無線傳輸四核四軸履帶式快速天然氣管道機器人控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種無線傳輸四核四軸履帶式快速天然氣管道機器人控制系統(tǒng)，所述的控制器采用四核控制器，包括ARM、IRMCK203、DSP和MC51113，所述的ARM、IRMCK203、DSP和MC51113通過無線裝置進行通訊連接。通過上述方式，本發(fā)明自主研發(fā)了基于ARM+ IRMCK203+DSP+ MC51113的全新四核控制模式，控制器以ARM為處理器核心，由IRMCK203實現(xiàn)兩軸永磁同步電機的伺服控制，DSP實現(xiàn)圖像采集數(shù)字信號的實時處理并與MC51113合作實現(xiàn)兩軸直流電機的伺服控制，把ARM從復雜的工作當中解脫出來，并響應DSP中斷，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和存儲實時信號。
【專利說明】
無線傳輸四核四軸履帶式快速天然氣管道機器人控制系統(tǒng)
技術(shù)領域
[0001]本發(fā)明涉及大型管道機器人的領域，尤其涉及一種無線傳輸四核四軸履帶式快速天然氣管道機器人控制系統(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)，使敷設的管道處于內(nèi)外腐蝕條件，甚至有的時候內(nèi)部會產(chǎn)生阻塞情況發(fā)生。再加上環(huán)境、地質(zhì)、氣象和水文災害、管材及設計缺陷、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，兩列對開火車在距離泄漏點I公里外的鐵路線上通過時，火車磨擦產(chǎn)生火花引起了泄漏的可天然氣體爆炸，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25 m、深6 m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造成巨大財產(chǎn)損失，而且也危害到生態(tài)環(huán)境。
[0004]管道機器人是一種可以沿著管道內(nèi)部或者是外部自動行走，攜帶一種或多種傳感器和操作機械，在操作人員的控制下或者是計算機自動控制下完成一系列管道作業(yè)的機電一體化系統(tǒng)。管道機器人的研究開始于上個世紀四十年代，到了 70年代由于微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動化技術(shù)的發(fā)展和進步，國外管道機器人技術(shù)于90年代初得到了迅猛發(fā)展，研制了許多實驗樣機，并取得了大量的研究成果。
[0005]用管道機器人巡檢天然氣管道，不僅可以提高管道檢測的效率，而且對于改善勞動條件，減輕勞動強度，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)還沒有采用管道機器人巡檢天然氣管道，天然氣管道爆炸時有發(fā)生，造成了巨大的經(jīng)濟損失和環(huán)境污染。
[0006]—個性能較高的天然氣管道機器人必須具備以下幾個部分:
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致抗壓能力減弱，最終導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，同時部分物質(zhì)會堆積起來產(chǎn)生阻塞情況；
4)電機:執(zhí)行電機是管道機器人的動力實施部件，它實時轉(zhuǎn)化電源的能量，根據(jù)管道機器人微處理器的指令來執(zhí)行機器人在天然氣管道內(nèi)的相關(guān)行走動作；
5)算法:算法是天然氣管道機器人的靈魂，由于天然氣管道是一個封閉的管道，內(nèi)部情況非常復雜，天然氣管道機器人必須采用一定的智能算法才能準確的從管道內(nèi)一點到達另外一點，形成點對點的巡檢，并實時存儲采集圖像、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器人的核心部分，是天然氣管道機器人的大腦；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的判斷；
7)無線裝置:為了能夠及時發(fā)現(xiàn)和處理問題，全自動管道機器人必須采用無線裝置，實時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)對管道機器人的研究只是剛剛起步，均是采用單核控制器，均處于實驗室樣機設計階段，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，所有的管道機器人均采用單核控制器，控制器的計算能力較弱，管道機器人無法快速處理實時環(huán)境，且機器人行走速度較低，巡查管道速度較慢，受外界干擾影響穩(wěn)定性較差；
(2)對于采用電機驅(qū)動的管道機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)，均沒有保護電路，壽命較短，正常工作時經(jīng)常出現(xiàn)異常甚至干擾到管道機器人的工作；
(3)對于采用步進電機或者是直流電機驅(qū)動的管道機器人來說，受電機自身效率的影響，能源利用率較低，導致機器人在管道內(nèi)移動距離較短；
(4)對于采用步進電機或者是直流電機驅(qū)動的管道機器人來說，受電機功率密度的影響，由于所采用的電機體積均較大，最終導致機器人的體積較大，重量較重，嚴重影響了管道機器人的使用范圍；
(5)無論是基于矢量控制或者是基于轉(zhuǎn)子磁場定向控制算法永磁同步電機的伺服控制，除了要進行多次的坐標變換與反變換外，還要進行電流及速度的閉環(huán)控制，因而實現(xiàn)比較復雜且實時性要求較高;采用DSP技術(shù)或者是ARM技術(shù)并以軟件方式來實現(xiàn)，系統(tǒng)開發(fā)周期比較長，而且該算法占用的處理器時間比較多，影響了 DSP或者是ARM的處理功能；
(6)管道機器人運動狀態(tài)自我調(diào)整能力較差，受控制方式影響，機器人在管道內(nèi)的姿態(tài)參數(shù)識別較差，機器人無法識別自我平面與管道主平面的夾角，導致機器人行走時出現(xiàn)傾斜，甚至有時會翻車，導致任務失??；
(7)對于有阻塞的天然氣管道，普通的輪式機器人與地面接觸面積較少，越障能力較弱，有的時候甚至無法越過障礙物，最終無法巡檢完成任務；
