CN103019262A - 管道检测机器人的控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了包括相互协调动作的主控箱、绞盘、爬行器、摄像头装置的一种管道检测机器人的控制系统和方法。该控制系统采用一主三从的通讯模式，其主控箱控制单元作为上位机发送命令，通过RS485串行通讯接口与下位机绞盘控制单元、爬行器控制单元和摄像头控制单元进行通讯。主控箱控制单元协调三个下位模块，爬行器控制单元实现管道检测机器人行走过程中位姿的实时控制，并把采集到的位置传感器数据返回给主控箱控制单元；绞盘控制单元控制绞盘电缆跟随爬行器的速度同步地进行收/放线操作，实现绞盘电缆和爬行器的同步运行；摄像头控制单元主要实现图像信息的采集。上位机和下位机协调动作，实现管道检测机器人完善的管道检测功能。

Description

管道检测机器人的控制系统和方法

技术领域

本发明涉及管道检测机器人的控制系统和方法，具体涉及上位机和下位机的通讯方式、爬行器和绞盘之间电缆保持恒张力的控制方法、爬行器保持直线行驶的控制方法。

背景技术

目前，大多数的管道检测机器人属于有缆机器人，靠电缆线来提供动力和能源，以及与上位机进行通信。管道检测机器人在前进时，可以由机器人本体来拉动电缆跟随机器人向前行走，但是在后退时，电缆收线就成了一个问题。如果机器人后退的速度大于绞盘回收电缆的速度，就会导致电缆线在管道中的缠绕，影响机器人在管道中的行走及其任务的执行。相反如果机器人后退的速度小于绞盘回收电缆的速度，造成电缆张力过大，机器人滑行，严重时有可能拉断电缆。为实现绞盘和机器人爬行器的同步收线，采用自动收放线的绞盘控制方法，保持绞盘与爬行器之间电缆张力恒定，是非常有必要的。

管道检测机器人的运动主要依赖于管内壁的环境条件，在管道的直径较大时，机器人会侧倾，甚至撞击管道内壁，易“搁浅”。当管道的内表面不平整时，按一般的控制方法，机器人运动困难。因此有必要对管道检测机器人增加智能自动纠偏算法，提高机器人对环境的自适应能力和运动的自主性。

发明内容

本发明的目的是提供一种管道检测机器人上位机和下位机的通讯方式、爬行器和绞盘之间电缆保持恒张力的控制方法、爬行器保持直线行驶的控制方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

管道检测机器人的控制方法，其特点是：整个系统的控制采用一主三从的通讯模式，作为上位机的主控箱控制单元通过RS485串行通讯接口与作为下位机的绞盘控制单元、爬行器控制单元、摄像头控制单元进行通信；主控箱控制单元协调三个下位模块，绞盘控制单元、爬行器控制单元、摄像头控制单元对所收到的命令进行解析，完成相应的操作。为了保证通信过程中命令传输的可靠性，设定从机的地址符，引入“三次会话机制”。

进一步地，上述的管道检测机器人的控制方法，所述爬行器控制单元由ATmega128单片机作为主控制器。采用两套电机和驱动器，由单片机的两个串口分别控制，爬行器控制单元在接收到主控箱控制单元发出的控制命令时可以执行前进、后退、左转、右转、加速、减速等运动，有基本的越障功能，并采用数字罗盘作为爬行器位姿检测传感器，监测爬行器行进时的俯仰角、倾斜角，便于及时调整位姿以防止发生侧倾，保证爬行器在管道内顺利行走。

更进一步地，上述的管道检测机器人的控制方法，采用有缆方式给爬行器和摄像头供电和通讯，所述绞盘控制单元作为下位机实现自动收放电缆的功能要求，选用ATmega128单片机为微处理器，通过监测绞盘电机驱动器电流数值，实时调整绞盘电机的速度，保证绞盘和爬行器之间电缆处于恒定张力状态。实现爬行器和绞盘同步收线。机器人在管道中行走的距离则需要通过光电编码器来检测绞盘电缆输出长度进而得知。

本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：

控制系统采用一主三从的通讯模式，实现了管道检测机器人的运动控制、摄像头控制、信息采集和报警等功能；实现了机器人电缆在保持恒定张力状态下自动收放线功能；实现了通过安装在绞盘上的光电编码器来检测绞盘电缆输出长度进而得知爬行器在管道中行走的距离；实现了对爬行器的行驶路线的自动纠偏功能。

