一種三核兩軸履帶式快速天然氣管道機(jī)器人控制系統(tǒng)技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種三核兩軸履帶式快速天然氣管道機(jī)器人控制系統(tǒng)，所述的控制器采用三核控制器，包括ARM、IRMCK203和DSP，所述的ARM、IRMCK203和DSP進(jìn)行相互通訊連接。通過上述方式，本發(fā)明專利技術(shù)自主發(fā)明專利技術(shù)了基于ARM+?IRMCK203+DSP的全新三核控制模式。控制板以ARM為處理器核心，由IRMCK203實(shí)現(xiàn)兩軸永磁同步電機(jī)的伺服控制，DSP實(shí)現(xiàn)圖像采集數(shù)字信號(hào)的實(shí)時(shí)處理并與ARM通訊，把ARM從復(fù)雜的工作當(dāng)中解脫出來，實(shí)現(xiàn)兩軸三相永磁同步電機(jī)的實(shí)時(shí)位置采集，并響應(yīng)DSP中斷，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和存儲(chǔ)實(shí)時(shí)信號(hào)。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及大型管道機(jī)器人的領(lǐng)域，尤其涉及一種三核兩軸履帶式快速天然氣管道機(jī)器人控制系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
天然氣管道的輸送介質(zhì)屬于易燃、易爆物質(zhì)，介質(zhì)中含有的硫化氫、 二氧化碳、 游離水、 粉塵等雜質(zhì)，使敷設(shè)的管道處于內(nèi)外腐蝕條件，甚至有的時(shí)候內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生阻塞情況發(fā)生。再加上環(huán)境、地質(zhì)、氣象和水文災(zāi)害、管材及設(shè)計(jì)缺陷、操作失誤乃至人為破壞等因素，管道的安全受到眾多因素的威脅。1989年6月4日，前蘇聯(lián)的一條輸氣管道發(fā)生泄漏，兩列對(duì)開火車在距離泄漏點(diǎn)1 公里外的鐵路線上通過時(shí)，火車磨擦產(chǎn)生火花引起了泄漏的可天然氣體爆炸，造成600多人死亡，數(shù)百公頃森林燒毀；2000年8月，美國新墨西哥州東南部一條720mm口徑的輸氣管道發(fā)生天然氣爆炸，引起連天大火并至少造成10人死亡，在30多公里以外的地方都可以看見巨型火球沖上天空，爆炸后地面留下一道長25m、深6m的大坑；我國的石油天然氣管道亦曾多次發(fā)生事故，管道發(fā)生爆破、泄漏、停輸?shù)仁鹿什粌H造成巨大財(cái)產(chǎn)損失，而且也危害到生態(tài)環(huán)境。管道機(jī)器人是一種可以沿著管道內(nèi)部或者是外部自動(dòng)行走，攜帶一種或多種傳感器和操作機(jī)械，在操作人員的控制下或者是計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制下完成一系列管道作業(yè)的機(jī)電一體化系統(tǒng)。管道機(jī)器人的研究開始于上個(gè)世紀(jì)四十年代，到了70年代由于微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，國外管道機(jī)器人技術(shù)于90年代初得到了迅猛發(fā)展，研制了許多實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并取得了大量的研究成果。用管道機(jī)器人巡檢天然氣管道，不僅可以提高管道檢測的效率，而且對(duì)于改善勞動(dòng)條件，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高作業(yè)效率，降低作業(yè)成本，保障人身安全都有著十分重要的意義。但是國內(nèi)還沒有采用管道機(jī)器人巡檢天然氣管道，天然氣管道爆炸時(shí)有發(fā)生，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染。一個(gè)實(shí)用的天然氣管道機(jī)器人必須具備以下幾個(gè)部分：1）圖像采集系統(tǒng)：圖像采集系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)的問題，并可以為工作人員提供管道受損和阻塞情況，為更換管道或者是清理管道提供可靠依據(jù)；2）損傷采集系統(tǒng)：損傷采集系統(tǒng)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道系統(tǒng)外壁出現(xiàn)的異常情況，避免了管道而長期破損導(dǎo)致抗壓能力減弱，最終導(dǎo)致天然氣大量泄露而產(chǎn)生爆炸事故發(fā)生；3）濕度探測和阻塞物探測：如果濕度過大，天然氣管道的輸送介質(zhì)易于形成管道腐蝕，同時(shí)部分物質(zhì)會(huì)堆積起來產(chǎn)生阻塞情況；4）電機(jī)：執(zhí)行電機(jī)是管道機(jī)器人的動(dòng)力實(shí)施部件，它實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化電源的能量，根據(jù)管道機(jī)器人微處理器的指令來執(zhí)行機(jī)器人在天然氣管道內(nèi)的相關(guān)行走動(dòng)作；5）算法：算法是天然氣管道機(jī)器人的靈魂，由于天然氣管道是一個(gè)封閉的管道，內(nèi)部情況非常復(fù)雜，天然氣管道機(jī)器人必須采用一定的智能算法才能準(zhǔn)確的從管道內(nèi)一點(diǎn)到達(dá)另外一點(diǎn)，形成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的巡檢，并實(shí)時(shí)存儲(chǔ)采集圖像、管道水汽信息、管道阻塞信息、管道受損情況和受損位置信息；6）微處理器：微處理器是天然氣管道機(jī)器人的核心部分，是天然氣管道機(jī)器人的大腦。