一種兩核六軸履帶式天然氣管道機器人控制系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了兩核六軸履帶式天然氣管道機器人控制系統，所述的控制器采用雙核控制器，包括ARM和DSP，所述的ARM和DSP進行通訊連接，由所述的ARM分別發出第一控制信號、第二控制信號、第三控制信號、第四控制信號、第五控制信號和第六控制信號分別控制所述的永磁同步電機X、永磁同步電機Y、永磁同步電機Z、永磁同步電機R、永磁同步電機U和永磁同步電機W的信號合成之后再控制管道機器人的運動。通過上述方式，本發明自主研發了基于ARM+DSP的全新雙核控制模式，把ARM從復雜的工作當中解脫出來，實現六軸三相永磁同步電機的實時控制，并響應DSP中斷，實現數據通信和存儲實時信號。
【專利說明】
一種兩核六軸履帶式天然氣管道機器人控制系統
技術領域
[0001]本發明涉及大型管道機器人的領域，尤其涉及一種兩核六軸履帶式天然氣管道機器人控制系統。
【背景技術】
[0002]天然氣管道的輸送介質屬于易燃、易爆物質，介質中含有的硫化氫、二氧化碳、游離水、粉塵等雜質，使敷設的管道處于內外腐蝕條件，甚至有的時候內部會產生阻塞情況發生。再加上環境、地質、氣象和水文災害、管材及設計缺陷、操作失誤乃至人為破壞等因素，管道的安全受到眾多因素的威脅。
[0003]1989年6月4日，前蘇聯的一條輸氣管道發生泄漏，兩列對開火車在距離泄漏點I公里外的鐵路線上通過時，火車磨擦產生火花引起了泄漏的天然氣體爆炸，造成600多人死亡，數百公頃森林燒毀;2000年8月，美國新墨西哥州東南部一條720 mm口徑的輸氣管道發生天然氣爆炸，引起連天大火并至少造成10人死亡，在30多公里以外的地方都可以看見巨型火球沖上天空，爆炸后地面留下一道長25m、深6m的大坑;我國的石油天然氣管道亦曾多次發生事故，管道發生爆破、泄漏、停輸等事故不僅造成巨大財產損失，而且也危害到生態環境。
[0004]管道機器人是一種可以沿著管道內部或者是外部自動行走，攜帶一種或多種傳感器和操作機械，在操作人員的控制下或者是計算機自動控制下完成一系列管道作業的機電一體化系統。管道機器人的研究開始于上個世紀四十年代，到了 70年代由于微電子技術、計算機技術、自動化技術的發展和進步，國外管道機器人技術于90年代初得到了迅猛發展，研制了許多實驗樣機，并取得了大量的研究成果。
[0005]用管道機器人巡檢天然氣管道，不僅可以提高管道檢測的效率，而且對于改善勞動條件，減輕勞動強度，提高作業效率，降低作業成本，保障人身安全都有著十分重要的意義。但是國內還沒有采用管道機器人巡檢天然氣管道，天然氣管道爆炸時有發生，造成了巨大的經濟損失和環境污染。
[0006]—個實用的天然氣管道機器人必須具備以下幾個部分:
1)圖像采集系統:圖像采集系統可以發現管道內已經出現的問題，并可以為工作人員提供管道受損和阻塞情況，為更換管道或者是清理管道提供可靠依據；
2)損傷采集系統:損傷采集系統可以及時發現管道系統外壁出現的異常情況，避免了管道而長期破損導致抗壓能力減弱，最終導致天然氣大量泄露而產生爆炸事故發生；
3)濕度探測和阻塞物探測:如果濕度過大，天然氣管道的輸送介質易于形成管道腐蝕，同時部分物質會堆積起來產生阻塞情況；
4)電機:執行電機是管道機器人的動力實施部件，它實時轉化電源的能量，根據管道機器人微處理器的指令來執行機器人在天然氣管道內的相關行走動作；
5)算法:算法是天然氣管道機器人的靈魂，由于天然氣管道是一個封閉的管道，內部情況非常復雜，天然氣管道機器人必須采用一定的智能算法才能準確的從管道內一點到達另外一點，形成點對點的巡檢，并實時存儲采集圖像、管道水汽信息、管道阻塞信息、管道受損情況和受損位置信息；
6)微處理器:微處理器是天然氣管道機器人的核心部分，是天然氣管道機器人的大腦。管道內所有的信息，包括管道內的濕度、阻塞情況、管道損傷信息以及損傷位置信息、電機狀態信息、電池狀態信息等都需要經過微處理器處理并做出相應的判斷。
[0007]國內對管道機器人的研究只是剛剛起步，均是采用單核控制器，均處于實驗室樣機設計階段，離大規模使用具有一定的距離，主要面臨以下問題:
(1)受控制技術影響，所有的管道機器人均采用單核控制器，控制器的計算能力較弱，管道機器人無法快速處理實時環境，且機器人行走速度較低，巡查管道速度較慢，且穩定性較差；
(2)對于采用電機驅動的管道機器人所攜帶的能源均采用可充電蓄電池，這些蓄電池均是通過簡單的串聯和并聯后形成高壓大電流能源系統，均沒有保護電路，壽命較短，正常工作時經常出現異常甚至干擾到管道機器人的工作；
(3)對于采用步進電機或者是直流電機驅動的管道機器人來說，受電機自身效率的影響，能源利用率較低，導致機器人在管道內移動距離較短；
(4)對于采用步進電機或者是直流電機驅動的管道機器人來說，受電機功率密度的影響，由于所采用的電機體積均較大，最終導致機器人的體積較大，重量較重，嚴重影響了管道機器人的使用范圍；
(5)管道機器人運動狀態自我調整能力較差，受控制方式影響，機器人在管道內的姿態參數識別較差，機器人無法識別自我平面與管道主平面的夾角，導致機器人行走時出現傾斜，甚至有時會翻車，導致任務失敗；
(6)對于有阻塞的天然氣管道，普通的輪式機器人與地面接觸面積較少，越障能力較弱，有的時候甚至無法越過障礙物，最終無法巡檢完成任務；
(7)對于采用四輪動力驅動的管道機器人來說，機器人的動力調整能力較兩輪動力驅動有所提高，可以滿足管道機器人簡單工況下的加速，但是遇到具有一定坡度的管道，需求功率較大，這種條件下造成需求功率得不到滿足，使得系統動態性能降低；
(8 )單一三軸陀螺儀工作時測量的值會隨時間漂移，經過長時間的工作三軸陀螺儀會累積出額外的誤差來，最終會導致管道機器人在管道中迷失位置。
