管道探伤机器人电气控制新版系统.doc

河南科技学院新科学院
本科毕业论文（设计）

管道探伤机器人设计—电气控制系统

学生姓名：崔敏毅
所在院系：新科学院电气工程系
所学专业：电气工程及其自动化
导师姓名：杨天明
完毕时间：5月10日

管道探伤机器人设计—电气控制系统
摘要
应用管道机器人进行石油工业管道检测与维修操作是一项前沿技术。综合分析了国内外油气管道机器人近年来发展情祝，对管道机器人控制方式进行了分析，并简朴简介了管道机器人工作原理、构造特点及各自发展过程。最后结合国内石油工业发展详细情脱，给出了管道机器人在油气输送管道、油气井及其她管道中应用前景。

核心词：管道，探伤，控制系统，机器人

The design of pipeline inspection robot—Electrical control system
Abstract
This paper presents a robot detection system，which consists of cleaning unit、driving unit for observing the image of inner face of pipe in time. It presents a robot system which detect the crack，blowhole，weld joint，defect， etc. The information of image is propagated by wireless or wire method to the monitor for observing the image of inner face of pipe in time.

Keyword：pipe；detection system；robot

目录

绪论 1
1概述 1
1.1开展管道探伤机器人研究意义 1
1.2管道探伤机器人技术发展 1
1.3管道检测机器人研究现状 2
2管道探伤机器人整体简介 2
2.1移动控制系统 3
2.2探伤系统 4
2.3补漏控制系统 4
2.4遥控系统 5
3控制系统设计 5
3.1运动控制系统 5
3.1.1机器人驱动电机选型 6
3.1.2运动控制实现方式 6
3.2探伤系统控制 7
3.2.1超声波探伤技术原理 7
3.2.2 驱动电路设计 8
3.3补漏系统电气控制设计 8
3.4遥控系统 10
3.4.1发射器设计 10
3.4.2接受机设计 11
3.4.3完整电机驱动与控制硬件设计 11
4控制系统软件设计 12
4.1 转向控制程序设计 12
4.2 位置控制程序设计 13
5经济性分析报告 14
6结论 15
参照文献 16
道谢 17
附录 18

绪论

机器人是一种自动化机器，具备某些与人或生物相似能力，如感知、规划、运动及动作能力协作等，机器人技术被视为20世纪人类最伟大创造之一。自20世纪60年代工业机器人问世以来，随着社会进步和科学技术迅猛发展，特别是在信息技术、控制理论等学科迅速发展支持下，机器人种类日益繁多，性能不断地改进，工作领域也在不断地扩大。从深海到宇宙空间，在各种人类所不能承受极限环境中都能找到机器人应用。可以说，当代机器人技术己经突破了老式工业机器人范畴，逐渐转向应用于各种特殊状况特种机器人技术。
1 概述
1.1 开展管道探伤机器人研究意义

管道探伤机器人是针对油、气等输送管道检测、喷涂、接口焊接、异物清理等维护检修作业所研制一种特种机器人，己综合了智能移动载体技术和管道缺陷无损检测技术。此类机器人能进入人所不及、复杂多变非构造管道环境中，通过携带无损检测装置和作业装置，对工作中油气管逆进行在役检测、清理、维护，以保障管逆安全和畅通无阻地工作。由于管道检测机器人实行是管道内检测技术，它还可以以便地获取、传播、存储管进内视频影像数据，作为分析判断管道内壁腐蚀状祝、几何形状异常、堵塞、断裂、泄漏重要根据，并可运用机器人自身精准定位系统对缺陷进行定位，通过携带检测装置对核心部位实行进一步定量检测。这一技术特点，使得在对穿越河流、铁路、道路特殊管道或埋地管迈重要部位进行有选取检测时，管述检测机器人具备独特优势。
1.2 管道探伤机器人技术发展

