一种供水管道检漏机器人头部控制器与控制方法技术

本发明专利技术公开了一种供水管道检漏机器人头部控制器与控制方法，控制器包括CPU中央处理器、电机驱动电路、视频处理电路、信号转换电路、通信电路、LED控制电路、电源电路和姿态解算模块。该控制器体积较小，且使用信号转换模块，将所有信号合并成光信号通过细而轻的光纤传输；控制器加入了姿态解算模块，实时计算出机器人的位姿变换，使上位机在视频显示时进行方向修正，让显示的视频一直都是标定的正方向；本发明专利技术提出了一种基于图像的控制方法，操作人员只需对上位机软件中实时显示的管道内部图像进行点击，选择有疑似漏点的区域或者感兴趣的区域，就能改变供水管网检漏机器人头部的位姿，将摄像头对准目标区域，简便快捷。

【技术实现步骤摘要】
一种供水管道检漏机器人头部控制器与控制方法
本专利技术涉及控制
，尤其涉及一种供水管道检漏机器人头部控制器与控制方法。
技术介绍
管道运输是自来水、天然气等最基本的运输方式，每个城市的地下都布满四通八达的管道。但是随着使用时长的增加，管道会出现腐蚀破损的情况，会造成资源浪费。因此需要及时对管道进行检测和维修。管道机器人的出现使得管道检测变得更加便捷且准确。管道机器人往往为刚性结构，体型巨大和与环境接触剧烈。蛇形管道机器人的出现解决了管道机器人很难在狭窄细小的管道中工作的难题，它结构十分紧密，自由度也高，运行时重心始终保持在最低的位置，不用担心倾覆的问题，但是使用蛇形机器人获取管道内部视频图像时，时常因为蛇形机器人在管道内部自身的翻转而混淆视频图像的实际方向，这样会对检漏定位造成影响。通常管道机器人位姿的控制器安装在机器人的头部，操作者远程使用上位机通过串口信号给控制器发送指令来控制机器人的姿态。往往机器人的线缆比较重，机器人的动力只能拉动一定长度的线缆，这样限制了机器人巡检的距离。
技术实现思路
本专利技术提出了一种供水管道检漏机器人头部控制器与控制方法，该控制器体积较小，可安装于小型管道机器人内部，该控制器将网络信号和串口信号合并成光信号通过1根细而轻的光纤传输信号；控制器加入了姿态解算模块，实时算出机器人的位姿变换，实时传递到上位机在视频显示时进行方向修正，使得显示的视频图像一直都是标定的正方向；且提出了一种基于该控制器的控制方法，操作人员只需对管道综合检测系统软件上实时显示的管道内部图像进行点击，选择有疑似漏点的区域或者感兴趣的区域，就能改变供水管道检漏机器人头部的位姿，将摄像头对准目标区域，简便快捷。本专利技术采用了如下技术方案：设计一种供水管道检漏机器人头部控制器与控制方法，本专利技术所述的控制器，其特征在于包括CPU中央处理器、电机驱动电路、视频处理电路、信号转换电路、通信电路、LED控制电路、电源电路和姿态解算模块，其中CPU用于接收其他各电路送出的信号，并产生控制信号控制其它各电路；电源电路是将线缆送来的24V电源转换成适合于CPU的电源电压；CPU与电机驱动电路相连，用于直接控制电机；视频处理电路主要与头部的摄像头相连，用于对摄像头图像进行编码工作；通讯电路连接CPU和信号转换电路，用于CPU的数据收发；信号转换电路与CPU和视频处理模块相连，用于将串口信号和网络信号都转换成光信号；LED控制电路与CPU相连，CPU收到指令后直接控制LED的开关和亮度。所述的CPU中央处理器为意法半导体公司的STM32F103系列单片机，通过其各端口的输入输出信号控制其它各电路工作。所述电机驱动电路由四个驱动芯片组成，分别控制四个减速步进电机，四块电机驱动芯片的IN11、IN12、IN21、IN22与CPU的连接分别为PA口的PA4～PA7，PA8～PA11和PB口的PB4～PB7和PB12～PB15；芯片的OUT11、OUT12、OUT21、OUT22引脚与减速步进电机的四相相接，CPU按照指定的相序输出给电机驱动芯片来控制电机。所述通信电路包含有一片半双工收发芯片SP3485，芯片的RO、DI引脚分别和CPU的PA2、PA3相接，芯片的收发使能引脚和CPU的PA1相接。当PA1输出高电平时读有效，低电平则写有效。芯片的A、B引脚和信号转换电路相接。所述LED控制电路包含有可驱动高功率LED的降压控制器LM3409，它的EN引脚与CPU的PB3相连，用于控制灯光的开关，IADJ引脚与CPU的PA15相连，CPU在PA15上输出PWM波来控制灯光的亮度。所述视频处理电路直接与摄像头和信号转换电路相接，用于接收摄像头的图像进行编码通过网络信号进行传输，最后输出到信号转换电路进行信号转换。所述姿态解算模块包含有六轴陀螺仪MPU6050，陀螺仪的SDA引脚连接到CPU的PB11引脚，SCL连接到CPU的PB10；陀螺仪的作用是计算机器人的偏转角，将偏转角的值通过IIC通信，将数据传入到CPU中转换成字符串数据，然后再传输到上位机上，调整显示画面，使得实时显示画面的方位与管道内实际方位相同，这样就更便于对机器人的控制。所述信号转换电路相当于数据中转站，将通信电路的RS485串口信号和视频处理电路的视频网络信号统一转换成光信号，便于信号的传输和减少线缆的重量。本专利技术使用线缆供电，经过电源电路降压和稳压后，给系统供电，操作者使用上位机发送指令，指令在上位机部分已被转换成光信号，光信号传输到控制器的信号转换模块，转换成串口信号进而与CPU进行通讯；CPU得到数据后对一帧数据进行拆包分析出其中的指令，然后进行相应的操作，通过LED控制电路控制LED灯或是通过电机驱动模块操作电机改变机器人头部姿态。本专利技术所述的控制方法，包括常规操作和简便操作方法。所述常规操作方法是指通过上位机上的方向键控制接口对机器人的头部姿态进行控制，方向键控制接口包含上、下、左、右、右上、右下、左上、左下八个按键。所诉简便操作方法是通过点击上位机软件实时显示的图像对供水管道检漏机器人头部位姿进行控制。本专利技术提出的一种供水管道检漏机器人头部控制器与控制方法，有益效果在于：本专利技术的控制器进行了集成设计，体积较小；加入了姿态解算模块，解决了机器人在运行中偏转而造成在上位机中控制不便的问题；且在上位机控制中提出了一种基于图像的控制方法，操作人员只需对管道综合检测系统软件上实时显示的管道内部图像进行点击，选择有疑似漏点的区域或者感兴趣的区域，就能改变供水管道检漏机器人头部的位姿，将摄像头对准目标区域。目前市场上很少有一款体积小且专用于水下高压环境可自主控制且实时回传视频的管道检测设备，也少有这类设备的控制器和控制方法，本专利可填补这一空白。附图说明图1为一种供水管道检漏机器人头部姿态控制结构示意图；图2为本专利技术提出的一种管道机器人控制系统的系统框图。图3为相机模型坐标图。图4为图像坐标系到相机坐标系的映射图。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术作详细的说明。为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。参照图1，供水管道检漏机器人头部控制结构，包括视觉舱和控制舱，所述视觉舱内分别安装有摄像头和LED灯；所述控制舱与视觉舱通过弹簧相连，弹簧中间穿有线缆，弹簧周围均匀布有四根拉绳和其保护软管；所述控制舱分别设有控制器和电机，控制器驱动四个电机，拉绳的一端连接电机，另一端连接视觉舱，通过电机拉绳长度的不同来控制视觉舱的姿态位置；所述控制器包括CPU中央处理器、电机驱动电路、视频处理电路、信号转换电路、通信电路、LED控制电路、电源电路和姿态解算模块。参照图2，控制器的电源由外部24V的电缆供电，通过电源电路的稳压后提供电源；上位机包含有姿态控制接口和LED灯的控制接口，操作者通过上位本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种供水管道检漏机器人头部控制器，其特征在于：所述的控制器，包括CPU中央处理器、电机驱动电路、视频处理电路、信号转换电路、通信电路、LED控制电路和电源电路；还包括姿态解算模块，其中CPU中央处理器用于接收其他各电路送出的信号，并产生控制信号控制其它各电路；电源电路是将线缆送来的24V电源转换成适合于CPU中央处理器的电源电压；CPU中央处理器与电机驱动电路相连，用于直接控制电机；视频处理电路主要与头部的摄像头相连，用于对摄像头图像进行编码工作；通讯电路连接CPU中央处理器和信号转换电路，用于CPU中央处理器的数据收发；信号转换电路与CPU中央处理器和视频处理模块相连，用于将串口信号和网络信号都转换成光信号；LED控制电路与CPU中央处理器相连，CPU中央处理器收到指令后直接控制LED控制电路的开关和亮度；通信电路包含有一片半双工收发芯片SP3485，芯片的RO、DI引脚分别和CPU的PA2、PA3相接，芯片的收发使能引脚和CPU的PA1相接；姿态解算模块包含有六轴陀螺仪MPU6050，陀螺仪的SDA引脚连接到CPU的PB11引脚，SCL连接到CPU的PB10。/n

