一种管道切割机器人的控制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种管道切割机器人的控制系统及方法，该方案通过人机接口层输入控制参数，人机接口层执行对下位机层以及应用层的控制，人机接口层通过通讯层和下位机层相连，下位机层仅执行对管道切割机器人的运动控制，本发明专利技术优点在于本控制系统可以使管道切割机器人自动在管道内检测待切割位置，调整切割刀具对内衬软管切割，不需要人为操作，有效的解决了管道切割机器人在管道修复过程中的控制问题，保证了管道切割机器人的高效实用性。

Control system and method for pipe cutting robot

The invention discloses a control system and method for a pipeline cutting robot, in which the control parameters are input through a man-machine interface layer, the man-machine interface layer controls the lower computer layer and the application layer, the man-machine interface layer is connected with the lower computer layer through a communication layer, and the lower computer layer only executes the motion control for the pipeline cutting robot. The invention has the advantages that the control system can make the pipeline cutting robot automatically detect the position to be cut in the pipeline, adjust the cutting tool to cut the lining hose without manual operation, effectively solve the control problem of the pipeline cutting robot in the pipeline repair process, and ensure the height of the pipeline cutting robot. Effective and practical.

【技术实现步骤摘要】
一种管道切割机器人的控制系统及方法
本专利技术涉及机器控制
，尤其涉及一种管道切割机器人的控制系统及方法。
技术介绍
燃气管道1到3年必须要检修一次，老化的燃气管道安全存在巨大的隐患，安全事故频发，所以对燃气管道修复技术进行研究，是具有非常重要的意义。燃气管道非开挖翻转内衬修复技术通过气压将软管翻转进入埋地管道内，从而修复原管道。国内的燃气管道非开挖翻转内衬修复技术目前还未有成功应用于燃气管道修复工程的自主研发产品，其中主要以管道切割机器人的控制系统为重点，针对上述问题，目前尚未提出有效的解决方案。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种管道切割机器人的控制系统及方法，可以有效保证了管道切割机器人在修复管道过程中的简单准确地运动控制效果，提高了管道切割机器人的定位精度和定位效率。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种管道切割机器人的控制系统，包括：人机接口层、通讯层、下位机层以及应用层；所述人机接口层通过通讯层与下位机层及应用层连接，下位机层与应用层连接；其中：所述人机接口层，用于搭建用户与工控机之间的连接，并为整个系统做规划控制；所述通讯层，用于实现人机接口层与下位机层以及应用层的通讯；所述下位机层，用于接收人机接口层下发的指令，通过一系列下位机、伺服驱动器及单片机对应用层进行控制，以及获取应用层中的状态信息并反馈给人机接口层；所述应用层，包含一系列被控元件，在下位机的控制下完成管道切割机器人的控制，并且将相关被控元件采集的状态信息发送给下位机层，还将采集到视频信息直接发送给人机接口层。