一种管道机器人结构与控制系统的设计(共32页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上摘要在现代社会中，人们总要遇到各种各样的管道设施，而许多管道系统不是架设在空中就是深埋于地下，这样一来，通过人力对管道的内部进行检测就很不方便。本文研制的移动式管道机器人本身携带CCD摄像头，可以对一定口径的管道内壁进行检测，具有较高的实用价值。本文首先对国内外管道机器人技术的发展做了综述，给出了移动式管道机器人本体结构设计方案，详细介绍了机器人的驱动机构、云台系统等环节的结构。所讨论的机器人采用上下位机的控制模式，使用了目前在国内较为先进的光纤信来传送控制信号和来自CCD摄像机的图像信号。下位机以LPC2114为核心处理器，进行了移动式管道机器人行走电机的驱动控制设

2、计、云台电机的驱动控制设计、RS232串口通信电路以及控制系统外围电路的讨论。关键词：本体结构，控制系统，管道机器人。AbstractIn modern society, people always encounter a variety of pipeline facilities, and many are not set up in the air piping system is buried underground, so that, through human testing within the pipeline is very inconvenient. This pipe m

3、obile robot developed to carry CCD camera itself, you can certainly detect pipe wall diameter, has a high practical value. Firstly, the domestic and international pipeline robot technology summarized in this paper, given the structure of portable pipeline design of the robot body, detailing, the rob

4、ot drive mechanism, heads and other aspects of the system structure. Robot discussed by upper and lower computer control mode, using more advanced in the domestic fiber channel to transmit control signals and image signals from the CCD camera. The next crew to LPC2114 core processor for the mobile p

5、ipeline robot drive motor for control design, the design head of the motor drive control, RS232 serial communication circuit and control system peripheral circuit discussion.Key word：Body structure,Control system, In-pipe robot.目 录一、绪论 1二、管道机器人技术综述 3（一）车轮式管道机器人 3（二）履带式管道机器人 5（三）其他类型的管道机人 5三、移动式管道机器人

6、的本体结构设计 7（一）移动式管道机器人的结构参数和特点 7（二）移动式管道机器人的总体结构组成 7（三）机器人本体结构设计 81、驱动机构 82、机器人本体密封及防腐 9（四）机器人云台系统 9四、移动式管道机器人控制系统硬件设计 11（一）管道机器人的常规控制形式11（二）控制系统硬件总体设计12（三）电机驱动器设计131、LPC2114简介132、电机驱动器设计133、步进电机驱动器设计15（四）外围电路设计161、电源电路 162、复位电路173、统时钟电路174、S232电平转换电路17（五）供电及通信系统18五、移动式管道机器人控制系统软件设计19（一）直流电机控制的软件设计191

7、.转速计算及显示192.电子换向的软件实现21（二）四串口通信程序设计22（三）上位机控制软件设计25结语 26参考文献27致谢 28专心-专注-专业一、 绪论 在现代，无论是水力、火力发电站，还是煤气、自来水、工业用水和供热系统等公共设施，以及石油、化工等工业生产系统，都有纵横交错的管道。这些管道系统在输送各种液体和气体物质时，由于受振动、热循环、腐蚀、超负荷等作用，加上管道本身可能隐藏的内在缺陷(如裂纹、砂眼、接头处连接不良等)。寿命总是有限的。因此，许多管道系统难免在运行之中突然发生损坏而造成液体、气体物质的泄渗事故，不得不停工停产进行检修。这种事故有时造成的经济损失是巨大的。能不能在事

8、故发生前就检查出潜在的有问题的管道而提前预防，是现代民用与工业企业中迫切需要解决的课题。由于管道系统或者埋在地下，或者架设在高空，或者管道内径很小，用人携带仪器检查十分困难，有时甚至根本无法做到。此外，有些危险和环境条件恶劣的工作场地。由人去检查会对人的健康带来严重损害。因此，有必要开发一种能够深入管道的可移动管道检测仪器代替人去完成上述工作。在这种情况下，管道机器人作为一种先进的管道检测手段纳入了国内外机器入研究开发人员的眼中。管道机器人属于特种机器人的研究范畴，它在管道这个特定的极限环境中作业，通常携带各种探测仪器和作业装置，在操作人员的遥控或者计算机的自动控制下完成管道的检测或者维修工作

