專利名稱：管道內(nèi)移動(dòng)微型機(jī)器人的超聲波在線定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于自動(dòng)化工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人在充滿液體管道內(nèi)的位置及速度在線檢測(cè)的方法。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，管道作為一種物料傳輸手段得到了越來越廣泛的應(yīng)用，但是當(dāng)機(jī)器人對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，管道機(jī)器人的定位是一大難點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)室條件下，進(jìn)行管道機(jī)器人行走等特性試驗(yàn)時(shí)，也涉及機(jī)器人位置檢測(cè)的問題。通常的管道機(jī)器人是采用電機(jī)軸上碼盤計(jì)程的方法，在確知起始點(diǎn)與目標(biāo)之間的距離的條件下，間接計(jì)算出作業(yè)機(jī)構(gòu)與目標(biāo)之間的相對(duì)距離，顯然這種傳統(tǒng)的方法因結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)用于微管道機(jī)器人上具有局限性，尤其不能在液體環(huán)境下在線作業(yè)。目前機(jī)器人的無(wú)纜驅(qū)動(dòng)技術(shù)成為新熱點(diǎn)，是提高機(jī)器人作業(yè)可靠性的關(guān)鍵，國(guó)內(nèi)外已研制出多種不同原理的管內(nèi)無(wú)纜機(jī)器人，其驅(qū)動(dòng)原理是靠驅(qū)動(dòng)器，而不是電機(jī)，其管內(nèi)定位問題還沒有很好的解決。
目前微管道移動(dòng)機(jī)器人的位置檢測(cè)方法主要有機(jī)械式、射線式和攝像機(jī)型等定位系統(tǒng)。它們都在不同程度上存在著缺陷與不足。機(jī)械式的定位檢測(cè)方法簡(jiǎn)便、安全性能好、但是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、可靠性不高；射線式定位檢測(cè)方法定位準(zhǔn)確、可靠性高，但是安全性能較差；攝像機(jī)型定位檢測(cè)方法定位準(zhǔn)確，但是造價(jià)太高。
綜上所述，目前以超聲波原理在管內(nèi)充滿液體的環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)微管道機(jī)器人的實(shí)時(shí)位置檢測(cè)還未見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是給出一種簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確的管內(nèi)液體介質(zhì)環(huán)境下，具有強(qiáng)電磁干擾時(shí)，移動(dòng)機(jī)器人位置與速度的在線檢測(cè)方法，提供不同使用條件下該檢測(cè)方法的技術(shù)方案，從而實(shí)現(xiàn)外磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)非拖纜移動(dòng)機(jī)器人位置及速度的閉環(huán)控制，提高機(jī)器人的可靠性和實(shí)用性。
本發(fā)明應(yīng)用超聲波定位的原理，采用一個(gè)發(fā)射與接收一體的超聲波傳感器，發(fā)出脈沖信號(hào)，信號(hào)經(jīng)目標(biāo)機(jī)器人反射回來后由傳感器接收，測(cè)出該信號(hào)的傳播時(shí)間t，已知超聲波在液體介質(zhì)中的傳播速度，然后根據(jù)公式s＝vt可以確定往返的路程，此路程的一半即為機(jī)器人與傳感器的相對(duì)位置，從而確定了機(jī)器人的位置，本技術(shù)的關(guān)鍵是能在微小管內(nèi)環(huán)境下，通過調(diào)整機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)，與液體環(huán)境形成較大的阻抗差，提高機(jī)器人本體對(duì)超聲波信號(hào)的反射率，并通過超聲回波信號(hào)的補(bǔ)償方法來提高環(huán)境識(shí)別能力和測(cè)量精度。
