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DeWaLoP管道机器人嵌入式系统

摘要：本文介绍了在DewaLoP（Developing Water Loss Prevetion）机器人系统中实施的管道内机器人嵌入式系统的开发。我们将嵌入式系统定义为CPU板，外围设备和通信协议的配置，以实现被封装在微芯片中定义的任务。DeWaLoP管道内机器人任务是重新开发维也纳和布拉迪斯拉发的淡水系统的管接头间隙，机器人必须能够在管道内移动，清洁和应用修复材料以密封这些管道接头。所提出的嵌入式系统是基于管道内机器人的功能和系统操作而设计的，模拟有限状态机（FSM），其中在每个状态下，机器人模块被配置成独立工作或与另一个取决于其以前的状态的模块

关键词：移动机器人；管道系统；扩展网络；多处理器系统；控制器。

1. 介绍：

根据定义，嵌入式系统是为更大系统中的特定控制功能而设计的计算机系统。嵌入式系统包含处理核心通常是微控制器或数字信号处理器。然而，关键特性是专用于处理特定任务。由于嵌入式系统专用于特定任务，所以设计可以优化以减小产品的尺寸和成本，并提高可靠性和性能。

现在常见的是嵌入式系统具有通过以太网进行通信的可能性。但是，对于嵌入式系统来说实现通信协议，例如TCP / IP，如果主处理单元是简单的8或16位微控制器，则需要相当大的处理能力。然而，对于这种小型微控制器，使用诸如RS-232之类的本地通信协议需要低的处理能力和低的存储器使用，使得能够与其他设备使用相同简单的通信协议，仍然能够完全处理其输入/输出。

管内机器人通常包括与控制站通信的电缆作为电缆束缚机器人。在此配置中，电缆使能数据通信和/或从控制站向机器人供电。因此，如果通信是有线的，最好的选择是使用光纤，使通信无中继器长达2km，由于其物理性能具有最低的噪声水平。在工业环境中使用的另一种替代方案是诸如RS-485之类的协议，能够在距离长达1.2km的情况下进行通信。然而，以太网双绞线电缆是一个便宜和好的选择最多100米的距离，而对于20米或更小范围内的通信，微控制器本地通信协议（如RS-232）是最好的选择。

控制中心

管道机器人

通信协议

TCP/IP

通信协议

TCP/IP

SPI/RS-232/12C

以太网电缆

d＞100m

总线网络拓扑

远程控制

系统1

系统2

系统N

图1 DeWaLoP数据链接。 以太网双绞线与TCP / IP用于长距离链路dgt; 100米）之间的控制站管道和管道内机器人，而使用RS-232用于板载微控制器通信管内机器人。

据显示，Mateos和Vincze认为，通信协议的组合、以太网长距离（以太网双绞线电缆）和RS-232短距离（3线）可以由8位微控制器承载。同样，这种双通信协议需要两个通用以太网路由器作为主链路，RS-232路由器将TCP / IP数据转换为串行RS-232，并将数据重新路由到星型/总线的右侧微控制器网络拓扑。

在本文中，描述了用于DeWaLoP管道内机器人系统的嵌入式系统的设计和开发。我们将嵌入式系统概念化为微控制器，外围设备和用于控制管内机器人的通信协议的布置。 CPU和外围设备的数量根据系统要求，功能和来自机器人的有限状态机的状态来设置。 以相同的方式，定义内部通信协议以最小化处理功率和存储器，以便在通过嵌入式网络进行通信时完全处理其输入和输出。

本文分为以下内容，在第2部分中，给出DeWaLoP项目的介绍，从其系统模块解释其目标和机器人功能; 在部分3，系统操作详细定义。 随后DeWaLoP嵌入式系统设计，在第4节，其中嵌入式系统的设计考虑到了CPU，输入/输出和通信协议，以实现管道内机器人目标。 结论和未来工作如下。