9、。从上个世纪五十年代起，为了满足管道运输、自动清理以及检测的需要，美、英、法、日等国相继展开了管道机器人的研究。最初的研究成果就是一种无主动力的管内检测设备-PIG，该设备是依靠其首尾两端管内流体形成的压差为驱动力，使之随着管内流体的流动向前运动。随着机械、电子以及自动控制理论的快速发展，管道机器人的研究也在不断进步，人们从管道机器人的驱动结构、工作方式、控制系统等方面入手研究出许多样式的机器入。总的说来国外一些国家的管道机器人技术的发展已经比较成熟，基本上进入了使用化阶段。 我国对管道机器人的研究开始于上个世纪八十年代未期，哈尔滨工业大学、上海交通大学、广州工业大学以及上海大学等高校和科研院

10、所都做了这方面的工作，在理论上和实用上取得了很大进步。虽然如此，我们的管道机器人技术还远远地落后于发达国家，存在机器人负载能力差，工作时间短，检测精度不够高，检测距离短，不利于商品化等缺陷。就排水管道而言，目前国内还没有比较先进的检测方式，大多数采用开挖的方法进行检测。在管道机器人的发展过程中，控制系统的设计是一个十分重要的问题。传统控制策略应用于机器人的运动控制是最普遍的，如PID控制。只要被控对象的数学模型是比较精确的、变化不大的、近似于线性的，传统的PID控制可以满足这种情况下管道内作业机器人的控制要求。目前，在计算机技术的发展和实际应用需求的激励下，各种新型的、先进的、智能的控制策略也

11、应运而生，并迅速在实际系统中得到应用、改进和发展，如自适应控制、鲁棒控制、预测控制、模糊控制、专家控制、神经网络控制等。在这些控制策略中，有的已经在机器人控制领域得到了实际应用，而有的仍处于不断丰富的研究过程中。针对于我国管道机器人的研究状况和背景，在查阅了大量国内外文献的基础上，结合大庆市科技局的一个科技攻关项目，本文提出了一个合理的移动式管道机器人的实现方案，在机器人的本体机构、检测方式、通信和控制系统等方面都采用了当前国内先进的技术。主要讨论了对移动式管道机器人控制系统的设计和研究，从软硬件角度介绍了移动式管道机器人的设计过程，完成了系统硬件的设计和调试，软件的编制和调试。在机器人的研制

12、过程中采用了改进的积分分离PID控制策略，通过样机的试验结果表明设计的合理性和有效性。同时，对自适应模糊控制方法进行了研究，设计了无刷直流电机的自适应模糊控制器，通过仿真结果验证算法的可行性。移动式管道机器入作为一种新型的管道检测设备，正在被越来越多的人关注和研究，它的应用前景将十分广阔。二、管道机器人技术综述 机器人技术属于自动化领域高科技范畴之一，研制机器人的主要目的之一就是要代替人在危险的或者人无法到达的环境下作业。现代机器人技术起源于遥控主从型机械手，它是在第二次世界大战期间为了对付放射性材料而发展起来的，为此，四十年代后期美国橡树岭和阿尔贡国家实验室开始研制遥控式机械手，用于搬运放射

13、性材料。上个世纪五十年代，随着电子计算机的迅速发展，使得机器人的发展步伐加快，这也使人们研究能自主、重复操作的更加复杂的机器人系统成为可能。随后，美国的Unimation公司于1962年制造了实用的机器人，并取名为Unimate。紧接着，欧洲的第一台程序控制一号操作工业机器人于1963年由瑞典一家公司推出，这标志着机器人在工业生产中应用的时代已经到来。进入八十年代，现代工业生产技术从大批量生产自动化时代进入多品种自动化时代，于是，工业机器人在这个时代中起着越来越重要的作用。在上述非结构环境中作业的机器人统称为特种机器人。现代传统的机器人与特种机器人属于两个不同的应用范畴，由于在上述环境中作业的

