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供热管道机器人设计1简介在我国北方供热管道大量存在，16个地区的调查资料显示，运行时间在15年以上的供热管道占26%。由于建设时间较早，这部分管道大部分采用管沟和架空敷设方式，技术落后，再加上运行时间长，维护管理不善，问题尤其突出。管沟敷设供热管道长度占34.3%。管沟防水质量差，地下水和地表水渗漏使得管道泡水，热损失严重，也是较大问题之一。为了解决管道运行时出现裂缝而导致无法向居民提供供热问题，需要对管道进行检测，测评，得到管道的运行状态。供热管道都是金属制成，金属可能腐蚀，特别是在链接的部位，而这些裂缝是用视觉很难发现的。我们要得到金属内部状态，我们必须采用X射线探伤。由于X射线对人员身体伤害比较大，并且鉴于某些管道较小，人员在里面很难活动，我们针对这些问题设计出了我们用于管道裂缝检测的机器人。我们小组讨论最后得出了一套机器人设计的解决方案，并在郑旭学长帮助把机器人本体搭建好了，通过测试，基本能达到预期的效果。2系统设计方案站在设计者角度，管道检测机器人可以分为机械本体和控制系统两大部分，本文主要研究管道机器人的控制系统设计。本节首先对目标机器人的机械结构作简单介绍，然后详细讨论控制系统的三层结构模型，并根据模块功能的相关性，对目标控制系统进行模块划分。2.1目标机械系统简介本文针对一种轮式管道机器人进行控制系统设计，图2.1是它的机械结构原理图。从图中可以看出这种管道机器人主要由放射源定位器、横杆、摆杆、底座和车轮等部分组成，其中车轮和底座构成了管道机器人的移动载体，而放射源定位器、横杆和摆杆等部件构成了针对焊缝探伤作业的车载平台，机器人各组成部分的功能如下：（1）横杆。目标机器人使用横杆安装放射源专用设备、全景摄像头和超声波传感器等负载，在车体端正的情况下，安装在横杆上的各个设备沿管道径向的位置保持一致。横杆通过一种滑动机构连接在摆杆上，它可以带动放射源专用设备沿摆杆轴向进行移动，移动过程中放射源专用设备与放射源定位器的相对位置保持恒定。3管道检测机器人控制系统硬件设计硕士论文图2.1目标机器人的机械结构原理图（2）摆杆。从图2.2可以看出，摆杆通过旋转轴安装在目标机器人的底座上，它可以在垂直于管道中心轴的截平面内进行左右摆动，控制系统通过协调摆杆与横杆的运动来实现放射源中心定位功能。（3）放射源定位器。放射源定位器位于横杆的末端，起到标定放射源位置的作用。由于放射源操作有一定的危险性，在系统测试或者模拟作业时，一般不会接入放射源。另外，不同放射源专用设备的尺寸也不相同，直接对放射源设备进行定位难以满足通用性要求。因此，控制系统首先将放射源定位器当作放射源，将其移动到焊接面，并进行中心定位，然后再根据定位器与放射源的相对位置进行位置补偿，由于它们都安装在横杆上，沿管道径向的位置相同，因此只要根据它们沿管道轴向的位置差进行位置补偿，即可将放射源定位到焊接面的中心位置。由于现阶段还不会接入放射源专用设备，下文提到的放射源中心定位即为对定位器的操作。（4）底座和车轮。由车轮和底座构成的机器人移动载体负责拖动车载平台进入管道进行焊缝探伤作业。机器人的底座可以用于安装各种负载，包括多块电路板、步进电机、直流电机和车载电源等。目标机器人的底座两侧装有四个车轮，在图2.2中，右侧的两个车轮为主动轮，而左侧的两个车轮为从动轮。2.2控制系统的三层结构模型为了满足扩展性要求，本文采用模块化设计方法，将控制系统分成多个独立的功能模块，根据模块功能的特点，又将这些功能模块归并到三个独立的工作层中，这三个工作层从高到低依次为人机接口层、通讯层和功能层，每个工作层都独立为一个子系统，不同工作层之间只能通过网络互连来实现信息交换。这三个工作层分别有如下特点：（1）人机接口层人机接口层（HumanMachineInterface，HMI）是控制系统的最顶层，位于管道外部。