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全覆蓋算法無(wú)線(xiàn)通信論文
1機器人本體設計
1.1WCR工作環(huán)境
所設計的WCR的主要功能是在無(wú)任何支架的情況下攜帶無(wú)損檢測工具對油罐進(jìn)行檢測。這種立式油罐主要是石油公司對其進(jìn)行儲油，所以一般都設計半徑為5米～10米，高度為15米～25米的圓柱體，材料為鋼制，為此本人選用永磁式吸附方式�；谝陨嫌凸尴嚓P(guān)數據，完成一個(gè)如此容量大的整體油罐需要采用鋼板進(jìn)行焊接，勢必會(huì )存在焊縫，這些焊縫的突起有10mm左右，這將經(jīng)常導致故障發(fā)生，所以WCR在行進(jìn)時(shí)必須能夠翻越這個(gè)障礙。
1.2WCR工作指標
1）WCR除了克服自身重量吸附在油罐表明外，還需要克服攜帶的無(wú)損檢測工具，一般不低于25kg。2）為了使WCR能夠在規定時(shí)間內很好地完成無(wú)損檢測工作，需要使其行走速度控制在5米～10米，并能夠翻越10mm障礙。3）為了方便地面系統進(jìn)行控制，采用無(wú)線(xiàn)遠程遙控，控制半徑不低于50米�；谝陨弦�，WCR需要最終完成復合式任務(wù)，比如對油罐厚度進(jìn)行探測，對那些破損需要修復的表面進(jìn)行噴砂和噴漆處理。
1.3WCR機械結構設計
基于以上幾個(gè)方面要求，本W(wǎng)CR選擇了4輪驅動(dòng)的非接觸永磁輪式結構。該機器人結構如圖1所示,整個(gè)機器人本體長(cháng)約410mm、寬約250mm、高約90mm。本體由車(chē)體框架結構、4輪及非接觸吸附單元組成；4個(gè)直流伺服電機分別驅動(dòng)爬壁機器人的4個(gè)輪子，為使能夠翻越障礙，加入了減震機構增加其越障能力。為使WCR轉向不會(huì )對罐壁噴漆造成損壞，特為每個(gè)輪子分別套有特制的耐磨防滑橡膠膠套，這種方式能夠提供更穩定的吸附能力。
2控制系統
2.1硬件系統
WCR硬件系統采用二級多層次進(jìn)行控制。上位機采用基于Web的計算機系統，下位機主要是采用嵌入式計算機系統，二者通過(guò)無(wú)線(xiàn)進(jìn)行通訊。具體包括嵌入式計算機系統、視覺(jué)系統、電機驅動(dòng)系統、通信系統、傳感系統和供電系統。
2.1.1嵌入式計算機系統
嵌入式計算機系統是下位機核心，負責協(xié)調各個(gè)子系統工作，并產(chǎn)生控制命令。它主要包括嵌入式控制器、A/D轉換器、D/A轉換器、數字量輸入輸出通道、閃存、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)卡以及無(wú)線(xiàn)LAN卡，如圖所示。我們選用的是美國RTD嵌入式系統公司的PC/104+嵌入式計算機模塊，這種模塊體積小、可以支持堆棧式連接、功耗�。ㄒ话�4mA總線(xiàn)驅動(dòng)即可使模塊正常工作）、可以在強烈振動(dòng)的惡劣的環(huán)境下工作。此款嵌入式計算機模塊的工作頻率在733MHz，工作頻率可以滿(mǎn)足WCR數據處理的速度。使用無(wú)線(xiàn)LAN控制卡可以完成WCR與地面系統進(jìn)行Internet連接，這樣就可以使用WEB接口對WCR進(jìn)行遠程控制，方便用戶(hù)管理與監控。
2.1.2傳感系統
為了完成對油罐的無(wú)損檢測任務(wù)，為WCR配備了一套傳感系統，用來(lái)檢測各種數據。這些數據都可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸系統在地面系統進(jìn)行監控與記錄。配備的傳感器有：光學(xué)編碼器、CCD攝像頭、無(wú)損檢測傳感器、重力傳感器、加速度傳感器等。光學(xué)編碼器主要是用來(lái)測量伺服電機的位置和速度，并反饋給伺服電機；CCD攝像頭能夠對油罐表面的焊縫進(jìn)行視頻提取，進(jìn)而可以利用地面系統進(jìn)行判別。無(wú)損檢測傳感器能夠探測出油罐表明的故障。重力和加速度傳感器二者進(jìn)行信息融合對WCR的方位信息作出決策，以便幫助工作人員更好地了解WCR當前的狀況，防止發(fā)生意外狀況以及為以后檢測任務(wù)提供相關(guān)依據。
2.1.3分層級控制策略
