一種三核四軸履帶式高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)明公開了三核四軸履帶式高速天然氣管道機器人控制系統(tǒng)，所述的控制器采用三核控制器，包括通訊連接的ARM、FPGA和DSP，所述的ARM和FPGA分別發(fā)出第一控制信號、第二控制信號、第三控制信號和第四控制信號，由所述的第一控制信號、第二控制信號、第三控制信號和第四控制信號分別控制所述的永磁同步電機Y、永磁同步電機X、永磁同步電機Z和永磁同步電機R的信號合成之后再控制管道機器人的運動。通過上述方式，本發(fā)明自主研發(fā)了基于ARM+FPGA+DSP的全新三核控制模式，把ARM從復雜的工作當中解脫出來，實現(xiàn)四軸三相永磁同步電機的實時位置采集，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】
一種三核四軸履帶式高速天然氣管道機器人控制系統(tǒng)
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及大型管道機器人的領域，尤其涉及一種三核四軸履帶式高速天然氣管道機器人控制系統(tǒng)。
【背景技術】
[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、計算機技術、自動化技術的發(fā)展和進步，國外管道機器人技術于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]—個實用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。
[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，且穩(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技術或者是ARM技術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;采用專用運動控制芯片雖然可以減少處理器處理時間，但是其內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)只能滿足單一的要求，無法滿足管道機器人在復雜環(huán)境中的應用；
(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，機器人無法實時根據(jù)外圍環(huán)境調(diào)整自己的PID參數(shù)，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?。?br> (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)對于只采用兩動力輪的驅(qū)動方式來說，機器人的動力調(diào)整能力較差，為了滿足復雜狀態(tài)下的加速，使得單個驅(qū)動電機的功率較大，不僅占用的空間較大，而且有時候在一些相對需求能量較低的狀態(tài)下造成“大馬拉小車”的現(xiàn)象出現(xiàn)，無法滿足系統(tǒng)多樣性工況下動力需求要求，使得系統(tǒng)動態(tài)性能降低。
[0008](9)由于加速度計通過積分和二次積分得到機器人的速度和偏角，由于多次的積分使得管道機器人在密閉管道中的位置有時候會出現(xiàn)一定錯誤。
[0009]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構，只是轉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，使電動機的結構較為簡單，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，還具有轉速準確、噪聲低的特性，稀土永磁同步電機基于轉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。
[0010]履帶式移動機構是輪式移動機構的拓展，履帶本身起著給車輪連續(xù)鋪路的作用。相對于輪式機構，履帶式移動機構有著諸多優(yōu)點，如:支承面積大，接地比壓??；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通過改變履帶的位置或履帶的機構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】

[0011]本發(fā)明主要解決的技術問題是提供一種三核四軸履帶式高速天然氣管道機器人控制系統(tǒng)，自主研發(fā)了基于ARM+ FPGA+DSP的全新三核控制模式，控制器以ARM為處理器核心，由FPGA實現(xiàn)四軸永磁同步電機的伺服控制，DSP實現(xiàn)CCD圖像采集數(shù)字信號的實時處理并與ARM通訊，把ARM從復雜的工作當中解脫出來，實現(xiàn)四軸三相永磁同步電機的實時位置采集，并響應DSP中斷，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和存儲實時信號。
[0012]為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的一個技術方案是:提供了一種三核四軸履帶式高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、永磁同步電機Z、永磁同步電機R、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，所述的控制器采用三核控制器，包括ARM、FPGA和DSP，所述的ARM、FPGA和DSP進行通訊連接，所述的ARM和FPGA分別發(fā)出第一控制信號、第二控制信號、第三控制信號和第四控制信號，由所述的第一控制信號、第二控制信號、第三控制信號和第四控制信號分別控制所述的永磁同步電機Y、永磁同步電機X、永磁同步電機Z和永磁同步電機R的信號合成之后再控制管道機器人的運動，所述的基于CCD圖像采集單元和圖像存儲單元均與DSP通訊連接，所述的濕度采集單元和基于霍爾效應管道探傷采集單元均與ARM通訊連接。