14、特种机器入的研究开发的必要性显得越来越重要，许多国家把特种机器人的研究列入国家和各国的合作计划，并给予强有力的经济和技术支持，因此特种机器人的研究和开发具有重要的战略意义。 现代工农业及日常生活中使用着大量管道，石油、天然气、化工等领域也应用了大量管道，这些管道大多埋在地下或海底，输送距离近千里，它们的泄漏会造成严重的环境污染甚至于引起火灾，多数管道安装环境人们不能直接到达或人们无法直接介入，因此，质量检测、故障诊断的课题十分迫切地摆在我们面前。管道检测技术始于上个世纪50年代1 ，由于当时天然气等大口径管道的发展激励人们去研究一种管内检测设备，这就是我们通常历说的一种无动力的管内清理检测设备

15、-PiG2，该设备简单、实用，在一定程度上解决了天然气管道的检测问题。到了70年代末，随着检测技术的发展，PIG技术已经成熟。现在英、日、美、德、法等国大公司的PIG产品已经实用化、商品化。PIG的特点是实用性好、行走距离远，可达300公里左右，而且不拖线作业，但是PIG类检测设备无自动行走能力，移动速度及检测区均不易控制，严格说来它不能算做是机器人。管道机器人的迅速发展时期还是始于上个世纪80年代，它属于特种机器人的研究范畴3-5，能够在管道这个特定的极限环境中作业，通常携带各种探测仪器和作业装置，在操作人员的遥控或者计算机的自动控制下完成管道的检测和维修工作，检测作业项目包括防腐状况、对接

16、管道焊缝质量、管道内腐蚀程度、防腐层厚度、管壁缺陷等；维修项目包括清扫、补口、焊接等。实践已经证明随着管道机器人技术的发展，其应用将会越来越广泛。目前日本、美国、英国、德国、法国等发达国家在管道机器人技术方面做了大量工作6-8，尤其是日本，在管道机器人的研究及开发中取得了领先的地位。（一）车轮式管道机器人 由于轮式行走具有结构简单、行走连续平稳、速度快、可靠性高、行走效率高等优点，在实际生产中应用比较广泛。轮式移动机器人的驱动轮要靠车体自重、弹簧力，液压或气动力，磁性力压紧在管道内壁上以支撑机器人本体并产生一定的正压力，这样移动机器人就具备了行走的基本条件，我们将使机器人行走轮压紧在管壁上的力

17、叫做封闭力，驱动其中一个或几个轮子转动，由驱动轮与管壁之间的附着力产生机器人向前行走的驱动力，以实现机器入的移动，这是轮式管内移动机器入行走的基本原理。轮式机器人的行走方式有两种，如果驱动轮轴线不与管道轴线垂直，驱动轮实际上沿着管道中某一螺旋线行走，机器人一边向前移动，一边绕管道轴线转动，螺旋运动沿轴线上的速度分量即是机器人本体的移动速度，这就是轮式螺旋运动式管内移动式机器人的行走过程。其特点是用降低速度来提高驱动力。除此以外，轮式管道机器人还可以开发出在弯道内行走的功能。就管内行走机构而言，我们希望牵引力大、定心性好，行走速度快、可靠性高，还希望它具有弯管通过功能，轮式管内移动机器人大部分应

18、用于大口径管道，这是因为：一方面，大口径管道通常是输送水、天然气、煤气或柔性物质的主干线，它们的破坏会给国民经济造成巨大的损失，而且这些管道成本高，铺设困难，所以，应尽量维护好它们；另一方面，从管道机器人研制的角度考虑，大口径管道管内移动空间大，管道轴心线的曲率半径大，有更大的空间来布置驱动装置和作业装置，从而机器人自身的几何尺寸可以相对放宽，机器人的设计及制造都比较容易。这种机器人能在直管或者大曲率半径的管道内行走，以满足管道实际工程中的需要。现仅举几个例子进行说明。 如图21所示为日本东京理科大学福田敏男等研制的可以通过90度弯管的管内移动机器人的样机，机人由可相对回转的头部和本体组成，当