根据本发明的一个方面，提供了一种管道检测机器人的控制系统，所述管道检测机器人包括主控箱控制单元、绞盘控制单元、爬行器控制单元，摄像头控制单元，

其特征在于包括：

作为上位机的主控箱控制单元，用于通过与作为下位机的绞盘控制单元、爬行器控制单元、摄像头控制单元进行通信，从而收发相关的信息和/或指令；

所述绞盘控制单元，用于控制绞盘电机的速度，从而保持绞盘和爬行器之间的电缆的恒定张力；

所述爬行器控制单元，用于实时检测爬行器运行时的位姿变化，并对位姿的偏离进行纠偏；

所述摄像头控制单元，用于实时把检测到的管道内情况以视频方式传输给外部视频播放设备，并可以对摄像头进行调焦控制。

根据本发明的另一个方面，提供了一种管道检测机器人的控制方法，所述管道检测机器人包括主控箱控制单元、绞盘控制单元、爬行器控制单元，摄像头控制单元，其特征在于包括：

用作为上位机的主控箱控制单元与作为下位机的绞盘控制单元、爬行器控制单元、摄像头控制单元进行通信，从而收发相关的信息和/或指令；

利用所述绞盘控制单元，控制绞盘电机的速度，从而保持绞盘和爬行器之间的电缆的恒定张力；

利用所述爬行器控制单元，实时检测爬行器运行时的位姿变化，并对位姿的偏离进行纠偏。

所述摄像头控制单元，用于实时把检测到的管道内情况以视频方式传输给外部视频播放设备，并可以对摄像头进行调焦控制。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的一主三从通讯模式的系统设置示意图。

图2是根据本发明的一个实施例的爬行器控制方法流程图。

图3是根据本发明的一个实施例的绞盘控制方法流程图。

图4是根据本发明的一个实施例的管道检测机器人控制系统结构示意图。

图5是根据本发明的一个实施例的管道检测机器人的总体外观图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明。

图5是根据本发明的一个实施例的管道检测机器人的总体外观图，其中，根据该实施例的管道检测机器人包括主控箱501、绞盘502、爬行器503、摄像头装置504。

如图4所示，根据本发明的一个实施例的管道检测机器人包括主控箱控制单元1、绞盘控制单元2、爬行器控制单元3、摄像头控制单元4，各部分协调动作。整个系统的控制是一主三从的通讯模式。主控箱控制单元实时根据按键扫描模块、控制绞盘/爬行器用摇杆、控制摄像头用摇杆所触发的命令，协调三个下位模块，完成爬行器运行控制、智能收/放电缆和管道信息的采集，从而实现管道检测机器人完善的管道检测功能。爬行器控制单元实现管道检测机器人行走过程中位姿的实时控制，并把通过电子罗盘采集到的位置传感器数据返回给主控箱控制单元；绞盘控制单元根据按钮扫描模块所触发的命令确定绞盘处于手动或自动状态，在不同状态下，配合使用离合器的通断，控制位于绞盘卷线盘上的电缆跟随爬行器的速度同步地进行收/放线操作，实现绞盘电缆和爬行器的同步运行，通过卷线盘上的光电编码器可以测量输出电缆的长度；摄像头控制单元通过控制轴向旋转电机和俯仰旋转电机带动摄像头进行轴向和俯仰旋转，实现管道内多方位图像信息的采集，通过调焦模块控制摄像的距离。

管道检测机器人以主控箱控制单元作为上位机发送命令，通过RS485串行通讯接口与下位机绞盘控制单元、爬行器控制单元和摄像头控制单元进行通讯，绞盘控制单元、爬行器控制单元、摄像头控制单元对所收到的命令进行解析，完成相应的操作。爬行器在管道内运行时，通过控制绞盘电机驱动器电流的大小调节绞盘电机的速度。实时监测绞盘电机驱动器反馈电流值和调整预设电流值，保持绞盘和爬行器之间的电缆保持恒张力。通过安装在爬行器上的电子罗盘实时检测爬行器运行时的位姿变化。位姿变化超过一定数值时，采用纠偏算法调整左、右轮电机速度，进行纠偏，使爬行器保持直线行驶并防止发生侧倾。

通讯模式：如图1所示，根据本发明的一个实施例的管道检测机器人的控制系统采用一主三从的通讯模式，主控箱控制单元作为上位机，绞盘控制单元、爬行器控制单元和摄像头控制单元作为下位机。上位机通过RS485串行通讯接口与下位机通信，为了保证通信过程中命令传输的可靠性，设定从机的地址符，引入“三次会话机制”。即每次通信时，主控箱控制单元发送命令信号后，相应下位机执行命令并发送“回应信号”，当主控箱控制单元接收到“回应信号”后，认为下位机已执行完当前命令，一次通信顺利结束，再等待进行下一次通信。当没有正确接收“回应信号”时，主控箱控制单元再发一次当前的命令，然后判断是否收到“回应信号”，直至第三次发送命令，若仍未收到“回应信号”，重发三次失败后，放弃通信，并启动通信报警任务。

