CN206975463U - 一种管道内窥测厚机器人的控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于电子智能技术领域，具体涉及一种管道内窥测厚机器人的控制系统，包括电源管理单元和整体电路主控单元，整体电路主控单元包括主控电路、电机驱动器控制单元、电磁定位单元、测厚单元、视频单元和无线传输网络单元，克服现有技术中小口径石油管线长距离无线遥控内窥检测机器人在国内技术领域空白的问题，研发一款具有远程无线遥控，视屏可时时传输、并且具有涂层测厚、数据实时传输及实时定位功能的内窥测厚检测机器人。

Description

一种管道内窥测厚机器人的控制系统

技术领域

本实用新型属于电子智能技术领域，具体涉及一种管道内窥测厚机器人的控制系统。

背景技术

CCTV管道内窥检测技术起源于二十世纪六十年代，主要应用在管道单元的检测，随着科学技术的不断进步，特别是计算机技术的高速发展，该项技术得到了广泛的发展，但CCTV管道内窥检测技术在我国仍处起步阶段。近年来随着我国石油天然气等能源需求的激增，石油天然气工业得到了飞速发展，石油天然气长输管道的建设也随之飞速发展，长输管道的材质多种多样，但钢材料的长输管道应用更为广泛。

然而，小口径石油管线长距离无线遥控内窥检测机器人在国内几乎是一片空白，基于上述考虑，本项目特研发一款具有远程无线遥控，视屏可时时传输、并且具有涂层测厚、数据实时传输及实时定位功能的内窥测厚检测机器人。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术中小口径石油管线长距离无线遥控内窥检测机器人在国内技术领域空白的问题。

为此，本实用新型提供了一种管道内窥测厚机器人的控制系统，包括电源管理单元和整体电路主控单元，整体电路主控单元包括主控电路、电机驱动器控制单元、电磁定位单元、测厚单元、视频单元和无线传输网络单元；电源管理单元为整体电路主控单元供电，电机驱动器控制单元操控机器人在管道内的实现各种动作，电磁定位单元查找机器人所处的具体位置，测厚单元测试管壁涂层厚度并返回测试数据，视频单元对管道内的状况进行探测和摄像并对管道内部进行长距离检测，无线传输网络单元将各单元的信号及数据进行传输，主控电路对各单元发送操控指令。

所述的电源管理单元包括主电路供电单元、备用电池单元、备用电池切换电路、开关、多种直流电压值电路和电压监测单元，主电路供电单元输出端和备用电池单元输出端分别连接备用电池切换电路的输入端，备用电池切换电路的输出端依次串联连接开关、多种直流电压值电路、电压监测单元和主控电路的输入端，所述的主电路供电单元和备用电池单元均为多组电池并联连接；所述的开关闭合时，主电路供电单元为整体电路主控单元供电，当主电路电量低于设定值时，备用电池切换电路将主电路供电单元切换至备用电池单元为整体电路主控单元供电，同时电压监测单元实时监测整体电路主控单元电压值，多种直流电压值电路为整体电路主控单元提供多种直流电压值。

所述的电机驱动器控制单元包括多个电机驱动控制电路，每个电机驱动控制电路包括单片机控制板、行走步进电机驱动器、张紧步进电机驱动器、多个行走电机、支撑杆、尾车张紧力调节电机、压力传感器和头车张紧力调节电机，单片机控制板的输入端分别连接主控电路的输出端和压力传感器的输出端，单片机控制板的输出端分别连接行走步进电机驱动器的输入端和张紧步进电机驱动器的输入端，行走步进电机驱动器的输出端并联连接多个行走电机的输入端，每个行走电机的输出端通过支撑杆串联连接尾车张紧力调节电机的输入端和压力传感器的输入端或者头车张紧力调节电机和压力传感器的输入端，张紧步进电机驱动器的输出端连接尾车张紧力调节电机的输入端或者头车张紧力调节电机；所述的单片机控制板发送指令给行走步进电机驱动和张紧步进电机驱动器，行走步进电机驱动器和张紧步进电机驱动器通过控制行走电机、支撑杆、头车张紧力调节电机、尾车张紧力调节电机使机器人做各种动作，压力传感器采集机器人行走时的数据并反馈给单片机控制板，单片机控制板通过各自采集的压力数据调节机器人张紧与收缩的力度。

