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结题论文

城市污水管道清理机器人的控制系统模块设计

项目编号：

指导老师：

所在院系：

机械与储运工程学院评审结果：

成员姓名：

项目内容及成果简介：

第一章绪论

1.1课题背景

我国城市主排水管道的内径从300mm～2000mm不等，检查井井口内径一般为680mm，内径最小为580mm，井底内径可达700-1000mm。

井距约为50米，管道敷设基本水平，规定其坡度不大于10‰～5‰，通常不敷设虹吸管。

管道内的沉积物多为生活垃圾，建筑工地管道内可能有水泥浆、石灰浆、沙子等沉积物结集，建筑垃圾石子外径一般不大于40mm。

管道破裂处或接口损坏处常有地下水夹带泥砂渗入，时间长了会造成路面塌陷，接口错位、管道堵死等严重情况。

管道破损处偶尔还有树根伸入。

排水管道的清理最初只能靠人工完成，工作条件恶劣（脏、累、苦），而且效率非常低。

于是，人们试图研制一种机器人代替人进入下水道清理、疏通管道。

但是，管道内的可燃性气体、有害气体、腐蚀性水质等决定了机器人必须在多介质的恶劣环境中完成各种作业。

恶劣的环境不仅严重制约了污水管道机器人在管道中的行走方式、也给作业姿态、操作工具、本体动力、检测手段等关键技术的研制增加了很大难度。

在过去的十几年里下水道机器人这一领域蓬勃发展，国内外的科技工作者已经研制了许多种下水道机器人，但都采用电机驱动，传动装置复杂，不容易实现密封，并且由于空间限制，功率较小，仅能实现单一功能，工作效率较低。

由我校承担的城市污水管道清理检测机器人课题在北京市横向课题“污水管道清理检测机器人系统的研究与开发”的资助下，根据要求研制了一台以液压为动力、采用蠕动式行走方式、集清理疏通和检测于一体的污水管道机器人工程样机。

此样机很好的解决了目前污水管道机器人存在的缺陷。

该课题拟采用以液压为动力的模块化结构设计，其中机器人本体模块完成机器人行走，管道清理和超声波缺陷检测功能。

动力系统模块为机器人提供液压源和液压系统。

控制系统模块包括地下与地面两个子模块，负责协调机器人在管道中自主行走、疏通阻塞和上位机的通讯等功能。

各个模块之间采用铰链连接，可以方便组合、拆卸。

本小组主要承担地下测控模块的组成设计、电路分析、单片机程序开发和仿真测试等任务，配合其他小组共同完成机器人的完整课题。

1.2课题功能

本课题是采用STC89C52单片机为核心设计控制系统，利用温度、压力、转速、电压电流等传感器实现对机器人行走距离、行走速度、切削转速、系统压力及温度等参数进行采集，并利用模数转换等方式对作出相应处理，数据处理结果通过通讯接口传送至地面PC机。

机器人以液压为动力，操作人员下达的控制指令发送至地下控制系统，单片机对指令加工处理后，通过数模转换、光电耦合并进一部处理后对液压油流中电磁比例阀和电磁换向阀等进行控制，从而协调机器人的运动。

