CN112007921A - 一种适用于电缆管道的疏通及清理机器人的控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及管道疏通领域，具体涉及一种适用于电缆管道的疏通及清理机器人的控制系统，包括供电模块、视频监测模块、通讯模块、姿态监测模块、电机驱动模块、主控模块，以及电压、电流检测模块，主控模块是最核心的模块，用于转换供电模块输送的直流电，用于信号处理，用于获取姿态检测模块的数据，用于输出电机驱动模块的控制信号，用于获取视频监测模块的视频数据，主控模块以NanoPi NEO Core2作为核心控制器连接各个模块再通过通讯模块将数据上传至电脑。本系统可以实时监测管道内壁的状况和系统自身情况，针对管道内残留或漏渗的杂质进行松化和收集，清理管道内会对电缆敷设产生影响的异物，优化管道敷设的工程，降低电缆的损耗率。
Description
技术领域
本发明涉及管道疏通领域，具体涉及一种适用于电缆管道的疏通及清理机器人的控制系统。
背景技术
随着我国经济高速发展，各种城市基础建设逐步完善，对地下管线的建设档次与维护效率也提出了更高的标准与要求。在实际的管道敷设过程中，无法避免现场复杂的环境对管道内部的污染，各种杂质会在被留在管道的内壁中，这对于后续的管道敷设会造成很多影响，电缆在敷设过程中由于内壁内残留的杂质，造成护套损坏、外层绝缘表皮破损等等问题，影响到了电缆的使用寿命及用电安全。
发明内容
鉴于现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种适用于电缆管道的疏通及清理机器人的控制系统，在电缆铺设的施工过程中，本系统可以实时监测管道内壁的状况和系统自身情况，针对管道内残留或漏渗的杂质进行松化和收集，清理管道内会对电缆敷设产生影响的异物，优化管道敷设的工程，降低电缆的损耗率。
为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：
一种适用于电缆管道的疏通及清理机器人的控制系统，其特征在于：包括
供电模块，用于通过电缆将管道外的直流电降压后供给机器人控制系统的主控模块；
电机驱动模块，包括一个行进电机和一个盾构电机，行进电机和一个盾构电机由主控模块控制，用于驱动机器人行走；
视频监测模块，用于管道中照亮管壁，检测管壁的情况；
通讯模块，用于将主控模块发送的信号数据包通过电缆输送到电脑中解析；
姿态监测模块，用于将检测到的数据传输给主控模块，再由主控模块进行信号处理，最终通过通讯模块上传至上行的电脑中；
主控模块，用于转换供电模块输送的直流电，通过降压电路将转换后的直流电供给电机驱动模块，用于信号处理，用于获取姿态检测模块的数据，用于输出行进电机和一个盾构电机的控制信号，用于获取视频监测模块的视频数据，以及用于上传数据至通讯模块；
电流、电压检测模块，用于输入该控制系统的电压、电流检测，帮助电脑掌控该控制系统的实时情况，
可选的，所述电机驱动模块的行进电机还配置了离合器，用于该机器人在管道内拖行时保证行进电机与机器人的行进结构之间是分离的。
可选的，所述供电模块内还设有DC-DC降压模块，其具体用于：
通过DC-DC降压模块将110V的直流电降压到24V供给到主控模块。
可选的，所述主控模块具体用于：
所述主控模块内设TPS5430电源芯片，结合DC-DC降压模块内的降压电路将24V直流电分别转换为24V、12V、5V以及3.3V，其中24V供给电机驱动模块，12V供给通讯模块，5V供给主控模块的TPS5430电源芯片和视频检测模块，3.3V供给姿态监测模块。
所述姿态监测模块采用MPU9250作为姿态监测芯片，其内部集成有3轴陀螺仪、3轴加速度计和3轴磁力计；其姿态监测芯片通过集成电路总线IIC和主控模块之间进行数据交互，
