管道检测机器人的运动控制研究

论文摘要

由于管道环境极其恶劣，对管道检测人员的生命安全带来极大威胁，且很多工作由人工无法完成，因此，为了保证城市的良好发展和排水管网的安全运行，开发一套自动化的设备代替人工完成城市管网的检修、维护工作是非常有必要的。本课题旨在对管道中机器人的运动学模型进行建模分析的基础上，运用虚拟样机技术和姿态传感器、光纤陀螺仪等多传感器融合技术开发一套能自主行走的管道检测机器人系统，为机器人技术在管道维护领域的应用进行了探索。本机器人能根据实时拍摄的视频信息找出管道的缺陷部位；运用激光扫描仪对管道进行扫描，获取管道内部的点集，通过点云匹配算法进行三维重建，并能根据重建后的三维图检测出管道缺陷的尺寸信息，这也是本课题的创新之处。本论文的主要工作如下，首先在了解管道检测机器人任务要求和工作环境的基础上,建立管道机器人的运动学模型，并对模型进行分析，在此基础上设计并优化管道机器人的多个目标参数；然后根据机器人运动学分析，利用三维造型软件对机器人进行了结构设计和虚拟装配；接着对管道机器人的爬行系统，照明系统，视频系统，通信系统，动力传输系统以及控制系统进行整体设计；最后加工出机器人的样机，搭建实验平台，并进行相关的实验。结果表明本文设计的管道机器人能很好的完成各项功能，达到了设计要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 管道检测机器人的发展现状
• 1.2.1 国外发展现状
• 1.2.2 国内发展现状
• 1.2.3 国内外发展现状小结
• 1.3 课题来源
• 1.4 课题研究的目的和意义
• 1.5 课题研究主要内容
• 第二章 管道检测机器人的整体设计
• 2.1 机器人系统方案的选择
• 2.2 管道机器人总体组成
• 2.3 机器人本体结构设计
• 2.3.1 机器人本体驱动方式的选择
• 2.3.2 驱动机构的传动设计
• 2.4 机器人电力供给系统设计
• 2.5 扫描仪云台系统设计
• 2.6 摄像头云台系统设计
• 2.7 云台升降机构设计
• 2.8 地面监控系统设计
• 第三章 管道检测机器人的运动学分析
• 3.1 管道检测机器人运动学建模
• 3.2 管道机器人的约束分析
• 3.2.1 管道机器人结构参数计算
• 3.2.2 管道约束下机器人越障能力分析
• 3.2.3 管道环境下机器人所需牵引力分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 管道检测机器人的控制系统设计
• 4.1 控制系统的整体设计
• 4.2 控制系统的硬件设计
• 4.2.1 电机驱动系统的设计
• 4.2.2 下位机控制系统的设计
• 4.2.3 上位机控制系统的设计
• 4.3 控制系统的软件设计
• 4.3.1 上位机控制系统软件设计
• 4.3.2 下位机控制系统软件设计
• 4.4 本章小结
• 第五章 管道机器人检测系统的设计
• 5.1 检测系统的组成
• 5.2 视频检测
• 5.3 激光扫描仪检测
• 5.3.1 基于激光扫描仪管道三维重建的理论基础
• 5.3.2 管道三维重建的具体实现
• 5.4 本章小结
• 第六章 管道机器人的综合性能实验研究
• 6.1 管道机器人的行走性能测试
• 6.1.1 机器人行走速度测试
• 6.1.2 机器人牵引能力测试
• 6.1.3 机器人爬坡能力测试
• 6.2 摄像头云台性能测试
• 6.3 扫描仪云台性能实验
• 6.4 机器人的视频性能实验
• 6.5 机器人三维重建实验
• 6.6 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件