[0013]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。
[0014]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、第三控制信號和第四控制信號均為PWM波控制信號。
[0015]在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述的ARM采用STM32F746;所述的FPGA采用QUICKL0GIC;所述的 DSP 采用 TMS320F2812。
[0016]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、左岔口傳感器、右岔口傳感器、三軸陀螺儀以及同步帶，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，所述的左岔口傳感器和右岔口傳感器分別位于磁導航傳感器下方的左右兩端，所述的同步帶分別設置在機器人殼體的左右兩側邊并分別與永磁同步電機X、永磁同步電機Y、永磁同步電機Z和永磁同步電機R連接，所述的三軸陀螺儀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。
[0017]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。
[0018]在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述的同步帶采用四軸八輪驅(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。
[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)還設置有上位機程序、基于ARM運動控制程序、基于DSP圖像采集以及基于霍爾效應管道損傷探測，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運動控制程序還包括基于FPGA四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圖像采集和基于霍爾效應管道損傷探測分別與基于CCD圖像采集單元和基于霍爾效應管道探傷采集單元通訊連接。
[0020]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、永磁同步電機Z和永磁同步電機R上。
[0021]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明的三核四軸履帶式高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;為了提高系統(tǒng)的加速性能，本系統(tǒng)加入兩個助力永磁同步電機;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FPGA和數(shù)字信號處理器DSP，形成基于ARM+ FPGA+DSP的全新三核控制器，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)中工作量最大的四軸永磁同步伺服系統(tǒng)交給FPGA完成、電池監(jiān)控、管道路徑和管道地形圖讀取、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、FPGA與DSP的分工，同時三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】
[0022]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術方案，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)明帶有三核四軸履帶式高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構示意圖；
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】
[0023]下面將對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、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。
[0024I如圖1所示，本發(fā)明實施例包括:
一種三核四軸履帶式高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、永磁同步電機Z、永磁同步電機R、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，所述的控制器采用三核控制器，包括ARM、FPGA和DSP，所述的ARM、FPGA和DSP進行通訊連接，所述的ARM和FPGA分別發(fā)出第一控制信號、第二控制信號、第三控制信號和第四控制信號，由所述的第一控制信號、第二控制信號、第三控制信號和第四控制信號分別控制所述的永磁同步電機Y、永磁同步電機X、永磁同步電機Z和永磁同步電機R的信號合成之后再控制管道機器人的運動，所述的基于CCD圖像采集單元和圖像存儲單元均與DSP通訊連接，所述的濕度采集單元和基于霍爾效應管道探傷采集單元均與ARM通訊連接。
[0025]上述中，所述的ARM采用STM32F746;所述的FPGA采用QUICKL0GIC;所述的DSP采用TMS320F2812。
[0026]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。
[0027]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 JTM32F7 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。