[0008]永磁同步電動機的定子與普通電勵磁同步電動機具有相同的定子結構，只是轉子上以釹鐵硼稀土永磁材料作為磁極取代了同步機的勵磁磁極和勵磁繞組，使電動機的結構較為簡單，且省去了容易出故障的集電環和電刷，實現了無刷化，提高了電動機運行的可靠性。因為不需勵磁電流，因此可以省去勵磁繞組的銅耗，極大提高了電機的效率;稀土永磁材料的使用使得電機功率密度較高，所以電機的體積可以做得更小，適合體積要求比較高的場合。永磁同步電動機除了有明顯的節能效果外，還具有轉速準確、噪聲低的特性，稀土永磁同步電機基于轉子磁場定向或者是基于矢量控制系統能夠實現高精度、高動態性能、大范圍的調速或定位控制，這些特性使得稀土永磁同步電機特別適合使用于管道機器人這些要求比較特殊的機器人控制系統中。
[0009]履帶式移動機構是輪式移動機構的拓展，履帶本身起著給車輪連續鋪路的作用。相對于輪式機構，履帶式移動機構有著諸多優點，如:支承面積大，接地比壓小；滾動阻力小，通過性能較好;越野機動性好;履帶支承面上有履齒，不易打滑，牽引附著性能好，有利于發揮較大的牽引力;變位履帶式移動機構通過改變履帶的位置或履帶的機構形式以達到適應不同環境的要求，兩履帶的夾角可以調節，以適應不同的作業管徑。

【發明內容】

[0010]本發明主要解決的技術問題是提供一種兩核六軸履帶式天然氣管道機器人控制系統，自主研發了基于ARM+DSP的全新雙核控制模式，控制器以ARM為處理器核心，DSP實現圖像采集數字信號的實時處理并與ARM通訊，把ARM從復雜的工作當中解脫出來，實現六軸三相永磁同步電機的實時控制，并響應DSP中斷，實現數據通信和存儲實時信號。
[0011]為解決上述技術問題，本發明采用的一個技術方案是:提供了一種兩核六軸履帶式天然氣管道機器人控制系統，包括電池、控制器、永磁同步電機X、永磁同步電機Y、永磁同步電機Z、永磁同步電機R、永磁同步電機U、永磁同步電機W、基于CCD圖像采集單元、圖像存儲單元、濕度采集單元、基于霍爾效應管道探傷采集單元以及管道機器人，所述的電池單獨提供電流驅動所述的控制器，所述的控制器采用雙核控制器，包括ARM和DSP，所述的ARM和DSP進行通訊連接，所述的ARM分別發出第一控制信號、第二控制信號、第三控制信號、第四控制信號、第五控制信號和第六控制信號，由所述的第一控制信號、第二控制信號、第三控制信號、第四控制信號、第五控制信號和第六控制信號分別控制所述的永磁同步電機X、永磁同步電機Y、永磁同步電機Z、永磁同步電機R、永磁同步電機U和永磁同步電機W的信號合成之后再控制管道機器人的運動，所述的基于CCD圖像采集單元和圖像存儲單元均與DSP通訊連接，所述的濕度采集單元和基于霍爾效應管道探傷采集單元均與ARM通訊連接。
[0012]在本發明一個較佳實施例中，所述的電池采用鋰離子電池。
[0013]在本發明一個較佳實施例中，所述的第一控制信號、第二控制信號、第三控制信號、第四控制信號、第五控制信號和第六控制信號均為PWM波控制信號。
[0014]在本發明一個較佳實施例中，所述的ARM采用STM32F746;所述的DSP采用TMS320F2812。
[0015]在本發明一個較佳實施例中，所述的管道機器人包括機器人殼體、前方激光位移傳感器、磁導航傳感器、左岔口傳感器、右岔口傳感器、三軸陀螺儀、三軸加速度計以及同步帶，所述的前方激光位移傳感器分別安裝在機器人殼體的前端，所述的左岔口傳感器和右岔口傳感器分別位于前方激光位移傳感器下方的左右兩端，所述的同步帶分別設置在機器人殼體的左右兩側邊并分別與永磁同步電機X、永磁同步電機Y、永磁同步電機Z、永磁同步電機R、永磁同步電機U和永磁同步電機W連接，所述的磁導航傳感器、三軸陀螺儀和三軸加速度計分別設置在機器人殼體上并位于永磁同步電機X和永磁同步電機Y之間。
[0016]在本發明一個較佳實施例中，所述的前方激光位移傳感器包括前方激光位移傳感器、左前方激光位移傳感器和右前方激光位移傳感器，所述的前方激光位移傳感器設置在機器人殼體正前方的中間位置，所述的左前方激光位移傳感器和右前方激光位移傳感器分別斜向設置在機器人殼體正前方的左右兩端。
[0017]在本發明一個較佳實施例中，所述的同步帶采用六軸八輪驅動模式，是由一根內周表面設有等間距齒的封閉環形履帶和相應的帶輪所組成。
[0018]在本發明一個較佳實施例中，所述的天然氣管道機器人控制系統還設置有上位機程序、運動控制程序、基于DSP圖像采集以及基于霍爾效應管道損傷探測，所述的上位機程序還包括管道讀取、位置定位和電源信息，所述的運動控制程序還包括基于ARM六軸永磁同步電機伺服控制、數據存儲和I/O控制，所述的基于DSP圖像采集和基于霍爾效應管道損傷探測分別與基于CCD圖像采集單元和基于霍爾效應管道探傷采集單元通訊連接。
[0019]在本發明一個較佳實施例中，所述的天然氣管道機器人控制系統還包括光電編碼器，所述的光電編碼器分別安裝在永磁同步電機X、永磁同步電機Y、永磁同步電機Z、永磁同步電機R、永磁同步電機U和永磁同步電機W上。
[0020]本發明的有益效果是:本發明的兩核六軸履帶式天然氣管道機器人控制系統，為了提高能源的利用率和減少機器人體積，本系統用效率和功率密度均較高的永磁同步電機替代了步進電機、直流電機等電機;為了提高系統加速要求，系統為這些特種工況加入了兩個功率較小的永磁同步電機起到加速助力作用，增加系統動力特性;為了提高系統一般爬坡要求，系統為這些特種工況加入了兩個功率較小的永磁同步電機起到爬坡助力作用，增加系統動力特性;為了提高運算速度，保證自動管道機器人系統的穩定性和可靠性，本發明在基于ARM的控制器中引入數字信號處理器DSP，形成基于ARM+DSP的全新雙核控制器，此控制器充分考慮電池在這個系統的作用，把控制系統中工作量最大的六軸永磁同步伺服系統、電池監控、路徑讀取交給ARM處理，充分發揮ARM數據處理速度相對較快的特點，而圖像數據采集和存儲等功能交給DSP完成，這樣就實現了 ARM與DSP的分工，同時二者之間也可以進行通訊，實時進行數據交換和調用。
【附圖說明】
[0021]為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它的附圖，其中:
圖1是本發明帶有兩核六軸履帶式天然氣管道機器人控制系統一較佳實施例的原理圖；
圖2是管道機器人二維結構示意圖；
圖3是圖1的程序圖；
圖4是管道機器人巡檢原理圖。
【具體實施方式】
