CN111208810A - 一种城市排水管道检测机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种城市排水管道检测机器人。包括对管道中环境进行实时检测以及反馈监测信息数据。通过携带的CCD摄像机将排水道环境显示在工作平台上的LED液晶显示器，完成对管内环境和机器人状况的检查。系统主要包括机械本体、收放线和可视装置、控制系统。机械本体主要构成硬件模块，分布于机器人各个部位。收放线和可视装置利用机器人拍摄并反馈回的画面进行收放线缆。控制系统分为上位机和下位机，两者内部相互连接通信，下位机传感器装置随时监测机器人工作状态并将检测到的信息传递给上位机，上位机处理信息后发送电机驱动命令，最终实现及时调整机器人行走或倾斜角度等功能。本产品操作方便，消耗低，符合节能减排的理念。
Description
技术领域
本发明涉及一种城市排水管道检测机器人，尤其是能检测管道液体、气体泄漏的机器人。包括自主检测机器人工作环境和管道状况。通过对管道中环境的检测，把监测采集到的信息发送到上位机，工作人员对传感器传回的信号进行分析，上位机接受工作人员对机器人的操控命令，控制管道机器人的行走速度，转弯及姿态的调整，以及对摄像头俯仰角度的调整控制和照明灯的亮度调整控制，为工作人员提供了便利。
背景技术
目前，随着现代交通、能源、石油、化工、城市建设的高速发展，煤气、自来水、给排水工程、石油化工生产系统等管道的铺设长度也急剧增长。管道系统在输送各种液体和气体物质时，由于受到工作介质与环境等其它因素的影响，造成很多管道内部结垢、腐蚀情况严重，严重的影响了管道的正常运行，为管道事故的发生埋下了隐患。许多管道在服役运行期间发生了液体、气体泄露事故等，对经济造成了巨大的损失。为此必须对管道进行定期检查和维修，当管道出现故障时，只能用人工的方式摸排对管道检测，使对管道的维护相当费力，管道中的废水和空气对人体有害，同时存在工作人员的工作安全隐患。采用人工开掘进行检测，不但劳动强度大、效益低，而且往往会妨碍道路交通。
在现在社会的发展中，集成自动化、机械、人工智能计算机等高新尖端科技的机器人将成为推动“工业4.0”进程的重要力量。城市排水管道检测机器人符合“工业4.0”时代背景，工作人员通过对传感器传回的信号进行分析，对机器人上位机发出操控指令，实现对机器人的调整控制。排水管道检测机器人的运用使信息被智能化处理分析也避免了经济损失，增加了检测精度，减轻了工作人员的工作量。并且它的高工作效率降低了劳动强度和维护成本，节约了水和人力资源。
发明内容
为了克服传统的人工管道检测摸排方式的不足，本发明提供了一种城市排水管道检测机器人，用于对管道的环境监测，并且携带检测装备，在工作人员的远程操控下对排水管道内的环境进行摄像并将摄像视屏传送到管道外部，使工作人员清晰的看到管道内的情况，便于能够更好的进行管道维护。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种城市排水管道检测机器人，系统采用模块化设计，主要包括机械本体，控制系统，收放线装置和可视装置。也可以根据工作所在区域位置的不同分为机器人本体和工作平台两个部分。其中机器人本体包括：机械本体、控制系统、CCD摄像机、LED照明装置；工作平台包括：控制柜、LCD液晶显示器、电缆绞车。当机器人开始工作时，把机器人放到排水管道入口处，在工作平台的控制下让机器人进入管道开始作业。工作平台放到地面上对机器人进行控制。收放线装置根据机器人在排水管道内的运动状况进行收放线缆。CCD摄像机拍摄排水管道内机器人的工作环境，通过LCD液晶显示器在工作平台显示，使工作人员可以对机器人工作环境监督和管道内的状况进行检查。其特征在于所述的机器人本体机构采用轮式移动和四轮驱动配置方式，两侧轮子转速分别用两个 MaxonRE40直流驱动电机；管道机器人的云台升降系统采用四杆升降，机器人有一个用螺栓把底座安装在云台上的手动升降机构，用来调整摄像头和照明装置的高度；所述的CCD摄像头配有一个舵机，用来调整CCD摄像头俯仰角度云；所述的电缆是由动力线和信号线组成的一种具有一定强度的复合型电缆；所述的收放线装置对电缆的收放与机器人的行走同步一致。