所述的电磁定位单元包括电磁定位发射机和电磁定位接收机，电磁定位发射机的输入端连接主控电路的输出端；所述的主控电路开启电磁定位发射机，电磁定位接收机开启后用于定位查找机器人。

所述的无线传输网络单元包括网络管理单元和上位机单元，网络管理单元包括超级网口、五口交换机、无线网桥，上位机单元连接无线网桥，无线网桥一路依次连接五口交换机、超级网口和主控电路的输入端，另一路连接主控电路的输入端；所述的电源管理单元为整体电路主控单元供电后，超级网口、五口交换机和无线网桥进行自动链接，上位机单元通过无线传输网络单元查找主控电路对机器人进行无线控制。

所述的视频单元包括摄像头、视频信号切换电路和视频采集板，电机驱动器控制单元和测厚单元均设置有摄像头和视频信号切换电路，摄像头的输入端连接压力传感器的输出端或者测厚单元的输出端，摄像头的输出端连接视频信号切换电路的输入端，视频采集板的输入端连接视频信号切换电路的输入端，视频采集板的输出端连接五口交换机的输入端，视频信号切换电路的输入端连接主控电路；所述的摄像头和视频采集板对整体电路主控单元及管道内的状况进行探测和摄像，视频信号切换电路切换摄像头和视频采集板。

所述的压力传感器包括压力信号采集电路、信号放大及增益调节电路和调零电路，压力信号采集电路和调零电路并联连接信号放大及增益调节电路。

本实用新型的有益效果：本实用新型提供的这种管道内窥测厚机器人的控制系统，电源管理单元为整个单元的供电电源，采用备用电源硬件切换方式，保证机器人在管道检测完后，返回时有充足的电量，避免机器人在行进和返回途中，带电不足的情况；机器人通过主控电路和电机驱动器控制单元实现了机器人可在管道内进行前进、后退、加速、减速、垂直爬升、垂直下降及自动过弯头和停止的功能，通过压力传感器电路，使得机器人在过弯头及障碍物时，可以自动调节手臂的伸缩，从而大大提高机器人在管道内的通过率；通过主控电路、无线传输网络单元和视频单元对管道内部进行全程摄像检测，对管道内的锈层、腐蚀、穿孔、裂纹、涂层等状况进行探测和摄像，并实时传输视频信号；并且通过主控电路、测厚单元和无线网络传输单元，实现实时传输管壁内涂层厚度情况，当有异常存在时，通过电磁定位单元即可立即准确确定异常点，从而为管道管理人员提供专业、准确的参考依据，对管道的现状分析管理及检修提供了大大的便利。

附图说明

以下将结合附图对本实用新型做进一步详细说明。

图1管道内窥机器人的控制单元结构框架图；

图2电源管理单元的电路图；

图3整体电路主控单元的电路图；

图4压力传感器的信号放大电路；

附图标记说明：1、电源管理单元；2、电机驱动器控制单元；3、电磁定位单元；4、测厚单元；5、视频单元；6、无线传输网络单元；7、主控电路；1-1、主电路供电单元；1-2、备用电池单元；1-3、备用电池切换电路；S1、开关；1-4、直流电压值电路；1-5、电压监测单元；2-1、电机驱动控制电路；2-2、单片机控制板；2-3、行走步进电机驱动器；2-4、张紧步进电机驱动器；2-5、行走电机； 2-6、支撑杆；2-7、尾车张紧力调节电机；2-8、压力传感器；2-81、压力信号采集电路；2-82、信号放大及增益调节电路；2-83、调零电路；2-9、头车张紧力调节电机；3-1、电磁定位发射机；3-2、电磁定位接收机；5-1、摄像头；5-2、视频信号切换电路；5-3、视频采集板；6-1、上位机单元；6-2、超级网口；6-3、五口交换机；6-4、无线网桥。