[0022]下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0023I如圖1所示，本發明實施例包括:
一種兩核六軸履帶式天然氣管道機器人控制系統，包括電池、控制器、永磁同步電機X、永磁同步電機Y、永磁同步電機Z、永磁同步電機R、永磁同步電機U、永磁同步電機W、基于CXD圖像采集單元、圖像存儲單元、濕度采集單元、基于霍爾效應管道探傷采集單元以及管道機器人，所述的電池單獨提供電流驅動所述的控制器，所述的控制器采用雙核控制器，包括ARM和DSP，所述的ARM和DSP進行通訊連接，所述的ARM分別發出第一控制信號、第二控制信號、第三控制信號、第四控制信號、第五控制信號和第六控制信號，由所述的第一控制信號、第二控制信號、第三控制信號、第四控制信號、第五控制信號和第六控制信號分別控制所述的永磁同步電機X、永磁同步電機Y、永磁同步電機Z、永磁同步電機R、永磁同步電機U和永磁同步電機W的信號合成之后再控制管道機器人的運動，所述的基于CCD圖像采集單元和圖像存儲單元均與DSP通訊連接，所述的濕度采集單元和基于霍爾效應管道探傷采集單元均與ARM通訊連接。其中，所述的第一控制信號、第二控制信號、第三控制信號、第四控制信號、第五控制信號和第六控制信號均為PWM波控制信號。
[0024]上述中，所述的ARM采用STM32F746;所述的DSP采用TMS320F2812。
[0025]STMicroelectronics所生產的全新STM32F7 MCU系列產品，是全球第一個量產且擁有32位元ARM Cortex-M7處理器的微控制器。Cortex_M7是Cortex-M系列產品中最新推出且效能最高的處理器核心，全新STM32F7 MCU是ST的STM32 M⑶系列產品中效能最高的一項產品，結合了 CorteX-M7核心與高階外圍裝置，可提升應用程序效能、新增新功能、延長電池壽命、確保安全以及盡可能減少使用外部元件以節省成本與空間等無可比擬的優點。
[0026]STM32F7系列產品包括STM32F745及STM32F746，這兩項產品都配備擁有浮點運算單位及DSP擴充功能的Cortex-M7核心，運算速度最高216MHz ATM32F7 MCU系列產品將ARMCortex-M7效能超越早期核心(譬如Cortex-M4)的優勢運用到極致，效能達到將近DSP兩倍，使此MCU非常適合用于高速電機控制之應用。
[0027]TMS320F2812是基于代碼兼容的C28x內核的新型高性能32位定點數字信號處理器，C28x內核的指令執行周期達到了6.67ns，最高運行頻率可以達到150MHz，F2812集成有許多外設，提供了整套的片上系統，其片上外設主要包括2X8路12位ADC(最快80ns轉換時間)，2路SCI，I路SPI，I路McBSP，I路eCAN接口等，并帶有兩個事件管理模塊(EVA、EVB)。另夕卜，該器件還有3個獨立的32位CPU定時器，以及多達56個獨立編程的GP1引腳。F2812采用統一編址方式，芯片內部有18K的SARAM，包括M0、M1、L0、L1、H0共5個存儲塊，各存儲塊保持獨立，可以在同一機器周期對不同的RAM塊進行訪問，從而減少流水線時延。而且F2812內部有128K字的FLASH，地址空間3D8000h?3F7FFFh，適用于低功耗、高性能的控制系統。此外F2812提供了外部存儲器擴展接口(XINTF)，方便進行系統擴展，其尋址空間可以達到1MB;上述特點使得F2812在具備數字信號處理器卓越的數據處理能力的同時，又具有適于控制的片內外設及接口，可廣泛應用于各種高性能的系統控制中，上述特點使得TMS320F2812特別適合巡檢機器人的圖形采集、圖像存儲和位置信息存儲。
[0028]為了能夠精確導引管道機器人進行自動檢測，本發明采用兩套傳感器導航模式(一套磁傳感器導航，一套前方激光位移傳感器導航)，本發明的管道機器人二維結構如圖2所示:所述的管道機器人包括機器人殼體K、前方激光位移傳感器、磁導航傳感器ME1、左岔口傳感器ME2、右岔口傳感器ME3、三軸陀螺儀Gl、三軸加速度計Al以及同步帶T，所述的前方激光位移傳感器分別安裝在機器人殼體K的前端，所述的左岔口傳感器ME2和右岔口傳感器ME3分別位于前方激光位移傳感器下方的左右兩端，所述的同步帶T分別設置在機器人殼體K的左右兩側邊并分別與永磁同步電機X、永磁同步電機Y、永磁同步電機Z、永磁同步電機R、永磁同步電機U和永磁同步電機W連接，所述的磁導航傳感器ME1、三軸陀螺儀Gl和三軸加速度計Al均設置在機器人殼體K上并位于永磁同步電機X和永磁同步電機Y之間。其中，所述的前方激光位移傳感器包括前方激光位移傳感器LSF、左前方激光位移傳感器LSL和右前方激光位移傳感器LSR，所述的前方激光位移傳感器LSF設置在機器人殼體K正前方的中間位置，所述的左前方激光位移傳感器LSL和右前方激光位移傳感器LSR分別斜向設置在機器人殼體K正前方的左右兩端。
[0029]磁導航傳感器MEl時刻檢測管道中的磁條，并依此傳感器為第一導航判據，當磁條不存在或導航偏離距離較大時，左前方激光位移傳感器傳感器LSL和右前方激光位移傳感器傳感器LSR共同作用判斷前進方向與左右管壁的距離，并作為管道機器人直線運動提供導航依據，前方激光位移傳感器傳感器LSF為管道機器人前進障礙物的判別提供依據以及停車做判據。左岔口磁傳感器ME2和右岔口傳感器ME3分別檢測地面岔口標志，然后分別作為交叉管道左轉或者是右轉的判據，并在此位置可以對天然氣管道機器人進行精確補償，這對于管道機器人巡檢管道計算位置至關重要。
