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  1机器人本体设计

  1.1WCR工作环境

  所设计的WCR的主要功能是在无任何支架的情况下携带无损检测工具对油罐进行检测。这种立式油罐主要是石油公司对其进行储油,所以一般都设计半径为5米~10米,高度为15米~25米的圆柱体,材料为钢制,为此本人选用永磁式吸附方式。基于以上油罐相关数据,完成一个如此容量大的整体油罐需要采用钢板进行焊接,势必会存在焊缝,这些焊缝的突起有10mm左右,这将经常导致故障发生,所以WCR在行进时必须能够翻越这个障碍。

  1.2WCR工作指标

  1)WCR除了克服自身重量吸附在油罐表明外,还需要克服携带的无损检测工具,一般不低于25kg。2)为了使WCR能够在规定时间内很好地完成无损检测工作,需要使其行走速度控制在5米~10米,并能够翻越10mm障碍。3)为了方便地面系统进行控制,采用无线远程遥控,控制半径不低于50米。基于以上要求,WCR需要最终完成复合式任务,比如对油罐厚度进行探测,对那些破损需要修复的表面进行喷砂和喷漆处理。

  1.3WCR机械结构设计

  基于以上几个方面要求,本WCR选择了4轮驱动的非接触永磁轮式结构。该机器人结构如图1所示,整个机器人本体长约410mm、宽约250mm、高约90mm。本体由车体框架结构、4轮及非接触吸附单元组成;4个直流伺服电机分别驱动爬壁机器人的4个轮子,为使能够翻越障碍,加入了减震机构增加其越障能力。为使WCR转向不会对罐壁喷漆造成损坏,特为每个轮子分别套有特制的耐磨防滑橡胶胶套,这种方式能够提供更稳定的吸附能力。

  2控制系统

  2.1硬件系统

  WCR硬件系统采用二级多层次进行控制。上位机采用基于Web的计算机系统,下位机主要是采用嵌入式计算机系统,二者通过无线进行通讯。具体包括嵌入式计算机系统、视觉系统、电机驱动系统、通信系统、传感系统和供电系统。

  2.1.1嵌入式计算机系统

  嵌入式计算机系统是下位机核心,负责协调各个子系统工作,并产生控制命令。它主要包括嵌入式控制器、A/D转换器、D/A转换器、数字量输入输出通道、闪存、无线局域网卡以及无线LAN卡,如图所示。我们选用的是美国RTD嵌入式系统公司的PC/104+嵌入式计算机模块,这种模块体积小、可以支持堆栈式连接、功耗小(一般4mA总线驱动即可使模块正常工作)、可以在强烈振动的恶劣的环境下工作。此款嵌入式计算机模块的工作频率在733MHz,工作频率可以满足WCR数据处理的速度。使用无线LAN控制卡可以完成WCR与地面系统进行Internet连接,这样就可以使用WEB接口对WCR进行远程控制,方便用户管理与监控。

  2.1.2传感系统

  为了完成对油罐的无损检测任务,为WCR配备了一套传感系统,用来检测各种数据。这些数据都可以通过无线传输系统在地面系统进行监控与记录。配备的传感器有:光学编码器、CCD摄像头、无损检测传感器、重力传感器、加速度传感器等。光学编码器主要是用来测量伺服电机的位置和速度,并反馈给伺服电机;CCD摄像头能够对油罐表面的焊缝进行视频提取,进而可以利用地面系统进行判别。无损检测传感器能够探测出油罐表明的故障。重力和加速度传感器二者进行信息融合对WCR的方位信息作出决策,以便帮助工作人员更好地了解WCR当前的状况,防止发生意外状况以及为以后检测任务提供相关依据。

  2.1.3分层级控制策略

  到目前为止,机器人控制结构主要分为两种方案:任务执行行为模块、功能模块。在具体应用中主要是采用混合式和分层级控制结构。为了使WCR能够简单有效地工作,本设计采用了分层级控制结构思想,这种控制思想和互联网七层协议有类似之处,传感器采集的信号从底层一级级往上传递,最终达到决策层,决策层接受到信号后按照预先设置好的控制策略发出控制命令,经一级级往下传递最终到达非常勤奋的最底层——执行器,进而带动机器人进行运动,比如在进行转向过程中,最终是由电机带动机械结构进行运动。本设计分成四层控制结构,由下至上分别是:物理层:位于控制结构最底层,完成相关信息的采集和对来自控制层命令的最终执行。在本设计中,主要包括电机、光电编码器、加速度传感器、无损检测传感器、CCD摄像头、执行器等以及无线局域网卡。它们各自完成自己的任务,相互不发生干扰。控制层:本层位于物理层上一级,直接对物理层进行控制和接受来自物理层的反馈信息。主要为电机的位置、力、速度控制提供反馈控制回路,构成电机的三环控制。同时接受来自无损检测传感器和CCD摄像头提供的信息,并且完成对整个系统的无线通信控制。任务层:本层主要是决策出对WCR本体下达各种执行任务,最终此任务到达物理层进行对任务的执行。具体包括对WCR的导航和路径规划、焊缝跟踪以及无损检测等任务。项目层:由用户提出各种具体检测任务,具体包括油罐检测、喷砂喷漆、焊缝跟踪、无线通信任务。

  2.1.4基于WEB远程控制

  WCR本体与地面系统通过10Mbps无线局域网方式进行相互通信,为此机器人可以很方便地通过Internet网得到用户的控制,进而节省通信线路。而且可以使许多人(如一些某些专家、操作者以及相关工作人员)同时在线查阅检测数据,不必像传统通信方式那样要想查阅数据必须得分别与WCR本体进行通信。通过Internet网不仅可以使上下位系统进行远程通信,同时用户之间也可以通过Internet进行信息共享与互访。

  3油罐表面全覆盖算法

  3.1方案设计

  为了对整个油罐表面进行覆盖,并且能成功避开障碍物,规划WCR进行油罐表面检测。为此设计出一种适合油罐实际情况的油罐表面全覆盖算法,为了更好仿真出WCR在油罐表面的行走路线,为此将圆柱形油罐表面进行展开成平面式进行仿真。在此平面内WCR按照预先设计好的算法进行路径规划。将整个平面分成统一单元网格,每个网格表示传感器的大小。如果单元格与传感器重叠,那么表示此单元格认为被覆盖掉。此规划算法不同于现有的拓扑和利用建立模型式的距离变换方式的路径规划,较之那两种算法本算法简单实用,易于移植到各种机器人处理器中,且能够以较高速率和效率完成对整个油罐表面的行走规划。

  3.2仿真结果

  为了使规划算法程序和微控制器直接进行兼容,传统基于MATLAB仿真不能展示重复路径,为此利用MicrosoftVisualStudio软件对算法进行仿真。为了能够更好地模仿地面真实油罐的表面情况,对油罐中的旋转梯按照障碍物来处理,且通过产生路径来检验算法的性能。

  4结束语

  设计了一种4轮驱动的非接触永磁轮式结构油罐检测爬壁机器人,机器人本体控制部分采用二级结构,并根据实际工作要求采用了分层级控制策略,使机器人能够可靠地执行检测任务并实时反馈信息,躲避并有效地实施油罐表面检测。其中主要设计了WCR的油罐表面全覆盖算法,通过仿真和现场试验能够达到预期效果。在后续工作中,需要对路径规划算法继续优化,以提高WCR的行进速度,提高检测效率,并考虑采用无线RSSI定位算法对油罐具体损伤进行定位。

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