(8)目前大部分管道機器人，對管道中的環(huán)境識別較差，均是通過后期分析存儲的采集圖像來分析管道情況，實時情況辨別較差。
[0008]永磁同步電動機的定子與普通電勵磁同步電動機具有相同的定子結(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的勵磁磁極和勵磁繞組，使電動機的結(jié)構(gòu)較為簡單，且省去了容易出故障的集電環(huán)和電刷，實現(xiàn)了無刷化，提高了電動機運行的可靠性。因為不需勵磁電流，因此可以省去勵磁繞組的銅耗，極大提高了電機的效率;稀土永磁材料的使用使得電機功率密度較高，所以電機的體積可以做得更小，適合體積要求比較高的場合。永磁同步電動機除了有明顯的節(jié)能效果外，還具有轉(zhuǎn)速準確、噪聲低的特性，稀土永磁同步電機基于轉(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特別適合使用于管道機器人這些要求比較特殊的機器人控制系統(tǒng)中。
[0009]履帶式移動機構(gòu)是輪式移動機構(gòu)的拓展，履帶本身起著給車輪連續(xù)鋪路的作用。相對于輪式機構(gòu)，履帶式移動機構(gòu)有著諸多優(yōu)點，如:支承面積大，接地比壓小；滾動阻力小，通過性能較好;越野機動性好;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;變位履帶式移動機構(gòu)通過改變履帶的位置或履帶的機構(gòu)形式以達到適應不同環(huán)境的要求，兩履帶的夾角可以調(diào)節(jié)，以適應不同的作業(yè)管徑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是提供一種無線傳輸四核四軸履帶式快速天然氣管道機器人控制系統(tǒng)，自主研發(fā)了基于ARM+ IRMCK203+DSP+ MC51113的全新四核控制模式，控制器以ARM為處理器核心，由IRMCK203實現(xiàn)兩軸永磁同步電機的伺服控制，DSP實現(xiàn)圖像采集數(shù)字信號的實時處理并與MC51113合作實現(xiàn)兩軸直流電機的伺服控制，把ARM從復雜的工作當中解脫出來，并響應DSP中斷，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和存儲實時信號。
[0011]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的一個技術(shù)方案是:提供了一種無線傳輸四核四軸履帶式快速天然氣管道機器人控制系統(tǒng)，包括電池、控制器、永磁同步電機X、永磁同步電機Y、直流電機A、直流電機B、基于CCD圖像采集單元、圖像存儲單元、濕度采集單元、基于霍爾效應管道探傷采集單元、無線裝置以及管道機器人，所述的電池單獨提供電流驅(qū)動所述的控制器，所述的控制器采用四核控制器，包括ARM、IRMCK203、DSP和MC51113，所述的ARM、IRMCK203、DSP和MC51113通過無線裝置進行通訊連接，所述的基于C⑶圖像采集單元和圖像存儲單元均與DSP和MC51113通訊連接，所述的濕度采集單元和基于霍爾效應管道探傷采集單元均與ARM、IRMCK203通訊連接，所述的ARM、IRMCK203分別發(fā)出第一控制信號和第二控制信號，由所述的第一控制信號和第二控制信號分別控制所述的永磁同步電機Y和永磁同步電機X的信號合成之后再控制管道機器人的運動，DSP和MC51113分別發(fā)出第三控制信號和第四控制信號，由所述的第三控制信號和第四控制信號分別控制所述的直流電機A、直流電機B的信號合成之后與基于CCD圖像采集單元通訊連接。
[0012]在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述的電池采用鋰離子電池。
[0013]在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述的第一控制信號、第二控制信號均為PffM波控制信號。
[0014]在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述的ARM采用STM32F746;所述的DSP采用TMS320F2812。
[0015]在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述的管道機器人包括機器人殼體、激光位移傳感器、磁導航傳感器、距離修正傳感器、三軸加速度計以及同步帶，所述的激光位移傳感器分別安裝在機器人殼體的前端，所述的磁導航傳感器和距離修正傳感器均設置在機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置在機器人殼體的左右兩側(cè)邊并分別與永磁同步電機X和永磁同步電機Y連接，所述的三軸加速度計設置在機器人殼體上并位于永磁同步電機X和永磁同步電機Y之間，所述的直流電機A、直流電機B和無線裝置均設置在機器人殼體上。
[0016]在本發(fā)明一個較佳實施例中，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置在機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置在機器人殼體正前方的左右兩端。
[0017]在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述的同步帶采用兩軸六輪驅(qū)動模式，是由一根內(nèi)周表面設有等間距齒的封閉環(huán)形履帶和相應的帶輪所組成。
[0018]在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述的天然氣管道機器人控制系統(tǒng)還設置有上位機程序、基于ARM主運動控制程序、基于DSP從運動控制程序、基于霍爾效應管道損傷探測以及無線傳輸，所述的上位機程序還包括管道讀取、位置定位和電源信息，所述的基于ARM主運動控制程序還包括基于IRMCK203兩軸永磁同步電機伺服控制、數(shù)據(jù)存儲和I/O控制，所述的基于DSP從運動控制程序還包括基于MC51113兩軸直流電機伺服控制和基于DSP圖像采集，所述的基于霍爾效應管道損傷探測無線傳輸和分別與基于霍爾效應管道探傷采集單元和無線裝置通訊連接。
[0019]在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述的天然氣管道機器人控制系統(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X、永磁同步電機Y、直流電機A和直流電機B上。