总的来说，该模块能完成机器人状态检测、运动控制，以及与地面PC的通信等控制任务。

第二章系统简介

1.1机器人整体设计方案

机器人的整体结构设计成模块组合的形式（如图2所示）。

按照功能的不同，将机器人的结构分成机器人本体模块，完成机器人行走，管道清理和超声波管道缺陷检测功能。

动力系统模块，为机器人提供液压源和液压系统。

控制系统模块，协调机器人在管道中自主行走并完成作业功能、和上位机的通讯功能。

在机器人前端和尾部各装一摄像头，观察掌握机器人的工作情况和对管道表面缺陷的图像检测。

上下位机之间采用有线方式通讯，通过电缆给机器人提供能源。

机器人的各个模块之间采用铰链连接，可以方便组合、拆卸。

这样，使机器人的每一个功能模块都能够在长度小于400mm的尺寸内，完成每节的结构设计，而且更容易实现密封。

模块间铰链连接使机器人整体可以弯曲，保证机器人从检查井口进入和退出管道，同时也为机器人通过弯管提供了可能。

各模块留有扩展接口，为机器人实现更大管径检测、清理和管道维护功能做准备。

另外，机器人上下井服务的起吊装置，提供电源的发电机组，供同步收放电缆、钢缆用的滚筒装置等辅助设施，还有上位机等，都安装在一台工程车上，以便移动作业。

机器人的工作长度设计为100m，完成两个50m井距的管道清理、检测工作后，在中间检查井中，把电缆中间的防水接头断开，后节电缆从管道中拉出。

工程车前移，再把电缆接好，进行下一管段的作业，减少机器人进出检查井的次数。

图2机器人整体方案示意图

1.2机器人本体模块

为了适应污水管道的恶劣环境，在不开挖、不破坏管道结构和管道输送污水的情况下，达到清理、疏通和检测的目的。

提高驱动能力和回转扭矩是机器人设计的关键问题。

目前各国管道机器人普遍采用轮式或履带式行走机构并用电机驱动，由于管道结构的限制，机器人的重量不可能很重，电机的功率也不可能很大，另外此种结构比较复杂，在电机和驱动轮或履带之间需设计传动装置，还需解决电机和传动装置的密封问题，使有限空间的利用受到限制，给本体的结构设计带来了很大的困难，限制了机器人驱动能力的提高。

本课题机器人本体采用液压驱动、蠕动式行走机构可以很好地解决这一关键问题。

机器人本体结构设计方案如图3。

机器人本体行走机构的工作原理为：

机器人本体分为二节，二节之间铰接安装有推进油缸。

支腿（2、6）、支架（3、7）、支撑杆（4、8）构成两组平行四杆机构，每组三个平行四杆机构周向均布，此机构在支腿油缸（10、14）通过同步盘（11、15）的驱动下，沿径向伸出和管壁接触，支腿和管壁的摩擦力为机器人行走和清理提供反力和反扭矩。

当后部支腿伸出和管壁接触压紧，前部支腿缩回时，推进缸推动机器人前部向前运动。

前部支腿伸出和管壁接触压紧，后部支腿缩回，推进油缸拉动机器人后部向前运动，如此往复循环实现机器人的行走。

在机器人行走的同时，液压马达9驱动清理装置1回转，以掘进的方式对污水管道进行清理和疏通。

在前节的尾部周向装有可覆盖整个管道断面的超声探头，对管道内部缺陷进行检测。

橡胶护套12对超声探头起固定和保护作用，并利用橡胶护套和管壁的接触实现耦合，提高声能的传递。

1清理装置2、6支腿3、7支架4、8支撑杆5推进油缸9液压马达

10、14支腿油缸11、15同步盘12橡胶护套13超声探头

图3机器人本体的结构方案图

三个平行四杆机构在同步盘的制约下，可以保证机器人和管道同心，确保切削刀具不会破坏管壁，超声探头和管道内表面同距。

通过将切割头更换为可径向进給、径向布置的磨削头或切削头、注浆头，对管壁凸出物进行清理、管道破损处注射环氧树脂进行修复等。

使机器人可以容易地扩展功能，实现对管道的维护、修复。

1.3机器人动力模块

机器人动力模块由浸油式电机和液压泵组成液压源，外壳兼作油箱，电机泵组放入油箱中，油箱制成封闭式，来解决液压源在管道中工作的密封问题。

液压系统采用双联泵供油，清理装置马达和推进油缸用比例换向阀控制，支腿油缸用电磁换向阀控制。

液压原理如图4。

图4机器人液压原理图

1.4机器人控制模块

制系统分为地面PC机监控系统和地下控制系统两部分，两者之间的通讯采用有线通讯方式。

地下控制系统设计为嵌入式系统，分为嵌入式CPU核心系统、通讯接口、运动控制与状态检测等几个单元。

机器人的控制原理如图5所示。

图5管道机器人控制原理图

机器人的运动采用电液结合的控制方式，嵌入式系统根据状态检测单元得到的切削转速、推进缸位移、液压系统压力，分析机器人的当前工作状态，从而调整行走速度和切割头转速，实现机器人的自主行走和清理作业。