本發(fā)明的技術(shù)方案是首先根據(jù)機(jī)器人本體的材料、結(jié)構(gòu)等來確定其超聲波信號(hào)反射率的大小，如果反射率小，可以通過加入大阻抗微小物質(zhì)來調(diào)整機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)提高超聲波信號(hào)的反射率，大阻抗微小物質(zhì)就是相對(duì)液體介質(zhì)的特性阻抗高的可應(yīng)用在液體環(huán)境的物質(zhì)，例如銅基片等。然后將液浸式收發(fā)一體超聲波傳感器固定在充滿液體介質(zhì)的管內(nèi)，由PC機(jī)發(fā)出命通過下位機(jī)驅(qū)動(dòng)傳感器發(fā)出超聲波脈沖信號(hào)，信號(hào)在液體介質(zhì)中傳播，遇到目標(biāo)機(jī)器人后反射回來，在此期間由下位機(jī)控制超聲波傳感器完成發(fā)射接收電路轉(zhuǎn)換，當(dāng)信號(hào)返回到達(dá)傳感器時(shí)開始接收信號(hào)，再通過接收信號(hào)處理電路，包括放大電路、濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路對(duì)采集信號(hào)的處理，同時(shí)對(duì)超聲波的回波信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，采用時(shí)控增益電路來進(jìn)行接收波形的補(bǔ)償。最后由高精度計(jì)時(shí)模塊可計(jì)算出信號(hào)的傳播時(shí)間，并根據(jù)超聲波信號(hào)在液體介質(zhì)中的傳播速度來計(jì)算出機(jī)器人在管中相對(duì)于超聲波傳感器的具體位置，并且隨著機(jī)器人移動(dòng)時(shí)的位置變化，可以及時(shí)發(fā)出超聲波信號(hào)來在線反映出機(jī)器人的位置，從而完成對(duì)機(jī)器人在微管道內(nèi)液體介質(zhì)下的位置檢測(cè)，以便對(duì)機(jī)器人的行走特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析以及行走控制。
超聲波傳感器安裝結(jié)構(gòu)主要分為兩種第一種結(jié)構(gòu)是將超聲波傳感器安裝在管道的一端，結(jié)構(gòu)如附圖2所示1密封定位塞；2大阻抗微小物質(zhì)；3機(jī)器人行走足或者尾翼；4機(jī)器人行走管道；5機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)；6管內(nèi)液體介質(zhì)；7為超聲波傳感器。它們構(gòu)成了移動(dòng)機(jī)器人的位置檢測(cè)結(jié)構(gòu)裝置。首先將超聲波傳感器7固定在密封的定位塞1上，然后用固定好超聲波傳感器7的密封定位塞1將機(jī)器人行走管道4的一端密封良好，以防止管內(nèi)的液體介質(zhì)6在這一側(cè)出現(xiàn)泄漏。這樣結(jié)構(gòu)裝置準(zhǔn)備完畢。
第二種結(jié)構(gòu)是將超聲波傳感器安裝在管道的中間任何位置，結(jié)構(gòu)如圖3所示2大阻抗微小物質(zhì)；3機(jī)器人行走足或者尾翼；4機(jī)器人行走管道；5機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)；6管內(nèi)液體介質(zhì)；7超聲波傳感器；8螺母；9墊圈；10帶有螺紋的傳感器固定箱。它們構(gòu)成了移動(dòng)機(jī)器人的位置檢測(cè)又一種結(jié)構(gòu)裝置。首先將超聲波傳感器7固定在帶有螺紋的傳感器固定箱10中，密封良好，然后根據(jù)傳感器固定箱10的尺寸，在管道中間某處開槽，槽口的大小保證剛好放進(jìn)裝好傳感器的傳感器固定箱10即可，開好槽后，將帶有傳感器7的傳感器固定箱10放入機(jī)器人行走管道4，位置合適后將槽口密封良好，然后再將傳感器固定箱10上加上合適數(shù)量的墊圈9，并用螺母8將其固定好。這樣結(jié)構(gòu)裝置準(zhǔn)備完畢。
以上兩種結(jié)構(gòu)裝置分別適應(yīng)不同的測(cè)量場(chǎng)合。當(dāng)可以將超聲波傳感器安裝在管的一端時(shí)，就采用第一種結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單可行。如果實(shí)際條件要求傳感器不能安裝在管的一端，則可以采用第二種結(jié)構(gòu)，雖然結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，但也同樣可行。