到目前為止，機器人控制結構主要分為兩種方案：任務(wù)執行行為模塊、功能模塊。在具體應用中主要是采用混合式和分層級控制結構。為了使WCR能夠簡(jiǎn)單有效地工作，本設計采用了分層級控制結構思想，這種控制思想和互聯(lián)網(wǎng)七層協(xié)議有類(lèi)似之處，傳感器采集的信號從底層一級級往上傳遞，最終達到?jīng)Q策層，決策層接受到信號后按照預先設置好的控制策略發(fā)出控制命令，經(jīng)一級級往下傳遞最終到達非常勤奮的最底層——執行器，進(jìn)而帶動(dòng)機器人進(jìn)行運動(dòng)，比如在進(jìn)行轉向過(guò)程中，最終是由電機帶動(dòng)機械結構進(jìn)行運動(dòng)。本設計分成四層控制結構，由下至上分別是：物理層：位于控制結構最底層，完成相關(guān)信息的采集和對來(lái)自控制層命令的最終執行。在本設計中，主要包括電機、光電編碼器、加速度傳感器、無(wú)損檢測傳感器、CCD攝像頭、執行器等以及無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)卡。它們各自完成自己的任務(wù)，相互不發(fā)生干擾�？刂茖樱罕緦游挥谖锢韺由弦患�，直接對物理層進(jìn)行控制和接受來(lái)自物理層的反饋信息。主要為電機的位置、力、速度控制提供反饋控制回路，構成電機的三環(huán)控制。同時(shí)接受來(lái)自無(wú)損檢測傳感器和CCD攝像頭提供的信息，并且完成對整個(gè)系統的無(wú)線(xiàn)通信控制。任務(wù)層：本層主要是決策出對WCR本體下達各種執行任務(wù)，最終此任務(wù)到達物理層進(jìn)行對任務(wù)的執行。具體包括對WCR的導航和路徑規劃、焊縫跟蹤以及無(wú)損檢測等任務(wù)。項目層：由用戶(hù)提出各種具體檢測任務(wù)，具體包括油罐檢測、噴砂噴漆、焊縫跟蹤、無(wú)線(xiàn)通信任務(wù)。
2.1.4基于WEB遠程控制
WCR本體與地面系統通過(guò)10Mbps無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)方式進(jìn)行相互通信，為此機器人可以很方便地通過(guò)Internet網(wǎng)得到用戶(hù)的控制，進(jìn)而節省通信線(xiàn)路。而且可以使許多人（如一些某些專(zhuān)家、操作者以及相關(guān)工作人員）同時(shí)在線(xiàn)查閱檢測數據，不必像傳統通信方式那樣要想查閱數據必須得分別與WCR本體進(jìn)行通信。通過(guò)Internet網(wǎng)不僅可以使上下位系統進(jìn)行遠程通信，同時(shí)用戶(hù)之間也可以通過(guò)Internet進(jìn)行信息共享與互訪(fǎng)。
3油罐表面全覆蓋算法
3.1方案設計
為了對整個(gè)油罐表面進(jìn)行覆蓋，并且能成功避開(kāi)障礙物，規劃WCR進(jìn)行油罐表面檢測。為此設計出一種適合油罐實(shí)際情況的油罐表面全覆蓋算法，為了更好仿真出WCR在油罐表面的行走路線(xiàn)，為此將圓柱形油罐表面進(jìn)行展開(kāi)成平面式進(jìn)行仿真。在此平面內WCR按照預先設計好的算法進(jìn)行路徑規劃。將整個(gè)平面分成統一單元網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格表示傳感器的大小。如果單元格與傳感器重疊，那么表示此單元格認為被覆蓋掉。此規劃算法不同于現有的拓撲和利用建立模型式的距離變換方式的路徑規劃，較之那兩種算法本算法簡(jiǎn)單實(shí)用，易于移植到各種機器人處理器中，且能夠以較高速率和效率完成對整個(gè)油罐表面的行走規劃。
3.2仿真結果
為了使規劃算法程序和微控制器直接進(jìn)行兼容，傳統基于MATLAB仿真不能展示重復路徑，為此利用MicrosoftVisualStudio軟件對算法進(jìn)行仿真。為了能夠更好地模仿地面真實(shí)油罐的表面情況，對油罐中的旋轉梯按照障礙物來(lái)處理，且通過(guò)產(chǎn)生路徑來(lái)檢驗算法的性能。
4結束語(yǔ)
設計了一種4輪驅動(dòng)的非接觸永磁輪式結構油罐檢測爬壁機器人，機器人本體控制部分采用二級結構，并根據實(shí)際工作要求采用了分層級控制策略，使機器人能夠可靠地執行檢測任務(wù)并實(shí)時(shí)反饋信息，躲避并有效地實(shí)施油罐表面檢測。其中主要設計了WCR的油罐表面全覆蓋算法，通過(guò)仿真和現場(chǎng)試驗能夠達到預期效果。在后續工作中，需要對路徑規劃算法繼續優(yōu)化，以提高WCR的行進(jìn)速度，提高檢測效率，并考慮采用無(wú)線(xiàn)RSSI定位算法對油罐具體損傷進(jìn)行定位。
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