管道清洁机器人开题报告Word格式.docx
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毕业设计（论文）开题报告
1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写
2000字左右的文献综述：
文献综述
1引言[1]-[3]
管道作为目前应用极为广泛的运输工具，已经在民用建筑、公用建筑和能源的运输等方面广泛运用。
但是随着时间的推移管道会出现一些故障和问题，例如污水管道中淤泥沉积、空调管道内部有害物质的附着、塑料管道的老化、运输油气的管道突然破裂等。
所以管道的清洁，检测与维修显得尤为重要。
但是由于的管道的特殊结构使得人们要想进入到其内部非常困难，管道机器人的产生就成为一种必然。
污水排放对于城市的卫生和现代化是非常关键的一点。
差的下水道不仅影响居民的日常生活，而且还会严重扰乱整个城市在正常的生活节奏。
现在城市下水管道的清洁工作仍然处于一个手工操作的落后状态。
现在的人工清洁不仅仅有工作强度大，效率和环境差的问题，而且下水管道里的气味和脏水很容易对人体造成伤害，甚至会带来爆炸，死亡和其他事故。
每场大雨过后,都会有一些来自地下的污水挤破脆弱而且复杂的管道,蓄积在街道的路面上,严重地影响人们的正常生活和出行。
造成交通动脉受阻和路面坍塌；
更为严重的是排水管道中淤泥。
无机物排放积累多了,腐败后产生有毒气体污染空气,容易导致下井作业的工人死亡,还有更多的有毒气体在地下产生,它们可能造成更大的事故,所以,排水管道的疏通问题已成为政府部门当前的一个棘手问题
在我国,由于城市排水管道大多埋于地下,一旦出现局部损坏、堵塞等故障,通常采用人工作业的方式来排除。
但是排水管道环境恶劣,人工作业劳动强度高,效率低。
因此,研制一种用于城市排水管道疏通、检测、维修的管道机器人十分必要。
由于环境的特殊性,在管道机器人的控制方面,控制器所处理对象的质量、摩擦力等参数变动大,重复性小,无法准确掌握精确的参数。
近些年管道机器人控制系统研究主要是简单的手动、自动控制模式转换,控制算法多采用普通PID算法,对系统结构参数变化适应性差,影响系统的鲁棒性,实际应用中有明显的局限性
因此，下水管道清淤机器人的研究和发展对于构建文明城市，加强环境保护的一个紧迫的要求。
2国内外下水管道的清淤现状[4]-[5]
根据目前的排水管道清淤的现状,常用的清淤方法有绞车清淤法（亦称机械清淤法）、高压水射流清淤法和水冲清淤法（亦称水力清淤法）等
2.1 绞车清淤法
绞车清淤法是我国各地普遍采用的一种方法。
该方法采用竹片穿过需要清通的管道段,竹片一端系上钢丝绳,绳上系住清通工具的一端。
在清通管段的两端检查井上各设一台绞车,当竹片穿过清通段后,将钢丝绳系在一台绞车上,清淤工具的另一端通过钢丝绳系在另一台绞车上,然后再利用绞车来回往复拉动钢丝绳,带动清通工具将淤泥刮至下游检查井内,从而使管道得到清通。
这种清淤方法可适应各种直径的下水管道,它比较适合管道淤积严重,淤泥粘结密实的情况,主要缺点是从一个井口向另一个井口穿竹片需人工下井完成,井下非常恶劣的工作环境给工人带来极大不便,危害工人的健康,甚至会危害工人的生命。
因此,只要穿钢缆的问题能解决,这种方法还是比较有效的。
2.2 高压水射流清淤法
高压水射流清淤法是用一台高压喷射车,装备有大型水罐、机动卷管器、高压水泵、射水喷头等。
操作时由车上引擎驱动高压泵,将水加压后送入射水喷头。
高压水射流的清淤原理如图2所示,射水喷头向后喷射产生的反作用力,使射水喷头和胶管一起向反方向前进,同时清洗管道壁。
当喷头达到下游的检查
井时,机动绞车将软管卷回,此时射水喷头继续喷射水流,将管道内残留的沉积物冲到检查井中,然后由吸泥车将其吸走。
这种方法适用于各种直径的下水管道,但由于需用干净水,所以成本较高。
为降低成本,现在的清淤车在多备有污水净化装置,以利用下水道中的污水。
这种清淤方法设备昂贵,清淤作业成本高,不太适合我国的国情。
2.3水冲刷清淤法
水冲刷清淤法就是制作一种能挡水的清淤装置,由检查井放入管道内。
利用该装置把管道中的污水阻挡在其上游。
当水位达到一定高度后便放水,使上游水形成水流来清除管道内的沉积物。
一旦足够多的沉积物被冲走,这个装置就向下游移动一段距离。
采用这种方法要求管道本身必须有一定流量,淤泥不宜过多（20%左右）,且上游的水不能从其它支路流走,同时保证不使上游水回流进入附近建筑物,它的缺点是可能造成上游管道产生新的淤积。