[0028]FPGA采用了邏輯單元陣列LCA(Logic Cell Array)這樣一個新概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB(Configurable Logic Block)、輸出輸入模塊10B(Input Output Block)和內(nèi)部連線(Interconnect)三個部分。FPGA的基本特點主要有:采用FPGA設計ASIC電路，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片;FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片;FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和1/0引腳;FPGA是ASIC電路中設計周期最短、開發(fā)費用最低、風險最小的器件之一;FPGA采用高速CHMOS工藝，功耗低，可以與CM0S、TTL電平兼容。上述特點使得用戶可以根據(jù)自己的設計需要，通過特定的布局布線工具對FPGA內(nèi)部進行重新組合連接，在最短的時間內(nèi)設計出自己的專用集成電路，這樣就減小成本、縮短開發(fā)周期。由于FPGA采用軟件化的設計思想實現(xiàn)硬件電路的設計，這樣就使得基于FPGA設計的系統(tǒng)具有良好的可復用和修改性。這種全新的設計思想已經(jīng)逐漸應用在高性能的交流驅(qū)動控制上，并快速發(fā)展。上述特點使得FPGA特別適合伺服運動控制中，特別是對于本發(fā)明采用的四軸八輪天然氣管道巡檢伺服控制結構，可以大大減少STM32F7控制器的伺服程序編寫。
[0029]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。
[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構如圖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、左岔口傳感器ME2、右岔口傳感器ME3、三軸陀螺儀Gl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，所述的左岔口傳感器ME2和右岔口傳感器ME3分別位于磁導航傳感器MEl下方的左右兩端，所述的同步帶T分別設置在機器人殼體K的左右兩側邊并分別與永磁同步電機X、永磁同步電機Y、永磁同步電機Z和永磁同步電機R連接，所述的三軸陀螺儀Gl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。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，左激光位移傳感器傳感器LSL和右激光位移傳感器傳感器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)。左岔口磁傳感器ME2和右岔口傳感器ME3分別檢測地面岔口標志，然后分別作為交叉管道左轉或者是右轉的判據(jù)，并在此位置可以對天然氣管道機器人進行精確補償，這對于管道機器人巡檢管道計算位置至關重要。
[0032]為了提高天然氣管道機器人在密閉管道行走過程中導航的穩(wěn)定性，實現(xiàn)姿態(tài)的自動調(diào)整以及自主導航能力，并減少加速計長期積分帶來的誤差，本發(fā)明在天然氣管道機器人伺服硬件系統(tǒng)中用三軸陀螺儀Gl代替了加速度計Al。在管道機器人行走管道期間全程開啟三軸陀螺儀Gl，三軸陀螺儀Gl用來測量管道機器人三個前進方向的角速度，控制器根據(jù)測得的角速度通過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;如果對三軸陀螺儀Gl進行積分，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。當管道機器人讀到交叉管道入口時，機器人要實現(xiàn)左轉90或者是右轉90的動作，在這種情況下，三軸陀螺儀Gl可以準確計算出機器人旋轉的角度，保證了其轉彎的準確性。
[0033]同步帶傳動是由一根內(nèi)周表面設有等間距齒的封閉環(huán)形膠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，結構緊湊特別適用多軸傳動，因此本發(fā)明采用同步帶技術形成四軸八輪驅(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)了一種由四臺稀土永磁同步電機差速驅(qū)動的八輪履帶式三核高速天然氣管道機器人，四臺稀土永磁同步電機的伺服控制算法由FPGA完成，增加系統(tǒng)計算的快速性，四個機械輔助輪通過同步帶分別與左右兩功率較大的永磁同步驅(qū)動電機機械鏈接，兩個功率較小的永磁同步電機只有機器人需要加速時才開啟起到動力調(diào)整的功能，左右側的多個輪分別通過履帶機械鏈接;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+FPGA+DSP的全新三核控制模式。本次設計的控制器原理圖如圖1:控制器以ARM為處理器核心，由FPGA實現(xiàn)四軸永磁同步電機的伺服控制，DSP實現(xiàn)CCD圖像采集數(shù)字信號的實時處理并與ARM通訊，把ARM從復雜的工作當中解脫出來，實現(xiàn)四軸三相永磁同步電機的實時位置采集，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運動控制程序、基于DSP圖像采集以及基于霍爾效應管道損傷探測，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運動控制程序還包括基于FPGA四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圖像采集和基于霍爾效應管道損傷探測分別與基于CCD圖像采集單元和基于霍爾效應管道探傷采集單元通訊連接。
