基于PMAC的管道缺陷检测机器人控制系统的设计

王 伟，林顺英

(北京石油化工学院 机械工程学院，北京 102617)

基于PMAC的管道缺陷检测机器人控制系统的设计

王 伟，林顺英

(北京石油化工学院 机械工程学院，北京 102617)

本文设计的管道缺陷检测机器人的控制系统，采用PC机和PMAC运动控制卡组合的控制模式.PC机控制云台的转动，实现管道缺陷图像的采集； PMAC控制机器人本体的运动.实验证明，该控制系统能够对管道缺陷检测机器人进行精确控制，使之准确检测到管道的缺陷.

控制系统；控制模式；PMAC

管道缺陷检测机器人系统由机器人机械本体、图像采集系统、地面监控系统和电力供给系统四大部分组成，如图1所示[1].管道缺陷检测机器人，在计算机发出的指令控制下以一定的速度在管道中运行，通过安装在管道机器人机械本体上的图像传感器，实时地把管道内的环境参数和管道机器人的自身状态反馈给管外的监控系统.控制系统是管道缺陷检测机器人的控制中枢，很大程度上决定管道缺陷检测机器人的整体性能，对管道缺陷检测起到至关重要的作用.

图1 管道缺陷检测机器人系统

1 管道缺陷检测机器人控制模式的选择

机器人控制系统多种多样，但从基本结构上看，一个典型的机器人控制系统的硬件主要由上位计算机、运动控制器、功率驱动装置、电动机、执行机构和传感器反馈检测装置等部分组成.常用的机器人控制系统的控制方案有单片机控制系统、PLC控制系统、PC机+运动控制卡控制系统等.

1.1单片机控制系统

单片机控制系统的优点是经济实惠，成本相对较低.缺点是用单片机制作的主控板受制版工艺、布局结构、器件质量等因素的影响导致抗干扰能力差、故障率高，不易扩展，对环境依赖性强、开发周期长.一个采用单片机制作的主控板不经过很长时间的实际验证很难形成一个真正的产品.

1.2PLC控制系统

采用PLC控制系统的优点是抗干扰能力强、故障率低、易于设备扩展、便于维护、开发周期短.缺点是当完成比较复杂的运动控制时，使用PLC不方便.

1.3PC机+运动控制卡控制系统

PC机+运动控制卡控制系统由上位机(PC机)和下位机(运动控制卡)组成，下位机使用的控制卡是运动控制专用板卡，适用于机器人控制、机床控制等精度较高的工业领域，自身运算能力强、运算速度快，可以实现多轴运动控制，上位机处理的大量数据可由运动控制卡快速执行，反应时间短、精度高.

综合以上考虑，管道缺陷检测机器人控制系统采用的是PC机+运动控制卡的方案，既可以满足稳定性的要求又可以满足控制精度的要求.

2 管道缺陷检测机器人控制系统的硬件设计

管道缺陷检测机器人采用模块化分布式控制系统，以PC机作为上位机，实现信息处理与人机交互的作用，根据电机的型号设定相应的控制模式及输出控制指令；以运动控制卡作为下位机，实现机器人的运动控制功能.

PC机与运动控制卡间通过实时、可靠的通信来协调整个系统，实现对机器人的本体控制；PC机通过串口通讯完成云台控制和图像采集任务.本文管道检测机器人控制系统的硬件结构图如图2所示.

图2 管道检测机器人控制系统硬件结构

2.1云台控制

云台是为摄像头转动服务的，由两个步进电机提供动力，分别实现摄像头的径向180°和轴向360°的转动.PC通过串口通讯控制云台摄像头控制器，本文选用控制器的控制板卡芯片用的是Atmega64单片机，数据处理速度非常快，采用相对先进的指令，指令的运行周期较短，运行效率很高，摄像头使用的步进电机的型号是MOONS 17HA 0407-01M，是一种混合式步进电机，此类电机优点：准确性高、力矩输出平稳、噪音小，混合式步进电机同时拥有永磁式步进电机和反应式步进电机的优点，步距角较小而且转动平稳[2].

2.2机器人本体控制

机器人控制系统是一种典型的多轴实时运动控制系统.本文中的运动控制卡是美国Delta Tau公司遵循开放式系统体系结构标准开发的开放式可编程多轴运动控制器，型号是PMAC PCI LITE 1，采用MOTOROLA DSP作为控制卡主处理器CPU，此卡可以同时控制四个伺服电机工作，来实现对机器人本体的控制.在许多应用中，PMAC是一台计算机，能够同时执行多个任务并能正确地进行优先级的排序，使它能够在处理时间和任务切换的复杂性这两个方面减轻主机的负担.PMAC能适应多种硬件操作平台，能和主机以各种总线或串口方式通讯，适用于所有电动机，对不同电动机可提供相应的控制信号.

