1、.河南科技学院新科学院2013届本科毕业论文（设计）管道探伤机器人的设计电气控制系统 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 完成时间：2013年5月10日管道探伤机器人的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的发展情祝，对管道机器人的控制方式进行了分析，并简单介绍了管道机器人的工作原理、结构特点及各自的发展过程。最后结合我国石油工业发展的具体情脱，给出了管道机器人在油气输送管道、油气井及其他管道中的应用前景。关键词：管道，探伤，控制系统，机器人The des
2、ign of pipeline inspection robotElectrical control systemAbstractThis 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. Th
3、e 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11概述11.1开展管道探伤机器人研究的意义11.2管道探伤机器人的技术发展11.3管道检测机器人的研究现状22管道探伤机器人的整体介绍22.1移动控制系统32.2探伤系统42.3补漏控制系统42.4遥控系统53控制系统设计53.1运动控制系统53.
4、1.1机器人驱动电机的选型63.1.2运动控制实现方式63.2探伤系统控制73.2.1超声波探伤技术原理73.2.2 驱动电路设计83.3补漏系统的电气控制设计83.4遥控系统103.4.1发射器的设计103.4.2接收机的设计113.4.3完整的电机驱动与控制硬件设计114控制系统软件设计124.1 转向控制程序设计124.2 位置控制程序设计135经济性分析报告146结论15参考文献16致谢17附录18绪论 机器人是一种自动化的机器，具备一些与人或生物相似的能力，如感知、规划、运动及动作能力的协作等，机器人技术被视为20世纪人类最伟大的发明之一。自20世纪60年代工业机器人问世以来，随着社
5、会的进步和科学技术的迅猛发展，特别是在信息技术、控制理论等学科迅速发展的支持下，机器人的种类日益繁多，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的极限环境中都能找到机器人的应用。可以说，现代机器人技术己经突破了传统的工业机器人的范畴，逐步转向应用于各种特殊情况的特种机器人技术。1 概述1.1 开展管道探伤机器人研究的意义管道探伤机器人是针对油、气等输送管道的检测、喷涂、接口焊接、异物清理等维护检修作业所研制的一种特种机器人，己综合了智能移动载体技术和管道缺陷无损检测技术。这类机器人能进入人所不及、复杂多变的非结构管道环境中，通过携带的无损检测装置和作业装置，
6、对工作中的油气管逆进行在役检测、清理、维护，以保障管逆的安全和畅通无阻地工作。由于管道检测机器人实施的是管道内检测技术，它还能够方便地获取、传输、存储管进内的视频影像数据，作为分析判断管道内壁腐蚀状祝、几何形状异常、堵塞、断裂、泄漏的重要依据，并可利用机器人自身精确的定位系统对缺陷进行定位，通过携带的检测装置对关键部位实施进一步的定量检测。这一技术特点，使得在对穿越河流、铁路、道路的特殊管道或埋地管迈的重要部位进行有选择的检测时，管述检测机器人具有独特的优势。1.2 管道探伤机器人的技术发展自工业机器人问世以来，机器人的种类日益繁多、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
7、人体所不能承受的极限环境条件一下都能找到机器人的应用。管道机器人的研制，开发与其他微电子机械系统一样，涉及的而很广，不仅需要新概念，新理论而且还需新材料，新工艺。已是真正机、电、光、磁等一体化的开始，因而机器人技术作为微电子机械技术的一个重要组成部分，为许多领域的应用研究开拓了道路，是当前世界上有极好前景的科技领域之一。对于那些人类无法进入的危险区域，如核动力工厂和石油化工厂的大量管道的探伤和维修都十分需要管道机器人。在这种情况下，研发一种切实可行的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。人们认识到超声和国内的
8、管道在线检测技术大部分也应用了“管道猪”。近些年来，我国也开始对带自主动力的机器人进行研究。1.3管道检测机器人的研究现状近年来，随着计算机技术的广泛普及和应用，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。通常情况下，涂层破损、失效处下方的管道同样受到腐蚀，管道外检测技术的目的是在检测涂层及阴极保护有效性的基础上，通过挖坑检测，达到检测管体腐蚀缺陷的目的，对于日前大多数布局内的管道是十分有效的。管道内检测技术主要用于发现管道内外腐蚀、局部变形及焊缝裂纹等缺陷，也可间接判断涂层的完好性。 当前我国管道的维护绝大多数情况下还是靠人工来完成。传统的管道维护方式是依靠维
9、修人员进入管道，用目测的方式检杳管道的破损。但是在很多情况下，人工检测方式存在很多缺点，比如对于直径较小的管道人无法进入，也就无法现其中的破损;管道内环境恶劣，经常充斥着大量对人体有害的气体，给进入管道的维修人员带来很大的安全威胁;人工检测速度慢、效率低、需要投入大量的人力等等。 在人工检测方式存在诸多缺点的情祝下，研发一种自动化的管道检测设各成为国家发展的需要。在国外一些发达国家，管道检测机器人已经诞生并投入使用，已经成为一个技术较为成熟、商品化的设各，但价钱昂贵。在我国，这方而的研究作起步较晚，这也是我国国情决定的，日前国内还没有成型的、商品化的产品问世从我国国情出发，随着管道维护工作的不
