管道探傷機(jī)器人電氣控制系統(tǒng)

1、河南科技學(xué)院新科學(xué)院2013屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）管道探傷機(jī)器人的設(shè)計(jì)電氣控制系統(tǒng) 學(xué)生姓名：崔敏毅 所在院系：新科學(xué)院電氣工程系 所學(xué)專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化 導(dǎo)師姓名：楊天明 完成時(shí)間：2013年5月10日管道探傷機(jī)器人的設(shè)計(jì)電氣控制系統(tǒng)摘要 應(yīng)用管道機(jī)器人進(jìn)行石油工業(yè)管道檢測(cè)與維修操作是一項(xiàng)前沿技術(shù)。綜合分析了國(guó)內(nèi)外油氣管道機(jī)器人近年來(lái)的發(fā)展情祝，對(duì)管道機(jī)器人的控制方式進(jìn)行了分析，并簡(jiǎn)單介紹了管道機(jī)器人的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及各自的發(fā)展過(guò)程。最后結(jié)合我國(guó)石油工業(yè)發(fā)展的具體情脫，給出了管道機(jī)器人在油氣輸送管道、油氣井及其他管道中的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：管道，探傷，控制系統(tǒng)，機(jī)器人The desi

2、gn of pipeline inspection robotElectrical control systemAbstractThis paper presents a robot detection system, which consists of cleaning unit、 driving unit for observing the image of inner face of pipe in time. It presents a robot system which detect the crack, blowhole, weld joint, defect, etc. The

3、 information of image is propagated by wireless or wire method to the monitor for observing the image of inner face of pipe in time.Keyword：pipe; detection system; robot目錄緒論11概述11.1開(kāi)展管道探傷機(jī)器人研究的意義11.2管道探傷機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展11.3管道檢測(cè)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀22管道探傷機(jī)器人的整體介紹22.1移動(dòng)控制系統(tǒng)32.2探傷系統(tǒng)42.3補(bǔ)漏控制系統(tǒng)42.4遙控系統(tǒng)53控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)53.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)5機(jī)器人驅(qū)

4、動(dòng)電機(jī)的選型6運(yùn)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)方式63.2探傷系統(tǒng)控制7超聲波探傷技術(shù)原理73.2.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)83.3補(bǔ)漏系統(tǒng)的電氣控制設(shè)計(jì)83.4遙控系統(tǒng)10發(fā)射器的設(shè)計(jì)10接收機(jī)的設(shè)計(jì)11完整的電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制硬件設(shè)計(jì)114控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)124.1 轉(zhuǎn)向控制程序設(shè)計(jì)124.2 位置控制程序設(shè)計(jì)135經(jīng)濟(jì)性分析報(bào)告146結(jié)論15參考文獻(xiàn)16致謝17附錄18緒論 機(jī)器人是一種自動(dòng)化的機(jī)器，具備一些與人或生物相似的能力，如感知、規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)及動(dòng)作能力的協(xié)作等，機(jī)器人技術(shù)被視為20世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一。自20世紀(jì)60年代工業(yè)機(jī)器人問(wèn)世以來(lái)，隨著社會(huì)的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是在信息技術(shù)、控制理論等學(xué)科迅

5、速發(fā)展的支持下，機(jī)器人的種類日益繁多，性能不斷地改進(jìn)，工作領(lǐng)域也在不斷地?cái)U(kuò)大。從深海到宇宙空間，在各種人類所不能承受的極限環(huán)境中都能找到機(jī)器人的應(yīng)用?？梢哉f(shuō)，現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)己經(jīng)突破了傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人的范疇，逐步轉(zhuǎn)向應(yīng)用于各種特殊情況的特種機(jī)器人技術(shù)。1 概述1.1 開(kāi)展管道探傷機(jī)器人研究的意義管道探傷機(jī)器人是針對(duì)油、氣等輸送管道的檢測(cè)、噴涂、接口焊接、異物清理等維護(hù)檢修作業(yè)所研制的一種特種機(jī)器人，己綜合了智能移動(dòng)載體技術(shù)和管道缺陷無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。這類機(jī)器人能進(jìn)入人所不及、復(fù)雜多變的非結(jié)構(gòu)管道環(huán)境中，通過(guò)攜帶的無(wú)損檢測(cè)裝置和作業(yè)裝置，對(duì)工作中的油氣管逆進(jìn)行在役檢測(cè)、清理、維護(hù)，以保障管逆的安全和暢