自工业机器人问世以来，机器人种类日益繁多、性能不断改进、上作领域也在不断扩大。从深海到宇宙空间，在各种人体所不能承受极限环境条件一下都能找到机器人应用。管道机器人研制，开发与其她微电子机械系统同样，涉及而很广，不但需要新概念，新理论并且还需新材料，新工艺。已是真正机、电、光、磁等一体化开始，因而机器人技术作为微电子机械技术一种重要构成某些，为许多领域应用研究开拓了道路，是当前世界上有极好前景科技领域之一。对于那些人类无法进入危险区域，如核动力工厂和石油化工厂大量管道探伤和维修都十分需要管道机器人。在这种状况下，研发一种切实可行管道检测设备已非常必要。近50年，德、美、英、加、俄、荷、日等国对长输管道在役检测技术进行了大量研究、试制、实用、改进工作。人们结识到超声和国内管道在线检测技术大某些也应用了“管道猪”。近些年来，国内也开始对带自积极力机器人进行研究。
1.3管道检测机器人研究现状

近年来，随着计算机技术广泛普及和应用，国内外检测技术都得到了迅猛发展，管道检测技术逐渐形成管道内、外检测两个分枝。普通状况下，涂层破损、失效处下方管道同样受到腐蚀，管道外检测技术目是在检测涂层及阴极保护有效性基本上，通过挖坑检测，达到检测管体腐蚀缺陷目，对于日前大多数布局内管道是十分有效。管道内检测技术重要用于发现管道内外腐蚀、局部变形及焊缝裂纹等缺陷，也可间接判断涂层完好性。
当前国内管道维护绝大多数状况下还是靠人工来完毕。老式管道维护方式是依托维修人员进入管道，用目测方式检杳管道破损。但是在诸多状况下，人工检测方式存在诸多缺陷，例如对于直径较小管道人无法进入，也就无法现其中破损;管道内环境恶劣，经常充斥着大量对人体有害气体，给进入管道维修人员带来很大安全威胁;人工检测速度慢、效率低、需要投入大量人力等等。
在人工检测方式存在诸多缺陷情祝下，研发一种自动化管道检测设各成为国家发展需要。在国外某些发达国家，管道检测机器人已经诞生并投入使用，已经成为一种技术较为成熟、商品化设各，但价钱昂贵。在国内，这方而研究作起步较晚，这也是国内国情决定，日前国内还没有成型、商品化产品问世从国内国情出发，随着管道维护工作不断加强，无论从检测自动化和原则化考虑，还是从减轻工人劳动强度、节约时间、扩大作业范畴考虑，研究一种可以自动检测管道故障机器人系统都具备重要意义。
2管道探伤机器人整体概述

管逆检测机器人系统总体设计直接影响到机器人使用性能和工作效率等方面，需要以系统全面观点来进行综合考虑，争取以至少周期、最低成本达到规定设计规定。考虑到通信、能源供应可靠性，本文管道探伤式。系统工作原理:将机器人放入管道后，通过计算机发出指令让机器人在管进中以一定速度运营，这时超声波传感器发出信号井将返回信号通过无线传播给管道外接受装置，接受装置用数据线与PC相连，PC实时接受数据并且担任分析信号任务。这样运营下去直到PC发出停止指令为止。机器人系统总体设计方案采用了如图1无线式机器人设针方案。
检测系统
主控系统
牵引系统
无线接受装置
PC

无线传送
无线控制
数据线

图1 机器人总体设计方案
管道探伤机器人系统重要由移动系统、探伤系统、补漏系统，遥控系统等构成，下面对其作简要概述。
2.1移动控制系统概述

动力和运动是可以互相转换，从这个意义上来讲，电动机是最惯用运动源:运功控制最有效方式就是对运动源控制。 电机控制技术采用微解决器等当代控制手段构成数宇控制系统已成为主流控制办法。各种电机控制技术和微电子技术结合正逐渐使其发展成为门新技术。由于有微解决器和传感器作为新一代运动控制系统构成某些，即该运动控制系统又称智能运动控制系统。