管道內(nèi)所有的信息，包括管道內(nèi)的濕度、阻塞情況、管道損傷信息以及損傷位置信息、電機(jī)狀態(tài)信息、電池狀態(tài)信息等都需要經(jīng)過微處理器處理并做出相應(yīng)的判斷。國內(nèi)對(duì)管道機(jī)器人的研究只是剛剛起步，均是采用單核控制器，均處于實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)設(shè)計(jì)階段，離大規(guī)模使用具有一定的距離，主要面臨以下問題：（1）受控制技術(shù)影響，所有的管道機(jī)器人均采用單核控制器，控制器的計(jì)算能力較弱，管道機(jī)器人無法快速處理實(shí)時(shí)環(huán)境，且機(jī)器人行走速度較低，巡查管道速度較慢，受外界環(huán)境干擾穩(wěn)定性較差；（2）對(duì)于采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的管道機(jī)器人所攜帶的能源均采用可充電蓄電池，這些蓄電池均是通過簡單的串聯(lián)和并聯(lián)后形成高壓大電流能源系統(tǒng)，均沒有保護(hù)電路，壽命較短，正常工作時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)異常甚至干擾到管道機(jī)器人的工作；（3）對(duì)于采用步進(jìn)電機(jī)或者是直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的管道機(jī)器人來說，受電機(jī)自身效率的影響，能源利用率較低，導(dǎo)致機(jī)器人在管道內(nèi)移動(dòng)距離較短；（4）對(duì)于采用步進(jìn)電機(jī)或者是直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的管道機(jī)器人來說，受電機(jī)功率密度的影響，由于所采用的電機(jī)體積均較大，最終導(dǎo)致機(jī)器人的體積較大，重量較重，嚴(yán)重影響了管道機(jī)器人的使用范圍；（5）無論是基于矢量控制或者是基于轉(zhuǎn)子磁場定向控制算法永磁同步電機(jī)的伺服控制，除了要進(jìn)行多次的坐標(biāo)變換與反變換外，還要進(jìn)行電流及速度的閉環(huán)控制，因而實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜且實(shí)時(shí)性要求較高；采用DSP技術(shù)或者是ARM技術(shù)并以軟件方式來實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)開發(fā)周期比較長，而且該算法占用的處理器時(shí)間比較多，影響了DSP或者是ARM的處理功能；（6）管道機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)自我調(diào)整能力較差，受控制方式影響，機(jī)器人在管道內(nèi)的姿態(tài)參數(shù)識(shí)別較差，機(jī)器人無法識(shí)別自我平面與管道主平面的夾角，導(dǎo)致機(jī)器人行走時(shí)出現(xiàn)傾斜，甚至有時(shí)會(huì)翻車，導(dǎo)致任務(wù)失敗；（7）對(duì)于有阻塞的天然氣管道，普通的輪式機(jī)器人與地面接觸面積較少，越障能力較弱，有的時(shí)候甚至無法越過障礙物，最終無法巡檢完成任務(wù)。永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子與普通電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)具有相同的定子結(jié)構(gòu)，只是轉(zhuǎn)子上以釹鐵硼稀土永磁材料作為磁極取代了同步機(jī)的勵(lì)磁磁極和勵(lì)磁繞組，使電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)較為簡單，且省去了容易出故障的集電環(huán)和電刷，實(shí)現(xiàn)了無刷化，提高了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的可靠性。因?yàn)椴恍鑴?lì)磁電流，因此可以省去勵(lì)磁繞組的銅耗，極大提高了電機(jī)的效率；稀土永磁材料的使用使得電機(jī)功率密度較高，所以電機(jī)的體積可以做得更小，適合體積要求比較高的場合。永磁同步電動(dòng)機(jī)除了有明顯的節(jié)能效果外，還具有轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確、噪聲低的特性，稀土永磁同步電機(jī)基于轉(zhuǎn)子磁場定向或者是基于矢量控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高動(dòng)態(tài)性能、大范圍的調(diào)速或定位控制，這些特性使得稀土永磁同步電機(jī)特別適合使用于管道機(jī)器人這些要求比較特殊的機(jī)器人控制系統(tǒng)中。履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)是輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的拓展，履帶本身起著給車輪連續(xù)鋪路的作用。相對(duì)于輪式機(jī)構(gòu)，履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)有著諸多優(yōu)點(diǎn)，如：支承面積大，接地比壓小；滾動(dòng)阻力小，通過性能較好；越野機(jī)動(dòng)性好；履帶支承面上有履齒，不易打滑，牽引附著性能好，有利于發(fā)揮較大的牽引力；變位履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)通過改變履帶的位置或履帶的機(jī)構(gòu)形式以達(dá)到適應(yīng)不同環(huán)境的要求，兩履帶的夾角可以調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的作業(yè)管徑。