排水管道检测机器人控制系统研究

 3Vol. 3 No.7 / Jul. 2009476mm304mm✻ᯢ♃ᨘڣ༈ѥৄ476mm304mm✻ᯢ♃ᨘڣ༈ѥৄ排水管道检测机器人控制系统研究申立琴  宋章军摘 要 排水管道检测机器人具有非常广阔的应用前景，而控制系统是整个系统的重点和难点。研究采用有线通信的方式，上位机控制盒采用PC104系统，控制机器人行走机构在管道中的运动，显示并保存管内的检测情况。下位机用ARM作为处理中心处理传感器和电机数据，并向上位机反馈移动机构的状态。关键词 排水管道机器人；控制系统设计；嵌入式系统1 引言 排水管道网络是城市排污系统的主要组成部分，也是城市的重要基础设施之一[4]。然而，随着排水管道材料的老化以及工业中各种化学物质的侵蚀等出现不同程度的破坏，污水外流会对环境造成污染，甚至影响地表结构等。因此，为了环境保护以及城市道路的安全，需要对排水管道进行定期的检测和维护检修。另一方面，新建成的排污管道，也必须在投入使用前进行内部检测，验收合格之后才能投入使用。在人工检测方式存在诸多缺点的情况下，研发一种自动智能化的排水管道检测设备具有重要意义，也具有广阔的市场前景[6]。 在国外一些发达国家，排水管道检测机器人已经诞生并投入使用，如图1所示，但进口设备昂贵，并且维护费用高，需要培训才能正确使用。即使欧美发达国家的管道检测机器人，如iPEK的产品，也采用手工遥操作的方式，对操作工人要求较高，工作效率低。尤其排水管道中，机器人工作环境非常恶劣[1]，开发难度较大。在我国，这方面的研究工作起步较晚，目前国内还没有成型的、商品化的产品问世，故该项目的研发可以向产业化方向发展，加强城市管道的检测和管理。 2 排水管道检测机器人发展概况 国外，管道机器人早在20世纪八十年代就开始研制，已有技术较成熟的产品上市，例如，英国雷迪(Radiodetection)，德国伊伯克(IBAK)，美国确视(CUES)，加拿大因克吐恩(INUKTUN)[2]等等，这些管道检测机器人共有的特点是：1)构造精良，成像清晰，能摇头，自动化程度较高；2)互换性好，适应性强，均配有图像刻录装置；3)价格昂贵(每套RMB 80万元以上)；4)维护费用高。 Versatrax 150探索机器人是国外最新设计的，该设计是一个模块化、远程内部管道检测系统，能够操作各种管道大小，但最小内部直径15厘米/6英寸。新vt150底盘有两个优化点：第一，minitracs爬行器角度的改变；第二，标准前视相机高度可改变或可选的具有摇摄、倾斜、缩放功能的Spectrum 90相机。此外，新versatrax 150平行底盘是完全可控和可在单次的运行内侦查长达1500英尺。对于较小尺寸的管道，也可通过内嵌的底盘实现。但是由于价格和维护费用太高，国外的排水管道检测机器人在国内没有普及。 图2 Versatrax 150 国内起步较晚，九十年代末开始研制，如上海交通大学，哈尔滨工程大学等早期都对管道机器人进行了研制。清华大学的下水道自动清淤机器人适合400mm的管道，载体采用了轮式的行走结构，四轮驱动方式、以三相异步电机作原动机。上海交通大学的履带式管道机器人仿造履带式车辆行走原图1 排水管道检测机器人Crawler FW225排水管道检测机器人控制系统研究39476mm304mm✻ᯢ♃ᨘڣ༈ѥৄ476mm304mm✻ᯢ♃ᨘڣ༈ѥৄ理，采用带齿轮减速箱的直流伺服电机驱动。机器人上部装有CCD图像传感器，由另一个直流伺服电机控制CCD图像传感器作俯仰运动，以扩大检测范围。另外，机器人上还装有角度传感器。虽然国内很多大学和研究所都对管道机器人进行了研发，并做出了试验样机，但都没有达到实际应用的水平。针对市政排水管道检测任务的特殊要求，研发一套排水管道检测和维护机器人系统，包括具有友好人机交互界面的控制系统并达到实用是非常必要的。3 排水管道检测机器人关键技术 本研究的排水管道检测机器人主要是四个部分组成：电源装置、收放电缆装置、控制盒、移动载体。