近距离管线检测仪的软件设计
摘要
在现代社会中，人们总要遇到各种各样的管线设施，而许多管线系统不是架设在空中就是深埋于地下，这样一来，通过人力对管线的内部进行检测就很不方便。本文研制的近距离管线检测仪本身携带CCD摄像头，可以对一定口径的管线内壁进行检测，具有较高的实用价值。
本文首先对国内外近距离管线检测仪技术的发展做了综述，给出了近距离管线检测仪本体结构设计方案，详细介绍了检测仪的驱动机构、云台系统等环节的结构。
所讨论的检测仪采用上下位机的控制模式，使用了目前在国内较为先进的光纤信来传送控制信号和来自CCD摄像机的图像信号。下位机以LPC2114为核心处理器，进行了近距离管线检测仪行走电机的驱动控制设计、云台电机的驱动控制设计、RS232串口通信电路以及控制系统接受机的讨论。
关键词：本体结构，控制系统，近距离管线检测仪
Abstract
In modern society, people always encounter a variety of pipeline facilities, and many are not set up in the air piping system is buried underground, so that, through human testing within the pipeline is very inconvenient. This pipe mobile robot developed to carry CCD camera itself, you can certainly detect pipe wall diameter, has a high practical value.
Firstly, the domestic and international pipeline robot technology summarized in this paper, given the structure of portable pipeline design of the robot body, detailing, the robot drive mechanism, heads and other aspects of the system structure.
Robot discussed by upper and lower computer control mode, using more advanced in the domestic fiber channel to transmit control signals and image signals from the CCD camera. The next crew to LPC2114 core processor for the mobile pipeline robot drive motor for control design, the design head of the motor drive control, RS232 serial communication circuit and control system peripheral circuit discussion.
Key word：Body structure,Control system, In-pipe robot.
目录
一、 绪论 1
二、近距离管线检测仪技术综述 3
三、 近距离管线检测仪的本体结构设计 7
（一）近距离管线检测仪的结构参数和特点 7
（二）近距离管线检测仪的总体结构组成 7
（三）检测仪本体结构设计 8
1.驱动机构 8
2.检测仪本体密封及防腐 9
（四）检测仪云台系统 10
四、近距离管线检测仪控制系统硬件设计 11
1．要求实现检测仪的行走速度在0～12m／min之间无级可调； 12
2．要求可以控制检测仪正反两个方向行走； 12
3．要求可以对云台在两个自由度内进行位置调整； 12
4. 要求对检测仪采用遥控作业，遥控距离在200m以上； 12
5．要求主控界面便于操作、使用。 12
（一）近距离管线检测仪的常规控制形式 12
（二）控制系统硬件总体设计 12
（三）放射机设计 13
（四）接受机设计 17
1.电源电路 17
2.复位电路 17
3.系统时钟电路 18
4.RS232电平转换电路 18
（五）供电及通信系统 19