具体实施方式

实施例1：

如图1和图3所示，一种管道内窥测厚机器人的控制系统，包括电源管理单元 1和整体电路主控单元，整体电路主控单元包括主控电路7、电机驱动器控制单元2、电磁定位单元3、测厚单元4、视频单元5和无线传输网络单元6；电源管理单元1 为整体电路主控单元供电，电机驱动器控制单元2操控机器人在管道内的实现各种动作，电磁定位单元3查找机器人所处的具体位置，测厚单元4测试管壁涂层厚度并返回测试数据，视频单元5对管道内的状况进行探测和摄像并对管道内部进行长距离检测，无线传输网络单元6将各单元的信号及数据进行传输，主控电路7对各单元发送操控指令。图3电路图为现有技术，这种管道内窥测厚机器人的控制系统电源管理单元1为整个单元的供电电源，保证机器人在行进和返回途中，电量充足；机器人通过主控电路7和电机驱动器控制单元2实现了机器人可在管道内进行前进、后退、加速、减速、垂直爬升、垂直下降及自动过弯头和停止的功能；通过主控电路7、无线传输网络单元6和视频单元5对管道内部进行全程摄像检测，对管道内的锈层、腐蚀、穿孔、裂纹、涂层等状况进行探测和摄像，并实时传输视频信号；并且通过主控电路7、测厚单元4和无线网络传输单元6，实现实时传输管壁内涂层厚度情况，当有异常存在时，通过电磁定位单元3即可立即准确确定异常点，从而为管道管理人员提供专业、准确的参考依据，对管道的现状分析管理及检修提供了大大的便利。

实施例2：

如图1和图2所示，在实施例1的基础上，所述的电源管理单元1包括主电路供电单元1-1、备用电池单元1-2、备用电池切换电路1-3、开关(S1)、多种直流电压值电路1-4和电压监测单元1-5，主电路供电单元1-1输出端和备用电池单元1-2 输出端分别连接备用电池切换电路1-3的输入端，备用电池切换电路1-3的输出端依次串联连接开关(S1)、多种直流电压值电路1-4、电压监测单元1-5和主控电路7的输入端，所述的主电路供电单元1-1和备用电池单元1-2均为多组电池并联连接；所述的开关S1闭合时，主电路供电单元1-1为整体电路主控单元供电，当主电路电量低于设定值时，备用电池切换电路1-3将主电路供电单元1-1切换至备用电池单元1-2为整体电路主控单元供电，同时电压监测单元1-5实时监测整体电路主控单元电压值，多种直流电压值电路1-4为整体电路主控单元提供多种直流电压值；图2电路图为现有技术，单元电路采用24V直流电源，作为整个单元的供电电源。其中电路选用多组大容量电池并联，作为主电路供电单元1-1，另外该单元准备了备用电池单元1-2；当图中，开关S1闭合时，单元处于上电状态。当主电路供电单元1-1的电压大于设定电压19V时，电路由主电路供电单元1-1供电；否则，当主电路供电单元1-1电压小于19V时，单元电路的供电将通过备用电池切换电路1-3 自动切换至备用电池单元1-2。同时上位机可实时监测电压监测单元1-5，其中多种直流电压值电路1-4包括单元所需的三种直流电压值，分别是12V直流电压值1-41、 5V直流电压值1-42、3.3V1-43直流电压值,本单元可保证机器人在管道检测完后，返回时有充足的电量。

如图1所示，所述的电机驱动器控制单元2包括多个电机驱动控制电路2-1，每个电机驱动控制电路2-1包括单片机控制板2-2、行走步进电机驱动器2-3、张紧步进电机驱动器2-4、多个行走电机2-5、支撑杆2-6、尾车张紧力调节电机2-7、压力传感器2-8和头车张紧力调节电机2-9，单片机控制板2-2的输入端分别连接主控电路1的输出端和压力传感器2-8的输出端，单片机控制板2-2的输出端分别连接行走步进电机驱动器2-3的输入端和张紧步进电机驱动器2-4的输入端，行走步进电机驱动器2-3的输出端并联连接多个行走电机2-5的输入端，每个行走电机2-5的输出端通过支撑杆2-6串联连接尾车张紧力调节电机2-7的输入端和压力传感器2-8 的输入端或者头车张紧力调节电机2-9和压力传感器2-8的输入端，张紧步进电机驱动器2-4的输出端连接尾车张紧力调节电机2-7的输入端或者头车张紧力调节电机2-9；所述的单片机控制板2-2发送指令给行走步进电机驱动器2-3和张紧步进电机驱动器2-4，行走步进电机驱动器2-3和张紧步进电机驱动器2-4通过控制行走电机2-5、支撑杆2-6、头车张紧力调节电机2-9、尾车张紧力调节电机2-7使机器人做各种动作，压力传感器2-8采集机器人行走时的数据并反馈给单片机控制板 2-2，单片机控制板2-2通过各自采集的压力数据调节机器人张紧与收缩的力度；电机驱动控制电路的单片机控制板2-2收到命令后发相应的指令给行走步进电机驱动器2-3或张紧步进电机驱动器2-4，行走步进电机驱动器2-3控制行走电机2-5，行走电机2-5通过支撑杆2-6行走并通过头车张紧力调节电机2-9和尾车张紧力调节电机2-7做相应的动作；同时，电机驱动控制电路2-1的单片机控制板2-2采集相应压力传感器2-8的压力值。机器人行走与管道内时，由于管壁的厚度不同，以及转弯和障碍物等的影响，压力传感器2-8所采集到的数据也会有所不同。单片机控制板2-2通过各自采集到的不同的压力值，从而调节机器人张紧与收缩的力度，达到机器人可以一直紧贴管壁行走的功能，提高机器人转弯及过障碍物的能力，并且可以实现机器人垂直爬升的功能。