移动载体是整个系统的关键部分。移动载体按运动方式分，可分为轮式、履带式、轮腿式、蠕动式等几种不同的形式[3]。轮式管道机器人适用于中、大管径的管道，由于其结构简单，容易实现，因此获得的研究成果最多，该系统中移动小车也采用轮式结构。系统的控制系统主要是围绕轮式机构进行控制设计。系统总体结构如图3所示。 图3 总体结构示意图 管道检测机器人技术的优越性主要体现在机器人的移动技术、自动操作技术、自动定位与跟踪探伤技术、数据处理、信号识别与自动评估技术。研制的检测机器人具有以下特点：1) 管径适应能力：采用轮式行走机构，轮轴固定，轮子可换，以适应不同的管径；2) 体积小，牵引力足够大，能越一定大小的障碍物和爬30度的斜坡；3) 控制盒与移动载体间有线控制，保证通信的质量，并为小车提供电源；4) 移动小车装有摄像头和照明系统，并能遥控摄像头进行升降、360度横滚、360度俯仰动作；5) 移动小车内装有倾角传感器，实时监测小车在管道内的姿态，防止小车在管道内倾斜翻倒； 6) 采用编码器计算小车的位置，同时在电缆上标上刻度，检测到故障时记录电缆上的刻度对故障进行定位；7) 移动机构具有防水防雾功能。4 控制系统设计 一个完整的管道机器人检测系统，可分为以下几部分：移动载体、管道内部环境识别检测系统、信号传递和动力传输系统以及控制系统。控制系统又分为上位机控制系统和下位机(移动载体)控制系统。运算量主要集中在上位机，故本控制系统采用PC-ARM的方式[5]。上位机负责图像处理和发送指令控制，下位机主要负责底层的控制和机器人行走速度信号的反馈，包括对行走电机的控制，对云台电机的控制，反馈机器人的速度信息。4.1 控制系统总体结构 控制系统与移动载体之间的通信分有线通信和无线通信两种方式。在地下管道中，采用无线通信时由于没有拖缆，回收简单，检测效率较高，但是图像传输效果较差，受干扰影响较大，且移动载体需自带电池，航行距离受到一定的限制，另外，一旦移动小车出现故障，则需要人工进入管道收回小车，若管道内径较小，则很难收回小车；采用有线方式时，通信信号质量好，但由于电缆增加了阻力和重力，要求移动载体牵引力较大。考虑到通信的可靠性，本研究采用上下位机通过电缆有线通信方式，遥操作方式对机器人本体进行控制。整个机器人的控制系统结构框图如图4所示。 图4 控制系统总体示意图4.2 移动载体控制系统 下位机(移动载体)主要包括：ARM、电机及驱动器、CCD摄像机、照明系统、云台、倾角传感器、编码器等。ARM采集反馈数据，并发送给上位 0Vol. 3 No.7 / Jul. 2009ᇣ䔺䗳ᑺ䆒㕂ᨘڣ༈ᔧࠡ㾦ᑺؒ㾦Ӵᛳ఼㾦ᑺᇣ䔺ᔧࠡԡ㕂ᇣ䔺᥻ࠊᨛᴚᓔྟ/㒧ᴳֱᄬᔩڣᰒ⼎ㅵ䘧ݙᚙމ㾺ᩌሣᨘڣ༈䇗㡖✻ᯢ♃҂ᑺPoweron/off᠟ᶘ᠟ᶘᓔྟ⹀ӊ˄໘⧚఼ǃLCD˅߱ྟ࣪䕃ӊ˄⿟ᑣՓ⫼ব䞣˅߱ྟ࣪䗮ֵ⌟䆩ℷᐌ˛LCDࠋᮄᰒ⼎ӏࡵথ䗕ӏࡵᣛҸ᥹ᬊӏࡵᣛҸNY476mm304mm✻ᯢ♃ᨘڣ༈ѥৄ机PC，同时接收上位机的指令对电机和传感器进行控制；电机主要有小车的行走电机和控制云台步进电机；CCD摄像机采集模拟视像信号；照明系统为CCD摄像头提供光照亮度；云台系统为机械结构，支撑CCD摄像机和照明系统；倾角传感器检测小车的姿态，根据姿态调整小车的行驶方向，防止小车在管道内倾覆；编码器用来检测小车行走的距离，实现移动小车自身的定位功能。另外，小车的定位也可以通过在上下位机之间的电缆上标志刻度来实现。 由于排水管道中有障碍物、坡道、淤泥、污水以及缆线对其的阻力，故小车的牵引力足够大。该系统中驱动电机速度的控制是关键。小车采用轮式结构，两个前轮同轴，电机控制前轮的转向来控制小车的行走方向，采用无刷直流电机。后轮同轴，无电机驱动。根据课题组多年从事轮式管道机器人研究和试验的过程中总结出：在直管中试验中，移动机构为四轮小车，且后轮与车身固定连接，小车在运动过程中，大部分情况下只有三个轮子与管壁接触，小车在运动时不平稳，容易发生倾覆。