6、通無(wú)阻地工作。由于管道檢測(cè)機(jī)器人實(shí)施的是管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)，它還能夠方便地獲取、傳輸、存儲(chǔ)管進(jìn)內(nèi)的視頻影像數(shù)據(jù)，作為分析判斷管道內(nèi)壁腐蝕狀祝、幾何形狀異常、堵塞、斷裂、泄漏的重要依據(jù)，并可利用機(jī)器人自身精確的定位系統(tǒng)對(duì)缺陷進(jìn)行定位，通過(guò)攜帶的檢測(cè)裝置對(duì)關(guān)鍵部位實(shí)施進(jìn)一步的定量檢測(cè)。這一技術(shù)特點(diǎn)，使得在對(duì)穿越河流、鐵路、道路的特殊管道或埋地管邁的重要部位進(jìn)行有選擇的檢測(cè)時(shí)，管述檢測(cè)機(jī)器人具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。1.2 管道探傷機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展自工業(yè)機(jī)器人問(wèn)世以來(lái)，機(jī)器人的種類日益繁多、性能不斷改進(jìn)、上作領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。從深海到宇宙空間，在各種人體所不能承受的極限環(huán)境條件一下都能找到機(jī)器人的應(yīng)用。管道機(jī)器人

7、的研制，開(kāi)發(fā)與其他微電子機(jī)械系統(tǒng)一樣，涉及的而很廣，不僅需要新概念，新理論而且還需新材料，新工藝。已是真正機(jī)、電、光、磁等一體化的開(kāi)始，因而機(jī)器人技術(shù)作為微電子機(jī)械技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，為許多領(lǐng)域的應(yīng)用研究開(kāi)拓了道路，是當(dāng)前世界上有極好前景的科技領(lǐng)域之一。對(duì)于那些人類無(wú)法進(jìn)入的危險(xiǎn)區(qū)域，如核動(dòng)力工廠和石油化工廠的大量管道的探傷和維修都十分需要管道機(jī)器人。在這種情況下，研發(fā)一種切實(shí)可行的管道檢測(cè)設(shè)備已非常必要。近50年，德、美、英、加、俄、荷、日等國(guó)對(duì)長(zhǎng)輸管道在役檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了大量研究、試制、實(shí)用、改進(jìn)工作。人們認(rèn)識(shí)到超聲和國(guó)內(nèi)的管道在線檢測(cè)技術(shù)大部分也應(yīng)用了“管道豬”。近些年來(lái)，我國(guó)也開(kāi)始對(duì)

8、帶自主動(dòng)力的機(jī)器人進(jìn)行研究。1.3管道檢測(cè)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛普及和應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外檢測(cè)技術(shù)都得到了迅猛發(fā)展，管道檢測(cè)技術(shù)逐漸形成管道內(nèi)、外檢測(cè)兩個(gè)分枝。通常情況下，涂層破損、失效處下方的管道同樣受到腐蝕，管道外檢測(cè)技術(shù)的目的是在檢測(cè)涂層及陰極保護(hù)有效性的基礎(chǔ)上，通過(guò)挖坑檢測(cè)，達(dá)到檢測(cè)管體腐蝕缺陷的目的，對(duì)于日前大多數(shù)布局內(nèi)的管道是十分有效的。管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)主要用于發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)外腐蝕、局部變形及焊縫裂紋等缺陷，也可間接判斷涂層的完好性。 當(dāng)前我國(guó)管道的維護(hù)絕大多數(shù)情況下還是靠人工來(lái)完成。傳統(tǒng)的管道維護(hù)方式是依靠維修人員進(jìn)入管道，用目測(cè)的方式檢杳管道的破損。但是在很多情況下，人

