一种磁粉检测爬壁机器人控制系统及控制方法

本发明公开了一种磁粉检测爬壁机器人控制系统及控制方法，属于爬壁机器人领域。

对于当前在役容器包括储罐和管道等需要人工定期对表面进行缺陷检测，而磁粉检测作为目前无损检测中最广泛和简单方便的检测方法在工业检测中得到了广泛的应用，但是目前的检测多为人工搭建脚手架进行检测，其耗费时间、精力、财力，磁粉检测爬壁机器人则可以完全取代人工检测的情况，爬壁机器人的灵活性解决了需要人工搭建脚手架攀爬的问题，爬壁机器人搭载磁粉检测装置代替人工检测识别，检测装置的自动化识别技术也使得对检测技术实现了全面的自动化目标。

本发明为解决在工业储罐管道等在役大型容器表面的缺陷检测耗费人力、财力、时间和检测效率低下的问题，提供了一种磁粉检测爬壁机器人控制系统及控制方法。

本发明所述一种磁粉检测爬壁机器人控制系统及控制方法，控制系统中包含电机驱动模块、手持遥控模块、磁粉检测模块、图像采集模块、姿态采集模块、上位机PC端。

上述的电机驱动模块用于驱动爬壁机器人的电机，本发明的爬壁机器人包含四个电机，一个电机对应一个驱动电调，电机采用M3508型号，电调采用C620配合电机控制，本发明中C620电调和STM32单片机之间通过CAN通讯实现数据通讯，单片机对电调下发相对应电机的控制电流大小来实现对电机的运动控制，同时电调也会通过CAN报文反馈电机的数据，包括电机的实时位置、速度、转矩电流、温度的信息。

上述的手持遥控模块是操作人员通过在遥控器上输入对爬壁机器人的相关指令实现对机器人的控制，本发明的磁粉检测爬壁机器人采用麦克纳姆轮，可以对爬壁机器人进行直线前进，直线后退，向左平移，向右平移的运动方式，该遥控器与爬壁机器人之间通过串口RS232实现数据通讯。

上述的磁粉检测模块是主要对储罐的壁面或者在管道的壁面进行缺陷的检测功能，检测的主要步骤分为对壁面的磁化、喷磁、图像采集，磁化部分是对储罐壁面进行磁化操作，磁化装置会在壁面形成一个旋转的磁场以保证对壁面的360度的磁化，喷磁是将装有荧光磁粉液的磁液喷洒在磁化的壁面，图像采集部分会将经过磁化和喷磁处理的壁面进行图像记录保存。

上述的图像采集模块主要有摄像头模块和图像传输两部分组成，摄像头采用了GOPRO HERO7防抖运动摄像相机，图像传输部分采用Moma300pro无线图传，图传的发射端和摄像头通过HDMI转TYPE C口连接，图传的发射端将摄像头拍摄到的检测图像由无线传输方式发送给图传的接收端，接收端与PC通过HDMI转USB连接，该图像传输的发射端和接收端采用5Ghz的无线传输频带。

上述的姿态采集模块是通过姿态传感器来检测爬壁机器人的各种姿态信息，本发明采用型号为WT901CM的九轴姿态传感器，该传感器可以实现对角度、加速度、角速度、磁场的信息采集，保证爬壁机器人的直线运动。该九轴姿态传感器和STM32单片机之间通过IIC通讯方式。

上述的上位机PC端主要负责处理通过图像传输接收端上传的缺陷检测图像，通过写好的缺陷判断程序处理分析图像中的图像是否含有缺陷，当程序发现图像中的检测图片含有缺陷的时发出警报。

