一种面向船舱监测的爬壁机器人设计及实现

摘要

随着船舶行业自动化程度的不断提高，船舶的控制越来越集中于中央控制室。当船舱内部无人舱室中发生事故或损坏时，如果机组人员不能及时发现，后果严重。因此，船舱实时监测已成为衡量船舶先进程度的重要指标之一，有效地提高船舱内部环境监测、火灾预警等方面的实时性尤为重要。本文设计并实现了一种适用于船舱内部实时监测的爬壁机器人，由此代替传统的机组人员对船舱内部进行移动监测，不仅适应复杂的船舱内部环境、减少了机组人员的工作量，还降低了船舱内部移动监测的成本。
　　首先，设计了一种电机驱动的永磁式履带爬壁机器人系统。在考虑到船舱内部环境特殊性的基础上，本文对爬壁机器人的结构进行了分析，通过对比分析各种爬壁机器人结构的优劣，设计了一种电机驱动的永磁式履带爬壁机器人系统。为了验证机器人结构的有效性，本文对机器人在下滑以及倾覆情况下的静态力学模型进行了分析，从而确定了机器人不会发生下滑以及倾覆的磁吸附力大小。由于机器人没有转向机构，本文对机器人履带结构的差速转向进行了运动学分析，确定了机器人的运动学模型以及转向特性。
　　然后，提出了一种基于超声波传感器的局部避障方法。由于船舱内部环境的不确定性和复杂性，为了保障机器人在未知环境下工作的安全性，本文提出了一种基于超声波传感器的局部避障方法:在传统人工势场法的基础上引入了模糊理论，由此解决传统人工势场法中目标不可达以及局部极小值的问题。为了验证本局部避障方法的有效性，基于MATLAB仿真分析了各种情况下的机器人局部避障。
　　接着，详细介绍了本文所设计爬壁机器人的系统设计。本文根据爬壁机器人的设计要求，对爬壁机器人系统进行了软、硬件设计。操作人员通过上位机人机交互界面利用无线网络对机器人进行控制，机器人将摄像头检测到的视频数据发送至上位机并通过人机界面进行显示，实现对船舱设备运行状态的控制、监视、显示、记录和报警。
　　最后，为了验证爬壁机器人系统的有效性，对爬壁机器人样机的吸附性能、转向性能以及障碍检测能力进行了实验，实验结果表明爬壁机器人样机满足移动监测要求，验证了本文所设计系统的可行性和有效性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景

1．2 爬壁机器人发展概述

1．2．1 爬壁机器人简介

1．2．2 国内外研究现状

1．3 机器人避障研究现状

1．4 主要研究内容

第2章 永磁式履带爬壁机器人结构设计

2．1 引言

2．2 爬壁机器人结构方案选择

2．2．1 吸附方式选择

2．2．2 移动方式选择

2．2．3 驱动方式选择

2．3 爬壁机器人的结构设计

2．3．1 吸附结构设计

2．3．2 传动结构设计

2．4 小结

第3章 爬壁机器人静态力学与运动特性分析

3．1 引言

3．2 爬壁机器人静态力学分析

3．2．1 下滑时的静态分析

3．2．2 倾覆时的静态分析

3．3 爬壁机器人运动特性分析

3．4 小结

第4章 基于模糊改进的人工势场法爬壁机器人局部避障方法

4．1 引言

4．2 基于超声波传感器的障碍物检测方法的设计

4．3 人工势场法简介

4．4 基于模糊改进的人工势场法设计

4．4．1 算法分析

4．4．2 模糊控制的基本原理简介

4．4．3 模糊控制器的实现

4．5 MATLAB仿真实验及分析

4．6 小结

第5章 爬壁机器人系统设计及实现

5．1 引言

5．2 系统总体设计

5．3 系统硬件设计

5．3．1 硬件平台

5．3．2 电源模块

5．3．3 电机驱动模块

5．3．4 通信模块

5．3．5 摄像头模块

5．3．6 倾角检测模块

5．3．7 超声波测距模块

5．4 控制系统软件设计

5．4．1 软件开发平台

5．4．2 运动控制软件设计

5．4．3 PWM模块软件设计

5．4．4 转速检测软件设计

5．4．5 角度检测软件设计

5．4．6 超声波测距软件设计

5．5 监测系统软件设计

5．5．1 视频采集

5．5．2 视频传输

5．6 人机交互软件的设计

5．7 小结

第6章 爬壁机器人系统实验

6．1 引言

6．2 吸附实验

6．3 转向实验

6．4 障碍物检测实验

6．5 小结

第7章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表的论文

附录2 攻读硕士学位期间参加的科研项目