[0020]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明的無線傳輸四核四軸履帶式快速天然氣管道機器人控制系統(tǒng)，為了提高能源的利用率和減少機器人體積，本系統(tǒng)用效率和功率密度均較高的永磁同步電機替代了步進電機、直流電機等電機；為了提高運算速度，保證自動管道機器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，本發(fā)明在基于ARM的控制器中引入永磁同步電機專用控制芯片IRMCK203和數(shù)字信號處理器DSP以及直流電機專用控制芯片MC51113，形成基于ARM+IRMCK203+DSP+ MC51113的全新四核控制器，此控制器充分考慮電池在這個系統(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伺服系統(tǒng)交給IRMCK203完成、兩軸直流電機伺服系統(tǒng)交給此51113完成、電池監(jiān)控、路徑讀取、偏差處理等交給ARM處理，充分發(fā)揮ARM數(shù)據(jù)處理速度相對較快的特點，而圖像數(shù)據(jù)采集和存儲等功能交給DSP完成，這樣就實現(xiàn)了 ARM、IRMCK203、MC51113與DSP的分工，同時四者之間也可以進行通訊，實時進行數(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)明實施例中的技術(shù)方案，下面將對實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)明的一些實施例，對于本領域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，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)明帶有無線傳輸四核四軸履帶式快速天然氣管道機器人控制系統(tǒng)一較佳實施例的原理圖；
圖2是管道機器人二維結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是圖1的程序圖；
圖4是管道機器人巡檢原理圖。
【具體實施方式】
[0022]下面將對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0023]如圖1所示，本發(fā)明實施例包括:
一種無線傳輸四核四軸履帶式快速天然氣管道機器人控制系統(tǒng)，包括電池、控制器、永磁同步電機X、永磁同步電機Y、直流電機A、直流電機B、基于CCD圖像采集單元、圖像存儲單元、濕度采集單元、基于霍爾效應管道探傷采集單元、無線裝置以及管道機器人，所述的電池單獨提供電流驅(qū)動所述的控制器，所述的控制器采用四核控制器，包括ARM、IRMCK203、DSP和MC51113，所述的ARM、IRMCK203、DSP和MC51113通過無線裝置進行通訊連接，所述的基于CCD圖像采集單元和圖像存儲單元均與DSP和MC51113通訊連接，所述的濕度采集單元和基于霍爾效應管道探傷采集單元均與ARM、IRMCK203通訊連接，所述的ARM、IRMCK203分別發(fā)出第一控制信號和第二控制信號，由所述的第一控制信號和第二控制信號分別控制所述的永磁同步電機Y和永磁同步電機X的信號合成之后再控制管道機器人的運動，DSP和MC51113分別發(fā)出第三控制信號和第四控制信號，由所述的第三控制信號和第四控制信號分別控制所述的直流電機A、直流電機B的信號合成之后與基于CCD圖像采集單元通訊連接。
[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產(chǎn)品，結(jié)合了 CorteX-M7核心與高階外圍裝置，可提升應用程序效能、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。
[0026]STM32F7系列產(chǎn)品包括STM32F745及STM32F746，這兩項產(chǎn)品都配備擁有浮點運算單位及DSP擴充功能的Cortex-M7核心，運算速度最高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)勢運用到極致，效能達到將近DSP兩倍。
[0027]IRMCK203是表面式永磁同步電機閉環(huán)控制1C，與傳統(tǒng)的MCU或DSP方案不同的是，IRMCK203完全不需要編程，而是使用基于電機控制引擎(Mot1n Control Engine, MCE)的硬件電路來實現(xiàn)永磁同步電機的磁場定向控制算法ο MCE包括有PI調(diào)節(jié)器、矢量運算、Cl ark變換等閉環(huán)控制所需的所有功能單元，所有功能完全由硬件電路來實現(xiàn)，因此具有快速計算能力和極佳的動態(tài)性能。除了電流閉環(huán)和基于速度估計的速度閉環(huán)控制功能外，IRMCK203還具有自動得啟、失相檢測、帶母線電壓監(jiān)測的制動控制以及各種驅(qū)動保護功能，其模擬I/O和部分數(shù)字I/O都是可配置的，所有通訊端口都可以對內(nèi)部寄存器進行操作。用戶可以依據(jù)自己的實際情況(所使用電機及負載情況)來配置各種驅(qū)動參數(shù)(如:PI調(diào)節(jié)器參數(shù)、電流反饋范圍、P麗載頻等等)和監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)；IRMCK203可以與mj或PC配合實現(xiàn)主從模式，其運行完全聽從主機的指令，上述特點非常適合與ARM配合控制高速永磁同步電機，減少控制算法占用ARM處理器的周期，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性。