9、工檢測(cè)方式存在很多缺點(diǎn)，比如對(duì)于直徑較小的管道人無(wú)法進(jìn)入，也就無(wú)法現(xiàn)其中的破損;管道內(nèi)環(huán)境惡劣，經(jīng)常充斥著大量對(duì)人體有害的氣體，給進(jìn)入管道的維修人員帶來(lái)很大的安全威脅;人工檢測(cè)速度慢、效率低、需要投入大量的人力等等。 在人工檢測(cè)方式存在諸多缺點(diǎn)的情祝下，研發(fā)一種自動(dòng)化的管道檢測(cè)設(shè)各成為國(guó)家發(fā)展的需要。在國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家，管道檢測(cè)機(jī)器人已經(jīng)誕生并投入使用，已經(jīng)成為一個(gè)技術(shù)較為成熟、商品化的設(shè)各，但價(jià)錢昂貴。在我國(guó)，這方而的研究作起步較晚，這也是我國(guó)國(guó)情決定的，日前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有成型的、商品化的產(chǎn)品問(wèn)世從我國(guó)國(guó)情出發(fā)，隨著管道維護(hù)工作的不斷加強(qiáng)，無(wú)論從檢測(cè)的自動(dòng)化和標(biāo)準(zhǔn)化考慮，還是從減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度、

10、節(jié)省時(shí)間、擴(kuò)大作業(yè)范圍考慮，研究一種可以自動(dòng)檢測(cè)管道故障的機(jī)器人系統(tǒng)都具有重要的意義。2管道探傷機(jī)器人的整體概述管逆檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)直接影響到機(jī)器人的使用性能和工作效率等方面，需要以系統(tǒng)全面的觀點(diǎn)來(lái)進(jìn)行綜合考慮，爭(zhēng)取以最少的周期、最低的成本達(dá)到規(guī)定的設(shè)計(jì)要求?？紤]到通信、能源供給的可靠性，本文的管道探傷式。系統(tǒng)的工作原理:將機(jī)器人放入管道后，通過(guò)計(jì)算機(jī)發(fā)出指令讓機(jī)器人在管進(jìn)中以一定速度運(yùn)行，這時(shí)超聲波傳感器發(fā)出信號(hào)井將返回信號(hào)通過(guò)無(wú)線傳播給管道外接收裝置，接收裝置用數(shù)據(jù)線與PC相連，PC實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)并且擔(dān)任分析信號(hào)任務(wù)。這樣運(yùn)行下去直到PC發(fā)出停止指令為止。機(jī)器人系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案采用了

11、如圖1的無(wú)線式機(jī)器人設(shè)針?lè)桨?。檢測(cè)系統(tǒng)主控系統(tǒng)牽引系統(tǒng)無(wú)線接收裝置PC無(wú)線傳送無(wú)線控制數(shù)據(jù)線圖1 機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案管道探傷機(jī)器人系統(tǒng)主要由移動(dòng)系統(tǒng)、探傷系統(tǒng)、補(bǔ)漏系統(tǒng)，遙控系統(tǒng)等組成，下面對(duì)其作簡(jiǎn)要概述。2.1移動(dòng)控制系統(tǒng)概述 動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)是可以相互轉(zhuǎn)換的，從這個(gè)意義上來(lái)講，電動(dòng)機(jī)是最常用的運(yùn)動(dòng)源:運(yùn)功控制的最有效方式就是對(duì)運(yùn)動(dòng)源的控制。 電機(jī)控制技術(shù)采用微處理器等現(xiàn)代控制手段構(gòu)成的數(shù)宇控制系統(tǒng)已成為主流控制方法。各種電機(jī)的控制技術(shù)和微電子技術(shù)的結(jié)合正逐步使其發(fā)展成為門新的技術(shù)。由于有微處理器和傳感器作為新一代運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的組成部分，即該運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)又稱智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。圖2 驅(qū)動(dòng)部分整體結(jié)構(gòu)