[0037]為達上述目的，本發(fā)明采取以下技術方案，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；為了提高系統(tǒng)的加速性能，本系統(tǒng)加入兩個助力永磁同步電機;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FPGA和數(shù)字信號處理器DSP，形成基于ARM+ FPGA+DSP的全新三核控制器，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)中工作量最大的四軸永磁同步伺服系統(tǒng)交給FPGA完成、電池監(jiān)控、管道路徑和管道地形圖讀取、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、FPGA與DSP的分工，同時三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+ FPGA+DSP三核控制器，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，控制器會發(fā)出報警信號;如果電池能源較高，先由PC機通過USB接口把巡檢天然氣管道長度和半徑等信息輸入給ARM，然后管道機器人被放到管道檢測口，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確定閥門打開后，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FPGA，F(xiàn)PGA把這些磁導航傳感器MEI參數(shù)轉化為管道機器人在指定巡檢軌跡下永磁同步電機X、永磁同步電機Y、永磁同步電機Z和永磁同步電機R要運行的距離、速度和加速度，F(xiàn)PGA再結合電機的電流反饋、光電編碼器反饋和三軸陀螺儀Gl的反饋，經(jīng)內(nèi)部伺服控制算法得到四臺永磁同步電機控制的PffM波控制信號，實現(xiàn)四臺永磁同步電機的實時伺服控制;DSP通過CCD實時采集管道信息并存儲，如果對巡檢某一個位置有疑問，將與ARM通訊，ARM發(fā)出停車指令并通過FPGA使管道機器人停車，然后通過DSP 二次圖像采集和損傷探測裝置對管道系統(tǒng)的狀態(tài)進行判斷。如果管道機器人完成左轉或者是右轉巡檢輔助管道再次返回主管道時，ARM將通過FPGA開通助力電機Z和電機R，按照磁導航傳感器MEl參數(shù)和速度要求二次調(diào)整管道機器人永磁同步電機X、永磁同步電機Y、永磁電機Z和永磁電機R的PffM輸出，實現(xiàn)四臺永磁同步電機的實時伺服控制，為了減少能源消耗，在返回主通道前DSP將關閉C⑶的信息采集。
[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FPGA工作，四臺永磁同步電機PWM波被封鎖，同時報警傳感器將工作并發(fā)出報警信號；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)人工借助PC機把把管道長度、半徑和管道地形圖等信息通過USB接口傳入到ARM，由ARM預先處理管道信息，然后人工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三軸陀螺儀的慣性導航模式；
3)管道機器人ARM開始通過磁導航傳感器MEl讀取地面導航磁條，然后根據(jù)磁導航傳感器MEI的反饋值與實際設定中心值相比較，ARM把此偏差輸入給FPGA，F(xiàn)PGA把這個偏差參數(shù)轉化為管道機器人在指定巡檢軌跡下永磁同步電機X、永磁同步電機Y、永磁同步電機Z和永磁同步電機R要運行的距離、速度和加速度指令值，F(xiàn)PGA再結合電機的電流反饋、光電編碼器反饋和三軸陀螺儀Gl的反饋，經(jīng)內(nèi)部伺服控制算法得到兩臺永磁同步電機控制的PWM波控制信號，使管道機器人沿著導航磁條快速前進，同時根據(jù)外圍環(huán)境FPGA實時調(diào)整內(nèi)部伺服控制程序的PID參數(shù)，使系統(tǒng)輕松實現(xiàn)分段P、PD、PID控制和非線性PID控制;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FPGA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，控制器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將再次關閉，天然氣泄露裝置檢測到入口閥門Fl完全關閉后，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)域檢測天然氣管道內(nèi)部實際情況；
5)管道機器人進入檢測區(qū)域后，如果管道機器人在主管道巡檢過程中，左岔口傳感器ME2讀到地面轉彎標志，ARM首先根據(jù)地面裝置修正管道機器人在管道中的位置信息，消除管道機器人行走誤差;FPGA按照系統(tǒng)速度和加速度要求，然后結合電機電流、光電編碼器和三軸陀螺儀Gl的反饋，實時調(diào)整管道機器人永磁同步電機X、電機Y的PWM控制信號，使機器人在距離R內(nèi)停車，F(xiàn)PGA結合三軸陀螺儀Gl的反饋使管道機器人原地旋轉左90度，管道機器人進入左岔道進行巡航;在左岔道探測過程中，前方激光位移傳感器LSF時刻開啟檢測疑似堵塞物并檢測與前方終點的距離;ARM根據(jù)前方激光位移傳感器LSF的反饋實時記錄前進距離，并在距離岔道終點前有效范圍內(nèi)通過FPGA使管道機器人有效停車，機器人在三軸陀螺儀Gl控制下原地旋轉180度準備返回主通道；由于左岔道已經(jīng)巡檢完畢，為了使管道機器人快速返回到主管道中，ARM控制器通過FPGA開啟助力永磁同步電機Z和永磁同步電機R，使系統(tǒng)進入四輪加速返回狀態(tài);在整個返回過程中，F(xiàn)PGA按照系統(tǒng)速度和加速度要求，然后結合電機電流、光電編碼器和三軸陀螺儀Gl的反饋，實時調(diào)整管道機器人永磁同步電機X、電機Y、電機Z和電機R的PffM控制信號，使管道機器人能夠加速沿著地面磁條回到主管道；