PC与PMAC之间通过PCI总线连接，实现上位机和下位机的通讯.PMAC控制伺服电机工作.PC机发送指令给PMAC运动控制卡，运动控制卡接收上位机指令后发送模拟量控制信号给电机驱动器，电机驱动器将控制信号放大驱动伺服电机，电机通过一定的机构带动机器人的车轮.编码器将电机的位置和速度返回给运动控制卡.本文选用型号为SGMJV-01AAA61的安川伺服电机及型号为SGDV-R90A01A的伺服驱动器，来对机器人本体进行控制.伺服驱动器作为电机控制的核心部件，集成了比较复杂的控制算法，实现对电机的智能控制.除此之外，驱动器对电机也有一定保护作用，当输入电压或者电流过大，可以实现自动调整，避免损坏电机.

3 管道缺陷检测机器人控制系统的软件设计

管道缺陷检测机器人控制系统是配合硬件系统工作流程，实现对机器人本体和云台的控制.本文的机器人控制系统软件功能结构图如图3所示.

图3 控制系统软件功能结构图

上位机软件可以监视或者改变运动控制卡的运行状态，可以扩展运动控制卡的功能，可编辑自己的界面，采用windows语言编程，依赖PC机的强大功能，实现上位机程序简单可靠运行.上位机的开发采用灵活定制，不受硬件干扰，不改变硬件，只需改变软件，就可以更新产品的应用，可以利用上位机更广泛的资源，可以循环利用，节省人力资源，使用户拥有自己的特点，增加了产品的竞争力，最大限度的发挥运动控制卡的功能，应用场合广泛.管道缺陷检测机器人上位机界面的开发基于PComm32动态链接库，PComm32是PMAC卡自带的动态链接库，PComm32.dll中含有丰富的函数供开发者调用.PComm32是实现PMAC卡与PC机通讯的重要工具，是使用者对PMAC卡进行二次开发的平台，PComm32是生产商Delta Tau公司封装好的通讯开发包，使用者可方便调用需要的功能函数.

下位机控制软件主要是调用PMAC底层的控制函数，实现对伺服电机的控制，根据不同的控制功能调用不同的控制函数，控制管道机器人前进动力供给，弯道转弯动力供给等.

云台控制主要就是两个步进电机的控制，使用串口通讯，编制软件将计算机与步进电机实现数据通信，其中在控制摄像头远近聚焦，变倍长的时候我们使用的是PELCO-D协议，当实现步进电机与PC机的串口通讯后，我们可以使用PELCO-D协议给步进电机发送命令.PELCO-D是美国最先发明的通信协议，可以控制录像机，监控器等视频设备，是应用比较广泛的协议.

4 总结

本文所设计的管道检测机器人控制系统，经过实验证明能够对管道检测机器人本体和图像采集系统实现精确控制，准确检测到管道的缺陷. 选用PMAC卡作为管道检测机器人运动控制卡，使得管道检测机器人控制系统的设计更加方便灵活.整个控制系统具有良好的实时性、可靠性和通用性.

[1] 王伟,封立泽,刘占民.管道检测机器人的设计和系统分析,安徽师范大学学报：自然科学版，2013，36(6)：546-549.

[2] 李毅.测量两点间横向距离的激光游标尺的设计与研究[D].武汉理工大学，2010.

[3] 唐鹏.基于PMAC的管道机器人系统设计[D].辽宁石油化工学院，2012.

[4] 胡鹏,方康,玲刘晓玉.基于PMAC的开放式机器人控制系统.机器人技术，2006，22(4)：171-175.

PipelineDefectInspectionRobotControlSystemDesignonPMAC

WANG Wei，LIN Shun-ying

(School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Petrochemical Technology，Beijing 102617，China)

The pipeline defect detection robot control system uses PC and PMAC motion control card combination control mode. PC controls the PTZ rotation, to achieve image acquisition pipeline defects, PMAC motion control card controls the movement of the robot. Experiments show that the pipeline defect detection system can precisely control robot to accurately detect pipeline defects.

control system; control mode; PMAC

2013-10-21

国家自然科学基金项目(51275051)；北京市光机电装备技术重点试验室开放课题基金(KF2006-02).

王伟(1968-)，女，北京市人，副教授，硕士，从事测量与控制方面的教学和科研工作.

王伟，林顺英.基于PMAC的管道缺陷检测机器人控制系统的设计[J].安徽师范大学学报：自然科学版，2014，37(1)：43-46.

TP242

A

1001-2443(2014)01-0043-04