12、2.2探傷系統(tǒng)概述 目前，在管道機(jī)器人探傷系統(tǒng)中，國(guó)外主要采用的蜂窩式檢測(cè)頭，其最多可載有500多個(gè)超聲探頭。各個(gè)超聲探頭直接向管壁發(fā)射寬頻超聲波，又直接接收反射波。這種機(jī)器人的內(nèi)部還設(shè)有擺錘及自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，以免機(jī)器人在行進(jìn)的過(guò)程中發(fā)生白身的偏轉(zhuǎn)，這種檢測(cè)方法叫靜態(tài)超聲波檢測(cè)。我們采用的是動(dòng)態(tài)檢測(cè)，所謂動(dòng)態(tài)檢測(cè)，就是探頭盤(pán)帶著若干個(gè)超聲頭在石油管遒內(nèi)隨石油的流動(dòng)作旋轉(zhuǎn)探測(cè)。相比較而一言，動(dòng)態(tài)檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是:成本低，檢測(cè)全而，易于采用。圖3 探傷檢測(cè)部分結(jié)構(gòu)2.3補(bǔ)漏控制系統(tǒng)概述補(bǔ)漏系統(tǒng)主要是設(shè)計(jì)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的控制系統(tǒng)，提出一種上位機(jī)與單片機(jī)之間的通信協(xié)議，可力便地對(duì)機(jī)械手進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，利

13、用可編程計(jì)數(shù)器自動(dòng)生成脈沖，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)步進(jìn)電機(jī)的同步控制，整個(gè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠。圖4 補(bǔ)漏系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)2.4遙控系統(tǒng)概述在機(jī)器人研究領(lǐng)域，常常涉及到遙控方案的研究.作為機(jī)器人的重要組成部分，遙控系統(tǒng)工作的可靠性直接關(guān)系到機(jī)器人研究的成敗。在目前的機(jī)器人遙控方案中，經(jīng)常采用無(wú)線電數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞絹?lái)實(shí)現(xiàn)遙控功能。本文給出了基于PT2262/PT2272的機(jī)器人遙控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)方案具有較高的可靠性和實(shí)用性。，單片機(jī)具有開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，非常適用于無(wú)線控制系統(tǒng)中。在該系統(tǒng)中，PT2262的功能是以4位一組的方式將已經(jīng)過(guò)單片機(jī)編碼的控制命令并行發(fā)送出去，PT2262把4位串行信號(hào)變?yōu)椴?/p>

14、行信號(hào)，這樣可以適當(dāng)協(xié)調(diào)硬件與軟件的復(fù)雜程度，從而著重于實(shí)現(xiàn)信號(hào)的無(wú)線傳輸，所以系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。鍵盤(pán)單片機(jī)無(wú)線發(fā)送裝置驅(qū)動(dòng)控制鍵盤(pán)單片機(jī)無(wú)線接收裝置 發(fā)射裝置 接收裝置圖5 遙控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)是可以相互轉(zhuǎn)換的，從這個(gè)意義上來(lái)講，電動(dòng)機(jī)是最常用的運(yùn)動(dòng)源，運(yùn)動(dòng)控制的最有效方式就是對(duì)運(yùn)動(dòng)源的控制。因此，一般通過(guò)對(duì)電機(jī)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制。移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)是機(jī)器人系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行起著重要作用，有時(shí)可以作為一個(gè)簡(jiǎn)單的控制制器。構(gòu)成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的要素有:計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)及控制軟件、輸入/輸出設(shè)備、驅(qū)動(dòng)器、傳感器系統(tǒng)，它們之間的關(guān)系如圖

15、6所示。 傳感器計(jì)算機(jī)硬件及控制軟件驅(qū)動(dòng)器機(jī)器人本體I/O設(shè)備圖6 機(jī)器人控制系統(tǒng)構(gòu)成要素機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型在電動(dòng)機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，有直流電機(jī)、交流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)等實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，以及實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)的直線電機(jī)。目前在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制中，較為常用的電機(jī)有直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)作為一種新型的自動(dòng)控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，進(jìn)入了一些高、精、尖的控制領(lǐng)域。步進(jìn)電機(jī)雖然有一些不足，如啟動(dòng)頻率過(guò)高或負(fù)載過(guò)大時(shí)易出現(xiàn)失步或堵轉(zhuǎn)，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)高易出現(xiàn)過(guò)沖，且一般無(wú)過(guò)載能力，行往需要選取有較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)來(lái)克服慣性力矩。但步進(jìn)電機(jī)點(diǎn)位控制性能好，沒(méi)有累積誤差

