本发明专利技术公开了三核四轴履带式高速天然气管道机器人控制系统，所述的控制器采用三核控制器，包括通讯连接的ARM、FPGA和DSP，所述的ARM和FPGA分别发出第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号和第四控制信号，由所述的第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号和第四控制信号分别控制所述的永磁同步电机Y、永磁同步电机X、永磁同步电机Z和永磁同步电机R的信号合成之后再控制管道机器人的运动。通过上述方式，本发明专利技术自主研发了基于ARM+FPGA+DSP的全新三核控制模式，把ARM从复杂的工作当中解脱出来，实现四轴三相永磁同步电机的实时位置采集，并响应DSP中断，实现数据通信和存储实时信号。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及大型管道机器人的领域，尤其涉及一种三核四轴履带式高速天然气管道机器人控制系统。
技术介绍
天然气管道的输送介质属于易燃、易爆物质，介质中含有的硫化氢、 二氧化碳、 游离水、 粉尘等杂质，使敷设的管道处于内外腐蚀条件，甚至有的时候内部会产生阻塞情况发生。再加上环境、地质、气象和水文灾害、管材及设计缺陷、操作失误乃至人为破坏等因素，管道的安全受到众多因素的威胁。1989年6月4日，前苏联的一条输气管道发生泄漏，两列对开火车在距离泄漏点1 公里外的铁路线上通过时，火车磨擦产生火花引起了泄漏的天然气体爆炸，造成600多人死亡，数百公顷森林烧毁；2000年8月，美国新墨西哥州东南部一条720 mm口径的输气管道发生天然气爆炸，引起连天大火并至少造成 10人死亡，在30多公里以外的地方都可以看见巨型火球冲上天空，爆炸后地面留下一道长25 m、深6 m的大坑；我国的石油天然气管道亦曾多次发生事故，管道发生爆破、泄漏、停输等事故不仅造成巨大财产损失，而且也危害到生态环境。管道机器人是一种可以沿着管道内部或者是外部自动行走，携带一种或多种传感器和操作机械，在操作人员的控制下或者是计算机自动控制下完成一系列管道作业的机电一体化系统。管道机器人的研究开始于上个世纪四十年代，到了70年代由于微电子技术、计算机技术、自动化技术的发展和进步，国外管道机器人技术于90年代初得到了迅猛发展，研制了许多实验样机，并取得了大量的研究成果。用管道机器人巡检天然气管道，不仅可以提高管道检测的效率，而且对于改善劳动条件，减轻劳动强度，提高作业效率，降低作业成本，保障人身安全都有着十分重要的意义。但是国内还没有采用管道机器人巡检天然气管道，天然气管道爆炸时有发生，造成了巨大的经济损失和环境污染。一个实用的天然气管道机器人必须具备以下几个部分：1）图像采集系统：图像采集系统可以发现管道内已经出现的问题，并可以为工作人员提供管道受损和阻塞情况，为更换管道或者是清理管道提供可靠依据；2）损伤采集系统：损伤采集系统可以及时发现管道系统外壁出现的异常情况，避免了管道而长期破损导致抗压能力减弱，最终导致天然气大量泄露而产生爆炸事故发生；3）湿度探测和阻塞物探测：如果湿度过大，天然气管道的输送介质易于形成管道腐蚀，同时部分物质会堆积起来产生阻塞情况；4）电机：执行电机是管道机器人的动力实施部件，它实时转化电源的能量，根据管道机器人微处理器的指令来执行机器人在天然气管道内的相关行走动作；5）算法：算法是天然气管道机器人的灵魂，由于天然气管道是一个封闭的管道，内部情况非常复杂，天然气管道机器人必须采用一定的智能算法才能准确的从管道内一点到达另外一点，形成点对点的巡检，并实时存储采集图像、管道水汽信息、管道阻塞信息、管道受损情况和受损位置信息；6）微处理器：微处理器是天然气管道机器人的核心部分，是天然气管道机器人的大脑。管道内所有的信息，包括管道内的湿度、阻塞情况、管道损伤信息以及损伤位置信息、电机状态信息、电池状态信息等都需要经过微处理器处理并做出相应的判断。国内对管道机器人的研究只是刚刚起步，均是采用单核控制器，均处于实验室样机设计阶段，离大规模使用具有一定的距离，主要面临以下问题：（1）受控制技术影响，所有的管道机器人均采用单核控制器，控制器的计算能力较弱，管道机器人无法快速处理实时环境，且机器人行走速度较低，巡查管道速度较慢，且稳定性较差；（2）对于采用电机驱动的管道机器人所携带的能源均采用可充电蓄电池，这些蓄电池均是通过简单的串联和并联后形成高压大电流能源系统，均没有保护电路，寿命较短，正常工作时经常出现异常甚至干扰到管道机器人的工作；（3）对于采用步进电机或者是直流电机驱动的管道机器人来说，受电机自身效率的影响，能源利用率较低，导致机器人在管道内移动距离较短；（4）对于采用步进电机或者是直流电机驱动的管道机器人来说，受电机功率密度的影响，由于所采用的电机体积均较大，最终导致机器人的体积较大，重量较重，严重影响了管道机器人的使用范围；（5）无论是基于矢量控制或者是基于转子磁场定向控制算法永磁同步电机的伺服控制，除了要进行多次的坐标变换与反变换外，还要进行电流及速度的闭环控制，因而实现比较复杂且实时性要求较高；采用DSP技术或者是ARM技术并以软件方式来实现，系统开发周期比较长，而且该算法占用的处理器时间比较多，影响了DSP或者是ARM的处理功能；采用专用运动控制芯片虽然可以减少处理器处理时间，但是其内部的PID调节只能满足单一的要求，无法满足管道机器人在复杂环境中的应用；（6）管道机器人运动状态自我调整能力较差，受控制方式影响，机器人在管道内的姿态参数识别较差，机器人无法识别自我平面与管道主平面的夹角，机器人无法实时根据外围环境调整自己的PID参数，导致机器人行走时出现倾斜，甚至有时会翻车，导致任务失败；（7）对于有阻塞的天然气管道，普通的轮式机器人与地面接触面积较少，越障能力较弱，有的时候甚至无法越过障碍物，最终无法巡检完成任务；（8）对于只采用两动力轮的驱动方式来说，机器人的动力调整能力较差，为了满足复杂状态下的加速，使得单个驱动电机的功率较大，不仅占用的空间较大，而且有时候在一些相对需求能量较低的状态下造成“大马拉小车”的现象出现，无法满足系统多样性工况下动力需求要求，使得系统动态性能降低。