如图1所示，所述的电磁定位单元3包括电磁定位发射机3-1和电磁定位接收机3-2，电磁定位发射机3-1的输入端连接主控电路7的输出端。上电后，由上位机单元发命令给主控电路7，则主控电路7将负责开启电磁定位发射机3-1，同时，地面操作人员可以自行开启电磁定位接收机3-2，进而可以开始对该机器人进行定位查找，当机器人返回后，即可通过命令给主控电路7，进而关闭电磁定位发射机3-1，上电后，由上位机单元6-1发命令给主控电路7，则主控电路7将负责开启电磁定位发射机3-1，并接收测厚数据、再上传给上位机单元6-1，可实时测试管壁涂层厚度，并返回测试数据，通过电磁定位方式，即可立即准确确定异常点，从而为管道管理人员提供专业、准确的参考依据，对管道的现状分析管理及检修提供了大大的便利。

如图1所示，所述的无线传输网络单元6包括网络管理单元和上位机单元6-1，网络管理单元包括超级网口6-2、五口交换机6-3、无线网桥6-4，上位机单元6-1 连接无线网桥6-4，无线网桥6-4一路依次连接五口交换机6-3、超级网口6-2和主控电路7的输入端，另一路连接主控电路7的输入端；当给机器人单元上电后，无线网桥6-4、五口交换机6-3及超级网口6-2开始进行自动链接。地面操作人员把上位机单元6-1打开，并给无线网桥6-4的站上电后，无线网桥6-4的站与桥开始配对链接。然后，上位机单元11即可通过网路管理单元查找到主控电路7，从而开始机器人单元的无线控制。

如图1所示，所述的视频单元5包括摄像头5-1、视频信号切换电路5-2和视频采集板5-3，电机驱动器控制单元2和测厚单元4均设置有摄像头5-1和视频信号切换电路5-2，摄像头5-1的输入端连接压力传感器2-8的输出端或者测厚单元4的输出端，摄像头5-1的输出端连接视频信号切换电路5-2的输入端，视频采集板5-3的输入端连接视频信号切换电路5-2的输入端，视频采集板5-3的输出端连接五口交换机6-3的输入端，视频信号切换电路5-2的输入端连接主控电路7。从而实现该单元的影像采集、传输、录像、抓拍、保存等功能进而实现对管道内的锈层、腐蚀、穿孔、裂纹、涂层等状况进行探测和摄像，实现管道内部长距离检测。

如图1和图4所示，所述的压力传感器2-8包括压力信号采集电路2-81、信号放大及增益调节电路2-82和调零电路2-83，压力信号采集电路2-81和调零电路2- 83并联连接信号放大及增益调节电路2-82；图4的电路图为现有技术，本单元可以通过压力调节单元，使得机器人在过弯头及障碍物时，可以自动调节手臂的伸缩，从而大大提高机器人在管道内的通过率。