故本研究中，前轮为驱动和方向轮，后轮与车身采用柔性连接，小车的四个轮子保持与管壁接触，保持小车运动的平稳，上位机接收到的视频图像抖动小。另外，管道中采用四个轮子稳定好，可以防止小车的倾覆。 图5为移动结构外形示意图。 图5 移动机构外形结构示意图 机器人控制板采用ARM系列芯片作为MCU，负责把控制指令发送到各电机驱动电路，从而驱动机器人的各个电机运行。同时，控制板实时采集各个传感器信息，并通过总线反馈至上位机中进行姿态运算。下位机的控制采用ARM9处理器，控制软件基于Linux平台设计。4.3 控制盒设计 上位机主要PC、图像采集卡、存储设备等组成，采集并显示视像信号并进行存储，另外，还可以遥操作指令下位机的动作。 上位机控制盒采用手持控制盒，其面板设计如图6所示。 图6 控制盒面板示意图 上位机作为主控系统来协调下位机的动作，采用PC104系统，主要配置如下：(1)主板：中央处理器：速度100M以上，内存64M以上，可读写固定盘200M以上；通讯接口： 1个RS485(标准模式)接口；外接器件：1个以上USB接口，4G以上硬盘，图像采集卡。(2)电源：工业级，高的抗干扰能力。(3)显示屏操作：全触摸屏式控制。(4)操作环境：Linux 触摸式屏上可以设置小车的行走速度，显示管道内的情况、小车姿态、小车的位置信息以及小车自动/手动控制设置等。控制盒上装有两个控制摇杆，用来手动控制小车的行走方向和小车上摄像头的姿态，可手动调节照明灯的亮度。 通过RS485总线电缆向下位机发送指令，通信波特率为9600bit/s。同时，通过电缆接收机器人控制板回传的各传感器信息，并计算出机器人当前姿态，在显示器上呈现。管道内的探测图像可以实时保存至控制盒内的硬盘中，方便以后使用。4.4 软件设计 在软件设计的算法上，驱动控制系统中我们引进的是改进型的PID控制算法。将驱动器整体作为下位机的一个485通信从机，故将程序设计成命令等待方式，由上位机控制器发送指令对其控制。以AMR开发板作为手持控制器，对其软件的开发是在嵌入式操作系统PC/OSH的基础上进行的。手持控制盒软排水管道检测机器人控制系统研究1ᇣ䔺䗳ᑺ䆒㕂ᨘڣ༈ᔧࠡ㾦ᑺؒ㾦Ӵᛳ఼㾦ᑺᇣ䔺ᔧࠡԡ㕂ᇣ䔺᥻ࠊᨛᴚᓔྟ/㒧ᴳֱᄬᔩڣᰒ⼎ㅵ䘧ݙᚙމ㾺ᩌሣᨘڣ༈䇗㡖✻ᯢ♃҂ᑺPoweron/off᠟ᶘ᠟ᶘᓔྟ⹀ӊ˄໘⧚఼ǃLCD˅߱ྟ࣪䕃ӊ˄⿟ᑣՓ⫼ব䞣˅߱ྟ࣪䗮ֵ⌟䆩ℷᐌ˛LCDࠋᮄᰒ⼎ӏࡵথ䗕ӏࡵᣛҸ᥹ᬊӏࡵᣛҸNYᇣ䔺䗳ᑺ䆒㕂ᨘڣ༈ᔧࠡ㾦ᑺؒ㾦Ӵᛳ఼㾦ᑺᇣ䔺ᔧࠡԡ㕂ᇣ䔺᥻ࠊᨛᴚᓔྟ/㒧ᴳֱᄬᔩڣᰒ⼎ㅵ䘧ݙᚙމ㾺ᩌሣᨘڣ༈䇗㡖✻ᯢ♃҂ᑺPoweron/off᠟ᶘ᠟ᶘᓔྟ⹀ӊ˄໘⧚఼ǃLCD˅߱ྟ࣪䕃ӊ˄⿟ᑣՓ⫼ব䞣˅߱ྟ࣪䗮ֵ⌟䆩ℷᐌ˛LCDࠋᮄᰒ⼎ӏࡵথ䗕ӏࡵᣛҸ᥹ᬊӏࡵᣛҸNY件设计流程图如图7所示，下位机软件设计流程如图8所示。 图7 控制盒软件流程图    图8 下位机控制软件流程图5 结论 本文提出的设计是在已有产品和对现有理论知识分析的基础上优化而来；根据本文的设计，能够开发出性能优良，可靠性高的产品。 我国的排水管道疏通还停滞在人工操作的落后状态，效率低，而且对工人的人身安全也存在很大的危害。所以迫切需要研制一种造价低廉、实用且效率较高的排水管道机器人以代替人工操作。国内这一领域的研究很少，还处于科研阶段，所以本课题的研究非常必要，而且具有很大的社会效益和经济效益，具有非常广阔的应用前景。参考文献[1] Olga Duran, Kaspar Althoefer, Lakmal D.Seneviratne. State of the Art in Sensor Technologies for Sewer Inspection[J] IEEE SENSORS JOURNAL, 2002.4(2):73-81.[2] Amir A. F. Nassiraei1, Yoshinori Kawamura. Conce