19、机器人沿直管行走时，本体上的电机MI通过减速装置将动力传给本体上的驱动轮，当机器人沿弯管行走时，电机M2驱动头部做姿态调整，并驱动头部履带引导机器人通过弯管。该机器人可作管内裂纹探测，其具体技术指标为：适应管径：m 50mm；行走速度：O048mmira转弯性能：可通过90度直弯管；机器入重量：2409；机器人长度：76mm。该机器人成功地通过了“L”型弯图2-1 通过90度弯管的管内移动机器人 如图22所示大阪燃气株式会社研制的内置磁铁轮式煤气管道机器人2。该机器人可沿直管和弯管行走，采用光缆通讯，但由于携带的蓄电池电能的限制，还不能实现较远的行走，其具体技术指标为：适应管径：135660r

20、am：行走速度：5m/min。 图2-2 轮式煤气管道机器人 从以上例子可以看出，人们在研制多种形式的轮式管内移动机器人方面作出了很大努力，并取得了一定的成绩。但仍存在不少的缺点，如管内行程不够大，力的提高受封闭力的限制，研究还有待近一半的完善和成熟，研制可适用于小管径、大管径和不同管径的深行程管内移动机器人有着广阔的发展前景9.10（二）履带式管道机器人 车轮式机器人的封闭力，即整压力一摩擦力驱动力之间的矛盾使其越障性能在一定程度上受到了影响，而且在管壁摩擦力小时会使其驱动力降低，因此，为了提高机器人的牵引力，提高其在管内的越障能力，为了实现在油污、泥泞等恶劣条件下的管道内移动，国外学者又在

21、行走方式上研制了履带式管道机器人。 日本日挥公司1986年研制的履带式管道机器人，该机器人的驱动机构由两条夹角可以随管径变化的履带构成，用于水平管道内行走，其具体技术指标为：适应管径：400600mm：行走速度：5mmin；转弯性能：可通过900水平圆弯管。 履带式管道机器人附着性能好，在管内存在油污、泥泞以及一定的障碍物的情况下，也能较为良好地行走，但是这种移动形式的机器人结构上要比车轮式机器人复杂，不易于控制和实现智能化。 （三）其他类型的管道机器人 有了车轮式和履带式管道机器人之后，人们在管内行走方式上继续探索新颖的机构形式，通过对蚯蚓、毛虫等穴居动物的观察，发现它们是靠身体的伸缩运动的

22、，首先是用尾部支撑地面，身体伸长带动头部向前运动；然后再由头部支撑地面，身体收缩，带动尾部向前运动，如此循环下去，实现了在洞穴内行走。专家们利用与之相似的原理制造出了蠕动式管道机器人。蠕动式管道机器人的蠕动需要支撑、缩回，这些运动都是直线的，不如转动容易实现，而且运动是间歇的，受驱动部件起伏频率的限制，蠕动式管道机器人的移动速度一般比轮式、履带式机器入慢。蠕动式的行走要有前后支撑部分的辅助运动，这些运动对于行走来说都是“无效”的运动，因此蠕动式管道机器人行走效率低，而且更换支撑部位时会产生机身不稳定现象，机器人行走也不连续，因而难以满足工程中“迅速完成作业”的需要。因此，实际中应用较少。但弹性

23、毛蠕动式管道机器人有两个优点：(1)密封性好；(2)机器人的横截面积小。这两个优点有利于管道机器人的在线检测作业。 还有一种步行式管道机器人，它通过左右两侧脚锁死和前后腿的机构变化实现机器人在管道内壁的行进。该种管道机器人机构较复杂，而且控制起来非常繁琐，目前实用性不强。 在综合分析了各种类型的管道机器人技术之后，我们可以看到：一方面，随着核工业、化工工业的发展迫使人们研究管道机器人来对这些恶劣环境下的管道、罐状容器进行检测维修，在一定程度上刺激了管道机器人的发展；另一方面，计算机、传感技术、检测技术、现代控制理论技术的发展，为管道机器人的研究应用提供了技术保证，使应用管道机器人进行检测、维修