本发明的工作原理为：

所述的电源管理单元1为整体电路主控单元供电，由上位机单元6-1通过超级网口6-2、五口交换机6-3、无线网桥6-4与主控电路7链接并发送命令给主控电路7，主控电路7发送命令给电机驱动器控制单元2的单片机控制板2-2，单片机控制板2-2发送指令给行走步进电机驱动器2-3和张紧步进电机驱动器2-4，行走步进电机驱动器2-3和张紧步进电机驱动器2-4通过控制行走电机2-5、支撑杆2- 6、头车张紧力调节电机2-9、尾车张紧力调节电机2-7使机器人做各种动作，压力传感器2-8采集机器人行走时的数据并反馈给单片机控制板2-2，单片机控制板2- 2通过各自采集的压力数据调节机器人张紧与收缩的力度；

电源管理单元1为整体电路主控单元供电，由上位机单元6-1通过超级网口6- 2、五口交换机6-3、无线网桥6-4与主控电路7链接并发送命令给主控电路7，然后由主控电路7开启电磁定位发射机3-1或者发送命令给测厚单元4，地面操作人员可以自行开启电磁定位接收机3-2进而用于定位查找机器人或者接收测厚数据并上传给上位机单元6-1；

电源管理单元1为整体电路主控单元供电，由上位机单元6-1通过超级网口6- 2、五口交换机6-3、无线网桥6-4与主控电路7链接并发送命令给主控电路7，然后由主控电路7发送命令给电机驱动器控制单元2的单片机控制板2-2或者测厚单元4，单片机控制板2-2或者测厚单元4控制摄像头5-1和视频采集板5-3，对整体电路主控单元及管道内的状况进行探测和摄像，视频信号切换电路5-2切换摄像头5-1和视频采集板5-3。

本实用新型的有益效果：

本实用新型可以通过压力传感器，使得机器人在过弯头及障碍物时，可以自动调节手臂的伸缩，从而大大提高机器人在管道内的通过率；

本实用新型采用无线传输网络单元，可以实时监测机器人在管道内的状态，并实时返回测试数据。

本实用新型采用备用电池切换电路切换方式，保证机器人在管道检测完后，返回时有充足的电量。

本实用新型采用测厚单元，可实时测试管壁涂层厚度，并返回测试数据。

本实用新型所包括的部件均属于现有技术，在此不做详尽描述。

以上例举仅仅是对本实用新型的举例说明，并不构成对本实用新型的保护范围的限制，凡是与本实用新型相同或相似的设计均属于本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种管道内窥测厚机器人的控制系统，其特征在于：包括电源管理单元(1)和整体电路主控单元，整体电路主控单元包括主控电路(7)、电机驱动器控制单元(2)、电磁定位单元(3)、测厚单元(4)、视频单元(5)和无线传输网络单元(6)；

主控电路(7)对各单元发送操控指令

电源管理单元(1)为整体电路主控单元供电，

电机驱动器控制单元(2)操控机器人在管道内的实现各种动作，

电磁定位单元(3)查找机器人所处的具体位置，

测厚单元(4)测试管壁涂层厚度并返回测试数据，

视频单元(5)对管道内的状况进行探测和摄像并对管道内部进行长距离检测，无线传输网络单元(6)将各单元的信号及数据进行传输。

2.如权利要求1所述的管道内窥测厚机器人的控制系统，其特征在于：所述的电源管理单元(1)包括主电路供电单元(1-1)、备用电池单元(1-2)、备用电池切换电路(1-3)、开关(S1)、多种直流电压值电路(1-4)和电压监测单元(1-5)，主电路供电单元(1-1)输出端和备用电池单元(1-2)输出端分别连接备用电池切换电路(1-3)的输入端，备用电池切换电路(1-3)的输出端依次串联连接开关(S1)、多种直流电压值电路(1-4)、电压监测单元(1-5)和主控电路(7)的输入端，所述的主电路供电单元(1-1)和备用电池单元(1-2)均为多组电池并联连接；

所述的开关(S1)闭合时，主电路供电单元(1-1)为整体电路主控单元供电，当主电路电量低于设定值时，备用电池切换电路(1-3)将主电路供电单元(1-1)切换至备用电池单元(1-2)为整体电路主控单元供电，同时电压监测单元(1-5)实时监测整体电路主控单元电压值，多种直流电压值电路(1-4)为整体电路主控单元提供多种直流电压值。