【技术特征摘要】
1.一种供水管道检漏机器人头部控制器，其特征在于：所述的控制器，包括CPU中央处理器、电机驱动电路、视频处理电路、信号转换电路、通信电路、LED控制电路和电源电路；还包括姿态解算模块，其中CPU中央处理器用于接收其他各电路送出的信号，并产生控制信号控制其它各电路；电源电路是将线缆送来的24V电源转换成适合于CPU中央处理器的电源电压；CPU中央处理器与电机驱动电路相连，用于直接控制电机；视频处理电路主要与头部的摄像头相连，用于对摄像头图像进行编码工作；通讯电路连接CPU中央处理器和信号转换电路，用于CPU中央处理器的数据收发；信号转换电路与CPU中央处理器和视频处理模块相连，用于将串口信号和网络信号都转换成光信号；LED控制电路与CPU中央处理器相连，CPU中央处理器收到指令后直接控制LED控制电路的开关和亮度；通信电路包含有一片半双工收发芯片SP3485，芯片的RO、DI引脚分别和CPU的PA2、PA3相接，芯片的收发使能引脚和CPU的PA1相接；姿态解算模块包含有六轴陀螺仪MPU6050，陀螺仪的SDA引脚连接到CPU的PB11引脚，SCL连接到CPU的PB10。


2.根据权利要求1所述的一种供水管道检漏机器人头部控制器，其特征在于：CPU中央处理器为STM32F103系列单片机，通过其各端口的输入输出信号控制其它各电路工作。


3.根据权利要求2所述的一种供水管道检漏机器人头部控制器与控制方法，其特征在于：电机驱动电路由四个驱动芯片组成，分别控制四个减速步进电机，四块电机驱动芯片的IN11、IN12、IN21、IN22与CPU的连接分别为PA口的PA4～PA7，PA8～PA11和PB口的PB4～PB7和PB12～PB15；芯片的OU...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈双叶，胡海，管巫浩，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11