水库涵管检测机器人的设计与试验

发布时间：2017-03-20 02:08

  本文关键词：水库涵管检测机器人的设计与试验，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：水库放水涵管作为下游灌溉、供水的输送通道,是重要的水工建筑物之一。定期巡检放水涵管是保障水库安全运行的必备工作。目前主要依靠人工外部视察以及延长杆加装摄像头查看涵管是否破损、断裂、风化等,缺点是探测距离短,检测效果差、效率低,因此采用管道机器人替代人工检测具有重要意义。当前的管道机器人分为有动力和无动力系统,包括车轮式、履带式、支撑轮式、蠕动式、螺旋轮式等机械结构形式,它们研究的重点都集中在直管爬行、过弯和过分支管道能力,一旦进入类似水库涵管等内部有风化凹坑和固体障碍物的管道,则无法实现避障前行,这限制了当前已有的管道机器人在水库涵管内的应用。针对这一问题,本论文研制了一种伸缩式六支撑轮管道检测机器人,主要研究内容包括机械本体、视觉检测导航和控制系统的研究和设计。主要内容如下:1)根据水库涵管的内部环境,采用伸缩式六支撑轮机械本体和驱动轮可转向的行走方式,通过调整机器人在管内姿态角实现避障。对管内拖动力、转向阻力进行计算,完成结构设计。2)采用摄像头观测管内的缺陷,同时通过机器视觉分析实现管内导航。利用Matlab图像工具箱编程,经过图像灰度变换、去噪、二值化处理,再由膨胀和腐蚀运算分离管内障碍物信息,最终填补图像空洞,分析每个连通域特征以获取管道中心和障碍物中心,由算法计算出障碍角用以调整管道机器人姿态进行避障。3)完成下位机控制器设计,通过RS232串口与上位机通讯,接收上位机指令解析后控制电机的运行,实现管道机器人的管内自主导航。同时,预留有下位机人工控制模式,必要时刻由按钮控制管道机器人排险脱困。4)完成管道机器人的样机研制,并搭建试验管道,进行管内爬行和视觉自动导航试验研究。管道机器人的尺寸变化范围为φ500mm±10mm,由试验结果得出,机器人拖动力达到149N,并验证了伸缩式六支撑轮管道机器人可实现管内调姿态避障前行,满足水库涵管检测需要。
【关键词】：管道机器人 伸缩式支撑轮 机器视觉 自主导航 避障
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TV698.1;TP242
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-19
• 1.1 水库涵管检测机器人研究的目的和意义10
• 1.2 国内外管道机器人研究概况10-17
• 1.2.1 国外管道机器人的发展状况11-15
• 1.2.2 国内管道机器人的发展状况15-17
• 1.3 管道机器人的关键技术17-18
• 1.4 本文的主要工作及内容安排18
• 1.5 本章小结18-19
• 第二章 水库涵管检测机器人方案设计19-26
• 2.1 水库涵管检测机器人的总体设计要求19-21
• 2.2 水库涵管检测机器人的变径方案21-22
• 2.3 水库涵管检测机器人的转向方案选择22-25
• 2.3.1 拉索驱动转向结构22-24
• 2.3.2 锥齿轮同步转向机构24-25
• 2.4 视觉与电气控制方案25
• 2.5 本章小结25-26
• 第三章 水库涵管检测机器人的机械结构设计26-39
• 3.1 整机机构组件划分26
• 3.2 驱动轮组设计26-33
• 3.2.1 拖动力的分析计算和驱动电机的选型26-29
• 3.2.2 伸缩弹簧的设计29-30
• 3.2.3 分动机构的计算与设计30-32
• 3.2.4 驱动轮组的设计结果32-33
• 3.3 转向机构的设计33-35
• 3.3.1 转向阻力计算与转向电机选型33-34
• 3.3.2 转向机构的结构设计34-35
• 3.4 辅助结构的设计35-37
• 3.4.1 传动箱防水密封装置35-36
• 3.4.2 整机的连接杆36
• 3.4.3 摄像头安装架36-37
• 3.5 管道机器人的结构设计结果37
• 3.6 本章小结37-39
• 第四章 管道机器人控制方案的设计39-53
• 4.1 机器视觉图像处理基础39-42
• 4.2 管道内机器视觉的标定42-45
• 4.3 管壁检测与避障方案45-50
• 4.3.1 机器人在管内运行学模型建立45
• 4.3.2 管道内缺陷及障碍识别45-48
• 4.3.3 避障的策略分析与避障方法48-50
• 4.4 控制系统的硬件选择50-51
• 4.5 下位机控制系统的电路设计51-52
• 4.6 本章小结52-53
• 第五章 管道机器人控制系统的软件设计53-65
• 5.1 控制程序总体框架设计和串口通讯协议的制定53-54
• 5.1.1 控制程序总体框架设计53
• 5.1.2 串口通讯协议的制定53-54
• 5.2 视频数据传输方式的确定54-55
• 5.3 下位机系统监控程序设计55-59
• 5.4 上位机GUI界面软件设计59-63
• 5.5 本章小结63-65
• 第六章 管道机器人的样机研制与试验65-71
• 6.1 管道机器人的样机研制65-66
• 6.2 试验环境设计与搭建66-67
• 6.3 管道机器人的行动能力试验67
• 6.4 基于圆形图视觉标定67-68
• 6.5 管道机器人的避障试验68-70
• 6.6 管道机器人的拖动力测量70
• 6.7 本章小结70-71
• 第七章 总结与展望71-72
• 7.1 总结71
• 7.2 研究展望71-72
• 参考文献72-75
• 致谢75-76
• 攻读学位期间的研究成果76

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