[0030]三軸加速度計Al在較長時間的測量值(確定管道機器人航向)是正確的，而在較短時間內由于信號噪聲的存在，而有一定誤差。三軸陀螺儀Gl在較短時間內則比較準確，而較長時間則會隨著漂移的存在而產生一定誤差，因此，需要三軸加速度計Al和三軸陀螺儀Gl相互調整來確保航向的正確。為了提高天然氣管道機器人在密閉管道行走過程中導航的穩定性，實現姿態的自動精確調整以及提升自主導航能力，本發明在天然氣管道機器人伺服硬件系統中加入了三軸陀螺儀Gl和三軸加速度計Al。在管道機器人行走管道期間全程開啟三軸陀螺儀Gl和三軸加速度計Al，三軸陀螺儀Gl和三軸加速度計Al分別用來測量管道機器人三個前進方向的角速度和角加速度，控制器根據測得的角加速度和角速度通過積分得到其準確加速度、速度和傾斜角度。當管道機器人的姿態發生變化超過設定閥值時，在一個新的采樣周期控制器就立即對其位置補償，避免管道機器人在行走過程中因為傾斜過大而翻到現象的發生，提高了其快速行走導航時的穩定性;如果對三軸陀螺儀Gl和三軸加速度計Al進行積分，且把它變換到導航坐標系中，管道機器人在密閉管道中可以不依賴于任何外部信息就能夠得到其在導航坐標系中的加速度、速度、偏航角和位置等信息，所產生的導航信息連續性好而且噪聲非常低，極大增強了管道機器人的自主慣性導航能力。當管道機器人讀到交叉管道入口時，機器人要實現左轉90或者是右轉90的動作，在這種情況下，三軸陀螺儀和三軸加速度計可以準確計算出機器人旋轉的角度，保證了其轉彎的準確性；當管道機器人處于爬坡巡檢時，三軸陀螺儀和三軸加速度計可以精確測量爬坡角度，ARM根據這一角度可以精確計算出爬坡所需功率，保證機器人能夠按照指定速度完成巡檢管道任務。
[0031]同步帶傳動是由一根內周表面設有等間距齒的封閉環形膠帶和相應的帶輪所組成。運動時，帶齒與帶輪的齒槽相嚙合傳遞運動和動力，是一種嚙合傳動，因而具有齒輪傳動、鏈傳動和平帶傳動的各種優點。同步帶傳動具有準確的傳動比，無滑差，可獲得恒定的速比，可精密傳動，傳動平穩，能吸震，噪音小，傳動效率高，不需潤滑，無污染，特別適合在不允許有污染和工作環境較為惡劣的場合下正常工作，結構緊湊特別適用多軸傳動，因此本發明采用同步帶技術形成六軸八輪驅動模式。
[0032]本發明為了解決國內管道機器人存在的問題，研發了一種由六臺稀土永磁同步電機驅動的八輪履帶式雙核天然氣管道機器人，其中兩個功率較大的稀土永磁同步電機為機器人正常速度巡檢時提供能量需求，另外四個功率較小的稀土永磁同步電機功率相等，其中的兩只稀土永磁同步電機在機器人加速巡檢時提供動力，另外兩只小功率稀土永磁同步電機在機器人爬坡時提供動力；左右側的多個輪分別通過履帶機械鏈接，天然氣管道機器人依靠其攜帶傳感器進行巡檢大型天然氣管道。
[0033]本發明在吸收國外先進控制思想的前提下，自主發明了基于ARM+DSP的全新雙核控制模式。本次設計的控制器原理圖如圖1:控制器以ARM為處理器核心，DSP實現圖像采集數字信號的實時處理并與ARM通訊，把ARM從復雜的工作當中解脫出來，實現六軸三相永磁同步電機的實時控制，并響應DSP中斷，實現數據通信和存儲實時信號。
[0034]如圖3所示，所述的天然氣管道機器人控制系統還設置有上位機程序、運動控制程序、基于DSP圖像采集以及基于霍爾效應管道損傷探測，所述的上位機程序還包括管道讀取、位置定位和電源信息，所述的運動控制程序還包括基于ARM六軸永磁同步電機伺服控制、數據存儲和I/O控制，所述的基于DSP圖像采集和基于霍爾效應管道損傷探測分別與基于CCD圖像采集單元和基于霍爾效應管道探傷采集單元通訊連接。
[0035]為達上述目的，本發明采取以下技術方案，為了提高能源的利用率和減少機器人體積，本系統用效率和功率密度均較高的永磁同步電機替代了步進電機、直流電機等電機；為了提高系統加速要求，系統為這些特種工況加入了兩個功率較小的永磁同步電機起到加速助力作用，增加系統動力特性;為了提高系統一般爬坡要求，系統為這些特種工況加入了兩個功率較小的永磁同步電機起到爬坡助力作用，增加系統動力特性;為了提高運算速度，保證自動管道機器人系統的穩定性和可靠性，本發明在基于ARM的控制器中引入數字信號處理器DSP，形成基于ARM+DSP的全新雙核控制器，此控制器充分考慮電池在這個系統的作用，把控制系統中工作量最大的六軸永磁同步伺服系統、電池監控、路徑讀取交給ARM處理，充分發揮ARM數據處理速度相對較快的特點，而圖像數據采集和存儲等功能交給DSP完成，這樣就實現了 ARM與DSP的分工，同時二者之間也可以進行通訊，實時進行數據交換和調用。
[0036]如圖4所示，對于本文設計的ARM+DSP雙核控制器，在電源打開狀態下，ARM先對管道機器人的電池SOC(荷電狀態)進行判斷，如果電池能源較低，控制器會發出報警信號；如果電池能源較高，先由PC機通過USB接口把巡檢天然氣管道長度和半徑等信息輸入給ARM，然后管道機器人被放到管道檢測口，管道機器人先進入自鎖狀態，等待入口閥門Fl打開，當前方激光位移傳感器LSF確定閥門打開后，管道機器人進入待檢緩沖區域，然后入口閥門Fl關閉，入口閥門F2打開，管道機器人進入管道檢測區域;管道機器人攜帶的圖像采集系統、濕度采集系統和管道損傷探測裝置均開啟，管道機器人按照設定速度沿著巡檢路線快速巡檢，ARM按照導航傳感器參數二次調整管道機器人永磁同步電機X、永磁同步電機Y的PWM輸出，實現兩臺永磁同步電機的實時伺服控制，DSP通過CCD實時采集管道信息并存儲，如果對巡檢某一個位置有疑問，DSP將與ARM通訊，ARM發出停車指令使管道機器人停車，然后通過DSP二次圖像采集和損傷探測裝置對管道系統的狀態進行判斷；如果管道機器人完成左轉或者是右轉巡檢輔助管道再次返回主管道時，ARM將開通助力永磁同步電機Z和永磁同步電機R，按照導航傳感器參數和速度要求二次調整管道機器人永磁同步電機X、永磁同步電機Y、永磁電機Z和永磁電機R的PffM輸出，實現四臺永磁同步電機的實時伺服控制，為了減少能源消耗，在返回主通道前DSP將關閉CCD的信息采集;如果管道機器人在巡檢過程，三軸陀螺儀Gl檢測到機器人處于爬坡巡檢管道，ARM將開通助力永磁同步電機Z、永磁同步電機R、永磁同步電機U和永磁同步電機W按照磁導航傳感器MEl參數和速度要求再次調整管道機器人永磁同步電機X、永磁同步電機Y、永磁同步電機Z、永磁同步電機R、永磁同步電機U和永磁同步電機W的PffM輸出，實現六臺永磁同步電機的實時伺服控制。
[0037]參照圖1，圖2，圖3和圖4，其具體的功能實現如下:
1)管道機器人電源打開后，ARM會對電池SOC進行判斷，如果電池SOC較低時，ARM將禁止六臺永磁同步電機工作，電機輸入PWM波被封鎖，同時報警傳感器將工作并發出報警信號；如果電池SOC正常，管道機器人進入待工作狀態，等待工作命令；