HMI层是控制系统提供给操作者的交互接口，通过该接口，操作者可以对管道机器人进行运动控制和参数设置，同时获取机器人的各种反馈信息。（2）通讯层通讯层是控制系统的中间层，位于管道机器人的移动载体中。通讯层提供了丰富的通讯接口，具有大数据量处理能力，其作用包括两个方面，一是作为接口层与功能层的信息桥梁，实现指令路由功能；二是为控制系统提供大数据量外围模块的接口（比如视频语音模块），提高了控制系统的扩展性。（3）功能层功能层是控制系统的最底层，位于管道机器人的移动载体中。功能层是控制系统的核心，实现了管道机器人的全部运动控制任务，包括对各类电机的直接控制、多种传感器信号的采集与处理、放射源中心定位策略与自平衡策略的实现等。目标控制系统的三层结构模型如图2.3所示，从图中可以看出，人机接口层与通讯层通过无线AP相连，无线通讯具有灵活方便的优点，但考虑到某些工程环境（比如金属弯管道）对无线信号的屏蔽作用比较明显，本文在设计时，为目标控制系统预留了有线以太网通讯接口。通讯层与功能层借助RS485总线实现通讯，对于特定的管道机器人，通讯层主控设备只有一个，而功能层主控板可以通过RS485总线进行扩展。通讯层与功能层都位于机器人的移动载体中，区分通讯层与功能层的主要目的是实现性能与成本的平衡。尽管本文没有针对机器人视觉模块作研究，但是控制系统要求具备视觉模块接口，以满足扩展性要求。视频业务涉及大数据量的处理，对主控设备的性能要求也较高，而绝大多数外围模块是低速设备，如果将所有外围模块统一接入高速主控设备，那么系统需要扩展多个高速主控设备才能满足接口数量的要求，这不仅增加了成本，同时也造成硬件资源浪费。因此，本文只在通讯层使用一个高速主控设备，以满足大数据量业务需求，而将各种低速设备统一接入功能层，通过扩展低成本的功能层主控板来满足接口数量的需求。3管道检测机器人控制系统硬件设计硬件是软件算法运行的平台，其设计质量直接影响了控制系统的稳定性和可靠性。本章围绕管道机器人控制系统展开硬件设计，首先对目标控制系统的硬件组成进行分析，然后重点讨论功能层主控板的PCB设计过程，最后对控制系统主要外围模块的工作原理和编程接口进行研究设计。3管道检测机器人控制系统硬件设计硕士论文3.1管道检测机器人控制系统的硬件组成目标控制系统的设计工作围绕它的三层结构模型展开，在人机接口层，其硬件平台即为一台配备无线网卡的PC机；而在通讯层，硬件平台包括OK6410控制板和各个通讯模块；在功能层，其硬件模块包括主控板、电机模块和各种传感器模块等，其中功能层主控板PCB设计是硬件设计的主要任务。3.1.1通讯层硬件组成根据控制系统的三层结构模型，通讯层位于人机接口层与功能层之间，负责指令流的处理与分配，对上需要支持高速稳定的以太网数据传输，对下需要支持稳定可靠的串口通讯。通讯层根据其工作需求，必须包括如下几个模块：（1）无线网卡。在目标控制系统中，HMI层与通讯层使用无线网络进行交互，为了满足传输距离与通讯速率的要求，本文选择了WIFI技术来组建无线局域网。（2）有线网卡。针对某些工程环境对无线信号屏蔽严重的情况，控制系统预留了有线以太网网卡接口。（3）串口通讯模块。目标控制系统使用RS485总线实现通讯层与功能层之间的指令交互，同时，借助RS485总线可以实现通讯层控制板与多块功能层主控板进行通讯，以满足控制系统扩展性的需求，通讯层控制板是该RS485网络的主设备，必须要支持稳定可靠的串口通讯。（4）控制板。控制板是通讯层的核心，其作用是将各个独立的通讯模块组合成一个有机整体，并负责各种数据的运算处理。通讯层作为数据交换的枢纽，为了保证数据处理的实时性和可靠性，通讯层主控板必须要具备较高的性能。本文选择了飞凌公司的OK6410开发板作为通讯层主控板，该控制板以SamsungS3C6410处理器为核心，包含丰富的外围模块和接口。S3C6410是三星公司推出的一款基于ARM11架构RISC微处理器，该芯片采用64/32位内部总线架构，包含大量高能性的硬件加速器和片内外设，工作频率高达667MHz，不仅具有较高的数字运算能力，在图形处理方面也具有十分出色的表现。