CN114776934A - 一种智能型管道巡检机器人控制系统 - Google Patents

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CN114776934A CN202210704849.1A CN202210704849A CN114776934A CN 114776934 A CN114776934 A CN 114776934A CN 202210704849 A CN202210704849 A CN 202210704849A CN 114776934 A CN114776934 A CN 114776934A
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郭威
董帅
奚浩
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Abstract

本发明公布一种智能型管道巡检机器人控制系统。车体包括行走电机、云台电机和臂架电机；车体上安装有摄像头、调光灯具和车体控制器；排线装置包括卷线伺服电机、摆线伺服电机，以及与排线控制器连接的限位开关、编码器、U型传感器；排线控制器控制连接卷线伺服电机、摆线伺服电机；排线控制器连接有wifi接收装置，wifi接收装置连接客户端。本发明便于观察管道内部的情况，可有效观测管道有无漏洞，损伤等；还可以控制车体的前进、后退、左转右转、云台臂架电机的运转，线缆的收揽；卷线时，摆线伺服电机会进行智能左右摆动，根据两侧限位开关的指示进行速度与摆动方向的实时调整，使得卷线盘的空间得以有效的利用，排线整齐。

Description

一种智能型管道巡检机器人控制系统
技术领域
本发明涉及管道巡检机器人技术领域，具体是一种智能型管道巡检机器人控制系统。
背景技术
目前现有管道巡检机器人分为两部分，车体和排线机构，中间用电缆线连接。排线机构有两种，第一种单电机半自动排线，第二种手动排线。管道巡检机器人检查管道，当车体前进时，第一种靠车体前进的力从排线机构拉出线缆，第二种靠人手动从排线机构拉出线缆；当车体后退时，第一种靠排线机构收线，收回小车和线缆，第二种靠人手动拉回小车和线缆，并手动排线。
上述技术存在的不足是：
对于单电机半自动排线方式：当车体前进时，需车体前进力从排线机构拉出线，导致车体在湿滑的管道行进时发生滑动摩擦，极易出现原地打滑现象，使车体无法有效行进；当车体后退时，排线机构收线速度不能和车体后退速度匹配，排线机构排线混乱，容易导致排线机构出现卡死的状态，以至于机器人需要拆机维修才能继续工作；
对于手动排线方式：在车体前进之前，就需要手动把线缆从排线机构拉出来，当车体后退时，需要手动把线缆和车体拉回来，损伤车体行进电机，车体自动退回容易缠绕线缆，手动排线极其费力。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种智能型管道巡检机器人控制系统。
本发明通过以下技术方案实现：一种智能型管道巡检机器人控制系统，包括车体、线缆、排线装置和客户端；
所述车体包括行走电机、云台电机和臂架电机；车体上安装有摄像头和调光灯具；
车体上还安装有用于控制行走电机、云台电机、臂架电机、摄像头和调光灯具的车体控制器；
所述排线装置包括机架，机架上安装有卷筒，卷筒连接有卷线伺服电机，线缆缠绕在卷筒上；所述机架上滑动安装有对线缆进行导向的摆线支架，摆线支架由摆线伺服电机控制，在摆线支架的两侧设置有限位开关；所述摆线支架上安装有用于检测线缆出线长度的编码器，以及用于检测线缆是否绷直的U型传感器；
排线装置上还安装有用于控制卷线伺服电机、摆线伺服电机的排线控制器；所述限位开关、编码器、U型传感器连接至排线控制器；
所述排线控制器连接有wifi接收装置，wifi接收装置连接所述客户端，线缆连接车体控制器和排线控制器。
其进一步是：所述机架上固定有滑轨，滑轨上滑动安装所述摆线支架；机架上回转安装有丝杠，丝杠与摆线支架滑动方向和卷筒方向平行；所述丝杠一端连接所述摆线伺服电机；所述摆线支架上固定有与丝杠配合连接的螺母；所述滑轨的两端分别固定有一个与摆线支架相对配合的限位开关；