2)人工借助PC機把把管道長度、半徑和管道地形圖等信息通過USB接口傳入到ARM，由ARM預先處理管道信息，然后人工引導管道機器人到管道檢測的開始端，為了精確導航管道機器人在封閉管道中的行走，ARM首先開啟管道機器人基于三軸陀螺儀Gl和三軸加速度計Al的慣性導航模式；
3)管道機器人ARM開始通過磁導航傳感器MEl讀取地面導航磁條，磁導航傳感器MEl的反饋值與實際設定中心值相比較，ARM根據偏差的大小通過其內部三閉環伺服控制程序自動調整永磁同步電機X、永磁同步電機Y、永磁同步電機Z、永磁同步電機R、永磁同步電機U和永磁同步電機W的PWM輸出，使管道機器人沿著導航磁條快速前進，同時前方激光位移傳感器LSF將工作，ARM實時檢測管道機器人與前方入口閥門Fl的距離D，然后在可靠停車范圍內自動停車，原地自鎖；
4)當前方激光位移傳感器LSF檢測到入口閥門Fl打開時，管道機器人將開啟自動巡航模式，控制器ARM將實時記錄管道機器人沿著磁條運動的距離，當控制器確定管道機器人完全進入待檢區域后，入口閥門Fl將再次關閉；天然氣泄露裝置檢測到入口閥門Fl完全關閉后，入口閥門F2將打開，此時前方激光位移傳感器LSF將二次判斷前方入口閥門F2的狀態，確定前方閥門打開無誤后，管道機器人開始進入巡檢區域檢測天然氣管道內部實際情況；
5)管道機器人進入檢測區域后，ARM首先讀取三軸陀螺儀Gl和三軸加速度計Al的反饋值，如果ARM通過三軸陀螺儀Gl和三軸加速度計Al的反饋發現管道機器人處于爬坡巡檢狀態，為了保證管道機器人能夠按照指定速度完成巡檢管道任務，按照系統速度和加速度要求，ARM首先計算出爬坡所需功率，再結合電機電流、光電編碼器、三軸陀螺儀Gl和三軸加速度計Al的反饋，實時調整管道機器人永磁同步電機X、永磁同步電機Y、永磁同步電機Z、永磁同步電機R、永磁同步電機U和永磁同步電機W的PWM控制信號，使管道機器人滿足常速巡檢管道要求;在爬坡探測過程中，ARM根據磁傳感器MEl的反饋，讀取管道機器人實際的位置信息和三軸陀螺儀Gl和三軸加速度計Al的數值，并與設定位置相比較，確定管道機器人偏離中心距離和傾斜的角度，ARM再結合電機電流反饋、光電編碼器反饋、三軸加速度計Al和三軸陀螺儀Gl的反饋，根據其內部三閉環伺服控制程序得到六臺永磁同步電機的PWM波控制信號，并通過驅動電路實時調整管道機器人姿態，使管道機器人穩定運行在磁條中心附近，ARM并實時記錄機器人已經運行的直線距離，距離修正傳感器S時刻檢測地面修正標志，一旦讀取到修正裝置，ARM記錄的位置距離信息要以修正標志的位置信息為準，消除管道機器人在行走時的所造成的位置誤差，當ARM通過三軸陀螺儀Gl和三軸加速度計Al發現管道機器人已經完成爬坡動作進入正常巡檢環境，控制器封鎖永磁同步電機Z、永磁同步電機R、永磁同步電機U和永磁同步電機W的PWM控制信號，使系統進入永磁電機X和永磁電機Y驅動狀態；
6)管道機器人進入正常檢測區域后，如果管道機器人在主管道巡檢過程中左岔口傳感器ME2讀到地面轉彎標志，ARM首先根據地面裝置修正管道機器人在管道中的位置信息，消除管道機器人行走誤差;ARM按照系統速度和加速度要求，然后結合電機電流、光電編碼器和三軸陀螺儀Gl的反饋，實時調整管道機器人永磁同步電機X和永磁同步電機Y的PWM控制信號，使管道機器人在距離R內停車，然后ARM結合三軸陀螺儀Gl、三軸加速度計Al的反饋使管道機器人原地旋轉左90度，管道機器人進入左岔道進行巡航;在左岔道探測過程中，前方激光位移傳感器LSF時刻開啟并檢測疑似堵塞物并檢測與前方終點的距離;ARM根據前方激光位移傳感器LSF的反饋實時記錄前進距離，并在距離岔道終點前有效范圍內使機器人有效停車，管道機器人在三軸陀螺儀Gl、三軸加速度計Al控制下原地旋轉180度準備返回主通道；由于左岔道已經巡檢完畢，為了使管道機器人快速返回到主管道中，ARM控制器開啟助力永磁同步電機Z和永磁同步電機R，使系統進入加速返回狀態;在整個返回過程中，ARM按照系統速度和加速度要求，然后結合電機電流、光電編碼器、三軸加速度計Al和三軸陀螺儀Gl的反饋，實時調整管道機器人永磁同步電機X、永磁同步電機Y、永磁同步電機Z和永磁同步電機R的PWM控制信號，使管道機器人能夠加速沿著地面磁條回到主管道;進入正常巡檢環境后，控制器封鎖永磁同步電機Z、永磁同步電機R的PffM控制信號，使系統進入永磁電機X和永磁電機Y驅動狀態；
7)管道機器人進入正常檢測區域后，如果管道機器人在主管道巡檢過程中右岔口傳感器ME3讀到地面轉彎標志，ARM首先根據地面裝置修正機器人在管道中的位置信息，消除管道機器人行走誤差;ARM按照系統速度和加速度要求，然后結合電機電流、光電編碼器、三軸加速度計AI和三軸陀螺儀GI的反饋，實時調整管道機器人永磁同步電機X和電機Y的PWM控制信號，使管道機器人在距離R內停車，然后ARM結合三軸陀螺儀Gl、三軸加速度計Al的反饋使管道機器人原地旋轉右90度，管道機器人進入右岔道進行巡航;在右岔道探測過程中，前方激光位移傳感器LSF時刻開啟并檢測疑似堵塞物并檢測與前方終點的距離;ARM根據前方激光位移傳感器LSF的反饋實時記錄前進距離，并在距離岔道終點前有效范圍內使管道機器人有效停車，管道機器人在三軸陀螺儀Gl、三軸加速度計Al控制下原地旋轉180度準備返回主通道；由于右岔道已經巡檢完畢，為了使管道機器人快速返回到主管道中，ARM開啟助力永磁同步電機Z和永磁同步電機R，使系統進入加速返回狀態;在整個返回過程中，ARM按照系統速度和加速度要求，然后結合電機電流、光電編碼器、三軸加速度計Al和三軸陀螺儀GI的反饋，實時調整管道機器人永磁同步電機X、永磁同步電機Y、永磁同步電機Z和永磁同步電機R的PWM控制信號，使管道機器人能夠加速沿著地面磁條回到主管道;進入正常巡檢環境后，控制器封鎖永磁同步電機Z、永磁同步電機R的PWM控制信號，使系統進入永磁電機X和永磁電機Y驅動狀態；