由于检查井尺寸的限制,整个装置的部件必须在下水管道内装配,这种方法需要在管道内进行大量的工作。
由于下水管道中的污水通常能析出硫化氢等有毒气体或爆炸性气体,因此养护人员下井检查时要采取相应的安全措施。
2.4其它清淤法
通沟机清淤是国外的从20世纪70年代发展起来的一种清方法,现在已有系列的产品。
通沟机（国外亦称之为pig）清淤是用某种同管道之间为刚性密封的清泥器在空气或液体压力作用下作为一个喷射体穿过管道,同时清除了管道异物,这种方法要求管壁规则光滑,污物不能太多。
Sielwolf系统是德国开发的一种清除大直径下水管道中的坚硬沉积物的大型清淤装置,其循环系统使用从下水道吸出的污水经高压喷嘴冲开沉积物。
这种清淤方法的设备价格昂贵
3现阶段国内外主要机械臂定位方法
3.1常规位置速度双闭环PID控制
直流伺服系统采用速度与位置双闭环，速度环用来抑制系统的干扰，减小直流电机的惯性，削弱速度环内的参数变化及非线性的影响，起到改善系统特性和线性度的作用，位置环选用窄带宽以保证精度，提高系统的跟随性能[6]。
该系统的结构框图如下：
3.2生成曲线分段控制法[7]
根据最优控制思想，如果系统按最大加速度启动，最大速度运动，最大减速度制动，就可以最短时间无超调地达到协调点。
根据偏差的大小决定具体模式运行。
曲线分段控制，实际上就是预先规定好电机速度运行模式，从而很好的实现电机圈数控制与电机精确定位。
常见运行模式分段控制过程图如下：
3.3现代自适应控制[8]
传统的PID控制器对于参数不变的情况能够比较好的控制电机的位置，当参数变化时，例如外界负载，干扰引入等变化后，传统的PID控制方法就很难满足要求了。
而且一般情况下，系统参数和工作环境都是未知的，固定参数的PID控制不能保证精准的定位电机位置。
现代自适应控制是一种自适应学习的控制方法，自适应PID学习控制器包含一组PID学习规则。
该方法设计到系统的辨识，其实本质上是根据电机当前的条件，来进行方程的迭代运算，最终方程收敛于一个值，该值其实就是PID的三个参数，从而PID参数是跟随外界条件来进行自适应调整的，框图说明如下:
该方法耗时间，因为需要迭代的过程，并且外界参数一旦变化，还需要重新迭代，又要对系统重新辨识，当然这样准确度就比较高了。
3.4智能控制[9]-[10]
智能控制包括神经网络，模糊控制，遗传算法等。
这类智能控制算法在电机的位置控制中都有应用。
智能控制主要是针对控制对象及其环境，目标，任务的不确定性和复杂性而提出的。
本质上来讲，这些智能控制是模仿人的思维来进行系统的控制的，可以说已经脱离了传统PID的范畴，已经不是PID三个参数调节来控制系统了，模糊控制根据误差的大小来根据模糊规则来决定具体的输出。
神经网络最普遍的训练方法就是BP算法。
通过训练神经网络来逼近包含在非线性系统输入输出模式对中的映射关系。
在实际运行中，采用离线建立，在线调整的输入输出采样值来预先建立系统的神经网络模型，即确定神经网络的权值，将离线建立好的系统神经网络模型投入系统实际运行，并在运行中不断调整权值，修正模型。
当然还有智能控制与PID进行结合的方法，实际上是根据模糊控制来智能选择PID的三个参数，提高传统PID控制的智能性。
２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：
需要解决的问题：
●机械臂设计
●电路板器件选型，电路原理设计与PCB制作
●电机速度与钻头精确定位算法实现，程序编写
●上位机与下位机的通讯
1系统整体设计
本课题将设计一个管道清淤机器人的原理样机，来实现管道清淤功能，该系统包含机器人行走机构，清淤机构，视频监控与图像识别模块。
整个系统的框图如下：
工作流程说明如下：
由上位机通过以太网串口转换模块发送指令到下位机系统，即清淤机器人单片机上，根据上位机发来的信号对行走机构和清淤机构的电机动作，实现相应的操作。
其中摄像头放在小车上，视频模块能够将管道内的情况传输到上位机，通过电脑进行图像处理，然后根据处理的结果将相应的指令发回下位机，实现自动控制[11]-[13]。
因此最终该系统的可以实现机器人的智能控制和人监控手动控制两种方式，达到清淤下水道的目的。
其中机器人清淤和行走机构拟采用下述手段解决。
2硬件系统
2.1清淤机构[14]
由于下水道里面环境非常复杂，并有淤泥堵住管道，所以常规的管道清洁装置毛刷已不能够达到清淤管道的目的，从而采用电机带动钻头，用钻头钻松淤泥，然后再采用水冲洗管道，最终将堵住的管道导通。
该钻头由高速旋转的直流电机带动，并且钻头能够在垂直平面上能够活动，通过两个电机的控制，一个控制钻头水平运动，一个控制钻头垂直控制。