一种管道切割机器人的控制方法，该方法基于前述的系统实现，控制过程如下：通过人机接口层中的外接输入设备控制人机接口层中工控机内的开关控制模块启动，从而启动管道切割机器人的控制系统，初始化的控制系统进行自检；工控机产生对管道切割机器人的控制参数，下位机层接受所述控制参数，使管道切割机器人驶入管道，同时，应用层中的摄像机开启，把视频信号通过通讯层中的视频传输模块反馈给工控机，工控机内部的对中模块、定位模块以及姿态模块启动；对中模块通过视频获取误差并进行校正：对中模块根据摄像头采集到的视频信息，向下位机层中的第一下位机发送控制指令与相关控制参数，从而控制应用层中的舵机转动，使管径的圆心与摄像头中心水平方向重合；同时，向下位机层中的第二伺服驱动器发送控制指令与相关控制参数，从而控制应用层中的旋转电机转动，使管径的圆心与摄像头中心垂直方向重合，获取误差并进行校正；判断误差是否满足规定的误差要求，如果不满足则再次进行误差校正直至满足规定的误差要求；在满足规定的误差要求后，通过工控机内的定位模块和姿态模块获取并记录当前管道切割机器人的位置信息和姿态信息，待管道修复技术覆盖管口后，重新驶入管道切割机器人到定位位置；开启工控机内的切割模块，并通过工控机内的电机控制模块将控制参数传输给下位机层，由下位机层中的第一下位机控制应用层中的滑台电机带动滑台上下移动，并控制应用层中的切割电机带动切割道具旋转，从完成指定切割任务。由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，本专利技术优点在于本控制系统可以使管道切割机器人自动在管道内检测待切割位置，调整切割刀具对内衬软管切割，不需要人为操作，有效的解决了管道切割机器人在管道修复过程中的控制问题，保证了管道切割机器人的高效实用性。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。图1为本专利技术实施例提供的一种管道切割机器人的控制系统的示意图；图2为本专利技术实施例提供的一种管道切割机器人的控制系统的框图；图3为本专利技术实施例提供的管道切割机器人的机械结构模型图；图4为本专利技术实施例提供的一种管道切割机器人的控制方法的流程图。具体实施方式下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。图1为本专利技术实施例提供的一种管道切割机器人的控制系统的示意图，如图1所示，其主要包括：人机接口层、通讯层、下位机层以及应用层；所述人机接口层通过通讯层与下位机层及应用层连接，下位机层与应用层连接；其中：所述人机接口层，用于搭建用户与工控机之间的连接，并为整个系统做规划控制；所述通讯层，用于实现人机接口层与下位机层以及应用层的通讯；所述下位机层，用于接收人机接口层下发的指令，通过一系列下位机、伺服驱动器及单片机对应用层进行控制，以及获取应用层中的状态信息并反馈给人机接口层；所述应用层，包含一系列被控元件，在下位机的控制下完成管道切割机器人的控制，并且将相关被控元件采集的状态信息发送给下位机层，还将采集到视频信息直接发送给人机接口层。为了便于理解，下面结合附图对系统各层做详细的介绍。图2为系统框图，图3为管道切割机器人的机械结构模型图，再介绍系统内部模块时会涉及管道切割机器人的机械结构，故在此一并介绍。图2～图3中，1-人机接口层，2-通讯层，3-下位机层，4-应用层，5-工控机，6-显示器，7-键盘，8-硬盘，9-视频传输模块，10-通讯模块，11-第一下位机(Arm7a)，12-第二下位机(Arm7b)，13-串口继电器，14-第一伺服驱动器(伺服驱动器a)，15-第二伺服驱动器(伺服驱动器b)，16-第一继电器(继电器a)，17-第二继电器(继电器b)，18-单片机，19-摄像头，20-舵机，21-滑台电机，22-切割电机，23-LED，24-磁接近开关传感器，25-陀螺仪，26-电源开关，27-驱动电机，28-旋转电机，30-电机控制模块，31-开关控制模块，32-仪表图表模块，33-切割模块，34-对中模块，35-定位模块，36-姿态模块，37-切割刀具，38-滑台，39-滑台底座，40-后轮，41-磁钢，42-齿轮。1、人机接口层。本专利技术实施例中，人机接口层包括：工控机、以及与工控机连接的显示器及外接输入设备。1)显示器，用于实时显示系统工作时各项状态信息以及应用层反馈的视频信息。2)外接输入设备，用于接收用户输入的控制参数并传输给工控机。本专利技术实施例中，所述外接输入设备可以包括键盘7等输入设备。3)工控机，用于向下位机层传输用于控制应用层中各被控元件使得管道切割机器人完成指定切割任务的控制命令及相关的控制参数。工控机内包含一些存储设备，例如硬盘8等。所述工控机包括：开关控制模块、电机控制模块、切割模块、仪表图表模块、对中模块、定位模块和姿态模块；其中，仪表图表模块与对中模块、定位模块和姿态模块相连；其中：所述开关控制模块，用于整个控制系统的所有开关量进行控制。