根据本发明的一个实施例的管道检测机器人的爬行器控制方法如图2所示，当下位机爬行器初始化（步骤S201）之后，等待接收主控箱控制单元的命令。当接收到命令（步骤S203）后，爬行器控制单元对其进行解析（步骤S205），确定左、右轮速度（步骤S207）并开始运行。当爬行器在管道内直线行驶时，安装其上的电子罗盘实时检测爬行器的倾斜角状态（步骤S211），并按照三种情况进行判定（步骤S213）：

1）当倾斜角处于正常范围内，保持原左、右轮速度行驶（步骤S215）；

2）当左侧高于右侧时，为防止爬行器发生左倾，调整左轮速度，使左轮速度大于右轮速度，直至倾斜角处于正常范围内，左侧高度与右侧高度相同时，恢复原左轮速度（步骤S217）；

3）当右侧高于左侧时，为防止爬行器发生右倾，调整右轮速度，使右轮速度大于左轮速度，直至倾斜角处于正常范围内，右侧高度与左侧高度相同时，恢复原右轮速度（步骤S219）。

通过以上三种情况的不同处理方式，确保爬行器在管道内保持直线行驶并防止发生侧倾。

根据本发明的一个实施例的管道检测机器人的绞盘控制方法如图3所示，当下位机绞盘初始化之后，离合器闭合（步骤S301），防止意外放线。绞盘控制单元通过按钮扫描模块判断处于自动或手动状态（步骤S303），若绞盘处于手动状态，当按下收线按钮时绞盘电机以电位器设定的电流值进行转动，卷线盘开始收线（步骤S305）；当按下放线按钮，离合器脱开，通过人工拉出电缆线，实现绞盘的放线功能（步骤S307）。

若绞盘处于自动收线状态，接收主控箱控制单元的命令并进行解析（步骤S309），并判定是前进还是后退命令（步骤S311）。如为前进指令，离合器脱开，爬行器以主控箱设定的速度前进（步骤S313），同时拖拽卷线盘放线。若收到的是后退指令，绞盘电机以初始设定电流对应的速度通过减速机构带动卷线盘收线（步骤S315），同时定时查询绞盘电机驱动器反馈的电流值（步骤S317）;当电机正常运转时，反馈电流值小于初始设定电流值，表示电缆线还未绷紧，绞盘电机带动卷线盘继续收线（步骤S315）。当反馈电流值大于初始设定电流值时，表示电缆线绷紧，下位机绞盘控制单元给上位机主控箱反馈信号，主控箱收到信号后给爬行器发送倒退的指令，绞盘电机则以电位器设定电流值对应速度通过减速机构带动卷线盘收线，同时爬行器以主控箱设定的速度后退（步骤S319）。在后退过程中，定时查询绞盘电机驱动器反馈的电流值（步骤S321）；当反馈电流值与电位器设定电流值之差在一定范围之内时，表示电缆线已绷紧，绞盘电机速度不变（步骤S323）；当反馈电流值与电位器设定电流值之差大于一定值时（步骤S325），表示电缆线张力过大，绞盘电机减速运行（步骤S327），直至差值稳定在正常范围之内；当反馈电流值与电位器设定电流值之差小于一定值时（步骤S329），表示电缆线未绷紧，绞盘电机加速运行（步骤S331），直至差值稳定在正常范围之内。

根据本发明的一个实施例，绞盘通过安装其上的光电编码器检测绞盘电缆输出长度，进而确定爬行器在管道中行走的距离。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (10)

1.管道检测机器人的控制系统，所述管道检测机器人包括主控箱控制单元（1）、绞盘控制单元（2）、爬行器控制单元（3），摄像头控制单元（4），

其特征在于包括：

作为上位机的主控箱控制单元，用于通过与作为下位机的绞盘控制单元、爬行器控制单元、摄像头控制单元进行通信，从而收发相关的信息和/或指令；

所述绞盘控制单元，用于控制绞盘电机的速度，从而保持绞盘和爬行器之间的电缆的恒定张力；

所述爬行器控制单元，用于实时检测爬行器运行时的位姿变化，并对位姿的偏离进行纠偏；

所述摄像头控制单元，用于实时把检测到的管道内情况以视频方式传输给外部视频播放设备，并可以对摄像头进行调焦控制。

2.根据权利要求1的控制系统，其特征在于

所述绞盘控制单元通过控制绞盘电机驱动器电流的大小从而调节绞盘电机的速度，并通过实时监测绞盘电机驱动器反馈电流值和调整预设电流值而保持绞盘和爬行器之间的电缆保持恒张力；