本發(fā)明的效果和益處是1.采用了收發(fā)電路及轉(zhuǎn)換為一體的超聲波傳感器，使在線檢測(cè)裝置簡(jiǎn)單，成本低廉，便于安裝。
2.可實(shí)現(xiàn)管內(nèi)機(jī)器人位置、速度的在線檢測(cè)，在機(jī)器人移動(dòng)的過程中，也可以發(fā)射和接受超聲波來確定其相對(duì)傳感器的位置，以及時(shí)反饋其位置信息，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制。
3.該技術(shù)可以用于一般機(jī)器人關(guān)內(nèi)的位置檢測(cè)，尤其適合于小管內(nèi)液體介質(zhì)環(huán)境下的作業(yè)，超聲波信號(hào)不但不受液體環(huán)境的干擾，反而在液體環(huán)境下，信號(hào)的衰減程度更小，適合進(jìn)行較長(zhǎng)距離的測(cè)量。
4.通過調(diào)整機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)，即在本體上填加微小大阻抗物質(zhì)，可與液體環(huán)境形成較大的阻抗差，進(jìn)而提高超聲波的反射率，并通過超聲回波信號(hào)的補(bǔ)償方法來提高環(huán)境識(shí)別能力和測(cè)量精度。
5.由于要求超聲波測(cè)量的范圍從幾毫米到一米的范圍內(nèi)，超聲回波的衰減程度差別很大。本項(xiàng)目采用因此超聲回波信號(hào)的補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵技術(shù)使超聲波在傳播過程中的散射衰減、在液體中的衰減和聲速擴(kuò)散造成的衰減得以有效的補(bǔ)償。
6.兩種傳感器安裝結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)實(shí)際的操作環(huán)境來選擇采用。


附圖1是管內(nèi)液體環(huán)境下移動(dòng)機(jī)器人的位置檢測(cè)系統(tǒng)圖。
圖1中電路模塊主要分為傳感器驅(qū)動(dòng)電路模塊、傳感器收發(fā)轉(zhuǎn)換電路模塊、信號(hào)接收電路模塊、信號(hào)處理電路模塊、A/D轉(zhuǎn)換電路模塊高精度計(jì)時(shí)模塊等，以及進(jìn)行控制與數(shù)據(jù)處理的上位機(jī)與下位機(jī)。通常下位機(jī)采用速度比較快的微處理器，而上位機(jī)就是PC機(jī)。
圖1中1密封定位塞；2大阻抗微小物質(zhì)；3機(jī)器人行走足或者尾翼；4機(jī)器人行走管道；5機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)；6管內(nèi)液體介質(zhì)；7為超聲波傳感器。
附圖2是超聲波傳感器固定在管的一端裝置圖。
圖2中各部件序號(hào)與圖1中所示序號(hào)一致。
附圖3是超聲波傳感器固定在管的中間任何部位的裝置圖。
圖3中2大阻抗微小物質(zhì)；3機(jī)器人行走足或者尾翼；4機(jī)器人行走管道；5機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)；6管內(nèi)液體介質(zhì)；7超聲波傳感器；8螺母；9墊圈；10帶有螺紋的傳感器固定箱。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。
首先根據(jù)不同的測(cè)量場(chǎng)合，來選擇圖2和圖3兩種傳感器安裝結(jié)構(gòu)。當(dāng)可以將超聲波傳感器安裝在管的一端時(shí)，采用第一種結(jié)構(gòu)，否則采用第二種結(jié)構(gòu)。下面采用第一種結(jié)構(gòu)來加以說明。