本发明的有益效果是，可以利用对传感器传回信号的分析实现对机器人的操控，提高了排水管道检测的准确性和方便性，使工作人员能够更好的进行管道维护，节约维护时间和降低维护成本，提高了检测效率，解放了劳动力，有广泛的应用价值和市场前景。
附图说明
图1是系统设计方框图
图2是系统上位机控制流程图
图3是系统下位机控制流程图
具体实施方式
下面结合附图给出具体实施例，进一步说明本发明是如何实现的。
在图1中，一种城市排水管道检测机器人，系统采用模块化设计，主要包括械本体，控制系统，收放线装置和可视装置。也可以根据工作所在区域位置的不同分为机器人本体和工作平台两个部分。其中机器人本体包括：机械本体，控制系统，CCD摄像机，LED照明装置；工作平台包括：控制柜，LCD液晶显示器，电缆绞车。当机器人开始工作时，把机器人放到排水管道入口处，在工作平台的控制下让机器人进入管道开始作业。工作平台放到地面上对机器人进行控制。收放线装置根据机器人在排水管道内的运动状况进行收放线缆。CCD摄像机拍摄排水管道内机器人的工作环境，通过LCD液晶显示器在工作平台显示，使工作人员可以对机器人工作环境监督和管道内的状况进行检查。其特征在于所述的机器人本体机构采用轮式移动和四轮驱动配置方式，两侧轮子转速分别用两个MaxonRE40直流驱动电机；管道机器人的云台升降系统采用四杆升降，机器人有一个用螺栓把底座安装在云台上的手动升降机构，用来调整摄像头和照明装置的高度；所述的CCD摄像头配有一个舵机，用来调整CCD摄像头俯仰角度云；所述的电缆是由动力线和信号线组成的一种具有一定强度的复合型电缆；所述的收放线装置对电缆的收放与机器人的行走同步一致。
在图1中，所述的电源模块，采用一种AC-DC理想转换电路，管道机器人采用直流电源供电的模式，但是日常作业中提供的电源电压是220V交流电，所以要对交流电源转化为直流电源，这个转化过程要通过整流电路来完成。AC-DC电路主要是由Buck电路和Boost电路组合实现的，可以将交流电压或者直流电压转换成所需要的直流电压。将220V交流电压转化为驱动电机需要的24V直流电压，再将24V直流电压通过转换电路转换为12V直流电压供给 LED照明装置和舵机使用，转换成_5V直流电压供给单片机ATmegal6使用。由于电机、LED 大灯、单片机和舵机等一般同时工作，所以消耗功率较大，同样需要输出功率也较大，那么电压转换电路中的稳压芯片会出现发热的情况，有时甚至会烧毁转换电路，我们要选择安全可靠的电源转换模块。220V交流电压转24V直流电压转换选用MAF50-220S24N，24V直流电压转换12V直流电压选用WD20-24S12，24V直流电压转换5V直流电压选用WD5-24S05。
在图1中，所述的LCD液晶显示模块，选用128x64点阵液晶显示模块MSC-G 12864，分辨率为128x64，此显示器有8100多个16x16点简体汉字，16x8点ASCII码字符集，4位/8 位的2线并行接口，4位/8位的3线串行接口，此接口方式较为简单和方便，显示器的驱动器芯片选用KS0108B作为列驱动器KS0107B作为行驱动器。显示模块接收到要显示的命令或数据后进行显示。LCD液晶显示器接到5V电源上，处理器ATmegal6输出数据到显示器，使其进行数据显示。
在图2中，上、下位机采用相同的高速AVR控制处理器ATmegal6，两者之间用RS-485通信方式相互连接通信。上位机控制模块放在机器人操控工作平台上，工作人员可以通过输入命令对机器人进行操控，这些命令通过RS-485通信方式传达到下位机，下位机安装在机器人机械本体的箱体内部，下位机主要包括电机驱动器模块和传感器模块，其中传感器模块作为下位机的主机，当机器人出现问题时可以第一时间做出信息反馈，从而提高机器人的整体稳定性。机器人在管道内行走时，当机器人的传感器装置检测到机器人倾斜角度，偏离航线，照明过暗或摄像头俯仰角度不合适时，发送信息传递到上位机，上位机对传感器发送的信息处理后，发送命令给电机驱动模块，进而驱动电机，对机器人的行走进行调整。