机器人的工作方式可采用自动和手动两种工作方式，在工作过程中可随时进行切换。

地下控制系统利用ＣＣＤ、超声波、温度、压力、转速、电压电流等传感器实现对管道内壁图像、机器人行走距离、行走速度、切削转速、系统压力及温度等参数进行采集并作相应处理，数据处理结果通过通讯接口传送至地面PC机，从而实现机器人各种状态参数的显示。

操作人员通过PC机下达的控制指令通过通讯接口发送至地下控制系统，实现对对机器人的操作。

地面控制台以PC机为核心，设计有友好的人机操作界面，负责对机器人的监控和相应的数据处理。

第三章控制系统下位机硬件设计

3.1概述

控制系统的下位机为一个执行单元，它与机器人各个设备连接起来，根据上位机指令控制这些设备的动作，同时接收各传感器的反馈信息，初步处理后发给上位机。

本下位机采用一片40引脚的STC89c52作为核心负责大部分的控制任务，系统结构示意图如图3.1所示，

图3.1系统结构示意图

单片机接受操作人员通过PC机下达的控制指令，经过翻译后执行操作。

控制指令可分为两类：

读出参数命令

运动控制命令。

单片机接到

命令后，通过状态参数采集电路，获得个参数以一个数据包的形式发给PC.单片机接到

命令后,得到速度、角速度的参数，立即进行运动-状态刷新

按照电路的功能可分为通信接口电路、状态参数采集电路、比例电磁换向阀控制电路、电磁换向阀控制电路。

下面两节分别介绍下位机所用的主要芯片和各部分电路的设计。

3.2下位机主要芯片简介

3.2.1STC89C52简介

STC89SC52是宏晶科技公司生产的单时钟（机器周期为1T）的一个单片机系列，有40,44,48引脚封装，这三种封装的单片机功能基本相同，区别只在于I/O口的个数。

如图3.2所示，它实际上是一个增强型的8051的MCU，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8至12倍，此外，支持在线编程（使用串口1经过232电平转换和电脑连接），内置看门狗模块，内含8KbytesISP的Flash,256bytesRAM,32位并行I/O口，一个8位的算术逻辑单元ALU,2个数据指针，三个16位定时计数器。

图3.2STC89C52结构

3.2.3TLP521简介

TLP521是可控制的光电藕合器件，光电藕合器件广泛作用在电脑终端机、可控硅系统设备、测量仪器、家用电器等之间的信号传输，使前级与负载完全隔离，目的在于增加安全性，减小电路干扰、简化电路设计。

东芝TLP521-1、TLP521-2、TLP521-4组成的砷化镓红外二极管藕合到光三极管。

它们分别提供了1路、2路、4路独立的光藕通道引脚及典型应用电路见图3.3，转换时间见表3.1

图3.3TLP521引脚及典型应用电路图

表3.1TLP521-4（GB）转换时间参数

3.2.4数模转换器DAC0832芯片简介

DAC0832是8位D/A转换器，能完成数字量输入到模拟量（电流）输出的转换。

图3.4为DAC0832的内部结构图。

其主要参数:

分辨率8位，转换时间1us，满量程误差士1LSB，参考电压-l0V~+10V，供电电源-5~+5V，逻辑电平与TTL兼容。

从图3.4可见，在DAC0832中有两级锁存器，第一级锁存器称为输入寄存器，它的允许锁存信号为ILE，第二级为DAC寄存器，它的锁存信号也称为通道控制信号XFER。