16、，易于實(shí)現(xiàn)升環(huán)控制，能夠在負(fù)載力矩適當(dāng)?shù)臎r下，以較小的成本與復(fù)雜度來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的同步控制。綜合考慮控制要求、成本等多方面因素，本系統(tǒng)選用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。運(yùn)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)方式目前，對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)方式主要有以模擬電路硬接線方式建立的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，以微控制器為核心的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和利用專用芯片控制的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。由于本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人趨于微型化，因此需控制系統(tǒng)集成度高，響應(yīng)快，可靠性高，通過(guò)對(duì)以上三種控制方式綜合比較，本系統(tǒng)采用專有芯片實(shí)現(xiàn)機(jī)器人移動(dòng)控制。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖如圖7所示，它由需要控制電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)速等的控制裝置、將來(lái)自控制裝置的信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖的脈沖發(fā)生器以及對(duì)各繞組順

17、序分配脈沖電流的驅(qū)動(dòng)電路等組成。 控制裝置 脈沖發(fā)生器 驅(qū)動(dòng)電路 電動(dòng)機(jī)圖7 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖驅(qū)動(dòng)方式采用TD62803P集成芯片構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路。采用專用的脈沖分配器集成電路TD6280具有電路簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，容易控制等特點(diǎn)，時(shí)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制核心。管腳功能如表所示。TD6280P是專門用于步進(jìn)電機(jī)控制的脈沖分配器芯片，它具有步進(jìn)電機(jī)控制器的多種功能的集成電路。由TD62803P集成芯片構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路如圖8所示。圖8 控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路3.2探傷系統(tǒng)控制超聲波探傷技術(shù)原理 管道檢測(cè)機(jī)器人采用旋轉(zhuǎn)超聲探頭對(duì)管進(jìn)管壁厚度進(jìn)行檢測(cè)。超聲波檢測(cè)是日前應(yīng)用最為廣泛的一種無(wú)損檢測(cè)方法，具有靈敏度高、穿透力強(qiáng)、探

18、傷靈活、效率高、成本低。在役石油管道的受蝕缺陷主要是管壁的受蝕減薄，用超聲檢測(cè)技術(shù)來(lái)探測(cè)管道壁厚的厚度最為簡(jiǎn)便和直接，其檢測(cè)原理如圖9。圖9 超聲波探傷原理圖 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)探傷系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中，最常用的是分立元件構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路和專用的混合集成驅(qū)動(dòng)電路。分立元件構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，適用于低頻小功率驅(qū)動(dòng)， 因此，在本設(shè)計(jì)中，選用了電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低的分立元件驅(qū)動(dòng)電路。電路原路圖如圖10所示:圖10 驅(qū)動(dòng)原理圖3.3補(bǔ)漏系統(tǒng)的電氣控制設(shè)計(jì)通過(guò)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手上卜升降、左右900旋轉(zhuǎn)、前后伸縮、夾緊松開(kāi)等功能、由于在一些簡(jiǎn)單的機(jī)械手應(yīng)用或教育機(jī)械手設(shè)備中，經(jīng)常采用步進(jìn)電

19、機(jī)進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制，以降低控制難度，節(jié)約成本，因此通過(guò)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的研究也較雖然由單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的方案較多。本文主要研究了補(bǔ)漏系統(tǒng)的實(shí)時(shí)在線控制問(wèn)題以及多個(gè)步進(jìn)電機(jī)的同步控制問(wèn)題,提出了一種上位機(jī)與單片機(jī)之間串口通信方案，根據(jù)其運(yùn)動(dòng)情況實(shí)時(shí)修改控制指令，改變其運(yùn)動(dòng)路徑;利用可編程計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)發(fā)生器的功能，從而可實(shí)現(xiàn)多個(gè)步進(jìn)電機(jī)的同步控制，水平方向和垂直方向運(yùn)動(dòng)分別由兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),控制任務(wù)是上位機(jī)根據(jù)預(yù)定任務(wù)對(duì)補(bǔ)漏系統(tǒng)中末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行規(guī)劃，并將末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)分解成兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。要設(shè)計(jì)其控制方案,首先由上位PC機(jī)向單片機(jī)發(fā)送控制指令代碼，通過(guò)單片機(jī)對(duì)代碼

