一种管道机器人结构与控制新版系统的设计.doc

摘要在现代社会中，大家总要碰到多种多样管道设施，而很多管道系统不是架设在空中就是深埋于地下，这么一来，经过人力对管道内部进行检测就很不方便。本文研制移动式管道机器人本身携带CCD摄像头，能够对一定口径管道内壁进行检测，含有较高实用价值。本文首先对中国外管道机器人技术发展做了综述，给出了移动式管道机器人本体结构设计方案，具体介绍了机器人驱动机构、云台系统等步骤结构。所讨论机器人采取上下位机控制模式，使用了现在在中国较为优异光纤信来传送控制信号和来自CCD摄像机图像信号。下位机以LPC2114为关键处理器，进行了移动式管道机器人行走电机驱动控制设计、云台电机驱动控制设计、RS232串口通信电路和控制系统外围电路讨论。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 mobile 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 robot 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 pipeline 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）其它类型管道机人 5三、移动式管道机器人本体结构设计 7（一）移动式管道机器人结构参数和特点 7（二）移动式管道机器人总体结构组成 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介绍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）直流电机控制软件设计191.转速计算及显示192.电子换向软件实现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 26参考文件27致谢 28一、 绪论 在现代，不管是水力、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，和石油、化工等工业生产系统，全部有纵横交错管道。这些管道系统在输送多种液体和气体物质时，因为受振动、热循环、腐蚀、超负荷等作用，加上管道本身可能隐藏内在缺点(如裂纹、砂眼、接头处连接不良等)。寿命总是有限。所以，很多管道系统难免在运行之中忽然发生损坏而造成液体、气体物质泄渗事故，不得不停工停产进行检修。这种事故有时造成经济损失是巨大。能不能在事故发生前就检验出潜在有问题管道而提前预防，是现代民用和工业企业中迫切需要处理课题。因为管道系统或埋在地下，或架设在高空，或管道内径很小，用人携带仪器检验十分困难，有时甚至根本无法做到。另外，有些危险和环境条件恶劣工作场地。由人去检验会对人健康带来严重损害。所以，有必需开发一个能够深入管道可移动管道检测仪器替换人去完成上述工作。在这种情况下，管道机器人作为一个优异管道检测手段纳入了中国外机器入研究开发人员眼中。管道机器人属于特种机器人研究范围，它在管道这个特定极限环境中作业，通常携带多种探测仪器和作业装置，在操作人员遥控或计算机自动控制下完成管道检测或维修工作。从上个世纪五十年代起，为了满足管道运输、自动清理和检测需要，美、英、法、日等国相继展开了管道机器人研究。最初研究结果就是一个无主动力管内检测设备-PIG，该设备是依靠其首尾两端管内流体形成压差为驱动力，使之伴随管内流体流动向前运动。伴随机械、电子和自动控制理论快速发展，管道机器人研究也在不停进步，大家从管道机器人驱动结构、工作方法、控制系统等方面入手研究出很多样式机器入。总说来国外部分国家管道机器人技术发展已经比较成熟，基础上进入了使用化阶段。 中国对管道机器人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、广州工业大学和上海大学等高校和科研院所全部做了这方面工作，在理论上和实用上取得了很大进步。即使如此，我们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，不利于商品化等缺点。就排水管道而言，现在中国还没有比较优异检测方法，大多数采取开挖方法进行检测。在管道机器人发展过程中，控制系统设计是一个十分关键问题。传统控制策略应用于机器人运动控制是最普遍，如PID控制。只要被控对象数学模型是比较正确、改变不大、近似于线性，传统PID控制能够满足这种情况下管道内作业机器人控制要求。现在，在计算机技术发展和实际应用需求激励下，多种新型、优异、智能控制策略也应运而生，并快速在实际系统中得到应用、改善和发展，如自适应控制、鲁棒控制、估计控制、模糊控制、教授控制、神经网络控制等。在这些控制策略中，有已经在机器人控制领域得到了实际应用，而有仍处于不停丰富研究过程中。