所述爬行器控制单元通过安装在爬行器上的电子罗盘，实时监测爬行器运行时的位姿变化，并当位姿变化超过一定数值时采用纠偏算法进行纠偏，从而使爬行器保持直线行驶并防止发生侧倾。

3.根据权利要求1的控制系统，其特征在于所述爬行器控制单元用于执行以下操作：

根据主控箱控制单元的命令，确定左、右轮速度（步骤S207），

利用所述电子罗盘实时检测爬行器的倾斜角状态（步骤S211），并按照三种情况进行判定（步骤S213）：

－当倾斜角处于正常范围内，保持原左、右轮速度行驶（步骤S215）；

－当左侧高于右侧时，调整左轮速度，使左轮速度大于右轮速度，直至倾斜角处于正常范围内，恢复原左轮速度（步骤S217），从而防止爬行器发生左倾，；

－当右侧高于左侧时，调整右轮速度，使右轮速度大于左轮速度，直至倾斜角处于正常范围内，恢复原右轮速度（步骤S219），从而防止爬行器发生右倾。

4.根据权利要求1的控制系统，其特征在于所述摄像头控制单元用于执行以下操作：

根据主控箱控制单元的命令，所述摄像头控制单元对摄像头进行调焦控制。

根据主控箱控制单元的命令，所述摄像头控制单元通过控制轴向旋转电机和俯仰旋转电机进而带动摄像头进行轴向旋转和俯仰旋转，实现多方位观测管道内情况，

且其中

作为上位机的主控箱单元发送命令信号后，相应下位机绞盘控制单元、爬行器控制单元、摄像头控制单元执行命令并发送“回应信号”，当主控箱单元接收到“回应信号”后，认为该下位机已执行完当前命令，一次通信顺利结束，再等待进行下一次通信，当没有正确接收“回应信号”时，主控箱再发一次当前的命令，然后判断是否收到“回应信号”，直至第三次发送命令，若仍未收到“回应信号”，重发三次失败后，放弃通信，并启动通信报警任务。

5.根据权利要求2的控制系统，其特征在于所述绞盘控制单元包括按钮扫描模块，并用于执行以下操作：

当下位机绞盘初始化之后，离合器闭合（步骤S301），防止意外放线；

通过所述按钮扫描模块判断绞盘是处于自动还是手动状态（步骤S303），

当判定绞盘处于自动收线状态时，接收主控箱控制单元的命令并进行解析（步骤S309），并判定是前进还是后退命令（步骤S311）；如判定收到的命令为前进指令，使离合器脱开，从而爬行器以主控箱设定的速度前进（步骤S313），同时拖拽卷线盘放线；若判定收到的命令是后退指令，则控制绞盘电机以初始设定电流对应的速度通过减速机构带动卷线盘收线（步骤S315），同时定时查询绞盘电机驱动器的反馈电流值（步骤S317）;

当所述反馈电流值小于初始设定电流值，使绞盘电机带动卷线盘继续收线；当反馈电流值大于初始设定电流值时，给上位机主控箱反馈信号，从而使主控箱控制单元收到信号后给爬行器发送倒退的指令，绞盘电机则以电位器设定电流值对应速度通过减速机构带动卷线盘收线，同时爬行器以主控箱设定的速度后退（步骤S319）；

在爬行器的所述后退过程中，定时查询绞盘电机驱动器的反馈电流值（步骤S321）；当该反馈电流值与电位器设定电流值之差在一定范围之内时，保持绞盘电机速度不变（步骤S323）；当反馈电流值与电位器设定电流值之差大于一定值时（步骤S325），使绞盘电机减速运行（步骤S327），直至差值稳定在正常范围之内；当反馈电流值与电位器设定电流值之差小于一定值时（步骤S329），使绞盘电机加速运行（步骤S331），直至差值稳定在正常范围之内。