10、断加强，无论从检测的自动化和标准化考虑，还是从减轻工人劳动强度、节省时间、扩大作业范围考虑，研究一种可以自动检测管道故障的机器人系统都具有重要的意义。2管道探伤机器人的整体概述管逆检测机器人系统的总体设计直接影响到机器人的使用性能和工作效率等方面，需要以系统全面的观点来进行综合考虑，争取以最少的周期、最低的成本达到规定的设计要求。考虑到通信、能源供给的可靠性，本文的管道探伤式。系统的工作原理: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行，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收装置，接收装置用数据线与PC相连，PC实时接收数据并且担任分析信号任务。这
11、样运行下去直到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的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收装置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主要由移动系统、探伤系统、补漏系统，遥控系统等组成，下面对其作简要概述。2.1移动控制系统概述 动力和运动是可以相互转换的，从这个意义上来讲，电动机是最常用的运动源:运功控制的最有效方式就是对运动源的控制。 电机控制技术采用微处理器等现代控制手段构成的数宇控制系统已成为主流控制方法。各种电机的控制技术和微电子技术的结合正逐步使其发展成为门新的技术。由于有微处理器和传感器作为新一代运动控制系统的组成部
12、分，即该运动控制系统又称智能运动控制系统。图2 驱动部分整体结构2.2探伤系统概述 目前，在管道机器人探伤系统中，国外主要采用的蜂窝式检测头，其最多可载有500多个超声探头。各个超声探头直接向管壁发射宽频超声波，又直接接收反射波。这种机器人的内部还设有摆锤及自动调节机构，以免机器人在行进的过程中发生白身的偏转，这种检测方法叫静态超声波检测。我们采用的是动态检测，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的流动作旋转探测。相比较而一言，动态检测的优点是:成本低，检测全而，易于采用。图3 探伤检测部分结构2.3补漏控制系统概述补漏系统主要是设计由步进电机驱动机械手的控制系统，提出一
13、种上位机与单片机之间的通信协议，可力便地对机械手进行实时控制，利用可编程计数器自动生成脉冲，实现了多个步进电机的同步控制，整个控制系统结构简单可靠。图4 补漏系统的机械结构2.4遥控系统概述在机器人研究领域，常常涉及到遥控方案的研究.作为机器人的重要组成部分，遥控系统工作的可靠性直接关系到机器人研究的成败。在目前的机器人遥控方案中，经常采用无线电数据传输的方式来实现遥控功能。本文给出了基于PT2262/PT2272的机器人遥控系统的设计，该设计方案具有较高的可靠性和实用性。，单片机具有开发简单、价格低廉等特点，非常适用于无线控制系统中。在该系统中，PT2262的功能是以4位一组的方式将已经过单
14、片机编码的控制命令并行发送出去，PT2262把4位串行信号变为并行信号，这样可以适当协调硬件与软件的复杂程度，从而着重于实现信号的无线传输，所以系统结构图如图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收装置 发射装置 接收装置图5 遥控系统结构3控制系统设计3.1运动控制系统 动力和运动是可以相互转换的，从这个意义上来讲，电动机是最常用的运动源，运动控制的最有效方式就是对运动源的控制。因此，一般通过对电机的控制来实现系统的运动控制。移动机器人的控制系统是机器人系统的执行机构，对系统平稳运行起着重要作用，有时可以作为一个简单的控制制器。构成机器人运动控制系统的要素有:计算机硬件系统及
15、控制软件、输入/输出设备、驱动器、传感器系统，它们之间的关系如图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机器人驱动电机的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的电动机，以及实现直线运动的直线电机。目前在机器人的运动控制中，较为常用的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的自动控制系统的执行机构，得到越来越广泛的应用，进入了一些高、精、尖的控制领域。步进电机虽然有一些不足，如启动频率过高或负载过大时易出现失步或堵转，停止时转速过高易出现过冲，且一般无过载能力，行往需要
16、选取有较大转矩的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，能够在负载力矩适当的况下，以较小的成本与复杂度来实现电机的同步控制。综合考虑控制要求、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运动控制实现方式目前，对电机控制系统方式主要有以模拟电路硬接线方式建立的运动控制系统，以微控制器为核心的运动控制系统和利用专用芯片控制的运动系统。由于本文设计的机器人趋于微型化，因此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。步进电机的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