（9）由于加速度计通过积分和二次积分得到机器人的速度和偏角，由于多次的积分使得管道机器人在密闭管道中的位置有时候会出现一定错误。永磁同步电动机的定子与普通电励磁同步电动机具有相同的定子结构，只是转子上以钕铁硼稀土永磁材料作为磁极取代了同步机的励磁磁极和励磁绕组，使电动机的结构较为简单，且省去了容易出故障的集电环和电刷，实现了无刷化，提高了电动机运行的可靠性。因为不需励磁电流，因此可以省去励磁绕组的铜耗，极大提高了电机的效率；稀土永磁材料的使用使得电机功率密度较高，所以电机的体积可以做得更小，适合体积要求比较高的场合。永磁同步电动机除了有明显的节能效果外，还具有转速准确、噪声低的特性，稀土永磁同步电机基于转子磁场定向或者是基于矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制，这些特性使得稀土永磁同步电机特别适合使用于管道机器人这些要求比较特殊的机器人控制系统中。履带式移动机构是轮式移动机构的拓展，履带本身起着给车轮连续铺路的作用。相对于轮式机构，履带式移动机构有着诸多优点，如：支承面积大，接地比压小；滚动阻力小，通过性能较好；越野机动性好；履带支承面上有履齿，不易打滑，牵引附着性能好，有利于发挥较大的牵引力；变位履带式移动机构通过改变履带的位置或履带的机构形式以达到适应不同环境的要求，两履带的夹角可以调节，以适应不同的作业管径。
技术实现思路
本专利技术主要解决的技术问题是提供一种三核四轴履带式高速天然气管道机器人控制系统，自主研发了基于ARM+ FPGA+DSP的全新三核控制模式，控制器以ARM为处理器核心，由FPGA实现四轴永磁同步电机的伺服控制，DSP实现CCD图像采集数字信号的实时处理并与ARM通讯，把ARM从复杂的工作当中解脱出来，实现四轴三相永磁同步电机的实时位置采集，并响应DSP中断，实现数据通信和存储实时信号。为解本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种三核四轴履带式高速天然气管道机器人控制系统，其特征在于，包括电池、控制器、永磁同步电机X、永磁同步电机Y、永磁同步电机Z、永磁同步电机R、基于CCD图像采集单元、图像存储单元、湿度采集单元、基于霍尔效应管道探伤采集单元以及管道机器人，所述的电池单独提供电流驱动所述的控制器，所述的控制器采用三核控制器，包括ARM、FPGA和DSP，所述的ARM、FPGA和DSP进行通讯连接，所述的ARM和FPGA分别发出第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号和第四控制信号，由所述的第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号和第四控制信号分别控制所述的永磁同步电机Y、永磁同步电机X、永磁同步电机Z和永磁同步电机R的信号合成之后再控制管道机器人的运动，所述的基于CCD图像采集单元和图像存储单元均与DSP通讯连接，所述的湿度采集单元和基于霍尔效应管道探伤采集单元均与ARM通讯连接。
【技术特征摘要】
1.一种三核四轴履带式高速天然气管道机器人控制系统，其特征在于，包括电池、控制器、永磁同步电机X、永磁同步电机Y、永磁同步电机Z、永磁同步电机R、基于CCD图像采集单元、图像存储单元、湿度采集单元、基于霍尔效应管道探伤采集单元以及管道机器人，所述的电池单独提供电流驱动所述的控制器，所述的控制器采用三核控制器，包括ARM、FPGA和DSP，所述的ARM、FPGA和DSP进行通讯连接，所述的ARM和FPGA分别发出第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号和第四控制信号，由所述的第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号和第四控制信号分别控制所述的永磁同步电机Y、永磁同步电机X、永磁同步电机Z和永磁同步电机R的信号合成之后再控制管道机器人的运动，所述的基于CCD图像采集单元和图像存储单元均与DSP通讯连接，所述的湿度采集单元和基于霍尔效应管道探伤采集单元均与ARM通讯连接。2.根据权利要求1所述的高速天然气管道机器人控制系统，其特征在于，所述的电池采用锂离子电池。3.根据权利要求1所述的高速天然气管道机器人控制系统，其特征在于，所述的第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号和第四控制信号均为PWM波控制信号。4.根据权利要求1所述的高速天然气管道机器人控制系统，其特征在于，所述的ARM采用STM32F746；所述的FPGA采用QUICKLOGIC；所述的DSP采用TMS320F2812。5.根据权利要求1所述的高速天然气管道机器人控制系统，其特征在于，所述的管道机器人包括机器人壳体、激光位移传感器、磁导航传感器、左岔口传感器、右岔口传感器、三轴陀螺仪以及同步带，所述的激光位移传感器分别安装在机器人壳体的前端，所述的...
【专利技术属性】
技术研发人员：张好明，朱利军，
申请(专利权)人：江苏若博机器人科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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