20、的分析，還原出對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向、速度、角度等參數(shù)的控制要求，然后由單片機(jī)向可編程計(jì)數(shù)器82C53T發(fā)送控制字，以改變82C53T產(chǎn)生脈沖的啟停或頻率，從而控制步進(jìn)電機(jī)控制芯片L297產(chǎn)生的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，進(jìn)而控制電機(jī)的啟停和速度，或者單片機(jī)直接控制L297以完成電機(jī)轉(zhuǎn)向、鎖定等仟?jiǎng)?wù)。其系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如11所示。圖11 補(bǔ)漏系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 為了解決單片機(jī)同時(shí)控制多個(gè)步進(jìn)電機(jī)的問(wèn)題，本文采用了在單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)芯片之間加載可編程計(jì)數(shù)器82C53T,這樣通過(guò)該計(jì)數(shù)器產(chǎn)生可控的多路脈沖，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)步進(jìn)電機(jī)的同步控制,整個(gè)控制電路由1塊AT89C51, 1塊82C53T, 2塊L297, 2塊L298

21、N及相關(guān)電路組成，其中可編程計(jì)數(shù)器82C53T工作在工作方式通過(guò)單片機(jī)控制字的寫(xiě)入產(chǎn)生連續(xù)的方波脈沖，再由該芯片的兩個(gè)輸出端OUT1和OUT2分別提供給兩組L297的CLOCk端,其中單片機(jī)與82C53T電路連接如圖12所示。圖12 脈沖生成電路由L297與L298N驅(qū)動(dòng)器組成的步進(jìn)電機(jī)控制電路具有以下優(yōu)點(diǎn):使用元件少，組件的損耗低，可靠性高，體積小，軟件開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單，并且計(jì)算機(jī)(或單片機(jī))硬件費(fèi)用大大減少。相關(guān)驅(qū)動(dòng)電路如圖13所示。 圖13 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制電路3.4遙控系統(tǒng)發(fā)射器的設(shè)計(jì) 基于PT2262-RF集成塊構(gòu)成的無(wú)線發(fā)送電路的原理圖如圖14所示。圖中芯片的VDD是通過(guò)按鍵接通后向PT

22、2262供電，電路由指令的產(chǎn)生、編碼和發(fā)送三個(gè)部分組成。無(wú)指令按鍵按下時(shí)，D5-DO數(shù)據(jù)輸入口又分別被R1-R6下拉電阻下拉,當(dāng)按下任一指令按鍵時(shí)，PT2262得電，且D5DO中與按下的鍵相連的那個(gè)引腳變?yōu)楦唠娖?，這時(shí)的數(shù)據(jù)碼就不再是000000該數(shù)據(jù)碼送芯2262中被編碼，其后，信號(hào)由Dout引腳送經(jīng)指令發(fā)送部分處理后，由天線發(fā)射出去。圖14 遙控發(fā)射機(jī)電路原理圖接收機(jī)的設(shè)計(jì) 遙控接收機(jī)是安裝在遙控裝置上用來(lái)接收無(wú)線電信號(hào)的。接收機(jī)一般由接收電路、放大電路、解調(diào)電路、指令譯碼電路、驅(qū)動(dòng)電路和執(zhí)行電路幾部分組成。接收電路將發(fā)射器發(fā)射的已調(diào)制的編碼指令信號(hào)接收下來(lái)，并進(jìn)行發(fā)大后送解調(diào)電路。解調(diào)電

23、路將以調(diào)制定編碼解調(diào)下來(lái)，即還原為編碼信號(hào)。指令譯碼器將編碼指令信號(hào)進(jìn)行譯碼，最后由驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電路實(shí)現(xiàn)各種指令的操作。接收機(jī)一般都要與發(fā)射機(jī)配套使用，通常使用專用的電池組或使用12伏直流電源供電?；?272芯片組成的無(wú)線遙控接收電路的原理圖如圖15所示;接收機(jī)的電路分為三個(gè)部分，一是從空中接收到指令信號(hào)，井通過(guò)諧振電路將信號(hào)濾出:二是將濾出的信號(hào)，即解調(diào)出來(lái)的編碼信號(hào)進(jìn)行前級(jí)放大，以保證輸入PT2272的信號(hào)幅度夠大;最后是指令信號(hào)的譯碼和輸出電路，該輸出和發(fā)射機(jī)的發(fā)射指令相對(duì)應(yīng)。接收機(jī)的8路輸出，分別作為驅(qū)動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)的前進(jìn)信號(hào)，后退信號(hào)，左轉(zhuǎn)彎信號(hào)、右轉(zhuǎn)彎信號(hào)。圖15 遙控接收機(jī)