针对于中国管道机器人研究情况和背景，在查阅了大量中国外文件基础上，结合大庆市科技局一个科技攻关项目，本文提出了一个合理移动式管道机器人实现方案，在机器人本体机构、检测方法、通信和控制系统等方面全部采取了目前中国优异技术。关键讨论了对移动式管道机器人控制系统设计和研究，从软硬件角度介绍了移动式管道机器人设计过程，完成了系统硬件设计和调试，软件编制和调试。在机器人研制过程中采取了改善积分分离PID控制策略，经过样机试验结果表明设计合理性和有效性。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自适应模糊控制器，经过仿真结果验证算法可行性。移动式管道机器入作为一个新型管道检测设备，正在被越来越多人关注和研究，它应用前景将十分宽广。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围之一，研制机器人关键目标之一就是要替换人在危险或人无法抵达环境下作业。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，为此，四十年代后期美国橡树岭和阿尔贡国家试验室开始研制遥控式机械手，用于搬运放射性材料。上个世纪五十年代，伴随电子计算机快速发展，使得机器人发展步伐加紧，这也使大家研究能自主、反复操作愈加复杂机器人系统成为可能。随即，美国Unimation企业于1962年制造了实用机器人，并取名为Unimate。紧接着，欧洲第一台程序控制一号操作工业机器人于1963年由瑞典一家企业推出，这标志着机器人在工业生产中应用时代已经到来。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关键作用。在上述非结构环境中作业机器人统称为特种机器人。现代传统机器人和特种机器人属于两个不一样应用范围，因为在上述环境中作业特种机器入研究开发必需性显得越来越关键，很多国家把特种机器人研究列入国家和各国合作计划，并给强有力经济和技术支持，所以特种机器人研究和开发含相关键战略意义。 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，它们泄漏会造成严重环境污染甚至于引发火灾，多数管道安装环境大家不能直接抵达或大家无法直接介入，所以，质量检测、故障诊疗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 ，因为当初天然气等大口径管道发展激励大家去研究一个管内检测设备，这就是我们通常历说一个无动力管内清理检测设备-PiG2，该设备简单、实用，在一定程度上处理了天然气管道检测问题。到了70年代末，伴随检测技术发展，PIG技术已经成熟。现在英、日、美、德、法等国大企业PIG产品已经实用化、商品化。PIG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，不过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。管道机器人快速发展时期还是始于上个世纪80年代，它属于特种机器人研究范围3-5，能够在管道这个特定极限环境中作业，通常携带多种探测仪器和作业装置，在操作人员遥控或计算机自动控制下完成管道检测和维修工作，检测作业项目包含防腐情况、对接管道焊缝质量、管道内腐蚀程度、防腐层厚度、管壁缺点等；维修项目包含清扫、补口、焊接等。实践已经证实伴随管道机器人技术发展，其应用将会越来越广泛。现在日本、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，在管道机器人研究及开发中取得了领先地位。（一）车轮式管道机器人 因为轮式行走含有结构简单、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正压力，这么移动机器人就含有了行走基础条件，我们将使机器人行走轮压紧在管壁上力叫做封闭力，驱动其中一个或多个轮子转动，由驱动轮和管壁之间附着力产生机器人向前行走驱动力，以实现机器入移动，这是轮式管内移动机器入行走基础原理。轮式机器人行走方法有两种，假如驱动轮轴线不和管道轴线垂直，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，螺旋运动沿轴线上速度分量即是机器人本体移动速度，这就是轮式螺旋运动式管内移动式机器人行走过程。其特点是用降低速度来提升驱动力。除此以外，轮式管道机器人还能够开发出在弯道内行走功效。就管内行走机构而言，我们期望牵引力大、定心性好，行走速度快、可靠性高，还期望它含有弯管经过功效，轮式管内移动机器人大部分应用于大口径管道，这是因为：首先，大口径管道通常是输送水、天然气、煤气或柔性物质主干线，它们破坏会给国民经济造成巨大损失，而且这些管道成本高，铺设困难，所以，应尽可能维护好它们；其次，从管道机器人研制角度考虑，大口径管道管内移动空间大，管道轴心线曲率半径大，有更大空间来部署驱动装置和作业装置，从而机器人本身几何尺寸能够相对放宽，机器人设计及制造全部比较轻易。