所述电机控制模块，用于对整个控制系统的所有电机进行控制。所述切割模块，用于在电机控制模块的控制下，控制下位机层中的第一下位机，进而控制应用层中的滑台电机与切割电机使得管道切割机器人完成指定切割任务。所述对中模块，用于根据应用层中摄像头采集到的视频信息，向下位机层中的第一下位机本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种管道切割机器人的控制系统，其特征在于，包括：人机接口层、通讯层、下位机层以及应用层；所述人机接口层通过通讯层与下位机层及应用层连接，下位机层与应用层连接；其中：所述人机接口层，用于搭建用户与工控机之间的连接，并为整个系统做规划控制；所述通讯层，用于实现人机接口层与下位机层以及应用层的通讯；所述下位机层，用于接收人机接口层下发的指令，通过一系列下位机、伺服驱动器及单片机对应用层进行控制，以及获取应用层中的状态信息并反馈给人机接口层；所述应用层，包含一系列被控元件，在下位机的控制下完成管道切割机器人的控制，并且将相关被控元件采集的状态信息发送给下位机层，还将采集到视频信息直接发送给人机接口层。

【技术特征摘要】
1.一种管道切割机器人的控制系统，其特征在于，包括：人机接口层、通讯层、下位机层以及应用层；所述人机接口层通过通讯层与下位机层及应用层连接，下位机层与应用层连接；其中：所述人机接口层，用于搭建用户与工控机之间的连接，并为整个系统做规划控制；所述通讯层，用于实现人机接口层与下位机层以及应用层的通讯；所述下位机层，用于接收人机接口层下发的指令，通过一系列下位机、伺服驱动器及单片机对应用层进行控制，以及获取应用层中的状态信息并反馈给人机接口层；所述应用层，包含一系列被控元件，在下位机的控制下完成管道切割机器人的控制，并且将相关被控元件采集的状态信息发送给下位机层，还将采集到视频信息直接发送给人机接口层。2.根据权利要求1所述的一种管道切割机器人的控制系统，其特征在于，所述人机接口层包括：工控机、以及与工控机连接的显示器及外接输入设备；显示器，用于实时显示系统工作时各项状态信息以及应用层反馈的视频信息；所述外接输入设备，用于接收用户输入的控制参数并传输给工控机；工控机，用于向下位机层传输用于控制应用层中各被控元件使得管道切割机器人完成指定切割任务的控制命令及相关的控制参数。3.根据权利要求2所述的一种管道切割机器人的控制系统，其特征在于，所述工控机包括：开关控制模块、电机控制模块、切割模块、仪表图表模块、对中模块、定位模块和姿态模块；其中，仪表图表模块与对中模块、定位模块和姿态模块相连；其中：所述开关控制模块，用于整个控制系统的所有开关量进行控制；所述电机控制模块，用于对整个控制系统的所有电机进行控制；所述切割模块，用于在电机控制模块的控制下，控制下位机层中的第一下位机，进而控制应用层中的滑台电机与切割电机使得管道切割机器人完成指定切割任务；所述对中模块，用于根据应用层中摄像头采集到的视频信息，向下位机层中的第一下位机与第二伺服驱动器发送控制指令与相关的控制参数，从而调整应用层中旋转电机以及舵机，使摄像头的中心正对待切割管道的管径圆心；所述定位模块，通过下位机层中的第一伺服驱动器连接应用层中的驱动电机，根据所述驱动电机的转动圈数，计算管道切割机器人的第一行进距离；还通过下位机层中的第二下位机接收应用层中磁接近开关传感器反馈的，由管道切割机器人后轮转动所触发的次数值，并以此计算管道切割机器人的第二行进距离；计算第一行进距离与第二行进距离的加权平均数，从而确定管道切割机器人的位置；所述姿态模块，用于根据下位机层中的第二下位机反馈的，由应用层中陀螺仪采集到的姿态信息，来确定管道切割机器人的姿态信息；所述仪表图表模块，用于实时接收对中模块、定位模块及姿态模块所反馈的各项信息并通过显示器显示。4.根据权利要求1所述的一种管道切割机器人的控制系统，其特征在于，所述通讯层包括通讯模块与视频传输模块；所述视频传输模块，用于将应用层中摄像头采集到的视频信息传输给人机接口层中的工控机；所述通讯模块，实现人机接口层与下位机层之间的控制指令、相关的指控参数以及各项状态信息的交互；通讯模块采用星型连线拓扑结构，此结构每个RS485信号分离，通过集线器统一处理，集线器具有抗干扰能力，主从之间通过光耦隔开。5.根据权利要求1所述的一种管道切割机器人的控制系统，其特征在于，所述下位机层包括：第一与第二下位机、串口继电器、第一与第二伺服驱动器...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹建树，钟君，张海超，王庆，李家政，王鹏智，吴浩玚，
申请(专利权)人：北京石油化工学院，
类型：发明
国别省市：北京,11