24、電路原理圖因?yàn)檫b控接收機(jī)要控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而才能控制機(jī)器人的移動(dòng)，所以有兩個(gè)H橋與接收機(jī)相連。首先，某一個(gè)行走指令，如前進(jìn)，只能讓接收機(jī)的一路輸出引腳變?yōu)楦唠娖?但如果要讓機(jī)器人行走的話，要讓兩個(gè)電機(jī)同時(shí)工作，最簡(jiǎn)便的辦法是用有2對(duì)常開(kāi)觸點(diǎn)的繼電器來(lái)控制。其次，接收機(jī)和單片機(jī)的輸出電流相對(duì)較小。所以在控制H橋的控制端時(shí)要有一個(gè)放大環(huán)節(jié)。我們利用驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003AN進(jìn)行信號(hào)的放大。完整的電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制硬件設(shè)計(jì)整個(gè)電路的驅(qū)動(dòng)與控制包括了遙控接收機(jī)、H橋及其兩者接口等電路。其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路選用的繼電器含有2對(duì)常開(kāi)常閉觸頭，而且圖中有4個(gè)繼電器，用來(lái)控制4個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，從而能實(shí)現(xiàn)前進(jìn)

25、、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)以及過(guò)溝功能。圖16 驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路4控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)軟件部分主要是對(duì)機(jī)器人移動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)向控制及位置控制的程序設(shè)計(jì)。4.1 轉(zhuǎn)向控制程序設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的調(diào)節(jié)，我們采用以下的流程圖編程。流程圖如圖4-1所示首先需要啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809，然后將轉(zhuǎn)換好的數(shù)字信號(hào)傳給P0口，再通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換，為了能夠準(zhǔn)確的控制電機(jī)，必須在下一次模數(shù)轉(zhuǎn)換前對(duì)其進(jìn)行延時(shí)。否則，此控制系統(tǒng)就不會(huì)具有穩(wěn)定性。改變p1.0狀態(tài) 退出 停機(jī)P1.0=1?YYN正轉(zhuǎn)？N絕對(duì)位置加1 絕對(duì)位置減1 Y步數(shù)=0?Y 停機(jī)N 步數(shù)減1步數(shù)=0?報(bào)警YN 重裝定時(shí)常數(shù)圖17 轉(zhuǎn)向控制流程圖4.2

26、位置控制程序設(shè)計(jì)通過(guò)驅(qū)動(dòng)器上自帶的光電碼盤(pán)，能夠讀出機(jī)器人行走發(fā)出的脈沖，只需將脈沖數(shù)記下就可以夠了解機(jī)器人走過(guò)的路程，從而準(zhǔn)確的了解機(jī)器人在一段時(shí)間后的準(zhǔn)確位置。 開(kāi)始 賦計(jì)數(shù)器初值 啟動(dòng)計(jì)數(shù)器 延時(shí)計(jì)數(shù) 送計(jì)數(shù)器值給寄存器 延時(shí)1ms 十六進(jìn)制轉(zhuǎn)化為BCD碼 輸出BCD碼是否輸完YNY 是否終止NY 結(jié)束圖18 位置控制流程圖具體程序見(jiàn)附錄5經(jīng)濟(jì)性分析報(bào)告 微型機(jī)電系統(tǒng)是一個(gè)新興的技術(shù)領(lǐng)域，微型機(jī)電系統(tǒng)在工業(yè)、信息處理和通訊、航空航天、航海、醫(yī)學(xué)和生物工程、農(nóng)業(yè)和家庭服務(wù)等領(lǐng)域有著潛在的巨大應(yīng)用前景。 美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)草金會(huì)從1988年起，每年投入200-300萬(wàn)美元資助MEMS的基礎(chǔ)研究