具体的传动机构通过丝杆实现，由电机带动丝杆旋转，从而实现钻头在平面的任意位置的运动，通过PID控制精确达到在多个位置钻松淤泥的目的。
具体的实现过程是先通过Solidworks软件进行机械结构的设计，画出机器臂的三维图，将所有的机械部件进行配合在一起，然后在配合好的三维图的基础上生成和画出二维的CAD图，将所有尺寸和工艺标好，送交工厂加工，最终实现机械安装，清淤功能。
清洁臂控制框图如下：
2.2电路板系统
所以模块使用Protel软件进行绘制原理图，并制作成电路板，来构建这个系统的硬件平台
2.2.1控制核心芯片选择[15]-[16]
该系统具有5个电机，小车行走机构的左右两个电机，控制钻头在平面运动的两个电机，带动钻头高速旋转的直流电机。
那么就需要控制电机的逻辑芯片，该系统采用超低功耗微控制器MSP430系列，该单片机外围资源丰富，适合该系统的开发。
MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）于1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器（MixedSignalProcessor）。
称之为混合信号处理器，主要是由于其针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。
主要特点有：
（1）超低功耗
MSP430系列单片机的电源电压采用1.8~3.6V低电压，RAM数据保持方式下耗电仅0.1μA，活动模式耗电250μA/MIPS（MIPS：
每秒百万条指令数），I/O输入端口的漏电流最大仅50nA。
总体而言，MSP430系列单片机堪称目前世界上功耗最低的单片机，其应用系统可以做到用一枚电池使用10年。
（2）强大的处理能力
MSP430系列单片机是16位单片机，采用了目前流行的、颇受学术界好评的精简指令集（RISC）结构，一个时钟周期可以执行一条指令（传统的MCS51单片机要12个时钟周期才可以执行一条指令），使MSP430在8MHz晶振工作时，指令速度可达8MIPS，而同样8MIPS的指令速度，在运算性能上16位处理器比8位处理器高远不止两倍。
（3）高性能模拟技术及丰富的片上外围模块
MSP430系列单片机结合TI的高性能模拟技术，各成员都集成了较丰富的片内外设，包括以下功能模块的组合：
看门狗（WDT），模拟比较器A，定时器A（Timer_A），定时器B（Timer_B），串口0，1（USART0、1），硬件乘法器，液晶驱动器，10/12/14位ADC，12位DAC，I2C总线，直接数据存取（DMA），端口0（P0），端口1~6（P1~P6），基本定时器（BasicTimer）等。
MSP430系列单片机的丰富片内外设，在目前所有单片机系列产品中是非常突出的，为系统的单片解决方案提供了极大的方便。
（4）系统工作稳定
上电复位后，首先由DCO_CLK启动CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。
然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。
如果晶体振荡器在用做CPU时钟MCLK时发生故障，DCO会自动启动，以保证系统正常工作。
这种结构和运行机制，在目前各系列单片机中是绝无仅有的。
另外，MSP430系列单片机运行环境温度均为-40~+85℃，运行稳定、可靠性高，符合工业级标准，所设计的产品适用于各种民用和工业环境。
（5）方便高效的开发环境
目前MSP430系列有OTP型、FLASH型和ROM型3种类型的器件，国内大量使用的是FLASH型。
这些器件的开发手段不同，对于OTP型和ROM型的器件是使用专用仿真器开发成功之后再烧写或掩膜芯片。
对于FLASH型则有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有JTAG调试接口，还有可电擦写的FLASH存储器，因此采用先通过JTAG接口下载程序到FLASH内，再由JTAG接口控制程序运行、读取片内CPU状态，以及存储器内容等信息供设计者调试，整个开发（编译、调试）都可以在同一个软件集成环境中进行。
这种方式只需要一台PC和一个JTAG调试器，而不需要专用仿真器和编程器。
开发语言有汇编语言和C语言。
MSP430F169是有两个内置16位定时器，一个快速12位A/D转换器，两个通
用串行同步/异步通信接口（USART）和48个I/O引脚构造的微控制器.