图2 驱动某些整体构造
2.2探伤系统概述

当前，在管道机器人探伤系统中，国外重要采用蜂窝式检测头，其最多可载有500各种超声探头。各个超声探头直接向管壁发射宽频超声波，又直接接受反射波。这种机器人内部还设有摆锤及自动调节机构，以免机器人在行进过程中发生白身偏转，这种检测办法叫静态超声波检测。咱们采用是动态检测，所谓动态检测，就是探头盘带着若干个超声头在石油管遒内随石油流动作旋转探测。相比较而一言，动态检测长处是:成本低，检测全而，易于采用。

图3 探伤检测某些构造
2.3补漏控制系统概述

补漏系统重要是设计由步进电机驱动机械手控制系统，提出一种上位机与单片机之间通信合同，可力便地对机械手进行实时控制，运用可编程计数器自动生成脉冲，实现了各种步进电机同步控制，整个控制系统构造简朴可靠。

图4 补漏系统机械构造
2.4遥控系统概述

在机器人研究领域，经常涉及到遥控方案研究.作为机器人重要构成某些，遥控系统工作可靠性直接关系到机器人研究成败。在当前机器人遥控方案中，经常采用无线电数据传播方式来实现遥控功能。本文给出了基于PT2262/PT2272机器人遥控系统设计，该设计方案具备较高可靠性和实用性。，单片机具备开发简朴、价格低廉等特点，非常合用于无线控制系统中。在该系统中，PT2262功能是以4位一组方式将已通过单片机编码控制命令并行发送出去，PT2262把4位串行信号变为并行信号，这样可以恰当协调硬件与软件复杂限度，从而着重于实现信号无线传播，因此系统构造图如图5所示。
键盘
单片机
无线发送装置
驱动控制
键盘
单片机
无线接受装置

发射装置 接受装置
图5 遥控系统构造

3控制系统设计
3.1运动控制系统

动力和运动是可以互相转换，从这个意义上来讲，电动机是最惯用运动源，运动控制最有效方式就是对运动源控制。因而，普通通过对电机控制来实现系统运动控制。移动机器人控制系统是机器人系统执行机构，对系统平稳运营起着重要作用，有时可以作为一种简朴控制制器。构成机器人运动控制系统要素有:计算机硬件系统及控制软件、输入/输出设备、驱动器、传感器系统，它们之间关系如图6所示。
传感器
计算机硬件及控制软件
驱动器
机器人本体
I/O设备
图6 机器人控制系统构成要素
3.1.1机器人驱动电机选型
在电动机执行机构中，有直流电机、交流电机、步进电机和直接驱动电机等实现旋转运动电动机，以及实现直线运动直线电机。当前在机器人运动控制中，较为惯用电机有直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机，步进电机作为一种新型自动控制系统执行机构，得到越来越广泛应用，进入了某些高、精、尖控制领域。步进电机虽然有某些局限性，如启动频率过高或负载过大时易浮现失步或堵转，停止时转速过高易浮现过冲，且普通无过载能力，行往需要选用有较大转矩电机来克服惯性力矩。但步进电机点位控制性能好，没有累积误差，易于实现升环控制，可以在负载力矩恰当况下，以较小成本与复杂度来实现电机同步控制。综合考虑控制规定、成本等多方面因素，本系统选用步进电机作为驱动电机。
3.1.2运动控制实现方式
当前，对电机控制系统方式重要有以模仿电路硬接线方式建立运动控制系统，以微控制器为核心运动控制系统和运用专用芯片控制运动系统。由于本文设计机器人趋于微型化，因而需控制系统集成度高，响应快，可靠性高，通过对以上三种控制方式综合比较，本系统采用专有芯片实现机器人移动控制。步进电机驱动方式步进电动机驱动系统框图如图7所示，它由需要控制电动机旋转方向与转速等控制装置、将来自控制装置信号转换为脉冲脉冲发生器以及对各绕组顺序分派脉冲电流驱动电路等构成。