进一步，3.3V直流电供给姿态监测模块的陀螺仪，其具体供电方式是：
主控模块内还设ASM1117-3.3V稳压芯片，ASM1117-3.3V是一个正向低压降压稳压器，在1A电流下压降为1.2V，3.3V由5V电源转换过来，提供给陀螺仪。
具体的，所述主控模块采用了NanopiNEOcore2型号，具有全志64位四核A53处理器H5、内置六核Mail450GPU、集成512MDDR3内存、8GeMMC。
所述电压、电流检测模块内具体采用了IC4、IC5、IC6三个芯片，以及ICC式总线输出接口。具体的，IC4采用AD8217芯片，IC5采用型号为ADS1100的16位自校准模数转换器，IC6采用ADS1100芯片，IC5通过IIC总线输出接口与主控模块完成数据的交互，IC6将0～3.3V区间的电压通过IIC总线输出接口输出给主控模块。
通过以上方案可知，本发明实施例中的一个或多个技术方案，具有如下技术效果：为解决上述技术问题，针对地下电缆管道在铺设前的管道清理工作设计了本套系统，处理管道铺设前管道内部的泥沙、微量水泥、石块等清理工作，同时可以通过摄像头监视管道内的情况，摸清管内情况，避免电缆在铺设的过程中由于管壁内的杂质导致电缆受到损坏，减少人工清理管壁的繁琐，同时还能监视管壁内部情况，了解管道内部情况，为电缆的敷设做好准备。
附图说明
图1为供电模块向其他模块输送直流电的系统框图；
图2为主控模块的DC-DC降压电路原理图；
图3为主控模块的DC-DC降压电路原理图；
图4为电机驱动模块的电平转换图；
图5为行进电机和盾构电机的接口原理图；
图6为行进电机的离合器控制原理图；
图7为姿态监测模块原理图；
图8为主控模块原理图；
图9为电压、电流检测模块原理图；
图10为通讯模块原理图；
图11为视频监测模块原理图；
图12为本发明各个模块的硬件框图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员可以更好地理解，下面结合具体实施例对本发明技术方案进一步说明。
如图1-图12所示，一种适用于电缆管道的疏通及清理机器人的控制系统，包括供电模块、视频监测模块、通讯模块、姿态监测模块、电机驱动模块、主控模块，以及电压、电流检测模块。以上各个模块的具体用于：
供电模块，用于通过电缆将管道外的直流电降压后供给机器人控制系统的主控模块；
电机驱动模块，包括一个行进电机和一个盾构电机，行进电机和一个盾构电机由主控模块控制，用于驱动机器人行走；
如图11所示，视频监测模块，采用了单个USB摄像头，像素1080p，配有6个LED灯，用于管道中照亮管壁，检测管壁的情况；
如图10所示，通讯模块，通讯采用电力载波模块进行上下行通讯，基于Atheros主芯片设计，具有集成度高、体积小等特点，能够提供高达500Mbps的电力线传输速率，工作稳定，性能可靠。信号通过电力载波的方式，将主控芯片发送的信号数据包通过电缆直接输送到上行电脑中解析；
姿态监测模块，用于将检测到的数据传输给主控模块，再由主控模块进行信号处理，最终通过通讯模块上传至上行的电脑中；
主控模块，用于转换供电模块输送的直流电，通过降压电路将转换后的直流电供给电机驱动模块，用于信号处理，用于获取姿态检测模块的数据，用于输出行进电机和一个盾构电机的控制信号，用于获取视频监测模块的视频数据，以及用于上传数据至通讯模块；
电流、电压检测模块，用于输入该控制系统的电压、电流检测，帮助电脑掌控该控制系统的实时情况。