这种机器人能在直管或大曲率半径管道内行走，以满足管道实际工程中需要。现仅举多个例子进行说明。 图21所表示为日本东京理科大学福田敏男等研制能够经过90度弯管管内移动机器人样机，机人由可相对回转头部和本体组成，当机器人沿直管行走时，本体上电机MI经过减速装置将动力传给本体上驱动轮，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经过弯管。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：可经过90度直弯管；机器入重量：2409；机器人长度：76mm。该机器人成功地经过了“L”型弯图2-1 经过90度弯管管内移动机器人 图22所表示大阪燃气株式会社研制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，采取光缆通讯，但因为携带蓄电池电能限制，还不能实现较远行走，其具体技术指标为：适应管径：135660ram：行走速度：5m/min。 图2-2 轮式煤气管道机器人 从以上例子能够看出，大家在研制多个形式轮式管内移动机器人方面作出了很大努力，并取得了一定成绩。但仍存在不少缺点，如管内行程不够大，力提升受封闭力限制，研究还有待近二分之一完善和成熟，研制可适适用于小管径、大管径和不一样管径深行程管内移动机器人有着宽广发展前景9.10（二）履带式管道机器人 车轮式机器人封闭力，即整压力一摩擦力驱动力之间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，所以，为了提升机器人牵引力，提升其在管内越障能力，为了实现在油污、泥泞等恶劣条件下管道内移动，国外学者又在行走方法上研制了履带式管道机器人。 日本日挥企业1986年研制履带式管道机器人，该机器人驱动机构由两条夹角能够随管径改变履带组成，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：可经过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、泥泞和一定障碍物情况下，也能较为良好地行走，不过这种移动形式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）其它类型管道机器人 有了车轮式和履带式管道机器人以后，大家在管内行走方法上继续探索新奇机构形式，经过对蚯蚓、毛虫等穴居动物观察，发觉它们是靠身体伸缩运动，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。教授们利用和之相同原理制造出了蠕动式管道机器人。蠕动式管道机器人蠕动需要支撑、缩回，这些运动全部是直线，不如转动轻易实现，而且运动是间歇，受驱动部件起伏频率限制，蠕动式管道机器人移动速度通常比轮式、履带式机器入慢。蠕动式行走要有前后支撑部分辅助运动，这些运动对于行走来说全部是“无效”运动，所以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，所以难以满足工程中“快速完成作业”需要。所以，实际中应用较少。但弹性毛蠕动式管道机器人有两个优点：(1)密封性好；(2)机器人横截面积小。这两个优点有利于管道机器人在线检测作业。 还有一个步行式管道机器人，它经过左右两侧脚锁死和前后腿机构改变实现机器人在管道内壁行进。该种管道机器人机构较复杂，而且控制起来很繁琐，现在实用性不强。 在综合分析了多种类型管道机器人技术以后，我们能够看到：首先，伴随核工业、化工工业发展迫使大家研究管道机器人来对这些恶劣环境下管道、罐状容器进行检测维修，在一定程度上刺激了管道机器人发展；其次，计算机、传感技术、检测技术、现代控制理论技术发展，为管道机器人研究应用提供了技术确保，使应用管道机器人进行检测、维修手段成为现实，所以对管道机器人研究和研制是必需和可行。三、 移动式管道机器人本体结构设计 管道机器人要在管道这么极限环境内完成检测、维修等作业任务，其移动载体性能是关键。为满足对管道检测、维修等作业任务要求，所研究移动式管道机器人要含有良好自定心性、较高越障能力、良好经过性、大驱动力输出特征和较高驱动效率等特征，这么才能确保移动式管道机器人在管道这么极限环境下圆满完成预期作业任务。本章讨论轮式全时驱动拖缆机器人总体结构和系统组成。（一）移动式管道机器人结构参数和特点 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）移动式管道机器人总体结构组成 移动式管道机器人总体结构关键由机器人移动本体、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管道内部。