控制装置 脉冲发生器 驱动电路 电动机
图7 驱动系统框图

驱动方式采用TD62803P集成芯片构成驱动电路。采用专用脉冲分派器集成电路TD6280具备电路简朴，性能稳定，容易控制等特点，时步进电机驱动控制核心。管脚功能如表所示。TD6280P是专门用于步进电机控制脉冲分派器芯片，它具备步进电机控制器各种功能集成电路。由TD62803P集成芯片构成驱动电路如图8所示。

图8 控制系统驱动电路
3.2探伤系统控制

3.2.1超声波探伤技术原理
管道检测机器人采用旋转超声探头对管进管壁厚度进行检测。超声波检测是日前应用最为广泛一种无损检测办法，具备敏捷度高、穿透力强、探伤灵活、效率高、成本低。在役石油管道受蚀缺陷重要是管壁受蚀减薄，用超声检测技术来探测管道壁厚厚度最为简便和直接，其检测原理如图9。

图9 超声波探伤原理图
3.2.2 驱动电路设计
探伤系统驱动电路设计中，最惯用是分立元件构成驱动电路和专用混合集成驱动电路。分立元件构成驱动电路构造简朴，成本低，合用于低频小功率驱动， 因而，在本设计中，选用了电路构造简朴，成本较低分立元件驱动电路。电路原路图如图10所示:

图10 驱动原理图

3.3补漏系统电气控制设计

通过单片机控制步进电机实现机械手上卜升降、左右900旋转、先后伸缩、夹紧松开等功能、由于在某些简朴机械手应用或教诲机械手设备中，经常采用步进电机进行开环控制，以减少控制难度，节约成本，因而通过单片机控制步进电机驱动机械手研究也较虽然由单片机控制步进电机方案较多。
本文重要研究了补漏系统实时在线控制问题以及各种步进电机同步控制问题,提出了一种上位机与单片机之间串口通信方案，依照其运动状况实时修改控制指令，变化其运动途径;运用可编程计数器实现脉冲信号发生器功能，从而可实现各种步进电机同步控制，水平方向和垂直方向运动分别由两个步进电机驱动,控制任务是上位机依照预定任务对补漏系统中末端执行器运动途径进行规划，并将末端执行器运动分解成两个步进电机运动。要设计其控制方案,一方面由上位PC机向单片机发送控制指令代码，通过单片机对代码分析，还原出对步进电机转动方向、速度、角度等参数控制规定，然后由单片机向可编程计数器82C53T发送控制字，以变化82C53T产生脉冲启停或频率，从而控制步进电机控制芯片L297产生步进电机驱动脉冲信号，进而控制电机启停和速度，或者单片机直接控制L297以完毕电机转向、锁定等仟务。其系统设计框图如11所示。

图11 补漏系统设计框图

为理解决单片机同步控制各种步进电机问题，本文采用了在单片机与驱动芯片之间加载可编程计数器82C53T,这样通过该计数器产生可控多路脉冲，从而实现各种步进电机同步控制,整个控制电路由1块AT89C51，1块82C53T，2块L297，2块L298N及有关电路构成，其中可编程计数器82C53T工作在工作方式通过单片机控制字写入产生持续方波脉冲，再由该芯片两个输出端OUT1和OUT2分别提供应两组L297CLOCk端,其中单片机与82C53T电路连接如图12所示。

图12 脉冲生成电路

由L297与L298N驱动器构成步进电机控制电路具备如下长处:使用元件少，组件损耗低，可靠性高，体积小，软件开发简朴，并且计算机(或单片机)硬件费用大大减少。有关驱动电路如图13所示。