8)管道機器人進入正常檢測區域后，如果管道機器人在主管道巡檢過程中左岔口傳感器ME2和右岔口傳感器ME3同時讀到地面轉彎標志，說明管道機器人進入了十字管道交叉口，ARM首先根據地面裝置修正管道機器人在管道中的位置信息，消除管道機器人行走誤差;ARM按照系統速度和加速度要求，然后結合電機電流、光電編碼器、三軸加速度計Al和三軸陀螺儀Gl的反饋，實時調整管道機器人永磁同步電機X和電機Y的PffM控制信號，使管道機器人進入右岔道進行巡航，ARM根據前方激光位移傳感器LSF的反饋實時記錄前進距離，并在距離岔道終點前有效范圍內使機器人有效停車，管道機器人在三軸陀螺儀Gl和三軸加速度計Al控制下原地旋轉180度返回主通道，ARM開啟助力永磁同步電機Z和永磁同步電機R，使系統進入四輪加速返回狀態；當左前方激光位移傳感器LSL和右前方激光位移傳感器LSR的反饋出現較大幅值變化時，說明管道機器人已經進入十字口位置，此時ARM開始修正管道機器人行走的誤差，保證管道機器人位置距離信息正確，當左前方激光位移傳感器LSL和右前方激光位移傳感器LSR的反饋再次出現較大幅值變化時，說明管道機器人已經進入左岔道口管道，此時ARM開始修正機器人行走的誤差，保證機器人位置距離信息正確，ARM按照系統速度和加速度要求，然后結合電機電流、光電編碼器、三軸加速度計Al和三軸陀螺儀Gl的反饋，實時調整管道機器人永磁同步電機X和電機Y的PWM控制信號，使管道機器人進入左岔道進行巡航，ARM根據前方激光位移傳感器LSF的反饋實時記錄前進距離，并在距離岔道終點前有效范圍內使機器人有效停車，管道機器人在三軸陀螺儀Gl控制下原地旋轉180度返回主通道，ARM開啟助力永磁同步電機Z和永磁同步電機R，使系統進入四輪加速返回狀態；當左前方激光位移傳感器LSL和右前方激光位移傳感器LSR的反饋出現較大幅值變化時，說明機器人已經返回十字口位置，ARM開始修正管道機器人行走的誤差，保證管道機器人位置距離信息正確，控制器讓管道機器人行走一段距離后穩穩停在十字路口，然后在三軸陀螺儀Gl和三軸加速度計Al控制下左轉90度重新回到主管道檢測區域；
9)管道機器人在整個檢測區域常速運動過程中，ARM先根據磁導航傳感器MEl的反饋，讀取管道機器人實際的位置信息、三軸加速度計Al和三軸陀螺儀Gl的數值，并與設定位置相比較，確定管道機器人偏離中心距離和傾斜的角度，ARM再結合電機電流反饋、光電編碼器反饋、三軸加速度計Al和三軸陀螺儀Gl的反饋，根據其內部三閉環伺服控制程序得到兩臺永磁同步電機的PWM波控制信號，并通過驅動電路實時調整管道機器人姿態，使管道機器人穩定運行在磁條中心附近，ARM并實時記錄機器人已經運行的直線距離，距離修正傳感器S時刻檢測地面修正標志，一旦讀取到修正裝置，ARM記錄的位置距離信息要以修正標志的位置信息為準，消除管道機器人在行走時的所造成的位置誤差；
10)如果管道機器人在正常運動過程中受到外界干擾或者是遇到磁條斷裂，磁導航傳感器MEl無法讀取到地面磁條信息，此時左前方激光位移傳感器LSL和右前方激光位移傳感器LSR將開啟工作，二者將測得的距離輸入給ARM控制器，控制器與設定值相比較得到偏離中心的位置，ARM控制器再結合電機電流反饋、光電編碼器反饋、三軸加速度計Al和三軸陀螺儀Gl的反饋，根據其內部三閉環伺服控制程序得到兩臺永磁同步電機的PffM控制信號，并通過驅動電路實時調整管道機器人姿態，使管道機器人穩定運行在管道平面中心附近，ARM并實時記錄機器人已經運行的直線距離，距離修正傳感器S時刻檢測地面修正標志，一旦讀取到修正裝置，ARM記錄位置距離信息要以修正標志的位置信息為準，消除機器人行走時的位置誤差；
11)在管道機器人運動過程中，圖像采集系統中的CCD時刻開啟，DSP并實時存儲CCD采集到的圖像，DSP把采集的圖像與設定的標準管道信息進行比對，如果二者比對結果出現較大差距，為了防止誤操作，DSP立即發出二次中斷請求，ARM立即響應DSP中斷，并讓管道機器人停車，DSP控制CCD 二次采集管道信息，DSP 二次存儲該圖像并與標準管道信息進行比對得到最新結果并存儲，ARM開啟永磁同步電機X、永磁同步電機Y、永磁同步電機Z和永磁同步電機R使管道機器人處于加速階段，當達到設定速度后ARM封鎖永磁同步電機Z和永磁同步電機R的PffM控制信號，使管道機器人處于永磁同步電機X和永磁同步電機Y的兩軸驅動狀態并沿著管道導航標志繼續前行； 12)在管道機器人運動過程中，濕度采集系統中的濕度傳感器時刻開啟，ARM實時存儲濕度傳感器采集到的濕度信息，并與設定的標準管道濕度信息進行比對，如果二者比對結果出現較大差距，為了防止誤操作，ARM通過內部三閉環伺服控制程序主動調整兩臺永磁同步電機X和電機Y的PWM控制信號，降低管道機器人的速度使其慢速通過有疑問區域，同時ARM立即向DSP發出中斷請求，DSP立即響應ARM中斷，并加大CCD管道采集信息中液態水的比對，DSP存儲該區域的液態水疑似圖像和實際位置信息，然后ARM控制管道機器人繼續前行，當通過疑似區域后，ARM開啟永磁同步電機X、永磁同步電機Y、永磁同步電機Z和永磁同步電機R使機器人處于加速階段，當達到設定速度后ARM封鎖永磁同步電機Z和永磁同步電機R的PffM控制信號，使管道機器人處于永磁同步電機X和永磁同步電機Y的兩軸驅動狀態并沿著管道導航標志繼續前行；
13)在管道機器人運動過程中，前方激光位移傳感器LSF時刻開啟，ARM實時處理前方位置信息，當在管道運行前方有異常物時，前方激光位移傳感器LSF探測值將出現異常，ARM會通過內部三閉環伺服控制程序主動調整兩臺永磁同步電機X和電機Y的PWM控制信號，降低管道機器人的速度使其慢速駛向障礙物，同時ARM立即向DSP發出中斷請求，DSP立即響應ARM中斷，并加大CCD管道采集信息中堵塞物的比對，DSP存儲該區域的堵塞疑似圖像和實際位置信息，當確認是堵塞疑似物后，由于本次設計的管道機器人是多輪履帶式結構，ARM控制管道機器人同時開啟永磁同步電機X、永磁同步電機Y、永磁同步電機Z、永磁同步電機R、永磁同步電機U、永磁同步電機W使其通過越過障礙物并繼續前行，當通過疑似區域后，ARM控制器關閉永磁同步電機Z、永磁同步電機R、永磁同步電機U和永磁同步電機W驅動信號，使管道機器人處于永磁同步電機X和永磁同步電機Y的兩軸驅動狀態并沿著管道導航標志繼續前行；