本发明所述一种磁粉检测爬壁机器人的系统控制方法具体包括步骤如下：

(1)爬壁机器人处于静止状态即速度为零的时候将电机的位置值置零。

(2)若各个电机对应的电调显示的都为绿灯并且绿灯在1秒时间内快闪的次数对应正确的电机ID号。

(3)如果爬壁机器人已经完成了步骤1和2那么机器人处于正常状态，用户可以通过手持手柄输入不同的指令对爬壁机器人进行操作。

上述的磁粉检测爬壁机器人控制方法展开说明磁粉检测爬壁机器人不同的工作状态如下：

当用户选择爬壁机器人处于速度运动模式下时：

状态A爬壁机器人处于静止状态下接收到用户的静止、前进、后退、左平移、右平移的速度运动方向指令后爬壁机器人开始运动，运动的速度为手持遥控的当前速度设定值。

状态B爬壁机器人处于运动状态下时接收到用户除当前运动方向外的其它运动方向时，爬壁机器人开始朝向指令方向开始运动，运动速度为当前用户的速度设定值。

当用户选择爬壁机器人处于位置运动模式下时：

状态C爬壁机器人处于静止状态下接收到用户的静止、前进、后退、左平移、右平移的位移方向指令后爬壁机器人开始运动，运动的位移量为手持遥控的当前位移的设定值。

状态D爬壁机器人处于运动状态下时接收到用户除当前运动方向外的其它运动方向时，爬壁机器人开始朝向指令的位移方向开始运动，运动位移量为当前用户的速度设定值。

当用户选择爬壁机器人开启磁粉检测模式下时：

状态E爬壁机器人在静止时开启磁粉检测用户可以在手持遥控上输入开始检测的指令后开启检测功能，也可输入关闭检测指令来关闭检测功能。

状态F爬壁机器人在运动时开启磁粉检测用户可以在手持遥控上输入开始检测的指令后开启检测功能也可输入关闭检测指令来关闭检测功能。

在上述的爬壁机器人的直线运动的速度大小可以在用户的手持遥控端进行对速度的设定，速度的设定范围是0-8000RPM，速度设定后的每一次速度模式下的运动都会以当前设定的运动速度运动直到下一次速度设定，如果在爬壁机器人运动的过程中改变速度的设定则会立即改为当前设定的速度下运动。

在上述的爬壁机器人的直线运动的位移距离大小可以在用户的手持遥控端进行对爬壁机器人当前需要位移距离大小的设定，爬壁机器人位移的大小指的是爬壁机器人下一次的位移距离，单位为厘米，此后的每个方向都会移动设定的距离大小，如果需要改变位移的大小需要重新设定位移的距离。

在上述的爬壁机器人的磁粉检测可以在爬壁机器人正常工作状态下根据用户的指令开启或者关闭。

本发明最为突出的特点和显著的有益效果是：

本发明完成了对大型储罐等壁面磁粉检测的自动化任务，实现了操作方便、提高了检测效率，节省了人力资源的目的。爬壁机器人爬行时采用永磁铁-钕铁硼ndfe52提供吸附力，能承受较高的温度，配合四个麦克纳姆轮使得爬壁机器人在壁面可以灵活自如的向不同方向移动，减轻了机器人本身的重量同时也提高了机器人的灵活度。本发明磁粉检测爬壁机器人集成了机器人的运动控制，磁粉检测模块和图像采集模块的控制，图像采集模块无线传输给上位机的识别程序实现自动化的对缺陷进行识别，各个模块相互配合不仅安装方便，操作人员的手柄操作指令也方便容易，显著提高了对壁面的检测作业效率。

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的爬壁机器人电机运动控制内部循环框图。

下面将结合参考结构示意图详细描述本发明的控制过程和控制方法。

如图1所示为磁粉检测爬壁机器人的控制结构示意图，包括主控芯片STM32单片机，手持遥控模块，姿态采集模块，磁粉检测模块，电机驱动模块，上位机PC端。

姿态采集模块使用型号为WT901CM的九轴姿态传感器，该传感器与SMT32单片机采用IIC通讯方式，STM32单片机从该传感器得到爬壁机器人的航向角、俯仰角、滚转角三的数据，当希望爬壁机器人直线运动的时候由于机器人本身电机的PID速度环控制下的自身带来的速度误差，其次是壁面的不平整性给机器人带来的影响会造成爬壁机器人的直线运动产生偏移，传感器会将得到的实时角度发送给单片机，当机器人直线运动时发生偏移时，即会产生一个相应的航向角俯仰角滚转角的角度偏差量，此时单片机会根据位置偏移量的误差进行对两边电机的速度补偿，其误差的偏移量速度补偿算法用到了模糊控制方法，该补偿的速度作用后使得机器人继续保持直线运动。

手持遥控模块使用串口RS232与单片机连接，手持遥控器上可以设置速度模式和位置模式两种模式，在速度模式下用户可以设定爬壁机器人的运动速度，速度的设定范围是0-8000RPM，速度设定后的每一次速度模式下的运动都会以当前设定的运动速度运动直到下一次速度设定，如果在爬壁机器人运动的过程中改变速度的设定则会立即改为当前设定的速度下运动。