要求管道机器人有较强越障能力，能在泥泞、杂物堆积、一定曲率和坡度管道内部顺利经过，另外，还要求机器人本体应含有很强负载、牵引能力，确保机器人在管内行走距离大于200m；二自由度云台关键是为视像检测提供一个平台，云台上能够安装有一台微型摄像机，经过云台俯仰和摆动扫描，全方位地检验管内情况，实时统计行走路线及其方位，方便为管内故障正确定位提供可靠依据。机器人总体结构图3.1所表示。系统各部件约束定义系统运动、学动力学仿真分析痕迹计划、生产过程系统优化、选择系统最好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模型输出最终止果，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管内工作环境，紧密结合被检测、维修管道实际情况下，充足分析和借鉴已经有管道机器人和其它行业特种机器人成熟技术，决定采取六轮全时驱动(6WD)机器人本体移动方法，该移动方法含有结构简单、行走连续平稳、速度快、行走效率高、易于控制、轻易小型化等很多优点。而且因为采取了全时驱动技术，任何一个轮子在任意时刻全部为驱动轮，避免了从动轮阻力大缺点14，提升了机器人越障能力，能够将电机功率最大效率地发挥出来。1.驱动机构 本文所讨论移动式管道机器人驱动机构关键分成两个方面，一是对机器人本体行走驱动，二是对云台系统驱动。对于移动式机器人行走，常见驱动方法有液压驱动、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法，也就是将电机旋转运动经过机械结构转化为机器人本体直线运动。常见驱动电机关键有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。考虑到机器人作业环境特殊性、操作方便性和尺寸要求严格性等方面，机器人电机驱动系统要含有高转矩重量比、宽调速范围、高可靠性，同时电机转矩一转速特征受电源功率影响，要求驱动含有尽可能宽高效率区。基于这些标准，我们采取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择了瑞士MAXON企业无刷直流电机EC40作为机器人行走电机，并配以GP42减速器，在电机以佳转速运行时候，能够实现大约10mmin机器人行进速度，完全满足了我们设计要求我们选择MAXON电机外形尺寸，下面是它技术参数。（1）标称功率： 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工作环境及工作要求来看，该机器人应满足能够在水下工作要求，也属于水下机器人范围。机器人内部装有大量电子元件及导线，保持内部电子元件良好工作环境是机器入正常工作前提，为此要作好机器入本体密封工作，以预防外部水、灰尘等杂质进入到本体内部影响机器人正常工作。机器人箱体采取是组合结构，即经过分散加工各箱体盖图，然后经过螺栓紧固连接成为一个整箱体图3.3，各箱盖之间采取连接O形圈进行密封，能够满足密封要求。轴伸出端采取轴用齿形组合密封，对旋转轴密封效果良好。齿形组合密封是一个组合旋转密封，采取O形圈和聚四氟乙烯环组合，依靠O形圈弹性变形力，将聚四氟乙烯环压紧在旋转轴圆周，起到很好密封作用。同时因为聚四氟乙烯材料本身自润滑性和耐磨性，减小了接触面摩擦力，提升了密封件使用寿命，同时也减小了轴转动阻力，提升了工作效率。 旋转轴 齿形组合密封 图3-3 轴端密封 因为移动式管道机器人所在管道内工作环境比较特殊，可能含有水、泥沙、油污和腐蚀性气体、液体等对机器人有腐蚀破坏性影响物质存在，所以要求机器人含有耐腐蚀、耐碰撞等特征，除了在形状结构上给予考虑处理以外，还要从本体材料选择上着手，在综合考虑上述问题情况下，选择超硬铝合金(7A04)作为本体材料，它能够满足这种工作要求。（四）机器人云台系统 本文讨论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摄像机观察管道内壁情况，再经过控制系统把图像信号传回地面。为了具体清楚反应管内形貌，发挥出摄像机作检测工具应有功效，我们设计了一套含有2个自由度云台系统。该云台系统含有能够适应管道内径大小CCD摄像机中心位置调整功效，图3.4PWM中止模块含有能够实现CCD视角调整旋转和摆动功效，云台中心位雹调整系统总体结构。 我们采取了两个步进电机做为云台系统驱动源，一个电机控制云台俯仰，另一个电机控制云台摆动，再配合以CCD摄像机自动调焦，能够将摄像机所在范围内管内形貌立即正确反应出来。进入中止初始化结束否步进开启结束否置步进开启状态标志读入换相周期计数器值达成换相周期值否自由换相子程序中止结束步进开启子程序图3-4 PWM中止模块 本章介绍了移动式管道机器人总体结构和机器人结构参数，介绍了机器人驱动行走方法、云台基础功效、本体密封和防腐等功效实现，给出了所选电机理论依据和基础参数，并对机器人轴端旋转密封做了具体介绍。