27、，近年又增至每年800-1500萬(wàn)美元:美國(guó)國(guó)防部從1992年起，撥款支MEMS的研究，1995年的資助額為30萬(wàn)美元;而在1995年，美國(guó)工業(yè)界對(duì)MEMS的研究開(kāi)發(fā)費(fèi)估計(jì)為1.2億美元。日本通過(guò)產(chǎn)省從1991年起實(shí)施“微機(jī)械技術(shù)十年計(jì)劃”，分為基礎(chǔ)研究中間評(píng)價(jià)和系統(tǒng)化技術(shù)三個(gè)階段，并于1992年組建了“微機(jī)械研究中心”來(lái)負(fù)責(zé)組織管理和規(guī)劃研究，該計(jì)劃總投資250億日元。四歐的一些國(guó)家對(duì)MEMS的研究總投入超過(guò)4000萬(wàn)美元。在歐洲，除了日本外，韓國(guó)、新加坡、馬來(lái)四亞和臺(tái)灣地區(qū)都相繼制定了MEMS的研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃。在這篇文章中由于我們所設(shè)計(jì)的微型管道機(jī)器人受到50 mm管徑的限制，所以機(jī)器人的各

28、個(gè)部件都需要特制的。這樣比一般的機(jī)械設(shè)計(jì)需要更多的資金入。6結(jié)論 本文設(shè)計(jì)了一種新型的被動(dòng)式石油管道檢測(cè)機(jī)器人，闡述了其工作原理，著重介紹了能夠在那些人類無(wú)法進(jìn)入的危險(xiǎn)區(qū)域，如石油化工廠，航天飛機(jī)、核動(dòng)力工廠等管道從事檢測(cè)和探傷作業(yè)的電磁驅(qū)動(dòng)式微管道機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作原理及其智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等等。 其設(shè)計(jì)的行進(jìn)速度為20m/min，能夠在直徑為300mm-400mm的管道內(nèi)正常工作，測(cè)厚精度約為0. 3mm，檢測(cè)距離大于l0km，耐壓8MPa，在輸油管道的無(wú)損檢測(cè)中其有良好的應(yīng)用前景。但是，實(shí)際中石油管道的環(huán)境是復(fù)雜多樣的，如石油的沉淀，雜質(zhì)，三通、四通管道等，因此，對(duì)在石油管道的惡

29、劣環(huán)境中檢測(cè)的機(jī)器人穩(wěn)定性和可靠性的研究是今后要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。參考文獻(xiàn)1劉強(qiáng)，王樹(shù)立，趙書(shū)華等.油氣儲(chǔ)運(yùn)行業(yè)管道機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀與展望,2006（6）:24-262何仁洋，孫敬清.理地燃?xì)夤艿谰C合檢驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)研究.管道技術(shù)與設(shè)備，2003(4):31-333劉斌.管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人扮制系統(tǒng)的研究D.天津:天津大學(xué)，2000,(1):7-94劉大維，彭商賢，龔進(jìn)峰.地下管道檢測(cè)移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀J.吉林工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1998, (1):109-1125甘小明，徐濱士，董世運(yùn)等.管道機(jī)人的發(fā)展現(xiàn)狀J.機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用，2003, (6): 5-106李元宗，史貴柱，武利生.管內(nèi)步伐式行走機(jī)器人J.機(jī)

30、器人，1998, (5):37-427王曉明.電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制J.北京航空航大大學(xué)出版社，2005(5):5-98鄧宗全，王杰，劉福利等.直進(jìn)式全驅(qū)管內(nèi)行走機(jī)構(gòu)的研究J.機(jī)器人，1995, 17(2):121-1229王卓軍，張曉華，陳宏均.基于視覺(jué)的管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J.基礎(chǔ)自動(dòng)化，1997(1):53-5510周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程J.北京:北京航空航大大學(xué)出版社，2005(3):33-4111譚建成.電機(jī)拄制專用集成電路J.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002,(2):3-912王曉明.電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制J.北京航空航大大學(xué)出版社，2005,(1):47-6613何立民，單片機(jī)高級(jí)教程J.北京:北京航空航大人學(xué)出版社，2000,(3):79-83致謝本文是在楊天明老師的悉心指導(dǎo)下完成的。從畢業(yè)設(shè)計(jì)題目的選擇、到選到課題的研究和論證，