所述摆线支架上安装有紧固轮和所述编码器，线缆绕过紧固轮和编码器；在所述摆线支架上安装有所述U型传感器，线缆位于U型传感器的下方；当所述线缆绷直时，线缆抵在U型传感器下部，当所述线缆下垂时，线缆与U型传感器下部分离。
所述卷线伺服电机内置在卷筒的内部。
通过配置所述卷线伺服电机设置卷筒的卷线速度，卷筒的卷线速度为1r/min到1000r/min。
通过配置所述摆线伺服电机设置摆线支架的移动速度，摆线支架的移动速度为1mm/min到1m/min。
所述线缆采用凯夫拉同轴线缆PRSTLKABKE73687-2X1.2，线缆同时用于供电和通讯信号传输。
所述客户端为平板电脑或手机。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）车体安装有高清摄像头，通过线缆将信号上传至手持客户端，便于观察管道内部的情况，可有效观测管道有无漏洞，损伤等；
（2）手持客户端显示摄像头的实时画面的同时，还可以控制车体的前进、后退、左转右转、云台臂架电机的运转，线缆的收揽，显示电池电量与检测距离等功能；
（3）车体与排线装置之间互相配合，能够根据手持客户端的指令调整行走电机与卷线伺服电机的转速；卷线时，摆线伺服电机会进行智能左右摆动，根据两侧限位开关的指示进行速度与摆动的方向的实时调整，使得卷线盘的空间得以有效的利用，排线整齐。
附图说明
图1是本发明实施例结构示意图；
图2是本发明排线装置主视图；
图3是本发明排线装置左视图；
图4是本发明排线装置俯视图；
图5是本发明电路原理图；
图中：1、排线装置；2、线缆；3、车体；3-1、行走电机；3-2、云台电机；3-3、臂架电机；3-4、摄像头；3-5、调光灯具；4、机架；5、卷线伺服电机；6、摆线伺服电机；7、编码器；8、U型传感器；9、限位开关；10、摆线支架；11、丝杠；12、卷筒；13、滑轨；14、紧固轮；15、客户端；16、车体控制器；17、排线控制器；18、wifi接收装置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合图1和图5所示，一种智能型管道巡检机器人控制系统，包括车体3、线缆2、排线装置1和客户端15，客户端15采用为平板电脑。
车体3包括行走电机3-1、云台电机3-2和臂架电机3-3；车体3上安装有摄像头3-4和调光灯具3-5。车体3上还安装有车体控制器16，车体控制器16控制连接行走电机3-1、云台电机3-2、臂架电机3-3、摄像头3-4和调光灯具3-5。
排线装置1包括卷线伺服电机5、摆线伺服电机6，以及编码器7、U型传感器8和两个限位开关9。排线装置1安装有排线控制器17，排线控制器17控制连接卷线伺服电机5和摆线伺服电机6。编码器7、U型传感器8和两个限位开关9连接排线控制器17。排线控制器17上连接有wifi接收装置18，wifi接收装置18连接客户端15，线缆2连接车体控制器16和排线控制器17。
结合图2至图4所示，机架4上安装有卷筒12，卷筒12连接有卷线伺服电机5，卷线伺服电机5内置在卷筒12的内部。线缆2缠绕在卷筒12上，线缆2采用凯夫拉同轴线缆PRSTLKABKE73687-2X1.2，线缆2同时用于供电和通讯信号传输。通过配置卷线伺服电机5设置卷筒12的卷线速度，卷筒12的卷线速度为1r/min到1000r/min。
机架4上固定有滑轨13，滑轨13上滑动安装有摆线支架10；机架4上回转安装有丝杠11，丝杠11与摆线支架10滑动方向和卷筒12方向平行。丝杠11一端连接有摆线伺服电机6。摆线支架10上固定有与丝杠11配合连接的螺母；滑轨13的两端分别固定有一个与摆线支架10相对配合的限位开关9。配置摆线伺服电机6设置摆线支架10的移动速度，摆线支架10的移动速度为1mm/min到1m/min。
摆线支架10上安装有紧固轮14和编码器7，线缆2绕过紧固轮14和编码器7，编码器7用来实时检测出线（或进线）的长度。在摆线支架10上安装有U型传感器8，线缆2位于U型传感器8的下方，U型传感器8采用欧姆龙EE-SX675-WR。当线缆2绷直时，线缆2抵在U型传感器8下部，将其抬升，U型传感器8检测到信号。当线缆2下垂时，线缆2与U型传感器8下部分离，U型传感器8不能检测到信号。以此，来判断线缆2是否绷直。
工作原理：