24、的手段成为现实，因此对管道机器人的研究和研制是必要和可行的。三、 移动式管道机器人的本体结构设计 管道机器人要在管道这样的极限环境内完成检测、维修等作业任务，其移动载体的性能是关键。为满足对管道的检测、维修等作业任务的要求，所研究的移动式管道机器人要具有良好的自定心性、较高的越障能力、良好的通过性、大的驱动力输出特性和较高的驱动效率等特性，这样才能保证移动式管道机器人在管道这样的极限环境下圆满的完成预期的作业任务。本章讨论的轮式全时驱动拖缆机器人的总体结构与系统组成。（一）移动式管道机器人的结构参数和特点 外形尺寸：220（宽）mm x 190(高)mm x 700(长)mm(不含云台)行走速

25、度 ：O12 mmin无级可调适应管道 ：250500mm行走距离 ：200m（二）移动式管道机器人的总体结构组成 移动式管道机器人的总体结构主要由机器人移动本体、自由度云台及云台起升架等组成。机器人移动本体用来实现机器人在管道内部稳定行走，将检测装置送入待检测的管道内部。要求管道机器人有较强的越障能力，能在泥泞、杂物堆积、一定曲率与坡度的管道内部顺利通过，此外，还要求机器人本体应具有很强的负载、牵引能力，保证机器人在管内行走距离大于200m；二自由度云台主要是为视像检测提供一个平台，云台上可以安装有一台微型摄像机，通过云台的俯仰和摆动扫描，全方位地检查管内情况，实时记录行走路线及其方位，以便

26、为管内故障的准确定位提供可靠依据。机器人的总体结构如图3.1所示。系统各部件约束定义系统运动、学动力学仿真分析痕迹规划、生产过程系统优化、选择系统最佳方案管道机器人虚拟初步设计三维CAD模型管道机器人虚拟机构优化CAD模型输出最终结果，形成管道机器人虚拟产品图3-1 管道机器人总体结构（三）机器人本体结构设计 在综合考虑了管道机器人的管内工作环境，紧密结合被检测、维修管道的实际情况下，充分分析和借鉴已有管道机器人以及其它行业特种机器人的成熟技术，决定采用六轮全时驱动(6WD)的机器人本体移动方式，该移动方式具有结构简单、行走连续平稳、速度快、行走效率高、易于控制、容易小型化等诸多优点。并且由于

27、采用了全时驱动技术，任何一个轮子在任意时刻都为驱动轮，避免了从动轮阻力大的缺点14，提高了机器人的越障能力，可以将电机的功率最大效率地发挥出来。1.驱动机构 本文所讨论的移动式管道机器人的驱动机构主要分成两个方面，一是对机器人本体行走的驱动，二是对云台系统的驱动。对于移动式机器人行走，常用的驱动方式有液压驱动、气动驱动、电动驱动和机械式驱动四种。这里我们选择使用电动驱动方式，也就是将电机的旋转运动通过机械结构转化为机器人本体的直线运动。常用的驱动电机主要有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。考虑到机器人作业环境的特殊性、操作的方便性以及尺寸要求的严格性等方面，机器人的电机驱动系统要具有高转矩

28、重量比、宽调速范围、高可靠性，同时电机的转矩一转速特性受电源功率的影响，要求驱动具有尽可能宽的高效率区。基于这些原则，我们采用一个大功率无刷直流电机图3-2作为机器人行走电机。 P 0.0 P 0.1 P 1.0 P 1.7信号隔离信号隔离 两路 电机L298NL298N7V直流电机7V直流电机7V-3V3V直流机图3-2 驱动系统原理方框图本文选用了瑞士MAXON公司的无刷直流电机EC40作为机器人的行走电机，并配以GP42的减速器，在电机以佳转速运行时候，可以实现大约10mmin的机器人行进速度，完全满足了我们设计的要求我们选用的MAXON电机的外形尺寸，下面是它的技术参数。（1）标称功率