当ILE为高电平，片选信号CS和写信号WR1为低电平时，输入寄存器控制信号为“1"，此时，输入寄存器的输出随输入变化而变化。

此后，当/WR1由低变为高时，控制信号变成低电平，此时，数据被所存到输入寄存器中，输入寄存器的输出不再随外部数据变化而变化。

对第二级锁存器来说，传送控制信号/XFER和/WR2同时为低电平时，二级锁存器控制信号为高电平，DAC寄存器的输出随输入变化而变化，此后，当/WR2由低变高时，控制信号变为低电平，

于是将输入寄存器的信息锁存到DAC寄存器中。

图3.4DAC0832的内部结构

DAC0832的三种工作方式:

1）直通方式。

CS,WR1,WR2,XFER接数字地，ILE接高电平，芯片处于直通方式，8位数字量直接输入到D17-DI0，就立刻进行D/A转换。

在此方式下，DAC0832不能直接与单片机的数据总线相连接，故很少采用。

2）单缓冲方式。

两个寄存器中一个处于直通状态，另一个工作于受控状态，通常使DAC寄存器处于直通状态，即把WR2和XFER都接数字地，另把ILE接高电平，CS接端口地址译码信号，WRl接CPU的WR信号，这样就可以通过一条MOVX指令，选中该端口，启动D/A转换。

3）双缓冲方式。

在该方式下，单片机要对两个寄存器分别控制，进行两步写操作:

先将数据写入输入寄存器，再将输入寄存器的内容写入DAC寄存器并启动转换。

双缓冲工作方式可以使数据接收和启动转换异步进行，在D/A转换同时接收下一个转换数据，因而提高了通道的转换速率。

在要求多个模拟通道同时进行D/A转换时使用双缓冲方式。

3.2.5模数转换器AD0809芯片简介

8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道抵制锁存用译码电路，其转换时间为100μs左右。

图3.5ADC0809引脚图

1.ADC0809的内部结构

ADC0809的内部逻辑结构图如图3.6所示。

图3.6ADC0809内部逻辑结

     图中多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。

地址锁存与译码电路完成对A、B、C3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连，表3.2为通道选择表。

表3.2通道选择表

2．信号引脚

   对ADC0809主要信号引脚的功能说明如下：

    IN7～IN0——模拟量输入通道

ALE——地址锁存允许信号。

对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。

START——转换启动信号。

START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。

本信号有时简写为ST.

A、B、C——地址线。

通道端口选择线，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB和ADDC。

其地址状态与通道对应关系见表3.2。

CLK——时钟信号。

ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。

通常使用频率为500KHz的时钟信号

EOC——转换结束信号。

EOC=0,正在进行转换；EOC=1,转换结束。

使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。

D7～D0——数据输出线。

为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。

D0为最低位，D7为最高

OE——输出允许信号。

用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。

OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。

Vcc——+5V电源。

Vref——参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。

其典型值为+5V（Vref（+）=+5V,Vref（-）=-5V）.

3.2.6电平转换芯片

美国MAXIM公司的MAX232芯片可以实现TTL与RS-232电平的双向转换。

MAX232内部有电压倍增电路和转换电路，仅需外接5个电容和+5V电源便可工作，使用十分方便。

图3.7是MAX232的引脚图。

一个MAX232芯片可连接两对收/发线。

MAX232把通信接口的TXD和RXD端的TTL电平（（0-5V）转换成RS-232的（+10v~-10v）;也可以把传输线上RS-232电平转换成TTL电平，送到通信接口的TXD段和RXD端。

SN75176芯片是RS-485半双工通信芯片，引脚图见图3.7。

引脚1和4分别接单片机串口的读写引脚;引脚6和7分别为RS-485口的A和B脚;引脚2,3通常连接在一起成为控制端，高电平时芯片向外发送信号，低电平时接收信号。

图3.7MAX232的引脚图

3.3下位机的电路设计

3.3.1通信接口设计

PC机串口采用标准RS-232电平，单片机的串口是标准的TTL电平，采用MAX232可以实现电平转换。

但RS232最大通信距离为15m，实验系统工况要求PC机与单片机的通信距离在100m以上，所以采用RS-485无源转换器延长RS-232的通信距离（最大可到1200m）,通信系统框图如图3.8。