根據(jù)機(jī)器人本體5的材料、結(jié)構(gòu)等來確定其超聲波信號(hào)反射率的大小，如果反射率小，可以通過加入大阻抗微小物質(zhì)2來調(diào)整機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)，以提高超聲波信號(hào)的反射率，再將液浸式收發(fā)一體超聲波傳感器7固定在密封的定位塞1上，然后用固定好超聲波傳感器7的密封定位塞1將機(jī)器人行走管道4的一端密封良好。結(jié)構(gòu)裝置安裝完畢后，由PC機(jī)發(fā)出命令驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器7發(fā)出超聲波脈沖信號(hào)，信號(hào)在液體介質(zhì)6中傳播，遇到目標(biāo)機(jī)器人5后反射回來，在此期間由下位機(jī)控制超聲波傳感器7快速完成發(fā)射接收電路轉(zhuǎn)換，當(dāng)信號(hào)返回到達(dá)傳感器7時(shí)開始接收信號(hào)，再通過接收信號(hào)處理電路，包括放大電路、濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、對(duì)采集信號(hào)的處理，同時(shí)對(duì)超聲波的回波信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，采用時(shí)控增益電路來進(jìn)行接收波形的補(bǔ)償。最后由高精度計(jì)時(shí)模塊計(jì)算出信號(hào)的傳播時(shí)間，根據(jù)超聲波信號(hào)在液體介質(zhì)6中的傳播速度來由下位機(jī)計(jì)算出機(jī)器人5在管道4中相對(duì)于超聲波傳感器7的具體位置，并且隨著機(jī)器人5移動(dòng)時(shí)的位置變化，可以及時(shí)發(fā)出超聲波信號(hào)來在線反映出機(jī)器人5的相對(duì)位置，從而完成對(duì)機(jī)器人5在微管道4內(nèi)液體介質(zhì)下的位置檢測(cè)過程。
權(quán)利要求
1.一種管道內(nèi)移動(dòng)微型機(jī)器人的超聲波在線定位方法，其特征在于a)，采用液浸式發(fā)射接收信號(hào)一體的超聲波傳感器(7)作為測(cè)量探頭，測(cè)量環(huán)境為充滿液體介質(zhì)(6)的管道(4)內(nèi)部；b)，利用超聲波測(cè)距的原理實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的在線位置檢測(cè)；c)，可根據(jù)測(cè)量環(huán)境來選擇的兩種超聲波傳感器安裝結(jié)構(gòu)，一種傳感器位于管的一端，將超聲波傳感器固定在密封塞(1)中心，然后根據(jù)不同的管徑選擇密封塞(1)將管的一端密封；另一種傳感器位于管中間任何部位，先將管開槽，然后將傳感器(7)及其定位防液體裝置放入管內(nèi)，再將開槽處封閉；d)，在機(jī)器人本體上添加相對(duì)液體環(huán)境大阻抗微小物質(zhì)(2)，并采用超聲回波信號(hào)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄑa(bǔ)償超聲波在傳播過程中的散射衰減、在液體中的衰減和聲速擴(kuò)散造成的衰減。
全文摘要
本發(fā)明屬于自動(dòng)化工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人在充滿液體管道內(nèi)的位置及速度在線檢測(cè)的方法。其技術(shù)特征是在機(jī)器人本體上填加大阻抗物質(zhì)，提高超聲波的反射率，并采用液浸式收發(fā)一體超聲波傳感器發(fā)射脈沖信號(hào)，接收目標(biāo)反射信號(hào)，通過超聲回波信號(hào)的補(bǔ)償方法使超聲波在液體中傳播過程中的散射、聲速擴(kuò)散造成的衰減得以有效的補(bǔ)償，測(cè)出該信號(hào)傳播時(shí)間，確定機(jī)器人的位置。本發(fā)明的效果和益處是提高了超聲波對(duì)環(huán)境的識(shí)別能力和測(cè)量精度，能實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的在液體介質(zhì)內(nèi)的在線位置和速度的檢測(cè)，具有測(cè)量距離長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、定位準(zhǔn)確、抗電磁干擾能力強(qiáng)，安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)纜電磁驅(qū)動(dòng)微機(jī)器人在液體內(nèi)的在線定位。
文檔編號(hào)B25J13/08GK1601300SQ20041005060
公開日2005年3月30日 申請(qǐng)日期2004年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月13日
發(fā)明者張永順, 郭銳, 劉煜, 賈振元, 郭東明 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)