29、： 120 W（2）额定电压：48 V（3）堵转转矩：726 mNm（4）空载电流：98 mA（5）空载转速： 5900 rpm（6）最大连续电流(5000rpm)16A（7）最大连续转矩(5000rpm) 1084 mNm（8）最大效率：81（9）重量：390g2.机器人本体密封及防腐从移动式管道机器人的工作环境及工作要求来看，该机器人应满足可以在水下工作的要求，也属于水下机器人的范畴。机器人内部装有大量的电子元件及导线，保持内部电子元件良好的工作环境是机器入正常工作的前提，为此要作好机器入本体的密封工作，以防止外部的水、灰尘等杂质进入到本体内部影响机器人的正常工作。机器人箱体采用的是组合结

30、构，即通过分散加工各箱体盖图，然后通过螺栓紧固连接成为一个整箱体图3.3，各箱盖之间采用连接O形圈进行密封，可以满足密封要求。轴伸出端采用轴用齿形组合密封，对旋转轴的密封效果良好。齿形组合密封是一种组合旋转密封，采用O形圈和聚四氟乙烯环组合，依靠O形圈的弹性变形力，将聚四氟乙烯环压紧在旋转轴的圆周，起到很好的密封作用。同时因为聚四氟乙烯材料本身的自润滑性和耐磨性，减小了接触面的摩擦力，提高了密封件的使用寿命，同时也减小了轴转动的阻力，提高了工作效率。 旋转轴 齿形组合密封 图3-3 轴端密封 由于移动式管道机器人所在的管道内的工作环境比较特殊，可能含有水、泥沙、油污以及腐蚀性气体、液体等对机器

31、人有腐蚀破坏性影响的物质存在，因此要求机器人具有耐腐蚀、耐碰撞等特性，除了在形状结构上予以考虑解决以外，还要从本体材料的选择上着手，在综合考虑上述问题的情况下，选择超硬铝合金(7A04)作为本体的材料，它可以满足这种工作要求。（四）机器人云台系统 本文讨论的移动式管道机器人前端安装了视像检测装置-CCD摄像机，作为机器人的检测工具，当机器人在管道内行走时，利用CCD摄像机观察管道的内壁情况，再通过控制系统把图像信号传回地面。为了详细清晰的反映管内的形貌，发挥出摄像机作检测工具应有的功能，我们设计了一套具有2个自由度的云台系统。该云台系统具有能够适应管道内径大小的CCD摄像机中心位置调整功能，图

32、3.4PWM中断模块具有能够实现CCD视角调整的旋转和摆动功能，云台中心位雹调整系统总体结构。 我们采用了两个步进电机做为云台系统的驱动源，一个电机控制云台的俯仰，另一个电机控制云台的摆动，再配合以CCD摄像机的自动调焦，能够将摄像机所在范围内的管内形貌及时准确的反映出来。进入中断初始化结束否步进启动结束否置步进启动状态标志读入换相周期计数器值达到换相周期值否自由换相子程序中断结束步进启动子程序图3-4 PWM中断模块 本章介绍了移动式管道机器人的总体结构和机器人的结构参数，介绍了机器人的驱动行走方式、云台的基本功能、本体的密封以及防腐等功能的实现，给出了所选电机的理论依据和基本参数，并对机器

33、人轴端旋转密封做了详细介绍。四、移动式管道机器人控制系统硬件设计 由于管道机器人的工作环境具有特殊性，它要在操作人员看不到的管道内行走作业。为了提高工作效率和工作质量，要依据管道的实际情况的不同，不断地进行加速和减速运动，并对承载CCD摄像头的云台的位置进行调整。 从实用、稳定、可靠性的角度来看，控制系统相当于管道机器人的心脏，管道机器人的一切行为都在它的统一指挥下完成。本机器人要求控制系统必须做到以下几点： 1要求实现机器人的行走速度在012mmin之间无级可调；2要求可以控制机器人正反两个方向行走；3要求可以对云台在两个自由度内进行位置调整；4. 要求对机器人采用遥控作业，遥控距离在200

