排水管道检测机器人的设计及应用

摘要

城市排水管道是城市建设的重要标志，排水管道系统是否正常对人们的生活有直接的影响。中国南方地区夏季雨中相对集中，这给城市的排水带来很大的压力，因此对管道的维护与检修要定期展开是十分必要。城市管道位于地下，狭长且内部环境复杂，靠人力基本上无法完成检查，这就需要开发出一套自动化检测工具来代替人工。
　　论文首先阐述了管道检测机器人的背景与现状，结合国内外管道检测机器人的发展，阐明了本课题的研究背景和意义。简述了本文的组织形式和研究内容，并介绍了机器人机械本体及控制系统的架构。
　　论文通过对机器人在管道的约束分析、临界颠覆状态建模分析以及针对机器人在管道到内部行走、越障等模型进行受力分析，为机器人硬件设计中器件参数选定提供依据。同时，论文对机器人运动姿态进行建模分析，为设计机器人的自动行驶功能算法作基础。
　　一套完整、可靠的软硬件平台是机器人能在复杂管道环境中运行正常的关键，论文根据管道检测机器人的功能要求，设计出一套管道检测机器人的硬件、软件系统。硬件包括控制系统、机械本体系统、PC机终端系统。软件包括上、下位机软件以及基于PC机开发的管道检测系统和三维重建系统。
　　论文提出了一种利用激光扫描仪采集的点云数据对管道进行快速三维重建的方案。对于待扫描的管道，获取从不同角度扫描的激光点云，通过一定的算法处理后将能够建立管道3D模型，能够对管道进行由于视频录像的细节检测。
　　最后论文完成了整个管道机器人系统平台的搭建，并对机器人行走、爬坡、转弯、数据采集、云台摄像头控制等进行测试，各个功能性能良好。并对主要工作和研究内容进行了总结，对今后的研究方向做出了展望。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2 管道机器人国内外现状和发展趋势

1.3 论文研究的主要内容

第2章 管道机器人系统概述

2.1 管道机器人的整体介绍

2.2 管道机器人的机械结构

2.2.1 机器人本体

2.2.2 机器人云台升降结构

2.2.3 机器人行走结构

2.3 管道机器人控制部分

2.4 本章小结

第3章 管道机器人的约束性分析及姿态分析

3.1 机器人在管道内的爬坡受力分析

3.2 机器人在管道内的结构约束分析

3.3 机器人的防侧翻分析

3.4 机器人的转弯分析

3.5 机器人的运动位姿分析

3.6 本章小结

第4章 管道机器人的控制系统硬件设计

4.1 上位机系统硬件设计

4.1.1 上位机控制板的设计

4.1.2 电源模块设计

4.1.3 RS-485通信电路设计

4.1.4 通信状态显示模块设计

4.2 PC终端设计

4.3 下位机系统硬件设计

4.3.1 下位机控制板的设计

4.3.2 电机的选型分析

4.3.3 电机驱动模块的设计

4.3.4 电机编码器的选型

4.3.5 电流检测模块的设计

4.3.6 倾角传感器模块

4.3.7 LED亮度调节电路设计

4.3.7 电缆选择及卷线盘的设计

4.4 本章小结

第5章 管道机器人的软件系统设计

5.1 上位机控制系统软件设计

5.2 基于PC终端的管道检测记录系统软件设计

5.3 下位机控制系统软件设计

5.3.1 下位机软件系统介绍

5.3.1 电机控制策略

5.4 本章小结

第6章 管道机器人应用

6.1 管道三维重建综述

6.2 数据的采集

6.3 三维重建算法研究

6.4 管道的三维重建图形

6.5 本章小结

第7章 实验与总结

7.1 机器人平面上行走实验

7.2 机器人在管道内部的行走实验

7.3 机器人摄像头控制

7.4 大灯亮度控制实验

7.5 机器人转弯实验

7.6 视频采集实验

7.7 带激光测距仪实验

7.8 机器人在复杂管道内行走实验

7.9 本章小结

结论及展望

参考文献

致 谢

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