如图2爬壁机器人电机运动控制内部循环框图，当给爬壁机器人的总电源开关打开上点后内部系统自动开始初始化设置，初始化完成后系统处于正常工作模式，等待用户在遥控模块输入工作模块指令，当工作模式指令选择速度模式时需要用户输入爬壁机器人的运动速度大小值和运动方向。当工作模式指令选择位置模式时需要用户输入爬壁机器人的位移大小值和位移方向。当用设置完成后单片机会根据用户的设定开始根据本发明写好的串级PID计算出各个电机相对应的电流值后给出转矩电流大小数据通过CAN通讯发给给个电机连接的电调驱动器。当完成数据发送后系统再次处于等待用户输入工作模式状态，默认选择为上一次的工作模块。

速度模式下的爬壁机器人处于不同状态下的控制方法如下：

状态A爬壁机器人处于静止状态下接收到用户的静止、前进、后退、左平移、右平移的速度运动方向指令后爬壁机器人开始运动，运动的速度为手持遥控的当前速度设定值。

状态B爬壁机器人处于运动状态下时接收到用户除当前运动方向外的其它运动方向时，爬壁机器人开始朝向指令方向开始运动，运动速度为当前用户的速度设定值。

当用户选择爬壁机器人处于位置运动模式下时：

状态C爬壁机器人处于静止状态下接收到用户的静止、前进、后退、左平移、右平移的位移方向指令后爬壁机器人开始运动，运动的位移量为手持遥控的当前位移的设定值。

状态D爬壁机器人处于运动状态下时接收到用户除当前运动方向外的其它运动方向时，爬壁机器人开始朝向指令的位移方向开始运动，运动位移量为当前用户的速度设定值。

磁粉检测模块主要负责控制爬壁机器人对壁面的磁粉检测工作，磁粉检测主要分为对壁面的磁化、喷磁、图像采集几个步骤，其中图像采集通过图像采集模块完成，磁化和喷磁装置为磁粉检测模块的主要控制对象，当用户在手持遥控模块输入开始检测的指令后磁粉检测模块开始工作，其通讯方式通过IO口实现。

状态E爬壁机器人在静止时开启磁粉检测用户可以在手持遥控上输入开始检测的指令后开启检测功能，也可输入关闭检测指令来关闭检测功能。

状态F爬壁机器人在运动时开启磁粉检测用户可以在手持遥控上输入开始检测的指令后开启检测功能也可输入关闭检测指令来关闭检测功能。

图像采集模块主要包括摄像头和图像传输两个部分组成，摄像头为5K高清防抖运动摄像相机，其镜头对准磁粉检测机构的磁化区域和喷磁区域，摄像头将采集到的图像使用TYPE-C口转HDMI口实时传输给图像传输的发射端，图像传输的发射端和接收端通过5Ghz无线通讯，其接收端将接收到的图像数据再通过HDMI转USB口传输到PD端显示，在PC端的上位机中将摄像头拍摄到的磁粉检测图片放入写好的磁粉检测缺陷的自动识别程序中，程序将会自动识别图片中是否含有缺陷，该识别缺陷的程序基于python语言开发的图像处理缺陷识别算法，当识别到有缺陷的时候自动发出报警。

电机驱动模块负责对爬壁机器人的电机提供驱动控制，本发明采用M3508电机配和驱动电调C620，本发明在单片机中写好了电机的速度PID环控制和位置PID环，当爬壁机器人处于速度控制模式下时，使用速度环对电机进行控制，程序中分别设置了当机器人需要前进、后退、左平移、右平移时所对饮的电机控制方法，当处于位置环模块下时，本发明的控制方法采用串级PID的控制方法，即将外环位置环的PID输出数据给到速度PID环的速度环输入，速度PID环的结果为电流值给到C620电调，C620本身已经集成好的电流环去控制电机的运动。C620电调和STM32单片机之间采用CAN通讯方式，控制电机速度时需要将四个电机的转矩电流大小通过CAN报文的数据帧发给电调，相对应的，C620电调会以1Khz的通讯波特率将电机的数据报文发送给STM32单片机，其数据帧包含电机的实时速度高八位，第八位，位置高八位，第八位，电流值高八位，第八位和电机的温度数据。C620的电调由于在24V的电压下工作，容易发热，爬壁机器人的主体框架结构由铝材质构成真好可以起到对电调的散热作用。

以上显示了本发明的基本控制原理和控制方法，展现了本发明的主要特点和优点，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改和补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权要求书所定义的范围。