34、m以上；5要求主控界面便于操作、使用。（一）管道机器人的常规控制形式 通常情况下，管道机器人控制系统都采用上下位机控制形式，要解决的关键问题有两个：一个是管内外远程通信的可靠性，另一个是下位机控制器的稳定性。由于管道机器人在管线内部作业，环境恶劣不允许出现管内失控的重大事故，因此除了对机器人的能源动力系统等强电部分提出严格的要求之外,还对机器人的控制单元提出了极高的运行可靠性要求，以保证控制单元不受环境影像，在有效的控制策略下起到稳定的控制作用。目前，管道机器人的常规控制形式有以下几种：1.PLCPLC控制系统该系统中，上位机和下位机都采用PLC，构成由PLC为控制核心,的主从二级制系统。管外

35、控制部分作为主控制系统，管内控制部分作为从控制系统，两个控制器间通过专用的PLC扩展通信单元进行通信联络。PLC系统本身可靠性很高，可维护性好，开发周期短，操作简单，对于一些逻辑运算功能显著，不过它也有一些缺点，比如运算速度慢、价格贵等。2.Pc一单片机控制系统该系统中，上位机采用PC机，下位机采用单片机。目前研究的管道机器人大多数采用这种控制形式，例如由文献15中，王卓军、张晓华等人研制的基于视觉的管内作业机器人的控制系统就是用的这种形式。作为上位机的PC机主要完成参数设置、视觉处理、控制命令的输出及控制状态的显示等工作，而单片机负责接收控制命令、应用速度和位置闭环控制算法及控制号输出、现场

36、数据的采集等工作。PC一单片机控制系统运算速度快，控制精度高，利于小型化和智能话，但是单片机系统的开发周期长，可靠性要不断改进。3.PC一单片机+DSP控制系统在有些系统中，把一些计算量比较大的工作(例如图像处理)交给下位机来完成，这时候需要下位机有一定的计算和存储能力，往往可以由单片机+DSP构成双机控制系统，其中单片机负责控制部分，DSP负责对数据的运算和处理。这种控制系统可以完成更为复杂的工作，不过在设计周期上有了一定的限制。（二）控制系统硬件总体设计 本控制系统也是采用上下位机的控制形式，上位机负责图像处理和发送控制指令，下位机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

37、的控制，对云台电机的控制。反馈机器人的速度信息，由于对图像的处理部分在上位机进行，运算量主要集中在上位机，所以使用的是PC-单片机控制系统。上位机外围电器LPC2114直流电机驱动直流电机HALL编码器步进电机驱动步进电机驱动步进电机1步进电机2 图 4-1 控制系统的总体结构 控制系统的整体结构如图4-1所示，PC机和单片机之间通过光纤进行通信，CCD摄像头拍摄的图像信号直接通过光纤传送给PC机，PC机一方面要采集CCD的图像信号，并保存，一方面利用一个控制台程序向下位机发送控制指令来实时地调节机器人的行走速度和云台的姿态，同时接收下位机反馈回来的速度信号，显示实时速度以及行走距离。下位机采

38、用的是Philips公司的ARM7单片机LPC2114。下位机接收上位机的控制令并译码，相应地控制各个电机，并通过对编码器反馈回来的行走电机转速信号进行处理并发送给上位机。为了方便试验，在初期设计中我们使用一组八位的LED数码管来显示反馈回来的电机转速。（三）电机驱动器设计 由于管道机器人的行走电机选用的是无刷直流电机，而控制云台位姿的电机选用的是步进电机，所以电机驱动器的设计分解为两个方面，即直流电机驱动器设计和步进电机驱动器设计。1.LPC2114简介【16】 LPC21 14是基于一个支持实时仿真和跟踪的1632位ARM7TDMIS CPU，并带有128kB嵌入的高速Flash存储器。1