[0028]TMS320F2812是基于代碼兼容的C28x內(nèi)核的新型高性能32位定點數(shù)字信號處理器，C28x內(nèi)核的指令執(zhí)行周期達到了6.67ns，最高運行頻率可以達到150MHz，F(xiàn)2812集成有許多外設，提供了整套的片上系統(tǒng)，其片上外設主要包括2X8路12位ADC(最快80ns轉(zhuǎn)換時間)，2路SCI，I路SPI，I路McBSP，I路eCAN接口等，并帶有兩個事件管理模塊(EVA、EVB)。另夕卜，該器件還有3個獨立的32位CPU定時器，以及多達56個獨立編程的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個存儲塊，各存儲塊保持獨立，可以在同一機器周期對不同的RAM塊進行訪問，從而減少流水線時延。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提供了外部存儲器擴展接口(XINTF)，方便進行系統(tǒng)擴展，其尋址空間可以達到1MB;上述特點使得F2812在具備數(shù)字信號處理器卓越的數(shù)據(jù)處理能力的同時，又具有適于控制的片內(nèi)外設及接口，可廣泛應用于各種高性能的系統(tǒng)控制中，上述特點使得TMS320F2812特別適合巡檢機器人的圖形采集、圖像存儲和位置信息存儲。
[0029]為了能夠準確采集管道內(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 + MC51113二維定位伺服系統(tǒng)，此二維系統(tǒng)包括直流電機A和直流電機B，MC5X000系列運動控制芯片是PMD公司基于高性能運動控制開發(fā)的第三代伺服控制芯片，已經(jīng)廣泛應用于醫(yī)療、科學、自動化控制和機器人的應用。M C 5 X113系列運動控制芯片有四款:其中MC51113實現(xiàn)直流電機的控制，并通過串行口與TMS320F2812進行通訊和數(shù)據(jù)調(diào)用。當DSP通過存儲圖像比較發(fā)現(xiàn)疑似區(qū)域后，由主站通過無線控制直流電機A調(diào)整CCD圖像采集系統(tǒng)升降的高度，然后由直流電機B調(diào)整CCD圖像采集系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)的角度，使得CCD的中心對準疑似物體的中心，然后由主站實時分析疑似區(qū)域，及時發(fā)現(xiàn)和處理這一區(qū)域，DSP實時存儲該區(qū)域采集到的圖像和位置信息，為管道機器人巡檢管道結(jié)果分析提供判斷依據(jù)。
[0030]為了能夠精確導引管道機器人進行自動檢測，本發(fā)明采用兩套傳感器導航模式(一套磁導航傳感器導航，一套激光位移傳感器導航)，本發(fā)明的管道機器人二維結(jié)構(gòu)如圖2所示:所述的管道機器人包括機器人殼體K、激光位移傳感器、磁導航傳感器ME1、距離修正傳感器S、三軸加速度計Al以及同步帶T，所述的激光位移傳感器分別安裝在機器人殼體K的前端，所述的磁導航傳感器MEl和距離修正傳感器S均設置在機器人殼體K上并位于激光位移傳感器的下方，所述的同步帶T分別設置在機器人殼體K的左右兩側(cè)邊并分別與永磁同步電機X和永磁同步電機Y連接，所述的三軸加速度計Al設置在機器人殼體K上并位于永磁同步電機X和永磁同步電機Y之間，所述的直流電機A、直流電機B和無線裝置I均設置在機器人殼體上。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設置在機器人殼體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分別斜向設置在機器人殼體K正前方的左右兩端。
[0031]磁導航傳感器MEl時刻檢測管道中的磁條，并依此傳感器為第一導航判據(jù)，當磁條不存在或?qū)Ш狡x距離較大時，左激光位移傳感器LSL和右激光位移傳感器LSR共同作用判斷前進方向與左右管壁的距離，并作為管道機器人直線運動提供導航依據(jù)，前方激光位移傳感器LSF為管道機器人前進障礙物的判別提供依據(jù)以及停車做判據(jù)。
[0032]為了提高管道機器人在密閉管道過程中行走導航的穩(wěn)定性，實現(xiàn)姿態(tài)的自動調(diào)整以及自主導航能力，本發(fā)明在天然氣管道機器人伺服硬件系統(tǒng)中加入了三軸加速度計Al。在管道機器人行走管道期間全程開啟三軸加速度計Al，三軸加速度計Al用來測量管道機器人三個前進方向的角加速度，控制器根據(jù)測得的角加速度通過連續(xù)積分得到其傾斜角度。當管道機器人的姿態(tài)發(fā)生變化超過設定閥值時，在一個新的采樣周期控制器就立即對其位置補償，避免管道機器人在行走過程中因為傾斜過大而翻到現(xiàn)象的發(fā)生，提高了其快速行走導航時的穩(wěn)定性;如果對三軸加速度計Al進行連續(xù)積分，且把它變換到導航坐標系中，管道機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航坐標系中的加速度、速度、偏航角和位置等信息，所產(chǎn)生的導航信息連續(xù)性好而且噪聲非常低，極大增強了管道機器人的自主慣性導航能力。
[0033]同步帶T傳動是由一根內(nèi)周表面設有等間距齒的封閉環(huán)形履帶和相應的帶輪所組成。運動時，帶齒與帶輪的齒槽相嚙合傳遞運動和動力，是一種嚙合傳動，因而具有齒輪傳動、鏈傳動和平帶傳動的各種優(yōu)點。同步帶K傳動具有準確的傳動比，無滑差，可獲得恒定的速比，可精密傳動，傳動平穩(wěn)，能吸震，噪音小，傳動效率高，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，因此本發(fā)明采用同步帶技術(shù)形成兩軸六輪驅(qū)動模式。
[0034]本發(fā)明為了解決國內(nèi)管道機器人存在的問題，研發(fā)了一種由兩臺稀土永磁同步電機差速驅(qū)動的兩軸六輪履帶式四核快速天然氣管道機器人，兩臺稀土永磁同步電機的伺服控制算法由專用運動控制芯片完成，增加系統(tǒng)計算的快速性，四個輔助輪通過同步帶分別與左右驅(qū)動電機機械鏈接，左右側(cè)的多個輪分別通過履帶機械鏈接，基于兩軸直流電機的伺服系統(tǒng)為CCD圖像采集系統(tǒng)提供定位功能，然后天然氣管道機器人依靠其攜帶傳感器進行巡檢大型天然氣管道。
[0035]本發(fā)明在吸收國外先進控制思想的前提下，自主發(fā)明了基于ARM+ IRMCK203+DSP+MC51113的全新四核控制模式。本次設計的控制器原理圖如圖1:控制板以ARM為處理器核心，由IRMCK203實現(xiàn)兩軸永磁同步電機的伺服控制，DSP實現(xiàn)圖像采集數(shù)字信號的實時處理并與MC51113合作實現(xiàn)兩軸直流電機的伺服控制，把ARM(STM32F746)從復雜的工作當中解脫出來，并響應DSP中斷，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和存儲實時信號。