五、近距离管线检测仪的软件仿真设计 19
（一）直流电机控制的软件设计 20
1.转速计算及显示 20
2.电子换向的软件实现 22
（二）四串口通信程序设计 22
(1)PC命令帧：主控发往MCU的命令帧。 23
(2)MCU回应帧：当MCU正确接受时发送的回应帧。 23
(3)MCU数据帧：MCU发往主控的数据帧。 23
(4)PC回应帧：当PC正确接受MCU数据时的回应帧。 23
(5)重发命令帧：当没有正确接受时，要求重发的命令帧。 23
(三) 上位机控制软件设计 25
结 语 27
参考文献 28
致谢 29
一、绪论
在现代，无论是水力、火力发电站，还是煤气、自来水、工业用水和供热系统等公共设施，以及石油、化工等工业生产系统，都有纵横交错的管线。这些管线系统在输送各种液体和气体物质时，由于受振动、热循环、腐蚀、超负荷等作用，加上管线本身可能隐藏的内在缺陷(如裂纹、砂眼、接头处连接不良等)。寿命总是有限的。因此，许多管线系统难免在运行之中突然发生损坏而造成液体、气体物质的泄渗事故，不得不停工停产进行检修。这种事故有时造成的经济损失是巨大的。能不能在事故发生前就检查出潜在的有问题的管线而提前预防，是现代民用与工业企业中迫切需要解决的课题。由于管线系统或者埋在地下，或者架设在高空，或者管线内径很小，用人携带仪器检查十分困难，有时甚至根本无法做到。此外，有些危险和环境条件恶劣的工作场地。由人去检查会对人的健康带来严重损害。因此，有必要开发一种能够深入管线的可移动管线检测仪器代替人去完成上述工作。在这种情况下，近距离管线检测仪作为一种先进的管线检测手段纳入了国内外机器入研究开发人员的眼中。
近距离管线检测仪属于特种检测仪的研究范畴，它在管线这个特定的极限环境中作业，通常携带各种探测仪器和作业装置，在操作人员的遥控或者计算机的自动控制下完成管线的检测或者维修工作。从上个世纪五十年代起，为了满足管线运输、自动清理以及检测的需要，美、英、法、日等国相继展开了近距离管线检测仪的研究。最初的研究成果就是一种无主动力的管内检测设备--PIG，该设备是依靠其首尾两端管内流体形成的压差为驱动力，使之随着管内流体的流动向前运动。随着机械、电子以及自动控制理论的快速发展，近距离管线检测仪的研究也在不断进步，人们从近距离管线检测仪的驱动结构、工作方式、控制系统等方面入手研究出许多样式的机器入。总的说来国外一些国家的近距离管线检测仪技术的发展已经比较成熟，基本上进入了使用化阶段。
我国对近距离管线检测仪的研究开始于上个世纪八十年代未期，哈尔滨工业大学、上海交通大学、广州工业大学以及上海大学等高校和科研院所都做了这方面的工作，在理论上和实用上取得了很大进步。虽然如此，我们的近距离管线检测仪技术还远远地落后于发达国家，存在检测仪负载能力差，工作时间短，检测精度不够高，检测距离短，不利于商品化等缺陷。就排水管线而言，目前国内还没有比较先进的检测方式，大多数采用开挖的方法进行检测。
在近距离管线检测仪的发展过程中，控制系统的设计是一个十分重要的问题。传统控制策略应用于检测仪的运动控制是最普遍的，如PID控制。只要被控对象的数学模型是比较精确的、变化不大的、近似于线性的，传统的PID控制可以满足这种情况下管线内作业检测仪的控制要求。目前，在计算机技术的发展和实际应用需求的激励下，各种新型的、先进的、智能的控制策略也应运而生，并迅速在实际系统中得到应用、改进和发展，如自适应控制、鲁棒控制、预测控制、模糊控制、专家控制、神经网络控制等。在这些控制策略中，有的已经在检测仪控制领域得到了实际应用，而有的仍处于不断丰富的研究过程中。
针对于我国近距离管线检测仪的研究状况和背景，在查阅了大量国内外文献的基础上，结合大庆市科技局的一个科技攻关项目，本文提出了一个合理的近距离管线检测仪的实现方案，在检测仪的本体机构、检测方式、通信和控制系统等方面都采用了当前国内先进的技术。主要讨论了对近距离管线检测仪控制系统的设计和研究，从软硬件角度介绍了近距离管线检测仪的设计过程，完成了系统硬件的设计和调试，软件的编制和调试。在检测仪的研制过程中采用了改进的积分分离PID控制策略，通过样机的试验结果表明设计的合理性和有效性。同时，对自适应模糊控制方法进行了研究，设计了无刷直流电机的自适应模糊控制器，通过仿真结果验证算法的可行性。管线机器入作为一种新型的管线检测设备，正在被越来越多的人关注和研究，它的应用前景将十分广阔。