39、28位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30，而性能的损失却很小。由于LPC21 142124非常小的64脚封装、极低的功耗、多个32位定时器、4路lO位ADC、6路PWM输出、46个GPIO以及多达9个外部中断使它们特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和电子收款机、机器人控制等领域。由于内置了宽范围的串行通信接口，它们也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软件调制解调器以及其它各种类型的应用。2.直流电机驱动器设计行走电机采用maxon公司的稀土永磁无刷直流电动机，额定功率为120W

40、，配带霍尔传感器和500线的数字编码器。稀土永磁无刷直流电动机作为一种新型电动机，具有结构简单、运行效率高、调速性能好、可靠性高等优点，同时由于不受机械换向的限制，易于做到大容量、高转速。近年来，随着大功率开关器件、集成电路及高性能的磁性材料的快速发展，无刷直流电动机(BLDCM)在航空航天、机器人、数控机床、医疗及实验室设备、家电等领域得到了广泛的应用17。 基于LPC2114的无刷直流电动机控制系统主要由控制电路、驱动电路、检测电路和显示电路组成，其系统组成如图42所示。位于地面的上位机通过串行通信经过光纤向位于管道中的下位机控制系统传送控制指令，下位机控制系统接受控制指令并译码。根据相应

41、的控制策略，实现对无刷直流电机的控制。 上位机显示电路 LPC 2114位置传感器驱动电路电流检测无刷直流电机数字编码器图4-2 直流电机驱动设计框图（1） 驱动电路功率驱动部分采用三相全桥驱动方式，功率MOSFET管用IRF620，其前置驱动器用IR213l，它是一个高电压、高速度的MOSFET和IGBT驱动器，具有独立的三个高电平和三个低电平参考输出通道，LPC2114的六路PWM输出与IR2131的六路输入直接相连，IR2131的输出通过电阻与功率MOSFET管的输入相连。（2） 检测电路检测电路分为三个部分，即转予位置检测，速度检测和电流检测。转子位置检测采用霍尔传感器，如图43所示，

42、无刷直流电机的霍尔传感器产生ABC-路信号，通常高低电平相互覆盖，两相输出之间的相位差Y912018。根据霍尔传感器三路输出信号的每次跳变，对电机驱动桥路进行控制，当检测到霍尔传感器输出信号发生跳变时，控制器进入中断处理，以改变六路PWM输出的状态。通过LPC2114的CAP00-CAP03捕获霍尔传感器三路输出信号的跳变，每次跳变将引发一次中断，改变PWM输出序列，来控制驱动桥路的导通顺序。 A B C 0 120 240 360 480 600 720 图 4-3 霍尔传感器的输出信号为了提高测速精度，速度检测采用500线的数字编码器，编码器输出三路差分信号，经过RS422线驱动器和线接收

43、器送给控制器LPC2114，控制器对输入脉冲进行计数，应用软件计算出电机的转速并判断电机的旋转方向。在桥式整流电路的低压端和地之间接一个采样电阻，用来检测主回路的电流，当电路板电流达到最大允许值时，采样电阻能激活IR213I内置的过流保护电路。采样电阻上的电压经过放大送至rJLPC2114的ADC模块进行模数转换，作为电流环控制的反馈。一定要在新的PWM产生之前装入电流检测值，与给定的参考值一起控制PwM的宽度。（3） 显示电路LPC2114把计算出来的电机转速通过12C传给SAAl064，SAAl064是带有12C接13的四位LED驱动器19.20。通过两片SAAl064动态地驱动8位LED，显示电机的转速。（4）控制电路控制电路主要是以LPC21 14为核心处理器，利用它的一些模块，如定时器、ADC模块、PWM、12C、ADC以及一些外围电路配合相应的软件程序来实现控制逻辑。3.步进电机驱动器设计由于云台的运动需要的电机功率并不大，所以采用步进电机，两个步进电机分别控制云台的旋转动作和俯仰动作，步进电机使用的是北京和利时公司的两相电机42BYG250C。步进电机接收数字控制信号21.23，并转换成与之相对应的角位移或直线位移，它本身就是一个完成数字模拟转换的执行元件。而且它可以实现开环位嚣控制，输入一个脉冲信号就得到一个规定