6)管道機器人進入檢測區(qū)域后，如果管道機器人在主管道巡檢過程中，右岔口傳感器ME3讀到地面轉彎標志，ARM首先根據(jù)地面裝置修正機器人在管道中的位置信息，消除管道機器人行走誤差;FPGA按照系統(tǒng)速度和加速度要求，然后結合電機電流、光電編碼器和三軸陀螺儀Gl的反饋，實時調(diào)整管道機器人永磁同步電機X和電機Y的PffM控制信號，使機器人在距離R內(nèi)停車，F(xiàn)PGA結合三軸陀螺儀Gl的反饋使管道機器人原地旋轉右90度，管道機器人進入右岔道進行巡航;在右岔道探測過程中，前方激光位移傳感器LSF時刻開啟檢測疑似堵塞物并檢測與前方終點的距離;ARM根據(jù)前方激光位移傳感器LSF的反饋實時記錄前進距離，并在距離岔道終點前有效范圍內(nèi)通過FPGA使管道機器人有效停車，管道機器人在三軸陀螺儀Gl控制下原地旋轉180度準備返回主通道；由于右岔道已經(jīng)巡檢完畢，為了使管道機器人快速返回到主管道中，ARM通過FPGA開啟助力永磁同步電機Z和永磁同步電機R，使系統(tǒng)進入四輪加速返回狀態(tài);在整個返回過程中，F(xiàn)PGA按照系統(tǒng)速度和加速度要求，結合電機電流、光電編碼器和三軸陀螺儀Gl的反饋，實時調(diào)整管道機器人的永磁同步電機X、電機Y、電機Z和電機R的PWM控制信號，使機器人能夠加速沿著地面磁條回到主管道；
7)管道機器人在整個檢測區(qū)域運動過程中，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陀螺儀Gl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此偏差信號輸入給FPGA，F(xiàn)PGA把這個偏差參數(shù)轉化為管道機器人在指定巡檢軌跡下永磁同步電機X和永磁同步電機Y要運行的距離、速度和加速度指令值，再結合電機的電流反饋、光電編碼器反饋和三軸陀螺儀Gl的反饋，經(jīng)內(nèi)部伺服控制算法得到兩臺永磁同步電機控制的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FPGA實時調(diào)整內(nèi)部伺服控制程序的PID參數(shù)，使系統(tǒng)輕松實現(xiàn)分段P、H)、PID控制和非線性PID控制;ARM并實時記錄管道機器人已經(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記錄的位置距離信息要以修正標志的位置信息為準，消除管道機器人在行走時的所造成的位置誤差；
8)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，二者將測得的距離輸入給ARM，與設定值相比較得到偏離中心的位置，ARM將此偏差信號輸入給FPGA，F(xiàn)PGA把這個偏差參數(shù)轉化為管道機器人在指定巡檢軌跡下永磁同步電機X和永磁同步電機Y要運行的距離、速度和加速度，再結合電機的電流反饋、光電編碼器反饋和三軸陀螺儀Gl的反饋，經(jīng)其內(nèi)部伺服控制算法得到兩臺永磁同步電機控制的PffM波，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，根據(jù)外圍環(huán)境FPGA實時調(diào)整內(nèi)部伺服控制程序的PID參數(shù)，使系統(tǒng)輕松實現(xiàn)分段P、PD、PID控制和非線性PID控制;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記錄位置距離信息要以修正標志的位置信息為準，消除管道機器人行走時的位置誤差；
9)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，如果二者比對結果出現(xiàn)較大誤差，為了防止誤操作，DSP立即發(fā)出中斷請求，ARM立即響應DSP中斷，并與通訊，通過FPGA讓管道機器人停車，DSP使CCD 二次采集管道信息并與標準管道信息進行比對得到最新結果，然后沿著管道導航標志繼續(xù)前行；
10)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，如果二者比對結果出現(xiàn)較大誤差，為了防止誤操作，ARM與FPGA通訊，并通過FPGA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FPGA實時調(diào)整內(nèi)部伺服控制程序的PID參數(shù)，使系統(tǒng)輕松實現(xiàn)分段P、PD、PID控制和非線性PID控制；同時ARM立即向DSP發(fā)出中斷請求，DSP立即響應ARM中斷，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；當通過疑似區(qū)域后，ARM與FPGA通訊，并通過內(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，前方激光位移傳感器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，前方激光位移傳感器LSF探測值將出現(xiàn)異常，ARM與FPGA通訊，并通過FPGA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HVM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FPGA實時調(diào)整內(nèi)部伺服控制程序的PID參數(shù)，使系統(tǒng)輕松實現(xiàn)分段P、H)、PID控制和非線性PID控制；同時ARM立即向DSP發(fā)出中斷請求，DSP立即響應ARM中斷，并加大CCD管道采集信息中堵塞物的比對，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構，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FPGA通訊，并通過FPGA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HVM波控制信號，恢復管道機器人的速度使其正常巡檢管道；