17、旋转方向与转速等的控制装置、将来自控制装置的信号转换为脉冲的脉冲发生器以及对各绕组顺序分配脉冲电流的驱动电路等组成。 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集成芯片构成的驱动电路。采用专用的脉冲分配器集成电路TD6280具有电路简单，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的脉冲分配器芯片，它具有步进电机控制器的多种功能的集成电路。由TD62803P集成芯片构成的驱动电路如图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
18、进管壁厚度进行检测。超声波检测是日前应用最为广泛的一种无损检测方法，具有灵敏度高、穿透力强、探伤灵活、效率高、成本低。在役石油管道的受蚀缺陷主要是管壁的受蚀减薄，用超声检测技术来探测管道壁厚的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的驱动电路设计中，最常用的是分立元件构成的驱动电路和专用的混合集成驱动电路。分立元件构成的驱动电路结构简单，成本低，适用于低频小功率驱动， 因此，在本设计中，选用了电路结构简单，成本较低的分立元件驱动电路。电路原路图如图10所示:图10 驱动原理图3.3补漏系统的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
19、、左右900旋转、前后伸缩、夹紧松开等功能、由于在一些简单的机械手应用或教育机械手设备中，经常采用步进电机进行开环控制，以降低控制难度，节约成本，因此通过单片机控制步进电机驱动机械手的研究也较虽然由单片机控制步进电机的方案较多。本文主要研究了补漏系统的实时在线控制问题以及多个步进电机的同步控制问题,提出了一种上位机与单片机之间串口通信方案，根据其运动情况实时修改控制指令，改变其运动路径;利用可编程计数器实现脉冲信号发生器的功能，从而可实现多个步进电机的同步控制，水平方向和垂直方向运动分别由两个步进电机驱动,控制任务是上位机根据预定任务对补漏系统中末端执行器的运动路径进行规划，并将末端执行器的运
20、动分解成两个步进电机的运动。要设计其控制方案,首先由上位PC机向单片机发送控制指令代码，通过单片机对代码的分析，还原出对步进电机转动方向、速度、角度等参数的控制要求，然后由单片机向可编程计数器82C53T发送控制字，以改变82C53T产生脉冲的启停或频率，从而控制步进电机控制芯片L297产生的步进电机驱动脉冲信号，进而控制电机的启停和速度，或者单片机直接控制L297以完成电机转向、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 为了解决单片机同时控制多个步进电机的问题，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的多路脉冲，从而实现多个
21、步进电机的同步控制,整个控制电路由1块AT89C51, 1块82C53T, 2块L297, 2块L298N及相关电路组成，其中可编程计数器82C53T工作在工作方式通过单片机控制字的写入产生连续的方波脉冲，再由该芯片的两个输出端OUT1和OUT2分别提供给两组L297的CLOCk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驱动器组成的步进电机控制电路具有以下优点:使用元件少，组件的损耗低，可靠性高，体积小，软件开发简单，并且计算机(或单片机)硬件费用大大减少。相关驱动电路如图13所示。 图13 步进电机的驱动控制电路3.4遥控系统3.4.1发射器
22、的设计 基于PT2262-RF集成块构成的无线发送电路的原理图如图14所示。图中芯片的VDD是通过按键接通后向PT2262供电，电路由指令的产生、编码和发送三个部分组成。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D5DO中与按下的键相连的那个引脚变为高电平，这时的数据码就不再是000000该数据码送芯2262中被编码，其后，信号由Dout引脚送经指令发送部分处理后，由天线发射出去。图14 遥控发射机电路原理图3.4.2接收机的设计 遥控接收机是安装在遥控装置上用来接收无线电信号的。接收机一般由接收电路、放大电路、解调电路、指
23、令译码电路、驱动电路和执行电路几部分组成。接收电路将发射器发射的已调制的编码指令信号接收下来，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的操作。接收机一般都要与发射机配套使用，通常使用专用的电池组或使用12伏直流电源供电。基于2272芯片组成的无线遥控接收电路的原理图如图15所示;接收机的电路分为三个部分，一是从空中接收到指令信号，井通过谐振电路将信号滤出:二是将滤出的信号，即解调出来的编码信号进行前级放大，以保证输入PT2272的信号幅度够大;最后是指令信号的译码和输出电路，该输出和发射
24、机的发射指令相对应。接收机的8路输出，分别作为驱动机器人移动的前进信号，后退信号，左转弯信号、右转弯信号。图15 遥控接收机电路原理图因为遥控接收机要控制电机的正反转，从而才能控制机器人的移动，所以有两个H桥与接收机相连。首先，某一个行走指令，如前进，只能让接收机的一路输出引脚变为高电平;但如果要让机器人行走的话，要让两个电机同时工作，最简便的办法是用有2对常开触点的继电器来控制。其次，接收机和单片机的输出电流相对较小。所以在控制H桥的控制端时要有一个放大环节。我们利用驱动芯片ULN2003AN进行信号的放大。3.4.3完整的电机驱动与控制硬件设计整个电路的驱动与控制包括了遥控接收机、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的继电器含有2对常开常闭触头，而且图中有4个继电器，用来控制4个驱动电机，从而能实现前进、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部分主要是对