四、移动式管道机器人控制系统硬件设计 因为管道机器人工作环境含有特殊性，它要在操作人员看不到管道内行走作业。为了提升工作效率和工作质量，要依据管道实际情况不一样，不停地进行加速和减速运动，并对承载CCD摄像头云台位置进行调整。 从实用、稳定、可靠性角度来看，控制系统相当于管道机器人心脏，管道机器人一切行为全部在它统一指挥下完成。本机器人要求控制系统必需做到以下几点： 1要求实现机器人行走速度在012mmin之间无级可调；2要求能够控制机器人正反两个方向行走；3要求能够对云台在两个自由度内进行位置调整；4. 要求对机器人采取遥控作业，遥控距离在200m以上；5要求主控界面便于操作、使用。（一）管道机器人常规控制形式 通常情况下，管道机器人控制系统全部采取上下位机控制形式，要处理关键问题有两个：一个是管内外远程通信可靠性，另一个是下位机控制器稳定性。因为管道机器人在管线内部作业，环境恶劣不许可出现管内失控重大事故，所以除了对机器人能源动力系统等强电部分提出严格要求之外,还对机器人控制单元提出了极高运行可靠性要求，以确保控制单元不受环境影像，在有效控制策略下起到稳定控制作用。现在，管道机器人常规控制形式有以下多个：1.PLCPLC控制系统该系统中，上位机和下位机全部采取PLC，组成由PLC为控制关键,主从二级制系统。管外控制部分作为主控制系统，管内控制部分作为从控制系统，两个控制器间经过专用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，对于部分逻辑运算功效显著，不过它也有部分缺点，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，上位机采取PC机，下位机采取单片机。现在研究管道机器人大多数采取这种控制形式，比如由文件15中，王卓军、张晓华等人研制基于视觉管内作业机器人控制系统就是用这种形式。作为上位机PC机关键完成参数设置、视觉处理、控制命令输出及控制状态显示等工作，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、现场数据采集等工作。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，不过单片机系统开发周期长，可靠性要不停改善。3.PC一单片机+DSP控制系统在有些系统中，把部分计算量比较大工作(例图像处理)交给下位机来完成，这时候需要下位机有一定计算和存放能力，往往能够由单片机+DSP组成双机控制系统，其中单片机负责控制部分，DSP负责对数据运算和处理。这种控制系统能够完成更为复杂工作，不过在设计周期上有了一定限制。（二）控制系统硬件总体设计 本控制系统也是采取上下位机控制形式，上位机负责图像处理和发送控制指令，下位机要负责底层控制和机器人行走速度信号反馈，包含对行走电机控制，对云台电机控制。反馈机器人速度信息，因为对图像处理部分在上位机进行，运算量关键集中在上位机，所以使用是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 控制系统总体结构 控制系统整体结构图4-1所表示，PC机和单片机之间经过光纤进行通信，CCD摄像头拍摄图像信号直接经过光纤传送给PC机，PC机首先要采集CCD图像信号，并保留，首先利用一个控制台程序向下位机发送控制指令来实时地调整机器人行走速度和云台姿态，同时接收下位机反馈回来速度信号，显示实时速度和行走距离。下位机采取是Philips企业ARM7单片机LPC2114。下位机接收上位机控制令并译码，对应地控制各个电机，并经过对编码器反馈回来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，在早期设计中我们使用一组八位LED数码管来显示反馈回来电机转速。（三）电机驱动器设计 因为管道机器人行走电机选择是无刷直流电机，而控制云台位姿电机选择是步进电机，所以电机驱动器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介绍【16】 LPC21 14是基于一个支持实时仿真和跟踪1632位ARM7TDMIS CPU，并带有128kB嵌入高速Flash存放器。128位宽度存放器接口和独特加速结构使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应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超出30，而性能损失却很小。因为LPC21 142124很小64脚封装、极低功耗、多个32位定时器、4路lO位ADC、6路PWM输出、46个GPIO和多达9个外部中止使它们尤其适适用于工业控制、医疗系统、访问控制和电子收款机、机器人控制等领域。