3.如权利要求1所述的管道内窥测厚机器人的控制系统，其特征在于：所述的电机驱动器控制单元(2)包括多个电机驱动控制电路(2-1)，每个电机驱动控制电路(2-1)包括单片机控制板(2-2)、行走步进电机驱动器(2-3)、张紧步进电机驱动器(2-4)、多个行走电机(2-5)、支撑杆(2-6)、尾车张紧力调节电机(2-7)、压力传感器(2-8)和头车张紧力调节电机(2-9)，单片机控制板(2-2)的输入端分别连接主控电路(7)的输出端和压力传感器(2-8)的输出端，单片机控制板(2-2)的输出端分别连接行走步进电机驱动器(2-3)的输入端和张紧步进电机驱动器(2-4)的输入端，行走步进电机驱动器(2-3)的输出端并联连接多个行走电机(2-5)的输入端，每个行走电机(2-5)的输出端通过支撑杆(2-6)串联连接尾车张紧力调节电机(2-7)的输入端和压力传感器(2-8)的输入端或者头车张紧力调节电机(2-9)和压力传感器(2-8)的输入端，张紧步进电机驱动器(2-4)的输出端连接尾车张紧力调节电机(2-7)的输入端或者头车张紧力调节电机(2-9)；

所述的单片机控制板(2-2)发送指令给行走步进电机驱动器(2-3)和张紧步进电机驱动器(2-4)，行走步进电机驱动器(2-3)和张紧步进电机驱动器(2-4)通过控制行走电机(2-5)、支撑杆(2-6)、头车张紧力调节电机(2-9)、尾车张紧力调节电机(2-7)使机器人做各种动作，压力传感器(2-8)采集机器人行走时的数据并反馈给单片机控制板(2-2)，单片机控制板(2-2)通过各自采集的压力数据调节机器人张紧与收缩的力度。

4.如权利要求1所述的管道内窥测厚机器人的控制系统，其特征在于：所述的电磁定位单元(3)包括电磁定位发射机(3-1)和电磁定位接收机(3-2)，电磁定位发射机(3-1)的输入端连接主控电路(7)的输出端；

所述的主控电路(7)开启电磁定位发射机(3-1)，电磁定位接收机(3-2)开启后用于定位查找机器人。

5.如权利要求1所述的管道内窥测厚机器人的控制系统，其特征在于：所述的无线传输网络单元(6)包括网络管理单元和上位机单元(6-1)，网络管理单元包括超级网口(6-2)、五口交换机(6-3)、无线网桥(6-4)，上位机单元(6-1)连接无线网桥(6-4)，无线网桥(6-4)一路依次连接五口交换机(6-3)、超级网口(6-2)和主控电路(7)的输入端，另一路连接主控电路(7)的输入端；

所述的电源管理单元(1)为整体电路主控单元供电后，超级网口(6-2)、五口交换机(6-3)和无线网桥(6-4)进行自动链接，上位机单元(6-1)通过无线传输网络单元(6)查找主控电路(7)对机器人进行无线控制。

6.如权利要求5所述的管道内窥测厚机器人的控制系统，其特征在于：所述的视频单元(5)包括摄像头(5-1)、视频信号切换电路(5-2)和视频采集板(5-3)，电机驱动器控制单元(2)和测厚单元(4)均设置有摄像头(5-1)和视频信号切换电路(5-2)，摄像头(5-1)的输入端连接压力传感器(2-8)的输出端或者测厚单元(4)的输出端，摄像头(5-1)的输出端连接视频信号切换电路(5-2)的输入端，视频采集板(5-3)的输入端连接视频信号切换电路(5-2)的输入端，视频采集板(5-3)的输出端连接五口交换机(6-3)的输入端，视频信号切换电路(5-2)的输入端连接主控电路(7)；

所述的摄像头(5-1)和视频采集板(5-3)对整体电路主控单元及管道内的状况进行探测和摄像，视频信号切换电路(5-2)切换摄像头(5-1)和视频采集板(5-3)。

7.如权利要求3所述的管道内窥测厚机器人的控制系统，其特征在于：所述的压力传感器(2-8)包括压力信号采集电路(2-81)、信号放大及增益调节电路(2-82)和调零电路(2-83)，压力信号采集电路(2-81)和调零电路(2-83)并联连接信号放大及增益调节电路(2-82)。