在图3中，所述的电机控制模块在各个运行环节工作正常，RS-485通信正常情况下，下位机读取上位机发送的电机转速指令，同时读入编码器检测到电机的实际转速，计算出给定转速和实际转速的差值，得到控制偏差量，使用己经编好的PID控制算法计算处理。当定时器中断时间到，然后把控制电机转速信号发送到PWM驱动模块进行电机转速的控制。通过使用不同脉冲从而改变PWM的占空比来实现对电机转速的控制，其中PWM占空比不相同会使输出电压不同。由于管道机器人的左右结构不同以及各个部件的参数误差，在相同的PWM占空比下，会出现输出电压不同的情况，从而导致左右两侧的电机转速不同。所以必须要用闭环反馈控制系统对电机进行控制，从而使电机的转速与实际给定的电机转速相近，保证机器人按工作人员设定进行直线移动。
在图3中，管道机器人上安装倾角传感器。当机器人发生倾斜的时候，倾角传感器将机器人倾斜角度数据传送到机器人的控制器，经控制器计算后调整机器人的运行姿态。对机器人倾斜角度数据进行收集的过程如下：调整倾角传感器并使串口寄存器开始初始化，开始收集模拟信号；经过A/D转换模块使模拟信号转化为数字信号；经RS-485通信系统将信号传递到上位机；同时数字信号传送到下位机，下位机通过控制PWM输出来改变驱动电机的转速，从而调整机器人的姿态。
本发明由于采用上述结构，提出了一种城市排水管道检测机器人的设计，设计简单，检测结果精确，规避了人工操作的不安全性与不精确性，产品性能稳定，适用广泛。而且该系统的运用，解放了劳动力，节约了水和人力资源，能够根据传感器发回的信号进行分析，提高了工作效率，降低了维护成本，有广泛的市场价值和应用前景。
Claims (3)
1.一种城市排水管道检测机器人，系统采用模块化设计，主要包括械本体、控制系统、收放线装置和可视装置，也可以根据工作所在区域位置的不同分为机器人本体和工作平台两个部分，其中机器人本体包括：机械本体、控制系统、CCD摄像机、LED照明装置；工作平台包括：控制柜、LCD液晶显示器、电缆绞车，其特征在于所述的机器人本体机构采用轮式移动和四轮驱动配置方式，两侧轮子转速分别用两个MaxonRE40直流驱动电机；管道机器人的云台升降系统采用四杆升降，机器人有一个用螺栓把底座安装在云台上的手动升降机构，用来调整摄像头和照明装置的高度；所述的CCD摄像头配有一个舵机，用来调整CCD摄像头俯仰角度云；所述的电缆是由动力线和信号线组成的一种具有一定强度的复合型电缆；所述的收放线装置对电缆的收放与机器人的行走同步一致。
2.根据权利要求书1所述的一种城市排水管道检测机器人，其特征在于当机器人开始工作时，把机器人放到排水管道入口处，在工作平台的控制下让机器人进入管道开始作业，工作平台放到地面上对机器人进行控制，收放线装置根据机器人在排水管道内的运动状况进行收放线缆，CCD摄像机拍摄排水管道内机器人的工作环境，通过LCD液晶显示器在工作平台显示，使工作人员可以对机器人工作环境监督和管道内的状况进行检查。
3.根据权利要求书1所述的一种城市排水管道检测机器人，其特征在于控制系统分为上位机和下位机，两者内部相互连接通信，下位机传感器装置随时监测机器人工作状态并将检测到的信息传递给上位机，上位机处理信息后发送电机驱动命令，实现对管道机器人的行走速度，转弯及姿态的调整，以及对摄像头俯仰角度的调整控制和照明灯的亮度调整控制。
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Cited By (2)
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| CN112476430A (zh) * | 2020-10-21 | 2021-03-12 | 河南科技学院 | 一种管道检测伞型机器人控制系统 |
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