图13 步进电机驱动控制电路
3.4遥控系统

3.4.1发射器设计
基于PT2262-RF集成块构成无线发送电路原理图如图14所示。图中芯片VDD是通过按键接通后向PT2262供电，电路由指令产生、编码和发送三个某些构成。无指令按键按下时，，D5-DO数据输入口又分别被R1-R6下拉电阻下拉,当按下任一指令按键时，PT2262得电，且D5～DO中与按下键相连那个引脚变为高电平，这时数据码就不再是000000该数据码送芯2262中被编码，其后，信号由Dout引脚送经指令发送某些解决后，由天线发射出去。
图14 遥控发射机电路原理图
3.4.2接受机设计
遥控接受机是安装在遥控装置上用来接受无线电信号。接受机普通由接受电路、放大电路、解调电路、指令译码电路、驱动电路和执行电路几某些构成。接受电路将发射器发射已调制编码指令信号接受下来，并进行发大后送解调电路。解调电路将以调制定编码解调下来，即还原为编码信号。指令译码器将编码指令信号进行译码，最后由驱动电路来驱动执行电路实现各种指令操作。接受机普通都要与发射机配套使用，普通使用专用电池组或使用12伏直流电源供电。
基于2272芯片构成无线遥控接受电路原理图如图15所示;接受机电路分为三个某些，一是从空中接受到指令信号，井通过谐振电路将信号滤出:二是将滤出信号，即解调出来编码信号进行前级放大，以保证输入PT2272信号幅度够大;最后是指令信号译码和输出电路，该输出和发射机发射指令相相应。接受机8路输出，分别作为驱动机器人移动迈进信号，后退信号，左转弯信号、右转弯信号。

图15 遥控接受机电路原理图
由于遥控接受机要控制电机正反转，从而才干控制机器人移动，因此有两个H桥与接受机相连。
一方面，某一种行走指令，如迈进，只能让接受机一路输出引脚变为高电平;但如果要让机器人行走话，要让两个电机同步工作，最简便办法是用有2对常开触点继电器来控制。另一方面，接受机和单片机输出电流相对较小。因此在控制H桥控制端时要有一种放大环节。咱们运用驱动芯片ULNAN进行信号放大。
3.4.3完整电机驱动与控制硬件设计
整个电路驱动与控制涉及了遥控接受机、H桥及其两者接口等电路。其中驱动电机正反转控制电路选用继电器具有2对常开常闭触头，并且图中有4个继电器，用来控制4个驱动电机，从而能实现迈进、后退、左转、右转以及过沟功能。

图16 驱动电机正反转控制电路

4控制系统软件设计

控制系统软件某些重要是对机器人移动过程中转向控制及位置控制程序设计。
4.1 转向控制程序设计

为了实现转向调节，咱们采用如下流程图编程。流程图如图4-1所示一方面需要启动模数转换器ADC0809，然后将转换好数字信号传给P0口，再通过数模转换，为了可以精确控制电机，必要在下一次模数转换前对其进行延时。否则，此控制系统就不会具备稳定性。
变化p1.0状态
退出
停机
P1.0=1?

Y

Y N

正转？

N

绝对位置加1
绝对位置减1
Y

步数=0?

Y

停机
N
步数减1

步数=0?