鉴于管道内部狭小，在使用过程中卷揽端（排线装置）与行走端（车体）之间的距离较长，因此采用长度约为200米的线缆2作为卷揽端与行走端之间的桥接，主要有以下作用：
第一，当行走端在管道下发生陷入泥泞，碰到沙石有一定概率卡住，我们的操作者可以通过这根线缆2将管道下的行走端拖拽出来，不至于卡在管道下无法拿出，要人工下管道去取，增加了其安全性能；
第二，线缆2作为卷揽端与行走端之间的电气供电连接，其电压为72V，这个电压等级在传输电流时线压降比较小，当200米的距离展开，其中的线损将会比较低，极大的保证了传输效率；
第三，这个线缆2还充当着网络与控制通讯信号的传输，所使用的装置为电力载波的构造。在卷揽端与行走端的控制器上面，各装有一个电力载波收发装置，可以使线缆2在传输电力的同时可以将视频与信号进行传输，省却了额外的信号传输线缆，在实际使用中，可以看到与两个机构之间的连接就只有一根线缆2，抗拉而且实用，传输效率很高。
卷线伺服电机采用的控制方式为：
客户端发送卷线指令到排线控制器上的wifi接收装置，wifi接收装置将信号通过网口转串口将信号发送到卷线伺服电机的主控单片机，单片机内部将协议处理校验后通过串口转485电路将电机控制指令发送给卷线伺服电机，实现卷线伺服电机的运转。根据了伺服电机的特性，将电机的速度与方向用单片机函数进行封装，使得通过远程遥测端传输目标转速与方向，单片机就会内部进行处理与电机协议校验，并且将该信号发送给伺服电机，实现伺服电机的运转。
编码器是用一些电子元器件构成可实现计量长度功能的电子器件，如果两个信号相位差为90度，则这两个信号称为正交。由于两个信号相差90度，因此可以根据两个信号哪个先哪个后来判断方向、根据每个信号脉冲数量的多少及整个编码轮的周长就可以算出当前行走的距离、如果再加上定时器的话就可以计算出速度。
丝杠智能摆荡的识别与控制方法：
摆线伺服电机的工作任务为承担收线与放线过程中与卷线盘的衔接，卷线盘作为承载200米线缆的腔体，对于线缆的收集一直以来是一个难点，如何在收线与放线过程中，使得线缆的进出更加的整齐，成为了我们比较关切的问题。本实施例中在摆线支架的两侧加装了限位开关传感器，该限位开关可以识别摆线支架是否靠近与两侧，靠近时，将摆线伺服电机的转速调节减慢到停止，而后转向反转，以此实现摆线支架在左右两侧轴距之间的反复摆荡；
另外，摆线支架上加装U型接近开关传感器检测线缆有无绷直，光电开关检测线缆的有无出错，卷线盘有无空挡等，根据这些传感器的识别与监测，就可以使得卷/收线更加的顺利。
车体包括行走电机，云台电机，臂架电机：
该电机的控制手段为客户端发送相应的指令到排线控制器上的wifi接收装置，wifi接收装置将信号通过电力载波线将信号传输给主控单片机，单片机内部将协议处理校验后通过串口转485电路将电机控制指令发送给对应电机，根据了伺服电机的特性，将电机的速度与方向用单片机函数进行封装，使得通过远程遥测端传输目标转速与方向，单片机就会内部进行处理与电机协议校验，并且将该信号发送给伺服电机。
车体的摄像头分为前置摄像头与后置摄像头，摄像头经过电力载波将视频信号传输到客户端。在车体上配备有3组调光灯具，该灯具在车体控制器上收到移动端指令后，单片机内部转换成相应脉宽的PWM，以此来操控灯具的亮度。车体配备有姿态倾角装置，可用于采集车体的倾角信息，经过串口传输给主控单片机，单片机经过算法处理，将数据传输到移动端。
工作过程：
结合图1和图5所示，平板电脑和排线装置通过无线wifi连接，平板控制软件下发控制命令；车体与排线装置通过线缆连接，线缆起供电和载波通讯功能。
当车体和排线装置收到前进命令时，车体按照控制端转速前进，排线装置按照车体前进速度开始放线；
同时U型传感器检测车体与排线装置之间的线缆是否拉紧，根据检测结果，如果拉紧，则增加放线速度，直到线缆不在拉紧状态则开始缓慢降低放线速度；如果不是拉紧状态，则减缓放线速度，直到线缆拉紧则开始缓慢增加放线速度；
同时卷线伺服电机每旋转一周，摆线伺服电机则移动一个线缆直径的距离进行摆线；
使车体前进的实际速度和排线装置放线速度基本相同，不增加车体前进的阻力，并且能够使排线装置工整的放线。
