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非等径垂直管道机器人控制系统研究

作 者: 郭文利
导 师: 毛立民
学 校: 东华大学
专 业: 机械电子工程
关键词: 管道机器人 RS485 DSP 运动控制
分类号: TP242
类 型: 硕士论文
年 份: 2010年
下 载: 37次
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内容摘要


管道机器人的研究有着广泛的应用前景和社会需求,可以应用于石油、天然气、化工、核工业、楼宇等管道。因此,研究在非结构环境下,具有运行平稳、适应性强等特点的管道机器人具有重要的意义和研究价值。首先,针对管道机器人管内运动力学的有关问题进行了详细的分析研究,包括机器人的管内运动阻力、管径主动适应、牵引力与径向调节运动控制及电机选用等问题其次,结合机器人功能需求、机械系统特性和控制系统可行性分析,确定了基于“PC+DSP运动控制板+驱动器”的开放式控制系统总体设计方案。它将控制系统的规划+伺服闭环+放大器有层次、模块化地体现出来,在决策规划、任务分级控制、实时性等方面优势明显。根据控制系统的整体架构,设计了机器人控制系统的硬件平台,包括控制部件的选型和底层控制系统电路设计,并提出了模块化的软件设计思想,完成了上位机控制决策软件、DSP运动控制软件及RS485通信流程设计。针对机器人在管道中的弯道通过及其控制问题,在基于机器人在转弯过程中的阻力负载特性分析的基础上,提出了独立协调转弯的控制策略。最后,对管道机器人系统进行了相关实验,实验结果证明了机器人的硬件系统和软件系统的有效性,同时验证了管道机器人的各项运行指标基本达到任务要求。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-9
第一章 绪论  9-17
  1.1 引言  9
  1.2 管道机器人的研究现状  9-16
  1.3 课题研究的内容和意义  16
  1.4 本章小结  16-17
第二章 机器人的机械系统特性及运动力学分析  17-36
  2.1 引言  17
  2.2 管道机器人机械系统特性分析  17-21
    2.2.1 管道机器人机械本体  17-19
    2.2.2 机构设计创新点  19
    2.2.3 管道机器人主要技术指标  19-20
    2.2.4 非等径垂直管道机器人作业环境  20-21
  2.3 管内运动阻力分析  21-26
    2.3.1 爬坡阻力  21
    2.3.2 地面变形阻力  21-22
    2.3.3 履带装置运行内阻力  22
    2.3.4 外部行使阻力  22
    2.3.5 拖缆作业阻力  22-23
    2.3.6 弯道阻力  23-26
    2.3.7 总阻力估算  26
  2.4 主动管径适应  26-29
  2.5 功率的计算和电机的选择  29-33
    2.5.1 行走机构所需功率的计算和电机的选择  30-32
    2.5.2 支撑机构所需功率的计算和电机的选择  32-33
  2.6 牵引力与径向调节运动控制  33-35
  2.7 本章小结  35-36
第三章 管道机器人控制系统硬件设计  36-48
  3.1 引言  36
  3.2 控制系统可行性分析  36-37
  3.3 控制系统体系结构  37-38
  3.4 管道机器人控制系统硬件设计  38-47
    3.4.1 控制系统部件的选型  38-41
    3.4.2 控制电路设计  41-47
  3.5 本章小结  47-48
第四章 管道机器人控制系统软件设计  48-62
  4.1 引言  48
  4.2 控制系统软件架构  48-49
  4.3 上位机控制决策软件  49-54
    4.3.1 基本运动控制模块  49-50
    4.3.2 串口通信协议  50-52
    4.3.3 图像采集模块  52-53
    4.3.4 上位机软件界面  53-54
  4.4 DSP运动控制软件  54-61
    4.4.1 主控模块  54-55
    4.4.2 电机控制模块  55-57
    4.4.3 传感器控制模块  57-58
    4.4.4 串口通信模块  58-61
  4.5 本章小结  61-62
第五章 机器人管内运动与控制策略  62-68
  5.1 引言  62
  5.2 管道机器人控制结构  62
  5.3 运动控制策略  62-65
  5.4 速度协调模型  65-66
  5.5 机器人独立驱动协调控制  66-67
  5.6 本章小结  67-68
第六章 实验与分析  68-74
  6.1 引言  68
  6.2 闭环参数选择  68-69
  6.3 电源防反接仿真  69-70
  6.4 调节臂压缩弹簧标定实验  70-71
  6.5 机器人运行实验  71-73
  6.6 本章小结  73-74
第七章 结论与展望  74-75
  7.1 结论  74
  7.2 展望  74-75
参考文献  75-78
攻读硕士学位期间发表的学术论文  78-79
致谢  79

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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