如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，在本实施例中，行进电机和一个盾构电机通过主控模块进行控制，信号进行一定的电平转换传递到驱动器内部进行两个电机的操控，其驱动模块采用微型42步进电机驱动器，通过STP、DIR、COM、EN四个控制脚进行控制。实际使用时EN脚悬空，COM脚输入高电平，主控模块中的主控芯片和电机驱动器之间电平并不相同，添加了电平转换电路，实现3.3V信号转5V信号，防止电平的不匹配造成硬件上的损坏。另外，所述电机驱动模块的行进电机还配置了离合器(如图6所示)，由主控芯片控制离合器的开启关闭，用于该机器人在管道内拖行时保证行进电机与机器人的行进结构之间是分离的，避免电机的损坏。
可选的，所述供电模块内还设有DC-DC降压模块，其具体用于：通过DC-DC降压模块将110V的直流电降压到24V供给到主控模块。然后，所述主控模块内设TPS5430电源芯片，能结合DC-DC降压模块内的降压电路将24V直流电分别转换为24V、12V、5V以及3.3V，其中24V供给电机驱动模块，12V供给通讯模块，5V供给主控模块的TPS5430电源芯片和视频检测模块的摄像头，3.3V供给姿态监测模块。TPS5430是一个高输出电流的PWM转换器，其集成了低电阻的高侧的N沟道MOSFET，包括在基板上与上市的特点是高性能电压误差放大器，可提供瞬态条件下严格的电压调节精度；欠压闭锁电路，以防止启动直到输入电压达到5.5V；内部设置慢启动电路，以限制浪涌电流；和电压前馈电路，以改善瞬态响应。使用ENA引脚，关断电源电流降至18μA典型。其他功能还包括一个高电平有效使能，过流限制，过压保护和热关断。
如图7所示，所述姿态监测模块采用MPU9250作为姿态监测芯片，其内部集成有3轴陀螺仪、3轴加速度计和3轴磁力计，可输出16位的加速度数字量数据；其姿态监测芯片通过集成电路总线IIC和主控模块之间进行数据交互，其传输速率可达400kHz/s。姿态监测模块将检测到的数据传输给主控模块的主控芯片，再由主控芯片进行信号处理，最终通过通讯模块上传至上行的电脑中。另外，芯片中还添加了信号的防干扰和电源的滤波处理，使芯片更加稳定的工作。
进一步，3.3V直流电供给姿态监测模块的陀螺仪，其具体供电方式是：
主控模块内还设ASM1117-3.3V稳压芯片，ASM1117-3.3V是一个正向低压降压稳压器，在1A电流下压降为1.2V，3.3V由5V电源转换过来，提供给陀螺仪。
如图8所示，在本实施例中所述的主控模块采用了NanopiNEOcore2型号，具有全志64位四核A53处理器H5、内置六核Mail450GPU、集成512MDDR3内存、8GeMMC。还包括千兆以太网接口，三排GPIO排针引出了3路USB、千兆网络、I2C、SPI、UART、I2S、音频等常用接口。
如图9所示，具体的，所述电压、电流检测模块内具体采用了IC4、IC5、IC6三个芯片，以及ICC总线输出接口。具体的，IC4采用AD8217芯片，是一款高压、高分辨率分流放大器，在本系统中前端电流通过50毫欧分流电阻输入IC4，它将信号放大后输入IC5，IC5接收到信号后将模拟信号转换为数字信号，通过IIC传入主控芯片，IC5采用型号为ADS1100的16位自校准模数转换器，IC6采用ADS1100芯片，IC5通过IIC总线输出接口与主控模块完成数据的交互，电压检测模块通过分压的方式，将电压控制在0～3.3V之间，然后输入IC6的ADS1100芯片中，最后通过ICC总线输出接口将信号输出给主控芯片。
如图12所示，以上各个模块连接方式如下：地面上直流稳压电源将220V交流电转为110V直流电通过电缆输送到机器人，110V直流电通过设备内DC-DC降压模块转为24V直流电供给主控模块，主控模块通过降压电路，分别转换为24V、12V、5V和3.3V，其中24V供给行进电机的驱动模块，包括一个行进电机和一个盾构电机；12V供给通讯模块；5V供给主控模块、视频监测模块；3.3V供给陀螺仪。主控模块是最核心的模块，以NanoPiNEOCore2作为核心控制器连接各个模块再通过通讯模块将数据上传至电脑。