[0036]如圖3所示，所述的天然氣管道機器人控制系統(tǒng)還設置有上位機程序、基于ARM主運動控制程序、基于DSP從運動控制程序、基于霍爾效應管道損傷探測以及無線傳輸，所述的上位機程序還包括管道讀取、位置定位和電源信息，所述的基于ARM主運動控制程序還包括基于IRMCK203兩軸永磁同步電機伺服控制、數(shù)據(jù)存儲和I/O控制，所述的基于DSP從運動控制程序還包括基于MC51113兩軸直流電機伺服控制和基于DSP圖像采集，所述的基于霍爾效應管道損傷探測無線傳輸和分別與基于霍爾效應管道探傷采集單元和無線裝置通訊連接。
[0037]為達上述目的，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替代了步進電機、直流電機等電機；為了提高運算速度，保證自動管道機器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，本發(fā)明在基于ARM的控制器中引入永磁同步電機專用控制芯片IRMCK203和數(shù)字信號處理器DSP以及直流電機專用控制芯片MC51113，形成基于ARM+ IRMCK203+DSP+ MC51113的全新四核控制器，此控制器充分考慮電池在這個系統(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伺服系統(tǒng)交給IRMCK203完成、兩軸直流電機伺服系統(tǒng)交給MC51113完成、電池監(jiān)控、路徑讀取、偏差處理等交給ARM處理，充分發(fā)揮ARM數(shù)據(jù)處理速度相對較快的特點，而圖像數(shù)據(jù)采集和存儲等功能交給DSP完成，這樣就實現(xiàn)了ARM、IRMCK203、MC51113與DSP的分工，同時四者之間也可以進行通訊，實時進行數(shù)據(jù)交換和調(diào)用。
[0038]如圖4所示，對于本文設計的ARM+ IRMCK203+DSP+ MC51113四核控制器，在電源打開狀態(tài)下，ARM控制器先對管道機器人電池SOC(荷電狀態(tài))進行判斷，如果電池能源較低，ARM會發(fā)出報警信號;如果電池能源較高，先由總站通過無線控制裝置把巡檢天然氣管道長度和半徑等信息輸入給ARM，然后管道機器人被引導到管道檢測口管道機器人先進入自鎖狀態(tài)，等待入口閥門Fl打開，當前方激光位移傳感器LSF確定入口閥門Fl打開后，管道機器人進入待檢緩沖區(qū)域，然后入口閥門Fl關(guān)閉，入口閥門F2打開，管道機器人進入管道檢測區(qū)域;機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、無線裝置均開啟，管道機器人按照設定速度沿著巡檢路線快速巡檢，ARM把磁導航傳感器MEl參數(shù)輸入到IRMCK203，由IRMCK203二次調(diào)整管道機器人永磁同步電機X和永磁同步電機Y的PWM輸出，實現(xiàn)兩臺永磁同步電機的實時伺服控制，DSP通過MC51113實現(xiàn)CXD采集系統(tǒng)的定位，DSP實時存儲采集圖像，如果DSP對巡檢某一個位置有疑問，將通過無線向主站發(fā)出中斷請求并與ARM通訊，并通過無線裝置傳輸疑似區(qū)域圖像，由無線控制ARM發(fā)出停車指令使管道機器人停車，然后主站通過無線裝置實現(xiàn)CCD 二次圖像采集和損傷探測，并由DSP實時記錄和存儲。
[0039]參照圖1，圖2，圖3和圖4，其具體的功能實現(xiàn)如下:
1)管道機器人電源打開后，ARM會對電池SOC進行判斷，如果電池SOC較低時，ARM將禁止IRMCK203工作，兩臺永磁同步電機HVM波被封鎖，同時報警傳感器將工作并發(fā)出報警信號，ARM通過無線裝置向總站發(fā)出更換電源中斷請求;如果電池SOC正常，管道機器人進入待工作狀態(tài)，等待工作命令；
2)總站通過無線裝置把管道長度、半徑和管道地形圖等信息傳輸給ARM，然后自動引導管道機器人到管道檢測的開始端，為了精確導航管道機器人在封閉管道中的行走，ARM首先開啟管道機器人基于加速度計的慣性導航模式；
3)管道機器人的ARM開始通過磁導航傳感器MEl讀取地面導航磁條，根據(jù)磁導航傳感器MEl的反饋值與實際設定中心值相比較，ARM把此偏差輸入給IRMCK203，由IRMCK203根據(jù)其內(nèi)部伺服控制程序自動調(diào)整永磁同步電機X和永磁同步電機Y的PWM輸出，使管道機器人沿著導航磁條慢速前進，同時根據(jù)外圍環(huán)境ARM實時調(diào)整IRMCK203內(nèi)部伺服控制程序的PI參數(shù)，在管道機器人前進過程中前方激光位移傳感器LSF將工作，ARM實時檢測管道機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)通過IRMCK203讓管道機器人自動停車，然后原地自鎖；
4)當前方激光位移傳感器LSF檢測到入口閥門Fl打開時，管道機器人將開啟自動巡航模式，ARM將實時記錄管道機器人沿著磁條運動的距離，當確定機器人完全進入待檢區(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，管道機器人開始進入巡檢區(qū)域開始檢測天然氣管道內(nèi)部情況；
5)管道機器人進入管道檢測區(qū)域后，ARM先根據(jù)磁導航傳感器MEl的反饋，讀取管道機器人實際的位置信息和三軸加速度計Al的數(shù)值，并與設定位置相比較，確定管道機器人偏離中心距離和傾斜的角度，ARM控制器此偏差信號輸入給IRMCK203，IRMCK203根據(jù)其內(nèi)部伺服控制程序得到兩臺永磁同步電機的PWM波控制信號，并通過驅(qū)動電路實時調(diào)整管道機器人姿態(tài)，使管道機器人穩(wěn)定運行在磁條中心附近，同時根據(jù)外圍環(huán)境ARM實時調(diào)整IRMCK203內(nèi)部伺服控制程序的PI參數(shù);如果總站通過反饋的采集圖像發(fā)現(xiàn)管道機器人較大幅度偏離了導航軌道，將通過無線控制裝置優(yōu)先校正管道機器人的姿態(tài);ARM實時記錄機器人已經(jīng)運行的直線距離，距離修正傳感器S時刻檢測地面修正標志，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志的位置信息為準，消除機器人在行走時的所造成的位置誤差。如果管道機器人在行走過程中誤讀了地面修正標志，主站將通過無線傳輸裝置與ARM通訊，并自動修改機器人的位置信息；
