机械5

管道机器人运动控制系统的设计 摘要 在现代社会中，工农业中石油、天然气、排水等的运输为老百姓的生活质量提供了保障，而经济适用且成本较低的管道运输被大量应用；所以无论式城市还是农村的地下，都铺设了大量的管道，组成了及其庞大的管网系统。随着时间的流逝，数量庞大的管道必然会出现无法避免的管道老化、管道破损、管道变形等问题。为了保持运输的通畅，必须要对其进行维护或更换；那么通过传统人力方式对管道进行检修费时费力且成本高昂还可能对人的生命安全造成威胁；而管道检测机器人的出现为这一难题提供了有效的解决方案；因此，为避免管道机器人在管道内出现非正常工作情况，保持正常平稳运行，保证管道内部的实时情况能第一时间传输至地面，本文设计了一款以视频检测与激光扫描仪三维重建为一体的联合监控方式的管道检测机器人。设计了以地面监控系统、云台系统、机器人本体、云台升降机构组成的管道机器人的总体方案；建立起起以轮式为行走方式的运动模型，并对其进行运动学分析；确定了以PC作为上位机，下位机主芯片为STM32F103控制系统的PC+单片机的多控制器系统；最后对监控系统进行了了细致分析。 关键词：管道检测机器人，控制系统，监控系统 目录 摘要I 第一章绪论1 1.1研究背景及意义1 1.2国内外研究及发展现状2 1.2.1国外研究现状2 1.2.2国内研究现状4 第二章总体结构设计8 2.1系统方案的选择8 2.1.1行走机构8 2.1.2检测方式9 2.1.3电力供给方式9 2.1.4系统通讯方式10 2.2管道机器人总体组成10 2.2.1机器人本体10 2.2.2云台系统[20] 10 2.2.3云台升降系统[21] 10 2.2.4地面监控系统11 2.3管道机器人本体结构设计11 2.3.1驱动方式的选择11 2.3.2驱动机构的传动设计12 2.4本章小结13 第三章管道检测机器人的运动学分析14 3.1管道检测机器人运动学建模14 3.2管道机器人的约束分析19 3.2.1管道机器人结构参数计算19 3.2.2管道约束下机器人越障能力分析22 3.2.3管道环境下机器人所需牵引力分析24 3.3本章小结27 第四章控制系统设计28 4.1控制系统整体设计28 4.2控制系统的硬件设计29 4.2.1电机驱动系统的设计29 4.2.2主控芯片选型30 4.2.3电路设计33 4.3软件设计37 4.4本章小结39 第五章管道机器人检测系统的设计40 5.1检测系统的组成40 5.2视频检测40 5.3激光扫描仪检测40 5.3.1基于激光扫描仪管道三维重建的理论基础40 5.3.2管道三维重建的具体实现41 5.4本章小结48 总结与展望49 参考文献51 致谢53 附录附表54