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)主要解決的技術(shù)問題是提供一種三核兩軸履帶式快速天然氣管道機(jī)器人控制系統(tǒng)，自主專利技術(shù)了基于ARM+ IRMCK203+DSP的全新三核控制模式。控制板以ARM為處理器核心，由IRMCK203實(shí)現(xiàn)兩軸永磁同步電機(jī)的伺服控制，DSP實(shí)現(xiàn)圖像采集數(shù)字信號(hào)的實(shí)時(shí)處理并與ARM通訊，把ARM從復(fù)雜的工作當(dāng)中解脫出來，實(shí)現(xiàn)兩軸三相永磁同步電機(jī)的實(shí)時(shí)位置采集，并響應(yīng)DSP中斷，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和存儲(chǔ)實(shí)時(shí)信號(hào)。為解決上述技術(shù)問題，本專利技術(shù)采用的一個(gè)技術(shù)方案是：提供了一種三核兩軸履帶式快速天然氣管道機(jī)器人控制系統(tǒng)，包括機(jī)器人殼體、激光位移傳感器、磁導(dǎo)航傳感器、距離修正傳感器、三軸加速度計(jì)、同步帶、永磁同步電機(jī)X以及永磁同步電機(jī)Y，所述的激光位移傳感器分別安裝在機(jī)器人殼體的前端，所述的磁導(dǎo)航傳感器和距離修正傳感器均設(shè)置在機(jī)器人殼體上并位于激光位移傳感器的下方，所述的同步帶分別設(shè)置在機(jī)器人殼體的左右兩側(cè)邊并分別與永磁同步電機(jī)X和永磁同步電機(jī)Y連接，所述的三軸加速度計(jì)設(shè)置在機(jī)器人殼體上并位于永磁同步電機(jī)X和永磁同步電機(jī)Y之間，還包括控制器，所述的控制器采用三核控制器，包括本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種三核兩軸履帶式快速天然氣管道機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于，包括機(jī)器人殼體、激光位移傳感器、磁導(dǎo)航傳感器、距離修正傳感器、三軸加速度計(jì)、同步帶、永磁同步電機(jī)X以及永磁同步電機(jī)Y，所述的激光位移傳感器分別安裝在機(jī)器人殼體的前端，所述的磁導(dǎo)航傳感器和距離修正傳感器均設(shè)置在機(jī)器人殼體上并位于激光位移傳感器的下方，所述的同步帶分別設(shè)置在機(jī)器人殼體的左右兩側(cè)邊并分別與永磁同步電機(jī)X和永磁同步電機(jī)Y連接，所述的三軸加速度計(jì)設(shè)置在機(jī)器人殼體上并位于永磁同步電機(jī)X和永磁同步電機(jī)Y之間，還包括控制器，所述的控制器采用三核控制器，包括ARM、IRMCK203和DSP，所述的ARM、IRMCK203和DSP進(jìn)行相互通訊連接，所述的ARM和IRMCK203分別發(fā)出第一控制信號(hào)和第二控制信號(hào)，由所述的第一控制信號(hào)和第二控制信號(hào)分別控制所述的永磁同步電機(jī)Y和永磁同步電機(jī)X的信號(hào)合成之后再控制管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種三核兩軸履帶式快速天然氣管道機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于，包括機(jī)器人殼體、激光位移傳感器、磁導(dǎo)航傳感器、距離修正傳感器、三軸加速度計(jì)、同步帶、永磁同步電機(jī)X以及永磁同步電機(jī)Y，所述的激光位移傳感器分別安裝在機(jī)器人殼體的前端，所述的磁導(dǎo)航傳感器和距離修正傳感器均設(shè)置在機(jī)器人殼體上并位于激光位移傳感器的下方，所述的同步帶分別設(shè)置在機(jī)器人殼體的左右兩側(cè)邊并分別與永磁同步電機(jī)X和永磁同步電機(jī)Y連接，所述的三軸加速度計(jì)設(shè)置在機(jī)器人殼體上并位于永磁同步電機(jī)X和永磁同步電機(jī)Y之間，還包括控制器，所述的控制器采用三核控制器，包括ARM、IRMCK203和DSP，所述的ARM、IRMCK203和DSP進(jìn)行相互通訊連接，所述的ARM和IRMCK203分別發(fā)出第一控制信號(hào)和第二控制信號(hào)，由所述的第一控制信號(hào)和第二控制信號(hào)分別控制所述的永磁同步電機(jī)Y和永磁同步電機(jī)X的信號(hào)合成之后再控制管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速天然氣管道機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的激光位移傳感器包括前方激光位移傳感器、左激光位移傳感器和右激光位移傳感器，所述的前方激光位移傳感器設(shè)置在機(jī)器人殼體正前方的中間位置，所述的左激光位移傳感器和右激光位移傳感器分別斜向設(shè)置在機(jī)器人殼體正前方的左右兩端。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速天然氣管道機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的同步帶采用兩軸六輪驅(qū)動(dòng)模式，是由一根內(nèi)周表面設(shè)有等間距齒的封閉環(huán)形履帶和相應(yīng)的帶輪所組成。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速天然氣管道機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的第...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張好明，朱利軍，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：江蘇若博機(jī)器人科技有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：江蘇;32