6)如果管道機器人在正常運動過程中受到外界干擾或者是遇到磁條斷裂，磁導航傳感器MEl無法讀取到地面磁條信息，此時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，ARM與設定值相比較得到偏離中心的位置，ARM控制器將此偏差信號輸入給IRMCK203，IRMCK203根據(jù)其內(nèi)部伺服控制程序得到兩臺永磁同步電機的PWM波控制信號，并通過驅(qū)動電路實時調(diào)整管道機器人姿態(tài)，使管道機器人穩(wěn)定運行在管道平面中心附近，同時根據(jù)外圍環(huán)境ARM實時調(diào)整IRMCK203內(nèi)部伺服控制程序的PI參數(shù);ARM控制器實時記錄機器人已經(jīng)運行的直線距離，距離修正傳感器S時刻檢測地面修正標志，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志的位置信息為準，消除機器人行走時的位置誤差，如果管道機器人在行走過程中誤讀了地面修正標志，主站將通過無線傳輸裝置與ARM通訊，并自動修改機器人的位置信息；
7)在管道機器人運動過程中，圖像采集中的CCD時刻開啟，DSP實時存儲CCD采集的圖像，DSP把采集的圖像與設定的標準管道信息進行比對，如果二者比對結(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)出中斷請求，并與ARM通訊，ARM立即響應DSP中斷，并通過IRMCK203讓管道機器人停車;DSP通過MC51113內(nèi)部三閉環(huán)直流伺服控制程序調(diào)整電機A和電機B的輸出定位CCD位置，使CCD圖像采集中心對準疑似圖像中心，CCD 二次采集管道信息并通過無線傳輸裝置實時傳輸，主站實時分析該疑似區(qū)域，DSP 二次存儲該圖像，疑似處理完畢后無線控制重新開啟管道機器人，使其沿著管道導航標志繼續(xù)前行；
8)在管道機器人運動過程中，濕度采集系統(tǒng)中的濕度傳感器時刻開啟，ARM實時存儲濕度傳感器采集到的濕度信息，并與設定的標準管道濕度信息進行比對，如果二者比對結(jié)果出現(xiàn)較大誤差，ARM立即通過無線裝置向主站發(fā)出中斷請求，ARM通過IRMCK203內(nèi)部伺服控制程序主動調(diào)整兩臺永磁同步電機X和電機Y的PWM波控制信號，降低管道機器人的速度使其慢速通過有疑問的區(qū)域，根據(jù)外圍環(huán)境ARM實時調(diào)整IRMCK203內(nèi)部伺服控制程序的PI參數(shù)；同時ARM立即向DSP發(fā)出中斷請求，DSP立即響應ARM中斷，通過MC51113內(nèi)部三閉環(huán)直流伺服控制程序調(diào)整電機A和電機B的輸出使其定位CCD位置，使CCD圖像采集中心對準疑似水圖像中心，并加大CCD管道采集信息中液態(tài)水的比對，DSP存儲該區(qū)域的水汽疑似圖像和實際位置信息，并通過無線傳輸裝置實時傳輸，主站實時分析該疑似區(qū)域，確認無誤后，DSP 二次存儲該圖像和位置信息，然后主站通過無線裝置重啟ARM控制器，控制管道機器人繼續(xù)前行，當通過疑似區(qū)域后，ARM與IRMCK203通訊，并通過IRMCK203內(nèi)部伺服控制程序主動調(diào)整兩臺永磁同步電機X和電機Y的PWM波控制信號，恢復管道機器人的速度使其正常巡檢管道；
9)在管道機器人運動過程中，前方位移傳感器LSF時刻開啟，ARM實時處理前方位置信息，當在管道運行前方有異常物時，LSF探測值將出現(xiàn)異常，ARM與IRMCK203通訊，并通過IRMCK203內(nèi)部伺服控制程序主動調(diào)整兩臺永磁同步電機X和電機Y的冊M波控制信號，降低管道機器人的速度使其慢速駛向障礙物，根據(jù)外圍環(huán)境ARM實時調(diào)整IRMCK203內(nèi)部伺服控制程序的PI參數(shù)；同時ARM立即向總站和D SP發(fā)出中斷請求，D SP立即響應ARM中斷，并通過MC51113內(nèi)部三閉環(huán)直流伺服控制程序調(diào)整直流電機A和直流電機B的輸出使其定位CCD位置，使CCD圖像采集中心對準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時傳輸，主站實時分析該疑似區(qū)域，DSP存儲該區(qū)域的堵塞疑似圖像和實際位置信息，由于本次設計的管道機器人是多輪履帶式結(jié)構(gòu)，所以ARM控制管道機器人可以通過越過障礙物并可繼續(xù)前行，當通過疑似區(qū)域后，ARM與IRMCK203通訊，并通過IRMCK203內(nèi)部伺服控制程序主動調(diào)整兩臺永磁同步電機X和電機Y的PWM波控制信號，恢復管道機器人的速度使其正常巡檢管道；
10)在管道機器人運動過程中，基于霍爾效應的管道探傷傳感器將工作，當管道運行前方探測值出現(xiàn)異常，ARM與IRMCK203通訊，并通過IRMCK203內(nèi)部伺服控制程序主動調(diào)整兩臺永磁同步電機X和電機Y的PWM波控制信號，降低管道機器人的速度使其慢速駛向管道損傷疑似區(qū)域，根據(jù)外圍環(huán)境ARM實時調(diào)整IRMCK203內(nèi)部伺服控制程序的PI參數(shù)；同時ARM立即向總站和DSP發(fā)出中斷請求，DSP立即響應ARM中斷，并通過MC51113內(nèi)部三閉環(huán)直流伺服控制程序調(diào)整直流電機A和直流電機B的輸出定位CCD位置，使CCD圖像采集中心對準疑似損傷管道部位，CCD 二次采集管道信息并通過無線傳輸裝置實時傳輸，主站實時分析該疑似區(qū)域，DSP存儲發(fā)現(xiàn)疑似管道損傷圖像，如未發(fā)現(xiàn)管道損傷圖像，DSP將記錄疑似損傷實際位置信息，并標記外部損傷，當通過疑似區(qū)域后，ARM與IRMCK203通訊，并通過IRMCK203內(nèi)部伺服控制程序主動調(diào)整兩臺永磁同步電機X和電機Y的PWM波控制信號，恢復管道機器人的速度使其正常巡檢管道；
11)在管道機器人運動過程中，ARM會時刻儲存所經(jīng)過的管道所處的位置或者是經(jīng)過的參考點，并根據(jù)這些距離信息由ARM計算得到相對下一個參考點管道機器人永磁同步電機X和永磁同步電機Y分別要運行的距離、速度和加速度，ARM控制器再結(jié)合電機電流反饋、光電編碼器反饋和地面磁條的反饋得到位置偏差信號，ARM與IRMCK203通訊，并通過IRMCK203內(nèi)部伺服控制程序主動調(diào)整兩臺永磁同步電機X和電機Y的PWM波，使管道機器人按照設定速度快速前行，根據(jù)外圍環(huán)境ARM實時調(diào)整IRMCK203內(nèi)部伺服控制程序的PI參數(shù)；
