢管道；
11)在管道機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中，ARM控制器會(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控制器計(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，ARM控制器再結(jié)合電機(jī)電流反饋、光電編碼器反饋和地面磁條的反饋，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控制信號(hào)，使管道機(jī)器人按照設(shè)定速度快速前行；
12)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控制器發(fā)出中斷請(qǐng)求，ARM控制器會(huì)對(duì)中斷做第一時(shí)間響應(yīng)，ARM控制器將禁止管道機(jī)器人在對(duì)距離信息修正，ARM控制器根據(jù)管道磁條導(dǎo)航標(biāo)志反饋、左激光位移傳感器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X電機(jī)和電機(jī)Y的速度，保證機(jī)器人向著出口緩慢駛出，并放棄一切采集工作；
13)裝在永磁同步電機(jī)X和永磁同步電機(jī)Y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控制器內(nèi)的位置寄存器會(huì)根據(jù)電機(jī)X和電機(jī)Y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控制器內(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(cè)系統(tǒng)中的具體位置；
14)管道機(jī)器人在運(yùn)行過程ARM控制器根據(jù)其內(nèi)部算法實(shí)時(shí)計(jì)算電源裝置SOC，如果控制器發(fā)現(xiàn)電源能量較低時(shí)，ARM控制器會(huì)與DSP處理器通訊，并通過DSP處理器關(guān)閉CXD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，使管道機(jī)器人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；
15)在管道機(jī)器人巡檢過程中，如果伺服控制器檢測(cè)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；
16)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(cè)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控制器實(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(cè)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)，確定前方出口閥門F4打開無誤后，管道機(jī)器人駛出檢測(cè)管道，回到檢測(cè)終點(diǎn)，等待下一個(gè)檢測(cè)命令。
[0038]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(cè)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(cè)電池的能量，為管道機(jī)器人巡檢提供了有效保證；
2:由ARM控制器處理管道機(jī)器人兩只永磁同步電機(jī)基于矢量控制的伺服控制，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)省了控制器占用空間，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處理器處理圖形采集和存儲(chǔ)的大量數(shù)據(jù)與算法，把ARM控制器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)整兩軸永磁同步電機(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(cè)出管道里的濕度異常區(qū)域，可有效查出管道水滴的存在；
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(cè)出管道內(nèi)部管道腐蝕等異常情況，并有效存儲(chǔ)其圖像；
10:基于DSP處理器的圖像存儲(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；
11:管道機(jī)器人上配備有基于霍爾效應(yīng)的損傷探測(cè)采集系統(tǒng)，可以輕易地檢測(cè)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。
[0039]12:三軸加速度計(jì)Al的加入可有效探測(cè)管道機(jī)器人偏離管道平面的傾斜角度，ARM控制器會(huì)時(shí)刻對(duì)此角度進(jìn)行調(diào)整，有效控制了管道機(jī)器人的姿態(tài)；
13: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；
14:同步帶技術(shù)的加入使得六個(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。
[0040]綜上訴述，本發(fā)明的兩核兩軸履帶式天然氣管道機(jī)器人控制系統(tǒng)，采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)，提高了能源的利用率和減少機(jī)器人體積，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控制器中引入DSP處理器數(shù)字信號(hào)處理器，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)中工作量最大的兩軸永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)、管道讀取、電源信息交給ARM控制器處理，充分發(fā)揮ARM控制器數(shù)據(jù)處理速度相對(duì)較快的特點(diǎn)，而圖像數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)等功能交給DSP處理器完成，這樣就實(shí)現(xiàn)了 ARM控制器與DSP處理器的分工，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)】
1.一種兩核兩軸履帶式天然氣管道機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于，包括電源裝置、控制器、永磁同步電機(jī)X、永磁同步電機(jī)Y、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)管道探傷采集單元以及管道機(jī)器人，所述的電源裝置單獨(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控制器和DSP處理器，所述的ARM控制器和DSP處理器進(jìn)行通訊連接，所述的ARM控制器分別發(fā)出第一控制信號(hào)和第二控制信號(hào)，由所述的第一控制信號(hào)和第二控制信號(hào)分別控制所述的永磁同步電機(jī)Y和永磁同步電機(jī)X的信號(hào)合成之后再控制管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，所述的基于CCD圖像采集單元和圖像存儲(chǔ)單元均與DSP處理器通訊連接，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控制器通訊連接。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，所述的電源裝置采用鋰離子電池。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)和第二控制信號(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控制器采用STM32F746;所述的DSP處理器采用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、距離修正傳感器、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，所述的磁導(dǎo)航傳感器和距離修正傳感器均設(shè)置在機(jī)器人殼體上并位于激光位移傳感器的下方，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和永磁同步電機(jī)Y連接，所述的三軸加速度計(jì)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。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，所述的同步帶采用兩軸六輪驅(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、運(yùn)動(dòng)控制程序、基于DSP圖像采集以及基于霍爾效應(yīng)管道損傷探測(cè)，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，所述的運(yùn)動(dòng)控制程序還包括基于ARM兩軸永磁同步電機(jī)伺服控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和I/O控制，所述的基于DSP圖像采集和基于霍爾效應(yīng)管道損傷探測(cè)分別與基于CCD圖像采集單元和基于霍爾效應(yīng)管道探傷采集單元通訊連接。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和永磁同步電機(jī)Y上。
【文檔編號(hào)】B25J9/16GK105922260SQ201610400344
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年6月8日
【發(fā)明人】張好明, 朱利軍
【申請(qǐng)人】江蘇若博機(jī)器人科技有限公司