OK6410控制板及其主要外围模块如图3.1所示。（a）OK6410控制板（b）WIFI模块（c）TTL-RS232模块（d）RS232-RS485模块图3.1OK6410主控板及其外围模块根据以上分析，本文针对通讯层设计了如图3.2所示的硬件组成结构。由于OK6410控制板装载WinCE操作系统，为了便于程序调试与人机交互，需要在通讯层接入LCD触摸屏模块。另外，从图3.2可以看出，OK6410主控板串口模块后面接有TTL-RS232转换模块和RS232-RS485转换模块，这是因为RS485总线采用的是EIA（ElectronicIndustriesAssociation）制定的EIA-485电气标准，而OK6410板载串口模块使用的是TTL逻辑电平。工程上很少直接使用TTL电平进行串口通讯，为此飞凌公司针对OK6410开发板设计了一款如图3.1（c）所示的TTL-RS232转接板，该转接板使用两片MAXIM公司的MAX202E芯片，实现将3路TTL电平转为RS232标准电平。RS232电平再经过RS232-RS485转换模块，即可得到最终的RS485标准电平。3管道检测机器人控制系统硬件设计硕士论文TTL转RS232WIFI模块对端以太网口RS232转RS485WIFI模块接口串口以太网有线网口LCD、触摸屏接口LCD触摸屏电源接口5V电源OK6410主控板图3.2通讯层硬件组成框图3.1.2功能层硬件组成根据控制系统三层结构模型，我们知道功能层实现了目标机器人运动控制的全部功能，针对机器人的运动特点，功能层需要包括如下几个模块：（1）两路步进电机。作为机器人本体的驱动装置，每一路步进电机驱动一个主动轮旋转，通过调节电机速度，实现机器人本体的运动控制。步进电机使用专用的电机驱动器进行驱动，可以通过改变脉冲频率调节其转速。（2）两路直流电机。为摆杆摆动和横杆滑动提供动力。直流电机通过直流电机驱动板驱动，可以通过PWM方式调节电机转速。（3）倾角传感器。通过A/D转换模块接入功能层主控板，测量机器人本体横向倾斜角、纵向爬坡角和摆杆倾角。（4）超声波传感器。通过捕获模块接入功能层主控板，是完成管道半径测量、放射源定位控制的关键设备。（5）电源模块。为步进电机、直流电机等大功率模块和各类控制板等小功率模块提供电压，大功率模块和小功率模块之间需要隔离，以保护主控板。（6）主控板。以上各个独立模块在主控板的控制下协同工作，为了适应不同的外围模块，主控板必须具备丰富的接口。功能层主控板需要与管道检测机器人的外围模块相匹配，市场上的通用电路板在接口种类和数量上很难满足这种特定的应用需求，这就要求功能层主控板必须独立设计，以在最大程度上适应目标机器人的工作特点。功能层主控板直接控制各个运动模块，其设计质量是管道检测机器人控制系统性能的决定性因素。根据以上需求，本文设计了如图3.3的所示的功能层硬件结构。电源转接板功能层主控板串口RS485通讯串口RS232通讯滤波电路隔离式24V转5V芯片5V稳压输出接口24V电压输入接口24V电源捕获模块脉冲产生电路逻辑输入输出步进电机接口直流电机接口ADC模块通讯层超声波传感器JTAG定时器步进电机驱动器直流电机驱动器模拟输入接口模拟输入接口电源接口步进电机直流电机图3.3功能层硬件组成框图3.2功能层主控芯片选型3.2.1主控芯片选型要求功能层是管道机器人控制系统的核心，其主控芯片选型对控制系统的扩展性、稳定性和实用性等方面都有十分重要的影响。另外，不同芯片由于开发工具，支持情况不同，开发成本也有很大差别。主控芯片选型需要考虑如下几个因素：（1）接口丰富主控芯片通过各种接口实现对外围模块的控制，比如电机控制、传感器数据采集控制等。不同的工程应用需要不同的外围模块，接口数量足，种类全，控制系统就能接入更多的外围模块，满足更多的工程需求。功能层需要的接口主要包括如下几种：1）通讯接口根据控制系统的三层结构模型，功能层与通讯层使用RS4