12)在運動過程中如果管道機器人發(fā)現(xiàn)距離求解出現(xiàn)死循環(huán)將向ARM發(fā)出中斷請求，ARM會對中斷做第一時間響應并原地自鎖，然后向總站發(fā)出中斷請求;總站通過無線裝置重新復位ARM控制器，傳輸新的位置等信息，ARM控制器根據(jù)管道磁條導航標志反饋和左激光位移傳感器LSL和右激光位移傳感器LSR的反饋，實時調(diào)整永磁同步X電機和電機Y的速度，管道機器人從新的位置開始巡檢；
13 )裝在永磁同步電機X、永磁同步電機Y、直流電機A和直流電機B上的光電編碼器會輸出其位置信號A和位置信號B，光電編碼器的位置信號A脈沖和B脈沖邏輯狀態(tài)每變化一次，ARM(或DSP)內(nèi)的位置寄存器會根據(jù)電機X和電機Y(直流電機A和直流電機B)的運行方向加I或者是減I;光電編碼器的位置信號A脈沖和B脈沖和Z脈沖同時為低電平時，就產(chǎn)生一個INDEX信號給ARM(或DSP)內(nèi)部寄存器，記錄永磁同步電機的絕對位置，然后換算成管道機器人在管道檢測系統(tǒng)中的具體位置；
14)管道機器人在運行過程ARM控制器根據(jù)其內(nèi)部算法實時計算電池SOC，如果控制器發(fā)現(xiàn)電源能量較低時，ARM會與DSP通訊，并通過DSP關(guān)閉C⑶圖像采集工作和圖像存儲工作，并通過IRMCK203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X和永磁同步電機Y的PWM輸出，管道機器人在無線控制下以較慢的速度駛向出口處，保證機器人能夠順利到出口處；
15)在管道機器人巡檢過程中，如果伺服控制器檢測到永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)脈動，由于本發(fā)明采用的永磁同步電機控制是基于轉(zhuǎn)子磁場定向控制，因此IRMCK203控制器會很容易補償此干擾，減少了電機轉(zhuǎn)矩對巡檢機器人運動過程的影響；
16)當管道機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會時刻檢測其與閥門之間的位移，當確定入口閥門F3在打開狀態(tài)，管道機器人將開啟巡航模式，控制器ARM實時記錄管道機器人已經(jīng)沿著磁條運動的距離，當確定機器人完全進入出口待檢區(qū)域后，入口閥門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，當天然氣泄露裝置未檢測到待檢區(qū)域有天然氣殘留時，入口閥門F4將打開，此時前方激光位移傳感器LSF將二次判斷前方入口閥門F4的狀態(tài)，確定前方閥門打開無誤后，管道機器人駛出檢測管道，回到檢測終點，等待下一個檢測命令。
[0040]本發(fā)明具有的有益效果是:
1:在管道機器人運動過程中，充分考慮了電池在這個系統(tǒng)中的作用，基于ARM+IRMCK203+DSP+ MC51113四核控制器時刻都在對其狀態(tài)進行監(jiān)測和運算，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，又可以有效預測電池的能量，為管道機器人巡檢提供了有效保證；
2:由IRMCK203處理管道機器人兩只永磁同步電機基于轉(zhuǎn)子磁場定向的伺服控制和MC51113處理兩只直流電機的伺服控制，使得控制比較簡單，大大提高了運算速度，解決了控制算法占用ARM和DSP運行周期較長的問題，縮短了開發(fā)周期短，并且程序可移植能力強；3:本發(fā)明基本實現(xiàn)全貼片元器件材料，實現(xiàn)了單板控制，不僅節(jié)省了控制板占用空間，而且有利于管道機器人體積和重量的減輕；
4:本發(fā)明的管道機器人導航系統(tǒng)采用永磁同步電機替代了傳統(tǒng)機器人系統(tǒng)中常用的步進電機、直流電機、直流無刷電機，由于其體積較小，效率較高，使得管道機器人體積可以進一步縮小，能源利用率大大提尚;
5:由于永磁同步電機采用基于轉(zhuǎn)子磁場定向控制，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的脈動轉(zhuǎn)矩也非常小，有利于提高系統(tǒng)的動態(tài)性能；
6:由于本控制器采用DSP處理圖形采集和存儲的大量數(shù)據(jù)與算法，由IRMCK203處理兩軸永磁同步電機和MC51113處理兩軸直流電機的伺服控制，把ARM和DSP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；
7:在控制中，ARM和DSP控制器可以根據(jù)機器人外圍運行情況適時調(diào)整兩軸永磁同步電機和直流電機伺服控制的PI參數(shù)，使系統(tǒng)動態(tài)性能大大提高；
8:管道機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；
9:管道機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，并有效存儲其圖像；
10:基于無線圖像傳輸可以使總站工作人員準確判斷疑似區(qū)域，同時無線遙控技術(shù)可以很好的解決管道機器人出現(xiàn)的突發(fā)狀況，比如求解死機等；
11:基于DSP的圖像存儲功能使得管道機器人完成任務后方便工作人員讀取巡檢結(jié)果，可以輕易的從存儲結(jié)果中讀取管道受損信息和具體位置，然后及時維修； 12:管道機器人上配備有基于霍爾效應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；
13:三軸加速度計的加入可有效探測管道機器人偏離管道平面的傾斜角度，ARM控制器會時刻對此角度進行調(diào)整，有效控制了管道機器人的姿態(tài)；
14:磁導航傳感器和激光位移傳感器的加入使得系統(tǒng)導航具有一定的冗余度，極大提高了管道機器人的穩(wěn)定性；
15:同步帶技術(shù)的加入使得六個輪都具有動力，同時履帶的加入有效增加了管道機器人在管道中接觸的面積，使機器人可以有效通過具有障礙阻塞物區(qū)域，提高了環(huán)境適應性；16:基于直流電機A和直流電機B的兩軸CCD圖像采集定位系統(tǒng)可以使圖像采集更可靠，為主站進行管道損傷和阻塞信息實時分析提供了可靠依據(jù)。