图3.8通信系统框图

RS232-RS485转换器（如图3.9），RS-485端为六线接线端子，RS-232端为DB9孔插头。

本系统使用两个RS232-RS485转换器，一个在PC机端（RS232端与PC机RS232串口相连），另一个与下位机相连（RS232端与MAX232一端相连），中间用双绞线（长度200M）连接传输信号。

图3.9RS232-RS485转换器

下位机采用MAX232将通过两个RS232-RS485转换器从PC传输来的信号RS232电平转成TTL电平,如图3.10所示。

图3.10RS232电平转换电路

3.3.2状态参数采集电路

检测过程中，管道的状况以及机器运行参数是通过超声波、温度、压力、转速、电压电流等传感器得到的。

这些传感器反馈的信号分为两种，一种为模拟信号（范围在0-5V），另一种为脉冲信号。

信号处理方法也根据信号性质分为两种：

使用ADC0809将0—5V模拟信号转换为00—FF数字信号并传送给51单片机，然后由51单片机进行数据存储及数据处理，最终将有用信息通过通讯接口发给上位机，完成对模拟信号的采集。

（如图3.11）

脉冲信号通过单片机内置的定时计数器计算脉冲频率（具体做法请看下一章）。

下面介绍模数转换电路.

图3.11

3.3.2.1ADC0809与单片机8051的接口设计

ADC0809与单片机8052的硬件接口方式一般有：

查询方式、中断方式和等待延时方式。

本设计采用查询方式。

由于ADC0809芯片内部没有时钟脉冲源，我选择利用单片机8052提供的地址锁存控制输入号ALK经D触发器四分频后，作为ADC0809的时钟输入。

当CPU访问外存储器时，ALK的输出作为外部锁存地址的低字节的控制信号；当不访问外部存储器时，ALK端以1/6的时钟振荡频率固定地输出正脉冲。

又因ADC0809的时钟频率有一定的范围10～1280kHz，单片机的时钟频率为11.0259MHz，则ALK端输出的频率大约为1MHz，再经四分频后为460kHz，符合ADC0809对时钟的要求。

由于ADC0809内部设有地址锁存器，所以通道地址由P2口的低3位直接与ADC0809的A、B、C相连。

通道基本地址为0000H～0007H。

模拟量直接从IN0～IN7输入，数字量由ADC0809的D0～D7输出并直接接到单片机8052的I/O口的P0口（P0口作为输入口），ADC0809其他引脚如：

START、OE、ALK、A、B、C等直接接到单片机的P2口（P2口作为输出口），最后ADC0809的结束信号端口直接接到单片机P3.7口。

（ADC0809与单片机的连接方法如图3.12）

图3.12

3.3.3比例电磁换向阀控制电路

本次课题需要控制两个比例电磁换向阀，即控制四块比例电磁铁。

比例电磁铁作为电—机械转换元件,其功能是将比例控制放大器输给的电流信号,转换成位移或者力信号输出，在一定范围内，比例电磁铁的位移（位移决定比例阀的开度）与通入其线圈电流成正比。

只要使通过比例电磁铁的电流跟随设定值变化，那么，通过比例阀的流量也跟随比例阀的变化。

当电磁铁与单片机一起构成一个自动控制系统时,由于电磁铁的工作电压较高,工作电流较大,又是模拟控制,因此须在单片机与电磁铁之间设计相应的接口电路,即D/A转换和电压电流（V/I）转换电路。