以上对本发明提供的一种适用于电缆管道的疏通及清理机器人的控制系统进行了详细介绍，具体实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种适用于电缆管道的疏通及清理机器人的控制系统，其特征在于：包括
供电模块，用于通过电缆将管道外的直流电降压后供给机器人控制系统的主控模块；
电机驱动模块，包括一个行进电机和一个盾构电机，行进电机和一个盾构电机由主控模块控制，用于驱动机器人行走；
视频监测模块，用于管道中照亮管壁，检测管壁的情况；
通讯模块，用于将主控模块发送的信号数据包通过电缆输送到电脑中解析；
姿态监测模块，用于将检测到的数据传输给主控模块，再由主控模块进行信号处理，最终通过通讯模块上传至上行的电脑中；
主控模块，用于转换供电模块输送的直流电，通过降压电路将转换后的直流电供给电机驱动模块，用于信号处理，用于获取姿态检测模块的数据，用于输出行进电机和一个盾构电机的控制信号，用于获取视频监测模块的视频数据，以及用于上传数据至通讯模块；
电流、电压检测模块，用于输入该控制系统的电压、电流检测，帮助电脑掌控该控制系统的实时情况。
2.根据权利要求1所述的一种适用于电缆管道的疏通及清理机器人的控制系统，其特征在于，所述电机驱动模块的行进电机还配置了离合器，用于该机器人在管道内拖行时保证行进电机与机器人的行进结构之间是分离的。
3.根据权利要求1所述的一种适用于电缆管道的疏通及清理机器人的控制系统，其特征在于，所述供电模块内还设有DC-DC降压模块，其具体用于：
通过DC-DC降压模块将110V的直流电降压到24V供给到主控模块。
4.根据权利要求3所述的一种适用于电缆管道的疏通及清理机器人的控制系统，其特征在于，所述主控模块具体用于：
所述主控模块内设TPS5430电源芯片，结合DC-DC降压模块内的降压电路将24V直流电分别转换为24V、12V、5V以及3.3V，其中24V供给电机驱动模块，12V供给通讯模块，5V供给主控模块的TPS5430电源芯片和视频检测模块，3.3V供给姿态监测模块。
5.根据权利要求4所述的一种适用于电缆管道的疏通及清理机器人的控制系统，其特征在于，所述姿态监测模块采用MPU9250作为姿态监测芯片，其内部集成有3轴陀螺仪、3轴加速度计和3轴磁力计；其姿态监测芯片通过集成电路总线IIC和主控模块之间进行数据交互。
6.根据权利要求5所述的一种适用于电缆管道的疏通及清理机器人的控制系统，其特征在于，3.3V直流电供给姿态监测模块的陀螺仪，其具体供电方式是：
主控模块内还设ASM1117-3.3V稳压芯片，ASM1117-3.3V是一个正向低压降压稳压器，在1A电流下压降为1.2V，3.3V由5V电源转换过来，提供给陀螺仪。
7.根据权利要求3所述的一种适用于电缆管道的疏通及清理机器人的控制系统，其特征在于，所述主控模块采用了Nanopi NEO core2型号，具有全志64位四核A53处理器H5、内置六核Mail450 GPU、集成512M DDR3内存、8G eMMC。
8.根据权利要求3所述的一种适用于电缆管道的疏通及清理机器人的控制系统，其特征在于，所述电压、电流检测模块内具体采用了IC4、IC5、IC6三个芯片，以及ICC式总线输出接口，
具体的，IC4采用AD8217芯片，IC5采用型号为ADS1100的16位自校准模数转换器，IC6采用ADS1100芯片，IC5通过IIC总线输出接口与主控模块完成数据的交互，IC6将0～3.3V区间的电压通过IIC总线输出接口输出给主控模块。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20201201 |