12)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FPGA通訊，并通過FPGA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FPGA實時調(diào)整內(nèi)部伺服控制程序的PID參數(shù)，使系統(tǒng)輕松實現(xiàn)分段P、PD、PID控制和非線性PID控制；同時ARM立即向DSP發(fā)出中斷請求，DSP立即響應ARM中斷，并加大CXD管道采集信息中管道損傷的比對，如果DSP發(fā)現(xiàn)疑似管道損傷圖像將存儲此圖像，如果DSP未發(fā)現(xiàn)管道損傷圖像，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FPGA通訊，并通過FPGA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PffM波控制信號，恢復管道機器人的速度使其正常巡檢管道；
13)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，F(xiàn)PGA把這個位置參數(shù)轉化為管道機器人在指定巡檢軌跡下永磁同步電機X和永磁同步電機Y要運行的距離、速度和加速度指令值，再結合電機的電流反饋、光電編碼器反饋和三軸陀螺儀Gl的反饋，經(jīng)FPGA內(nèi)部伺服控制算法得到兩臺永磁同步電機控制的PWM波控制信號，使管道機器人按照設定速度快速前行，同時根據(jù)外圍環(huán)境FPGA實時調(diào)整內(nèi)部伺服控制程序的PID參數(shù)，使系統(tǒng)輕松實現(xiàn)分段P、H)、PID控制和非線性PID控制；
14)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，ARM將禁止管道機器人在對距離信息修正，ARM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，通過FPGA實時調(diào)整永磁同步X電機和電機Y的速度，保證機器人向著出口緩慢駛出，并放棄一切采集工作；
15)裝在永磁同步電機X、永磁同步電機Y、永磁同步電機Z和永磁同步電機R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內(nèi)的位置寄存器會根據(jù)電機的運行方向加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；
16)管道機器人在運行過程ARM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)電池能量較低時，ARM會與FPGA、DSP通訊，并通過DSP關閉CXD圖像采集工作和圖像存儲工作，并通過FPGA內(nèi)部伺服控制程序調(diào)整永磁同步電機X和永磁同步電機Y的PffM輸出，使管道機器人以較慢的速度駛向出口處，保證管道機器人能夠順利到出口處；
17)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矩出現(xiàn)脈動，由于本發(fā)明采用的是矢量控制，因此FPGA會很容易補償此干擾，減少了電機轉矩對巡檢機器人運動過程的影響；
18)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，當確定出口閥門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，出口閥門F3將關閉，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，出口閥門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+ FPGA+DSP三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FPGA處理管道機器人四只永磁同步電機基于矢量控制的伺服控制，使得控制比較簡單，大大提高了運算速度，解決了控制算法占用ARM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矢量控制，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FPGA處理四軸永磁同步電機的伺服控制，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；
7:在控制中，F(xiàn)PGA控制器可以根據(jù)機器人外圍運行情況適時調(diào)整四軸永磁同步電機伺服內(nèi)部的PID參數(shù)，實現(xiàn)分段P、PD、PID控制和非線性PID控制，使系統(tǒng)滿足中低速運行時速度的切換；
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果，可以輕易的從存儲結果中讀取管道受損信息和具體位置，然后及時維修；
11: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；
12:三軸陀螺儀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監(jiān)測并通過FPGA相應調(diào)整永磁同步電機的P麗波輸出，有效控制了管道機器人的姿態(tài)；
