基于PMAC的管道缺陷檢測機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計

王 偉，林順英

(北京石油化工學院 機械工程學院，北京 102617)

基于PMAC的管道缺陷檢測機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計

王 偉，林順英

(北京石油化工學院 機械工程學院，北京 102617)

本文設(shè)計的管道缺陷檢測機器人的控制系統(tǒng)，采用PC機和PMAC運動控制卡組合的控制模式.PC機控制云臺的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)管道缺陷圖像的采集； PMAC控制機器人本體的運動.實驗證明，該控制系統(tǒng)能夠?qū)艿廊毕輽z測機器人進行精確控制，使之準確檢測到管道的缺陷.

控制系統(tǒng)；控制模式；PMAC

管道缺陷檢測機器人系統(tǒng)由機器人機械本體、圖像采集系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)和電力供給系統(tǒng)四大部分組成，如圖1所示[1].管道缺陷檢測機器人，在計算機發(fā)出的指令控制下以一定的速度在管道中運行，通過安裝在管道機器人機械本體上的圖像傳感器，實時地把管道內(nèi)的環(huán)境參數(shù)和管道機器人的自身狀態(tài)反饋給管外的監(jiān)控系統(tǒng).控制系統(tǒng)是管道缺陷檢測機器人的控制中樞，很大程度上決定管道缺陷檢測機器人的整體性能，對管道缺陷檢測起到至關(guān)重要的作用.

圖1 管道缺陷檢測機器人系統(tǒng)

1 管道缺陷檢測機器人控制模式的選擇

機器人控制系統(tǒng)多種多樣，但從基本結(jié)構(gòu)上看，一個典型的機器人控制系統(tǒng)的硬件主要由上位計算機、運動控制器、功率驅(qū)動裝置、電動機、執(zhí)行機構(gòu)和傳感器反饋檢測裝置等部分組成.常用的機器人控制系統(tǒng)的控制方案有單片機控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、PC機+運動控制卡控制系統(tǒng)等.

1.1單片機控制系統(tǒng)

單片機控制系統(tǒng)的優(yōu)點是經(jīng)濟實惠，成本相對較低.缺點是用單片機制作的主控板受制版工藝、布局結(jié)構(gòu)、器件質(zhì)量等因素的影響導致抗干擾能力差、故障率高，不易擴展，對環(huán)境依賴性強、開發(fā)周期長.一個采用單片機制作的主控板不經(jīng)過很長時間的實際驗證很難形成一個真正的產(chǎn)品.

1.2PLC控制系統(tǒng)

采用PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)點是抗干擾能力強、故障率低、易于設(shè)備擴展、便于維護、開發(fā)周期短.缺點是當完成比較復雜的運動控制時，使用PLC不方便.

1.3PC機+運動控制卡控制系統(tǒng)

PC機+運動控制卡控制系統(tǒng)由上位機(PC機)和下位機(運動控制卡)組成，下位機使用的控制卡是運動控制專用板卡，適用于機器人控制、機床控制等精度較高的工業(yè)領(lǐng)域，自身運算能力強、運算速度快，可以實現(xiàn)多軸運動控制，上位機處理的大量數(shù)據(jù)可由運動控制卡快速執(zhí)行，反應(yīng)時間短、精度高.

綜合以上考慮，管道缺陷檢測機器人控制系統(tǒng)采用的是PC機+運動控制卡的方案，既可以滿足穩(wěn)定性的要求又可以滿足控制精度的要求.

2 管道缺陷檢測機器人控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

管道缺陷檢測機器人采用模塊化分布式控制系統(tǒng)，以PC機作為上位機，實現(xiàn)信息處理與人機交互的作用，根據(jù)電機的型號設(shè)定相應(yīng)的控制模式及輸出控制指令；以運動控制卡作為下位機，實現(xiàn)機器人的運動控制功能.

PC機與運動控制卡間通過實時、可靠的通信來協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)，實現(xiàn)對機器人的本體控制；PC機通過串口通訊完成云臺控制和圖像采集任務(wù).本文管道檢測機器人控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.

圖2 管道檢測機器人控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1云臺控制

云臺是為攝像頭轉(zhuǎn)動服務(wù)的，由兩個步進電機提供動力，分別實現(xiàn)攝像頭的徑向180°和軸向360°的轉(zhuǎn)動.PC通過串口通訊控制云臺攝像頭控制器，本文選用控制器的控制板卡芯片用的是Atmega64單片機，數(shù)據(jù)處理速度非?？?，采用相對先進的指令，指令的運行周期較短，運行效率很高，攝像頭使用的步進電機的型號是MOONS 17HA 0407-01M，是一種混合式步進電機，此類電機優(yōu)點：準確性高、力矩輸出平穩(wěn)、噪音小，混合式步進電機同時擁有永磁式步進電機和反應(yīng)式步進電機的優(yōu)點，步距角較小而且轉(zhuǎn)動平穩(wěn)[2].

2.2機器人本體控制

機器人控制系統(tǒng)是一種典型的多軸實時運動控制系統(tǒng).本文中的運動控制卡是美國Delta Tau公司遵循開放式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)標準開發(fā)的開放式可編程多軸運動控制器，型號是PMAC PCI LITE 1，采用MOTOROLA DSP作為控制卡主處理器CPU，此卡可以同時控制四個伺服電機工作，來實現(xiàn)對機器人本體的控制.在許多應(yīng)用中，PMAC是一臺計算機，能夠同時執(zhí)行多個任務(wù)并能正確地進行優(yōu)先級的排序，使它能夠在處理時間和任務(wù)切換的復雜性這兩個方面減輕主機的負擔.PMAC能適應(yīng)多種硬件操作平臺，能和主機以各種總線或串口方式通訊，適用于所有電動機，對不同電動機可提供相應(yīng)的控制信號.