14)在管道機器人運動過程中，基于霍爾效應的管道探傷傳感器將工作，當管道運行前方探測值出現異常，ARM會通過內部三閉環伺服控制程序主動調整兩臺永磁同步電機X和電機Y的PffM控制信號，降低管道機器人的速度使其慢速駛向管道損傷疑似區域，同時ARM立即向DSP發出中斷請求，DSP立即響應ARM中斷，并加大CCD管道采集信息中管道損傷的比對，如果DSP發現疑似管道損傷圖像將存儲此圖像，如果DSP未發現管道損傷圖像，將記錄疑似損傷實際位置信息，并標記外部損傷，當通過疑似區域后，ARM開啟永磁同步電機X、永磁同步電機Y、永磁同步電機Z和永磁同步電機R使機器人處于加速階段，當達到設定速度后ARM控制器封鎖永磁同步電機Z和永磁同步電機R的PWM控制信號，使管道機器人處于永磁同步電機X和永磁同步電機Y的兩軸驅動狀態并沿著管道導航標志繼續前行；
15)在管道機器人運動過程中，ARM會時刻儲存所經過的管道所處的位置或者是經過的參考點，并根據這些距離信息由ARM計算得到相對下一個參考點管道機器人永磁同步電機X和永磁同步電機Y分別要運行的距離、速度和加速度，ARM再結合電機電流反饋、光電編碼器反饋、地面磁條、三軸加速度計Al和三軸陀螺儀Gl的反饋，根據其內部三閉環伺服控制程序得到兩臺永磁同步電機的PWM控制信號，使管道機器人按照設定速度快速前行；
16)在運動過程中如果管道機器人發現距離求解出現死循環將向ARM發出中斷請求，ARM會對中斷做第一時間響應，ARM將禁止管道機器人在對距離信息修正，ARM根據管道磁條導航標志反饋和左前方激光位移傳感器LSL和右前方激光位移傳感器LSR的反饋，實時調整永磁同步X電機和永磁同步電機Y的速度，保證管道機器人向著出口緩慢駛出，并放棄一切采集工作；
17)裝在永磁同步電機X、永磁同步電機Y、永磁同步電機Z、永磁同步電機R、永磁同步電機U、永磁同步電機W上的光電編碼器會輸出其位置信號A和位置信號B，光電編碼器的位置信號A脈沖和B脈沖邏輯狀態每變化一次，ARM內的位置寄存器會根據電機的運行方向加I或者是減I;光電編碼器的位置信號A脈沖和B脈沖和Z脈沖同時為低電平時，就產生一個INDEX信號給ARM內部寄存器，記錄永磁同步電機的絕對位置，然后換算成管道機器人在管道檢測系統中的具體位置；
18)管道機器人在運行過程ARM根據其內部算法實時計算電池SOC，如果控制器發現電源能量較低時，ARM會與DSP通訊，并通過DSP關閉CCD圖像采集工作和圖像存儲工作，并通過其內部三閉環伺服控制系統程序調整永磁同步電機X和永磁同步電機Y的PWM輸出，使管道機器人以較慢的速度駛向出口處，保證管道機器人能夠順利到出口處；
19)在管道機器人巡檢過程中，如果伺服控制器檢測到永磁同步電機的轉矩出現脈動，由于本發明采用的六軸永磁同步電機控制均是基于矢量控制，因此控制器會很容易補償此干擾，減少了電機轉矩對巡檢機器人運動過程的影響；
20)當管道機器人駛向出口閥門的過程中，其攜帶的前方激光位移傳感器LSF會時刻檢測其與閥門之間的位移，當確定出口閥門F3在打開狀態，管道機器人將開啟巡航模式，控制器ARM實時記錄管道機器人已經沿著磁條運動的距離，當確定機器人完全進入出口待檢區域后，出口閥門F3將關閉，天然氣抽吸裝置將抽吸待檢區域的天然氣情況，當天然氣泄露裝置未檢測到待檢區域有天然氣殘留時，出口閥門F4將打開，此時前方激光位移傳感器LSF將二次判斷前方出口閥門F4的狀態，確定前方閥門打開無誤后，管道機器人駛出檢測管道，回到檢測終點，等待下一個檢測命令。
[0038]本發明具有的有益效果是:
1:在管道機器人運動過程中，充分考慮了電池在這個系統中的作用，基于ARM+DSP雙核控制器時刻都在對其狀態進行監測和運算，既避免了由于大電流放電而引起的鋰離子電池過度老化現象的發生，又可以有效預測電池的能量，為管道機器人巡檢提供了有效保證；
2:由ARM處理管道機器人六只永磁同步電機基于矢量控制的伺服控制以及動力調整，使得控制比較簡單，大大提高了運算速度，解決了單片機軟件運行較慢的瓶頸，縮短了開發周期短，并且程序可移植能力強；
3:本發明基本實現全貼片元器件材料，實現了單板控制，不僅節省了控制板占用空間，而且有利于管道機器人體積和重量的減輕；
4:本發明管道機器人采用永磁同步電機替代了傳統機器人系統中常用的步進電機、直流電機、直流無刷電機，由于其體積較小，效率較高，使得管道機器人體積可以進一步縮小，能源利用率大大提尚;
5:由于采用基于矢量控制的永磁同步電機，使得調速范圍比較寬，調速比較平穩，即使在低速階段電機的脈動轉矩也非常小，有利于提高系統的動態性能；
6:由于本控制器采用DSP處理圖形采集和存儲的大量數據與算法，把ARM從繁重的工作量中解脫出來，有效地防止了程序的“跑飛”，抗干擾能力大大增強；
7:在控制中，ARM控制器可以根據機器人外圍運行情況適時調整六軸永磁同步電機伺服控制的PID參數，實現分段P、H)、PID控制和非線性PID控制，使系統動態性能大大提高； 8:管道機器人上配備有濕度采集系統，可以輕易地檢測出隧道里的濕度異常區域，可有效查出管道水滴的存在；
9:管道機器人上配備有圖像采集系統，可以輕易地檢測出管道內部管道腐蝕等異常情況，并有效存儲其圖像；
10:基于DSP的圖像存儲功能使得管道機器人完成任務后方便工作人員讀取巡檢結果，可以輕易的從存儲結果中讀取管道受損信息和具體位置，然后及時維修；
11:管道機器人上配備有基于霍爾效應的損傷探測采集系統，可以輕易地檢測出管道外部管道腐蝕和損傷等異常情況，有利于及早發現問題管道；
12:三軸陀螺儀Gl和三軸加速度計Al的加入可有效探測管道機器人偏離管道平面的傾斜角度，ARM會時刻對此角度進行調整，有效控制了管道機器人的姿態；
13:三軸陀螺儀GI和三軸加速度計AI的加入可有效探測管道機器人爬坡時的角度，ARM會時刻對此角度進行檢測，并有效開啟助力電機為機器人巡檢具有坡度的管道提供動力需求；
14:地面轉彎導航標志配合左右側前方激光位移傳感器使得系統可以輕松讀出管道信息，有利于管道機器人在復雜管道中的定位和位置誤差的消除；