[0041]綜上訴述，本發(fā)明的無線傳輸四核四軸履帶式快速天然氣管道機器人控制系統(tǒng)，為了提高能源的利用率和減少機器人體積，本系統(tǒng)用效率和功率密度均較高的永磁同步電機替代了步進電機、直流電機等電機；為了提高運算速度，保證自動管道機器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，本發(fā)明在基于ARM的控制器中引入永磁同步電機專用控制芯片IRMCK203和數(shù)字信號處理器DSP以及直流電機專用控制芯片MC51113，形成基于ARM+ IRMCK203+DSP+MC51113的全新四核控制器，此控制器充分考慮電池在這個系統(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伺服系統(tǒng)交給IRMCK203完成、兩軸直流電機伺服系統(tǒng)交給MC51113完成、電池監(jiān)控、路徑讀取、偏差處理等交給ARM處理，充分發(fā)揮ARM數(shù)據(jù)處理速度相對較快的特點，而圖像數(shù)據(jù)采集和存儲等功能交給DSP完成，這樣就實現(xiàn)了ARM、IRMCK203、MC51113與DSP的分工，同時四者之間也可以進行通訊，實時進行數(shù)據(jù)交換和調(diào)用。
[0042]以上所述僅為本發(fā)明的實施例，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，或直接或間接運用在其它相關(guān)的技術(shù)領域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種無線傳輸四核四軸履帶式快速天然氣管道機器人控制系統(tǒng)，其特征在于，包括電池、控制器、永磁同步電機X、永磁同步電機Y、直流電機A、直流電機B、基于CCD圖像采集單元、圖像存儲單元、濕度采集單元、基于霍爾效應管道探傷采集單元、無線裝置以及管道機器人，所述的電池單獨提供電流驅(qū)動所述的控制器，所述的控制器采用四核控制器，包括ARM、IRMCK203、DSP 和 MC51113，所述的 ARM、IRMCK203、DSP 和 MC51113通過無線裝置進行通訊連接，所述的基于CCD圖像采集單元和圖像存儲單元均與DSP和MC51113通訊連接，所述的濕度采集單元和基于霍爾效應管道探傷采集單元均與ARM、IRMCK203通訊連接，所述的ARM、IRMCK203分別發(fā)出第一控制信號和第二控制信號，由所述的第一控制信號和第二控制信號分別控制所述的永磁同步電機Y和永磁同步電機X的信號合成之后再控制管道機器人的運動，DSP和MC51113分別發(fā)出第三控制信號和第四控制信號，由所述的第三控制信號和第四控制信號分別控制所述的直流電機A、直流電機B的信號合成之后與基于CCD圖像采集單元通訊連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速天然氣管道機器人控制系統(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所述的快速天然氣管道機器人控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的第一控制信號、第二控制信號均為PWM波控制信號。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速天然氣管道機器人控制系統(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所述的快速天然氣管道機器人控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的管道機器人包括機器人殼體、激光位移傳感器、磁導航傳感器、距離修正傳感器、三軸加速度計以及同步帶，所述的激光位移傳感器分別安裝在機器人殼體的前端，所述的磁導航傳感器和距離修正傳感器均設置在機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置在機器人殼體的左右兩側(cè)邊并分別與永磁同步電機X和永磁同步電機Y連接，所述的三軸加速度計設置在機器人殼體上并位于永磁同步電機X和永磁同步電機Y之間，所述的直流電機A、直流電機B和無線裝置均設置在機器人殼體上。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的快速天然氣管道機器人控制系統(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置在機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置在機器人殼體正前方的左右兩端。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的快速天然氣管道機器人控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的同步帶采用兩軸六輪驅(qū)動模式，是由一根內(nèi)周表面設有等間距齒的封閉環(huán)形履帶和相應的帶輪所組成。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速天然氣管道機器人控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的天然氣管道機器人控制系統(tǒng)還設置有上位機程序、基于ARM主運動控制程序、基于DSP從運動控制程序、基于霍爾效應管道損傷探測以及無線傳輸，所述的上位機程序還包括管道讀取、位置定位和電源信息，所述的基于ARM主運動控制程序還包括基于IRMCK203兩軸永磁同步電機伺服控制、數(shù)據(jù)存儲和I/O控制，所述的基于DSP從運動控制程序還包括基于MC51113兩軸直流電機伺服控制和基于DSP圖像采集，所述的基于霍爾效應管道損傷探測無線傳輸和分別與基于霍爾效應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所述的快速天然氣管道機器人控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的天然氣管道機器人控制系統(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X、永磁同步電機Y、直流電機A和直流電機B上。
【文檔編號】B25J5/00GK105856236SQ201610400333
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月8日
【發(fā)明人】張好明, 朱利軍
【申請人】江蘇若博機器人科技有限公司