报警
Y

N

重装定期常数

图17 转向控制流程图
4.2 位置控制程序设计

通过驱动器上自带光电码盘，可以读出机器人行走发出脉冲，只需将脉冲数记下就可以够理解机器人走过路程，从而精确理解机器人在一段时间后精确位置。
开始

赋计数器初值

启动计数器

延时计数

送计数器值给寄存器

延时1ms

十六进制转化为BCD码

输出BCD码

与否输完
Y
N

Y
与否终结

N

Y
结束

图18 位置控制流程图
详细程序见附录
5经济性分析报告

微型机电系统是一种新兴技术领域，微型机电系统在工业、信息解决和通讯、航空航天、航海、医学和生物工程、农业和家庭服务等领域有着潜在巨大应用前景。
美国国家自然科学草金会从1988年起，每年投入200-300万美元资助MEMS基本研究，近年又增至每年800-1500万美元:美国国防部从1992年起，拨款支MEMS研究，1995年资助额为30万美元;而在1995年，美国工业界对MEMS研究开发费预计为1.2亿美元。日本通过产省从1991年起实行“微机械技术十年筹划”，分为基本研究中间评价和系统化技术三个阶段，并于1992年组建了“微机械研究中心”来负责组织管理和规划研究，该筹划总投资250亿日元。四欧某些国家对MEMS研究总投入超过4000万美元。在欧洲，除了日本外，韩国、新加坡、马来四亚和台湾地区都相继制定了MEMS研究开发筹划。
在这篇文章中由于咱们所设计微型管道机器人受到50 mm管径限制，因此机器人各个部件都需要特制。这样比普通机械设计需要更多资金入。
6结论
本文设计了一种新型被动式石油管道检测机器人，阐述了其工作原理，着重简介了可以在那些人类无法进入危险区域，如石油化工厂，航天飞机、核动力工厂等管道从事检测和探伤作业电磁驱动式微管道机器人机械机构设计、工作原理及其智能控制系统设计等等。 其设计行进速度为20m/min，可以在直径为300mm-400mm管道内正常工作，测厚精度约为0. 3mm，检测距离不不大于l0km，耐压8MPa，在输油管道无损检测中其有良好应用前景。但是，实际中石油管道环境是复杂多样，如石油沉淀，杂质，三通、四通管道等，因而，对在石油管道恶劣环境中检测机器人稳定性和可靠性研究是此后要重点解决问题。

参照文献
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道谢
本文是在杨天明教师悉心指引下完毕。从毕业设计题目选取、到选到课题研究和论证，再到本毕业设计编写、修改，每一步均有杨教师细心指引和认真解析。在杨教师指引下，我在各方面均有所提高，教师以严谨求实，一丝不苟治学态度和勤勉工作态度深深感染了我，给我巨大启迪，鼓舞和鞭策，并成为我人生路上值得学习榜样。使我知识层次又有所提高。同步感谢所有教诲过我专业教师，你们传授专业知识是我不断成长源泉也是完毕本论文基本。通过这次毕业设计不但提高了我独立思考问题解决问题能力并且培养了认真严谨，一丝不苟学习态度。由于经验匮乏，能力有限，设计中难免有许多考虑不周全地方，但愿各位教师多加指教。

附录
1速度控制程序

AD： MOV @ DPTR A
MOV R2， #0FFH
HE： DJNE R2， HE
MOVX A， @ DPTR
MOV DPTR #-DFFEH
MOV DPTR #7FFFH
MOVX @ DPTR A
AJMP AD
DELAY： MOV R6， #0AH
DELAY1：MOV R7， #19H
DELAY2：DJNZ R7， DELAY2
DJNZ R6， DELAY1
RET
2位置控制程序

ORG 1000H
START： MOV TM0D， #01H
MOV TH0， #00H
MOV TL0 #00H
SETB TL0
ACALL DELAY1
MOV @R6， TH0
MOV @R7， TL0
ACALL DELAY2
SJMP START
DELAYE1： MOV R5， #04H
LOOP1： MOV R6， #64H
LOOP2： MOV R7， #0FAH
LOOP3： DJNZ R7， LOOP3
DJNZ R6， LOOP2
DJNZ R5， LOOP1
RET
DELAY2： MOV R6， #0AH
DELAY1： MOV R7， #19H
DELAY2： DJNZ R7， DELAY2
DJNZ R6， DELAY1
RET
3码制转换

HB2： CLR A;
MOV R3， A
MOV R4， A
MOV R5， A
MOV R2， #10H;
HB3： A， R7， A
MOV A， R7;
MOV R6， R6
RLC A
MOV R6， A
MOV A， R5
ADDC A， R5
DA A;
MOV R5， A
MOV A， R4
ADDC A， R4
DA A
MOV R4， A
MOV A， R3
ADDC A， R3
MOV R3， A
DJNZ R2， HB3
RET