15:三軸陀螺儀Gl和三軸加速度計Al的加入可有效測量管道機器人轉彎時的角度，為機器人在復雜管道中的轉彎導航提高了可靠依據；
16:磁導航傳感器和激光位移傳感器的加入使得系統導航具有一定的冗余度，極大提高了管道機器人的穩定性，并且使得此管道機器人可以巡檢非等徑的復雜管道；
17:四個動力助力電機的加入使得系統的動力性能調整具有可選擇，使得管道機器人可以滿足不同工況下的動力要求，管道機器人的適應能力進一步加強；
18:ARM時刻根據工況需求動態調整各臺電機的功率，使各臺電機都工作在最優狀況下，有利于提尚能量的利用率；
19:同步帶技術的加入使得機械輔助輪都具有動力，同時履帶的加入有效增加了管道機器人在管道中接觸的面積，使管道機器人可以有效通過具有障礙阻塞物區域，提高了環境適應性；
20:三軸陀螺儀Gl和三軸加速度計Al的加入可有效測量管道機器人在直線導航發生的三軸加速度計、速度和方向偏移，為機器人在復雜管道中的慣性導航提高了可靠依據。
[0039]綜上訴述，本發明的兩核六軸履帶式天然氣管道機器人控制系統，為了提高能源的利用率和減少機器人體積，本系統用效率和功率密度均較高的永磁同步電機替代了步進電機、直流電機等電機;為了提高系統加速要求，系統為這些特種工況加入了兩個功率較小的永磁同步電機起到加速助力作用，增加系統動力特性;為了提高系統一般爬坡要求，系統為這些特種工況加入了兩個功率較小的永磁同步電機起到爬坡助力作用，增加系統動力特性;為了提高運算速度，保證自動管道機器人系統的穩定性和可靠性，本發明在基于ARM的控制器中引入數字信號處理器DSP，形成基于ARM+DSP的全新雙核控制器，此控制器充分考慮電池在這個系統的作用，把控制系統中工作量最大的六軸永磁同步伺服系統、電池監控、路徑讀取交給ARM處理，充分發揮ARM數據處理速度相對較快的特點，而圖像數據采集和存儲等功能交給DSP完成，這樣就實現了 ARM與DSP的分工，同時二者之間也可以進行通訊，實時進行數據交換和調用。
[0040]以上所述僅為本發明的實施例，并非因此限制本發明的專利范圍，凡是利用本發明說明書內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其它相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護范圍內。
【主權項】
1.一種兩核六軸履帶式天然氣管道機器人控制系統，其特征在于，包括電池、控制器、永磁同步電機X、永磁同步電機Y、永磁同步電機Z、永磁同步電機R、永磁同步電機U、永磁同步電機W、基于CCD圖像采集單元、圖像存儲單元、濕度采集單元、基于霍爾效應管道探傷采集單元以及管道機器人，所述的電池單獨提供電流驅動所述的控制器，所述的控制器采用雙核控制器，包括ARM和DSP，所述的ARM和DSP進行通訊連接，所述的ARM分別發出第一控制信號、第二控制信號、第三控制信號、第四控制信號、第五控制信號和第六控制信號，由所述的第一控制信號、第二控制信號、第三控制信號、第四控制信號、第五控制信號和第六控制信號分別控制所述的永磁同步電機X、永磁同步電機Y、永磁同步電機Z、永磁同步電機R、永磁同步電機U和永磁同步電機W的信號合成之后再控制管道機器人的運動，所述的基于CCD圖像采集單元和圖像存儲單元均與DSP通訊連接，所述的濕度采集單元和基于霍爾效應管道探傷采集單元均與ARM通訊連接。2.根據權利要求1所述的天然氣管道機器人控制系統，其特征在于，所述的電池采用鋰離子電池。3.根據權利要求1所述的天然氣管道機器人控制系統，其特征在于，所述的第一控制信號、第二控制信號、第三控制信號、第四控制信號、第五控制信號和第六控制信號均為PWM波控制信號。4.根據權利要求1所述的天然氣管道機器人控制系統，其特征在于，所述的ARM采用STM32F746;所述的 DSP 采用 TMS320F2812。5.根據權利要求1所述的天然氣管道機器人控制系統，其特征在于，所述的管道機器人包括機器人殼體、前方激光位移傳感器、磁導航傳感器、左岔口傳感器、右岔口傳感器、三軸陀螺儀、三軸加速度計以及同步帶，所述的前方激光位移傳感器分別安裝在機器人殼體的前端，所述的左岔口傳感器和右岔口傳感器分別位于前方激光位移傳感器下方的左右兩端，所述的同步帶分別設置在機器人殼體的左右兩側邊并分別與永磁同步電機X、永磁同步電機Y、永磁同步電機Z、永磁同步電機R、永磁同步電機U和永磁同步電機W連接，所述的磁導航傳感器、三軸陀螺儀和三軸加速度計分別設置在機器人殼體上并位于永磁同步電機X和永磁同步電機Y之間。6.根據權利要求5所述的天然氣管道機器人控制系統，其特征在于，所述的前方激光位移傳感器包括前方激光位移傳感器、左前方激光位移傳感器和右前方激光位移傳感器，所述的前方激光位移傳感器設置在機器人殼體正前方的中間位置，所述的左前方激光位移傳感器和右前方激光位移傳感器分別斜向設置在機器人殼體正前方的左右兩端。7.根據權利要求5所述的天然氣管道機器人控制系統，其特征在于，所述的同步帶采用六軸八輪驅動模式，是由一根內周表面設有等間距齒的封閉環形履帶和相應的帶輪所組成。8.根據權利要求1所述的天然氣管道機器人控制系統，其特征在于，所述的天然氣管道機器人控制系統還設置有上位機程序、運動控制程序、基于DSP圖像采集以及基于霍爾效應管道損傷探測，所述的上位機程序還包括管道讀取、位置定位和電源信息，所述的運動控制程序還包括基于ARM六軸永磁同步電機伺服控制、數據存儲和I/O控制，所述的基于DSP圖像采集和基于霍爾效應管道損傷探測分別與基于CCD圖像采集單元和基于霍爾效應管道探傷采集單元通訊連接。9.根據權利要求1所述的天然氣管道機器人控制系統，其特征在于，所述的天然氣管道機器人控制系統還包括光電編碼器，所述的光電編碼器分別安裝在永磁同步電機X、永磁同步電機Y、永磁同步電機Z、永磁同步電機R、永磁同步電機U和永磁同步電機W上。
【文檔編號】F16L101/30GK105922263SQ201610406251
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月12日
【發明人】張好明, 鮑庭瑞
【申請人】江蘇若博機器人科技有限公司