13:地面轉彎導航標志配合左右側激光位移傳感器使得系統(tǒng)可以輕松讀出管道信息，有利于管道機器人在復雜管道中的定位和位置誤差的消除；
14:三軸陀螺儀的加入可有效測量管道機器人轉彎時的角度，為機器人在復雜管道中的轉彎導航提高了可靠依據(jù)；
15: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；
16:助力輪的加入使得系統(tǒng)的動力性能調(diào)整具有可選擇，使得機器人可以滿足不同工況下的動力要求，使得機器人的適應能力加強；
17:同步帶技術的加入使得機械輔助輪都具有動力，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；
18:三軸陀螺儀的加入可有效測量管道機器人在直線導航發(fā)生的速度和方向偏移，為機器人在復雜管道中的慣性導航提高了可靠依據(jù)。
[0041]綜上訴述，本發(fā)明的三核四軸履帶式高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;為了提高系統(tǒng)的加速性能，本系統(tǒng)加入兩個助力永磁同步電機;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FPGA和數(shù)字信號處理器DSP，形成基于ARM+ FPGA+DSP的全新三核控制器，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)中工作量最大的四軸永磁同步伺服系統(tǒng)交給FPGA完成、電池監(jiān)控、管道路徑和管道地形圖讀取、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、FPGA與DSP的分工，同時三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)容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其它相關的技術領域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍內(nèi)。
【主權項】
1.一種三核四軸履帶式高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、永磁同步電機Z、永磁同步電機R、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，所述的控制器采用三核控制器，包括ARM、FPGA和DSP，所述的ARM、FPGA和DSP進行通訊連接，所述的ARM和FPGA分別發(fā)出第一控制信號、第二控制信號、第三控制信號和第四控制信號，由所述的第一控制信號、第二控制信號、第三控制信號和第四控制信號分別控制所述的永磁同步電機Y、永磁同步電機X、永磁同步電機Z和永磁同步電機R的信號合成之后再控制管道機器人的運動，所述的基于CCD圖像采集單元和圖像存儲單元均與DSP通訊連接，所述的濕度采集單元和基于霍爾效應管道探傷采集單元均與ARM通訊連接。2.根據(jù)權利要求1所述的高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)權利要求1所述的高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、第三控制信號和第四控制信號均為PWM波控制信號。4.根據(jù)權利要求1所述的高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 FPGA 采用 QUICKLOGIC;所述的 DSP 采用 TMS320F2812。5.根據(jù)權利要求1所述的高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、左岔口傳感器、右岔口傳感器、三軸陀螺儀以及同步帶，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，所述的左岔口傳感器和右岔口傳感器分別位于磁導航傳感器下方的左右兩端，所述的同步帶分別設置在機器人殼體的左右兩側邊并分別與永磁同步電機X、永磁同步電機Y、永磁同步電機Z和永磁同步電機R連接，所述的三軸陀螺儀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。6.根據(jù)權利要求5所述的高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)權利要求5所述的高速天然氣管道機器人控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的同步帶采用四軸八輪驅(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)權利要求1所述的高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運動控制程序、基于DSP圖像采集以及基于霍爾效應管道損傷探測，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運動控制程序還包括基于FPGA四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圖像采集和基于霍爾效應管道損傷探測分別與基于CCD圖像采集單元和基于霍爾效應管道探傷采集單元通訊連接。9.根據(jù)權利要求1所述的高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、永磁同步電機Z和永磁同步電機R上。
【文檔編號】F16L101/30GK105881537SQ201610400353
【公開日】2016年8月24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