因为内置了宽范围串行通信接口，它们也很适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软件调制解调器和其它多种类型应用。2.直流电机驱动器设计行走电机采取maxon企业稀土永磁无刷直流电动机，额定功率为120W，配带霍尔传感器和500线数字编码器。稀土永磁无刷直流电动机作为一个新型电动机，含有结构简单、运行效率高、调速性能好、可靠性高等优点，同时因为不受机械换向限制，易于做到大容量、高转速。多年来，伴随大功率开关器件、集成电路及高性能磁性材料快速发展，无刷直流电动机(BLDCM)在航空航天、机器人、数控机床、医疗及试验室设备、家电等领域得到了广泛应用17。 基于LPC2114无刷直流电动机控制系统关键由控制电路、驱动电路、检测电路和显示电路组成，其系统组成图42所表示。在地面上位机经过串行通信经过光纤向在管道中下位机控制系统传送控制指令，下位机控制系统接收控制指令并译码。依据对应控制策略，实现对无刷直流电机控制。 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取三相全桥驱动方法，功率MOSFET管用IRF620，其前置驱动器用IR213l，它是一个高电压、高速度MOSFET和IGBT驱动器，含有独立三个高电平和三个低电平参考输出通道，LPC2114六路PWM输出和IR2131六路输入直接相连，IR2131输出经过电阻和功率MOSFET管输入相连。（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。转子位置检测采取霍尔传感器，图43所表示，无刷直流电机霍尔传感器产生ABC-路信号，通常高低电平相互覆盖，两相输出之间相位差Y912018。依据霍尔传感器三路输出信号每次跳变，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，控制器进入中止处理，以改变六路PWM输出状态。经过LPC2114CAP00-CAP03捕捉霍尔传感器三路输出信号跳变，每次跳变将引发一次中止，改变PWM输出序列，来控制驱动桥路导通次序。 A B C 0 120 240 360 480 600 720 图 4-3 霍尔传感器输出信号为了提升测速精度，速度检测采取500线数字编码器，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转速并判定电机旋转方向。在桥式整流电路低压端和地之间接一个采样电阻，用来检测主回路电流，当电路板电流达成最大许可值时，采样电阻能激活IR213I内置过流保护电路。采样电阻上电压经过放大送至rJLPC2114ADC模块进行模数转换，作为电流环控制反馈。一定要在新PWM产生之前装入电流检测值，和给定参考值一起控制PwM宽度。（3） 显示电路LPC2114把计算出来电机转速经过12C传给SAAl064，SAAl064是带有12C接13四位LED驱动器19.20。经过两片SAAl064动态地驱动8位LED，显示电机转速。（4）控制电路控制电路关键是以LPC21 14为关键处理器，利用它部分模块，如定时器、ADC模块、PWM、12C、ADC和部分外围电路配合对应软件程序来实现控制逻辑。3.步进电机驱动器设计因为云台运动需要电机功率并不大，所以采取步进电机，两个步进电机分别控制云台旋转动作和俯仰动作，步进电机使用是北京和利时企业两相电机42BYG250C。步进电机接收数字控制信号21.23，并转换成和之相对应角位移或直线位移，它本身就是一个完成数字模拟转换实施元件。而且它能够实现开环位嚣控制，输入一个脉冲信号就得到一个要求位置增量，这么增量位置控制系统和传统直流伺服系统相比，其成本显著降低，几乎无须进行系统调整，所以，伴随运动控制系统数字化到来，步进电机应用日益广泛，比如在计算机外围设备、现代办公室设备、仪器设备、数控机床、机器人等中取得大量应用。它含有以下优点：1.通常不需要反馈就能够对位置和速度进行控制2.和数字设备兼容3.位置误差不会积累（1）步进电机控制原理步迸电机有磁阻式、混合式和永磁式三种，它们必需和对应电子驱动电路配套使用，而其工作性能很大程度上取决于所设计驱动电路。尽管步进电机各相绕组之间、定转子之问存在强耦合，电磁关系存在较严重非线性，但从驱动电路角度来看，对一台步进电机控制，就是按一定次序向多相线圈通电，对各相电流控制以产生必需转矩问题。所以，就步进电机控制而言，各相通电次序产生和电流波形控制是关键问题，其次要处理是部分保护问题。 图4-4给出了经典步进电机控制系统框图。由运动控制器给出输入指令是输入时钟和方向信号，她们在脉冲分配器中经过逻辑组合转换成各相通断时序逻辑信号，导通程序逻辑信号送至功率驱动级，转换成其内部功率开关基极(或栅极)驱动信号。功率