该实验选用万福乐比例电磁换向阀（额定电压12v），需0-1000mA的电流输入信号，而单片机提供的是8位的数字信号，这里采DAC0832进行数模转换。

DAC0832后接一级运算放大器，得到模拟电压信号，如图3.13，其后再接一个电压电流转换电路，如图3.14（由两个个放大器和一个场效应管组成，属于电流负反馈电路，具有很好的恒流特性）。

图3.13

图3.14

对于图利用运放的虚短、虚断及相关的公式，可以推导出Vr与Id的关系:

V0/R2=-VF/R1

VR=VF

V0=-Id*R

Id=R2*VR/（R1*R）

（1）

可见输出电流只和电阻R,R1,R2,VR有关，与场效

应管的参数无关。

取R2=5K,R1=100,R=250.（单位为欧姆）

3.3.4换向阀和交流电机控制电路

本实验需要控制两个电磁换向阀，即控制四块直流电磁铁。

电磁铁只有两种状态：

得电和失电。

所以只需要四路开关控制量就可以了。

（电路图如下3.15）

图3.15

第4章控制系统下位机的软件设计

4.1概述

硬件是控制系统的躯体，软件则是控制系统的灵魂。

一个系统的正常运行不仅需要硬件的支持，而且需要软件的支持，只有硬件和软件有机地组合在一起才能构成完整的控制系统并完成其使命。

当系统的硬件设计完成以后，就需要编写系统的软件程序来实现整个系统的功能。

就单片机系统的软件设计而言，汇编语言和C51语言是两种常用的软件工具。

汇编语言虽然可以对硬件直接操作，而且指令的执行速度块，但具有移植性差，系统较大时其编程难度较大等缺点。

C语言编写简洁，使用灵活，表达能力强，可移植性好，且C语言的语法规则不太严格，程序设计的自由度较大，可方便地进行结构化程序设计，因此C语言在单片机软件系统设计中的应用越来越广泛。

综合考虑，系统程序采用C51编写，采用模块化设计结构，把整个系统软件分成若干个模块，各个模块分别独立设计、编制和调试，最后将各个程序模块连接成一个完整的程序进行总调试。

系统从功能上分为:

检测模块子程序、语音模块子程序，74HC595状态显示子程序、HD7279数码显示驱动子程序、打印模块子等子程序。

4.2软件开发环境介绍

图4.1

机器人控制系统的软件开发是在KeiluVision3开发平台上运用

C51语言行程序的编写，uVision3支持8051的所有Keil工具，可用来编译C，汇编，C与汇编的交叉编程、连接和重定位目标文件和库文件、创建HEX文件等功能，通过USB接口配合相应仿真器便可进行程序的在线仿真。

4.3主程序设计

主程序通过调用子函数完成初始化、状态检测、运动参数设置、机器人的工作方式选择、运动控制功能。

通信由串行口中断方式完成。

图4.2

4.3各功能模块子程序设计

4.3.1通信模块设计

（1）串行口初始化

单片机对串口的控制是通过对串口控制寄存器SCON和电源控制寄存器PCON的设置来实现的。

串口控制寄存器SCON是一个可位寻址的特殊功能寄存器，赋值为SCON=5OH（串口工作方式1，允许接收），其格式如下:

表4.1

电源控制寄存器PCON主要是为单片机的电源控制而设置的专用寄存器，最高位SMOD是串行口波特率的倍增位，当SMOD=1时，串行口波特率加倍。

系统复位时，SMOD=0。

程序中赋值为PCON=OOH,PCON中除最高位之外，其它位都没有定义。

其位序格式如下:

表4.2

设计单片机的串行通信程序时，除了设置好上述两个控制寄存器外还要进行波特率即传输速率的设置。

S1系列单片机在标准串行通信工作时，通常采用波特率可变的通信方式1。

定时器T1作波特率发生器使用，应工作于方式2（8位定时器，自动重载模式，定时/计数器方式选择寄存器赋值为TMOD=25H），此时波特率的计算公式:

其中f为晶振频率，TH1为T1定时器的初值。

为获得准确的波特率，f通常选择为11.O592MHz或其整数倍，由十本