6.管道检测机器人的控制方法，所述管道检测机器人包括主控箱控制单元（1）、绞盘控制单元（2）、爬行器控制单元（3），摄像头控制单元（4），其特征在于包括：

用作为上位机的主控箱控制单元与作为下位机的绞盘控制单元、爬行器控制单元、摄像头控制单元进行通信，从而收发相关的信息和/或指令；

利用所述绞盘控制单元，控制绞盘电机的速度，从而保持绞盘和爬行器之间的电缆的恒定张力；

利用所述爬行器控制单元，实时检测爬行器运行时的位姿变化，并对位姿的偏离进行纠偏。

所述摄像头控制单元，用于实时把检测到的管道内情况以视频方式传输给外部视频播放设备，并可以对摄像头进行调焦控制。

7.根据权利要求6的控制方法，其特征在于进一步包括

利用所述绞盘控制单元，通过控制绞盘电机驱动器电流的大小从而调节绞盘电机的速度，并实时监测绞盘电机驱动器反馈电流值和调整预设电流值，从而保持绞盘和爬行器之间的电缆保持恒张力；

利用所述爬行器控制单元，通过安装在爬行器上的电子罗盘，实时检测爬行器运行时的位姿变化，并当位姿变化超过一定数值时采用纠偏算法进行纠偏，从而使爬行器保持直线行驶并防止发生侧倾。

8.根据权利要求7的控制方法，其特征在于包括利用所述爬行器控制单元执行以下操作：

根据主控箱控制单元的命令，确定左、右轮速度（步骤S207），

利用所述电子罗盘实时检测爬行器的倾斜角状态（步骤S211），并按照三种情况进行判定（步骤S213）：

－当倾斜角处于正常范围内，保持原左、右轮速度行驶（步骤S215）；

－当左侧高于右侧时，调整左轮速度，使左轮速度大于右轮速度，直至倾斜角处于正常范围内，恢复原左轮速度（步骤S217），从而防止爬行器发生左倾，；

－当右侧高于左侧时，调整右轮速度，使右轮速度大于左轮速度，直至倾斜角处于正常范围内，恢复原右轮速度（步骤S219），从而防止爬行器发生右倾。

9.根据权利要求7的控制方法，其特征在于：

根据主控箱控制单元的命令，所述摄像头控制单元对摄像头进行调焦控制。

根据主控箱控制单元的命令，所述摄像头控制单元通过控制轴向旋转电机和俯仰旋转电机进而带动摄像头进行轴向旋转和俯仰旋转，实现多方位观测管道内情况，

且其中

作为上位机的主控箱单元发送命令信号后，相应下位机绞盘控制单元、爬行器控制单元、摄像头控制单元执行命令并发送“回应信号”，当主控箱单元接收到“回应信号”后，认为该下位机已执行完当前命令，一次通信顺利结束，再等待进行下一次通信，当没有正确接收“回应信号”时，主控箱再发一次当前的命令，然后判断是否收到“回应信号”，直至第三次发送命令，若仍未收到“回应信号”，重发三次失败后，放弃通信，并启动通信报警任务。

10.根据权利要求8的控制方法，其特征在于所述绞盘控制单元包括按钮扫描模块，且该方法包括利用所述绞盘控制单元执行以下操作：

当下位机绞盘控制单元初始化之后，离合器闭合（步骤S301），防止意外放线；通过所述按钮扫描模块判断绞盘是处于自动还是手动状态（步骤S303），

当绞盘控制单元判定处于自动收线状态时，接收主控箱控制单元的命令并进行解析（步骤S309），并判定是前进还是后退命令（步骤S311）；如判定收到的命令为前进指令，使离合器脱开，从而爬行器以主控箱控制单元设定的速度前进（步骤S313），同时拖拽卷线盘放线；若判定收到的命令是后退指令，则控制绞盘电机以初始设定电流对应的速度通过减速机构带动卷线盘收线（步骤S315），同时定时查询绞盘电机驱动器的反馈电流值（步骤S317）;

当所述反馈电流值小于初始设定电流值，使绞盘电机带动卷线盘继续收线；

当反馈电流值大于初始设定电流值时，给上位机主控箱控制单元反馈信号，从而使主控箱控制单元收到信号后给爬行器发送倒退的指令，绞盘电机则以电位器设定电流值对应速度通过减速机构带动卷线盘收线，同时爬行器以主控箱控制单元设定的速度后退（步骤S319）；

在爬行器的所述后退过程中，定时查询绞盘电机驱动器的反馈电流值（步骤S321）；当该反馈电流值与电位器设定电流值之差在一定范围之内时，保持绞盘电机速度不变（步骤S323）；当反馈电流值与电位器设定电流值之差大于一定值时（步骤S325），使绞盘电机减速运行（步骤S327），直至差值稳定在正常范围之内；当反馈电流值与电位器设定电流值之差小于一定值时（步骤S329），使绞盘电机加速运行（步骤S331），直至差值稳定在正常范围之内。

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