MSP430F169中的Time_A和Time_B分配给5个电机刚刚好，4个电机有反馈，需要四路捕获。
资源的分配要和程序的编写结合在一起，通过查阅单片机的收据手册，分配资源可以做如下处理，Time_B1-5PWM输出，Time_B6,Time_A0-2,四电机反馈信号捕捉。
其中Time_B0工作在比较模式，不能捕获信号，也不能输出PWM波，所以Time_A和Time_B资源刚刚好分配完。
说明：
每个电机只需要1路PWM波就可以实现无极调速，双路速度反馈信号CHA,CHB也只需1路进行捕捉，即中断，另1路直接接普通的I/O口就可以了。
2.2.2通信模块
因管道一般都是铁壁的，对无线射频信号有屏蔽作用，所以该系统采用有缆工作方式，通电缆传输信号和数据，拟采用以太网将下位机和上位机联系在一起，而一般单片机只有TTL电平UART通信硬件，所以先将通信电平转换成RS232标准，然后用串口转以太网模块实现数据直接的通讯。
2.2.3各个额外模块的实现[17]-[18]
除了主控模块外，还有很多电源稳压模块，电机驱动模块，电平转换模块，实现方案就是都用专门的芯片，参考数据手册上的电路设计，选择适当的电容与电阻，最终达到原理图的设计，进而在考虑各个元件的封装问题，实现PCB制作。
4软件系统
软件中主要涉及到电机的速度与位置控制，采用PID控制方法控制小车履带两边电机的速度相同和清洁手臂水平丝杆和垂直丝杆的精确定位，其中关于钻头初始原点的定义可以采用相应的传感器实现。
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。
PID控制器以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一[19]-[20]。
PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
比例控制能迅速反应误差，加快系统响应速度，但是比例控制不能消除稳态误差，且容易产生超调，导致系统振荡;
积分控制的作用是，只要系统存在误差，积分控制作用就不断地积累，输出控制量，以消除误差;
微分控制具有预见性，能反应系统误差的变化率，能预见偏差变化的趋势，在偏差还没有形成之前，己被微分控制消除。
微分可以加快系统的调节时间，但对噪声干扰有放大作用，减弱了系统的抗干扰能力，因此对那些噪声较大的系统一般不用微分或者先进行滤波。
由于移动机器人的机械臂控制结构复杂，对垂直丝杆和水平丝杆电机转的圈数要求高，使用常规的PID算法很难满足要求。
采用智能分区PI算法，可以很好的提高控制效果。
智能分区PI控制算法的基本思想是根据误差的大小，将系统的误差区分为几个误差段，对每一段采取不同的控制策略。
具体可以分段指标可以通过调试得到。
对于本系统的钻头精确定位问题，其实就是对应于电机旋转圈数的确定，通过精确控制电机的旋转圈数，来控制钻头的位移。
为使电机不但有很快的响应速度而且运行平稳,单片机必须通过合理地控制曲线控制电机。
当反馈电路给出位置信号后,控制器不能直接给出终点位置参数,否则可能导致比例项过大,产生震荡,甚至损坏电机。
当前位置点运动到下一个目标点的过程中经历3个阶段，第1阶段速度根据设定的加速度值从零加速到给定速度，第2阶段加速度为零，速度保持已达到的给定速度运行，第3阶段速度再按设定的负向加速度减速到零，并且此时到达要求的目标位置。
因为其速度曲线为梯形,故称之梯形控制曲线,如下：
精确定位系统运行的框图如下：
由上图可知,控制曲线的生成是在PID控制循环之外的。
单片机根据给定加速度、速度参数,生成基于梯形控制曲线的期望位置,作为PID控制的目标位置。
最近,工业控制中发展出了S控制曲线,将电机从起始位置运行到终止位置分为7个阶段,不同于梯形曲线的3个阶段。
电机运行更加平稳,起停时的冲击更小。
本实验中,负载不大,使用梯形曲线即可实现平稳快速的要求[21]-[22]。
当然若外界负载通过实验证明变化较大，可以采用自适应PID算法，自适应得到PID的三个参数。
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指导教师意见：
1．对“文献综述”的评语：
2．对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：
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