当车体和排线装置收到后退命令时，车体按照控制端转速后退，排线装置按照车体后退速度开始收线；同时U型传感器检测车体与排线装置之间的线缆是否拉紧，同理根据线缆是否拉紧，调节卷线伺服电机速度，同时卷线伺服电机每旋转一周，摆线伺服电机则移动一个线缆直径的距离进行摆线；使车体后退的实际速度和排线装置收线速度基本相同，不会使线缆冗余，缠绕车体，并且能够使排线装置工整的收线。
本实施例排线装置通过限位开关、编码器、U型传感器来检测线缆的收放状态，通过卷线伺服电机、摆线伺服电机、限位开关控制线缆的收卷速度。能够使车体前进时，排线装置根据车体实际前进速度进行自动放线，在车体后退时，排线装置根据车体实际后退速度进行自动收线，并且将线缆一层一层的整齐排布。有效解决了车体前进时因拉出线缆的力导致的打滑现象和车体后退时排线机构收线混乱的情况。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (7)

1.一种智能型管道巡检机器人控制系统，其特征在于：包括车体（3）、线缆（2）、排线装置（1）和客户端（15）；
所述车体（3）包括行走电机（3-1）、云台电机（3-2）和臂架电机（3-3）；车体（3）上安装有摄像头（3-4）和调光灯具（3-5）；
车体（3）上还安装有用于控制行走电机（3-1）、云台电机（3-2）、臂架电机（3-3）、摄像头（3-4）和调光灯具（3-5）的车体控制器（16）；
所述排线装置（1）包括机架（4），机架（4）上安装有卷筒（12），卷筒（12）连接有卷线伺服电机（5），线缆（2）缠绕在卷筒（12）上；所述机架（4）上滑动安装有对线缆（2）进行导向的摆线支架（10），摆线支架（10）由摆线伺服电机（6）控制，在摆线支架（10）的两侧设置有限位开关（9）；所述摆线支架（10）上安装有用于检测线缆（2）出线长度的编码器（7），以及用于检测线缆（2）是否绷直的U型传感器（8）；
排线装置（1）上还安装有用于控制卷线伺服电机（5）、摆线伺服电机（6）的排线控制器（17）；所述限位开关（9）、编码器（7）、U型传感器（8）连接至排线控制器（17）；
所述排线控制器（17）连接有wifi接收装置（18），wifi接收装置（18）连接所述客户端（15），线缆（2）连接车体控制器（16）和排线控制器（17）。
2.根据权利要求1所述的一种智能型管道巡检机器人控制系统，其特征在于：所述机架（4）上固定有滑轨（13），滑轨（13）上滑动安装所述摆线支架（10）；机架（4）上回转安装有丝杠（11），丝杠（11）与摆线支架（10）滑动方向和卷筒（12）方向平行；所述丝杠（11）一端连接所述摆线伺服电机（6）；所述摆线支架（10）上固定有与丝杠（11）配合连接的螺母；所述滑轨（13）的两端分别固定有一个与摆线支架（10）相对配合的限位开关（9）；
所述摆线支架（10）上安装有紧固轮（14）和所述编码器（7），线缆（2）绕过紧固轮（14）和编码器（7）；在所述摆线支架（10）上安装有所述U型传感器（8），线缆（2）位于U型传感器（8）的下方；当所述线缆（2）绷直时，线缆（2）抵在U型传感器（8）下部，当所述线缆（2）下垂时，线缆（2）与U型传感器（8）下部分离。
3.根据权利要求1所述的一种智能型管道巡检机器人控制系统，其特征在于：所述卷线伺服电机（5）内置在卷筒（12）的内部。
4.根据权利要求1所述的一种智能型管道巡检机器人控制系统，其特征在于：通过配置所述卷线伺服电机（5）设置卷筒（12）的卷线速度，卷筒（12）的卷线速度为1r/min到1000r/min。
5.根据权利要求1所述的一种智能型管道巡检机器人控制系统，其特征在于：通过配置所述摆线伺服电机（6）设置摆线支架（10）的移动速度，摆线支架（10）的移动速度为1mm/min到1m/min。
6.根据权利要求1所述的一种智能型管道巡检机器人控制系统，其特征在于：所述线缆（2）采用凯夫拉同轴线缆PRSTLKABKE73687-2X1.2，线缆（2）同时用于供电和通讯信号传输。
7.根据权利要求1所述的一种智能型管道巡检机器人控制系统，其特征在于：所述客户端（15）为平板电脑或手机。
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Citations (7)

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