PC與PMAC之間通過PCI總線連接，實現(xiàn)上位機和下位機的通訊.PMAC控制伺服電機工作.PC機發(fā)送指令給PMAC運動控制卡，運動控制卡接收上位機指令后發(fā)送模擬量控制信號給電機驅(qū)動器，電機驅(qū)動器將控制信號放大驅(qū)動伺服電機，電機通過一定的機構(gòu)帶動機器人的車輪.編碼器將電機的位置和速度返回給運動控制卡.本文選用型號為SGMJV-01AAA61的安川伺服電機及型號為SGDV-R90A01A的伺服驅(qū)動器，來對機器人本體進行控制.伺服驅(qū)動器作為電機控制的核心部件，集成了比較復雜的控制算法，實現(xiàn)對電機的智能控制.除此之外，驅(qū)動器對電機也有一定保護作用，當輸入電壓或者電流過大，可以實現(xiàn)自動調(diào)整，避免損壞電機.

3 管道缺陷檢測機器人控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

管道缺陷檢測機器人控制系統(tǒng)是配合硬件系統(tǒng)工作流程，實現(xiàn)對機器人本體和云臺的控制.本文的機器人控制系統(tǒng)軟件功能結(jié)構(gòu)圖如圖3所示.

圖3 控制系統(tǒng)軟件功能結(jié)構(gòu)圖

上位機軟件可以監(jiān)視或者改變運動控制卡的運行狀態(tài)，可以擴展運動控制卡的功能，可編輯自己的界面，采用windows語言編程，依賴PC機的強大功能，實現(xiàn)上位機程序簡單可靠運行.上位機的開發(fā)采用靈活定制，不受硬件干擾，不改變硬件，只需改變軟件，就可以更新產(chǎn)品的應(yīng)用，可以利用上位機更廣泛的資源，可以循環(huán)利用，節(jié)省人力資源，使用戶擁有自己的特點，增加了產(chǎn)品的競爭力，最大限度的發(fā)揮運動控制卡的功能，應(yīng)用場合廣泛.管道缺陷檢測機器人上位機界面的開發(fā)基于PComm32動態(tài)鏈接庫，PComm32是PMAC卡自帶的動態(tài)鏈接庫，PComm32.dll中含有豐富的函數(shù)供開發(fā)者調(diào)用.PComm32是實現(xiàn)PMAC卡與PC機通訊的重要工具，是使用者對PMAC卡進行二次開發(fā)的平臺，PComm32是生產(chǎn)商Delta Tau公司封裝好的通訊開發(fā)包，使用者可方便調(diào)用需要的功能函數(shù).

下位機控制軟件主要是調(diào)用PMAC底層的控制函數(shù)，實現(xiàn)對伺服電機的控制，根據(jù)不同的控制功能調(diào)用不同的控制函數(shù)，控制管道機器人前進動力供給，彎道轉(zhuǎn)彎動力供給等.

云臺控制主要就是兩個步進電機的控制，使用串口通訊，編制軟件將計算機與步進電機實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，其中在控制攝像頭遠近聚焦，變倍長的時候我們使用的是PELCO-D協(xié)議，當實現(xiàn)步進電機與PC機的串口通訊后，我們可以使用PELCO-D協(xié)議給步進電機發(fā)送命令.PELCO-D是美國最先發(fā)明的通信協(xié)議，可以控制錄像機，監(jiān)控器等視頻設(shè)備，是應(yīng)用比較廣泛的協(xié)議.

4 總結(jié)

本文所設(shè)計的管道檢測機器人控制系統(tǒng)，經(jīng)過實驗證明能夠?qū)艿罊z測機器人本體和圖像采集系統(tǒng)實現(xiàn)精確控制，準確檢測到管道的缺陷. 選用PMAC卡作為管道檢測機器人運動控制卡，使得管道檢測機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計更加方便靈活.整個控制系統(tǒng)具有良好的實時性、可靠性和通用性.

[1] 王偉,封立澤,劉占民.管道檢測機器人的設(shè)計和系統(tǒng)分析,安徽師范大學學報：自然科學版，2013，36(6)：546-549.

[2] 李毅.測量兩點間橫向距離的激光游標尺的設(shè)計與研究[D].武漢理工大學，2010.

[3] 唐鵬.基于PMAC的管道機器人系統(tǒng)設(shè)計[D].遼寧石油化工學院，2012.

[4] 胡鵬,方康,玲劉曉玉.基于PMAC的開放式機器人控制系統(tǒng).機器人技術(shù)，2006，22(4)：171-175.

PipelineDefectInspectionRobotControlSystemDesignonPMAC

WANG Wei，LIN Shun-ying

(School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Petrochemical Technology，Beijing 102617，China)

The pipeline defect detection robot control system uses PC and PMAC motion control card combination control mode. PC controls the PTZ rotation, to achieve image acquisition pipeline defects, PMAC motion control card controls the movement of the robot. Experiments show that the pipeline defect detection system can precisely control robot to accurately detect pipeline defects.

control system; control mode; PMAC

2013-10-21

國家自然科學基金項目(51275051)；北京市光機電裝備技術(shù)重點試驗室開放課題基金(KF2006-02).

王偉(1968-)，女，北京市人，副教授，碩士，從事測量與控制方面的教學和科研工作.

王偉，林順英.基于PMAC的管道缺陷檢測機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].安徽師范大學學報：自然科學版，2014，37(1)：43-46.

TP242

A

1001-2443(2014)01-0043-04