1. DEWALOP机器人系统

DeWaLoP项目的目标是重建100多年的维也纳（3000公里）和布拉迪斯拉发（2800公里）的供水系统的管道，通过构建爬行到直径大约一米的水道中并且能够清洁和应用修复材料以修复管接头插口的机器人。DeWaLoP机器人需要检查，清洁和密封管接头插座。与商业管道机器人相比，它们能够作为基本任务进行检查结合另一个任务，如切割或磨削。因此，商业管道内机器人不能重新开发管接头插座作为DeWaLoP机器人。此外，这些商业管道机器人大多设计用于管径在150mm至700mm范围内的管道中，而DeWaLoP机器人工作管径范围从800-1200mm。因此，DeWaLoP系统比典型的商业系统更复杂，因为它设计用于在非标准管道直径中执行几个任务（检查，清洁和恢复）而不是单个任务。 DeWaLoP管道内机器人连接到控制站，该控制站由其供电并接收/发送数据。它是由于使用电动工具，需要220VAC，清洗管接头插座拴系。到期到其可能遇到的复杂管道网络，其中无线信号可能丢失。因此，所提出的解决方案包括三个主要子系统：控制站，移动机器人（类似于车辆）和维护系统，如图2所示。

图 2 DeWaLoP管道机器人系统。 管道外遥控移动机器人和维护单元进入管道。

2.1控制站

控制站监视和控制管道内机器人及其不同的模块。 从管道内机器人，视频流和传感器数据发送到控制站，从而进行远程控制，发送和确认任务命令。管道内机器人和控制站之间的通信完成通过双绞线以太网电缆。 除了这种电缆，还需要一根电源电缆为管道内机器人电子设备及其电动工具供电。

2.2移动机器人

移动机器人包括在管道系统中，其使得能够移动到系统并且携带电子和机械部件，例如电动机驱动器，电源，修复材料箱等。 移动机器人使用差速轮驱动，使机器人能够调整其位置并保持在中间的管道。

2.3维护单元

维修单位是处理重建的工作结构。 它的结构包括六个轮腿，分布在三对，在每一侧，分开120°支撑沿着管道的中心的结构。 维护单元结构能够压缩或膨胀，取决于其是否需要与移动器一起移动机器人或者如果需要设置为管道内工作平台。 这种双重功能由动态独立悬架系统（DISS）。 当压缩时，来自脚轮的轮子变得活动，使得单元结构能够与移动机器人一起沿着管移动。 当扩展时，从轮式腿的腿在管内产生刚性结构，因此机器人清洁和恢复系统在没有任何振动或不自主运动的工具的惯性下工作，并准确地恢复管接头，同时保护脆弱的铸铁管。

视觉系统

视觉系统包括四个摄像机，能使得管道机器人：在管道内导航，检测和重新开发管接头

插座。 对于导航阶段，需要两个摄像机，一个位于前面，以了解管道中的路径; 第二台摄像机位于后面，知道出管道的方式。 对于检测阶段，全向相机位于前端实现管接头检测。 最后，对于再开发阶段，将另一个摄像机安装在工具系统上使操作者能够详细跟踪管接头的清洗和密封过程。

重建工具系统

为了清洁和密封管接头间隙，结构类似于双圆柱形。机器人位于维护单元的前面，后面是全向相机。 该双圆柱机器人系统能够以圆柱坐标移动覆盖管接头间隙100mm轴向运动。 这种重新开发工具系统与其他清洗机制相反，等等作为GRISLEE：Gasmain维修和检查系统的现场进入环境，自适应管道清洗机器人，不同之处在于以毫米的分辨率清洁详细位置的可能性。

Omni-camera 全向相机

Tools-camera 工具相机

Front-camera 前置摄像头

Maintenance unit 维护单元

Back-camera 后摄像头

DISS-Dynamical Independent Suspersion System 动态独立悬架系统

Moblie robot 移动机器人

Redevelopment system 重建系统

图3 DeWaLoP管道机器人

3.系统操作

两个主要的管道系统，移动机器人和维护单元必须按顺序使用，一次一个。同样，只能选择移动机器人或维护系统或工具系统。同时使用两个或三个系统不可能由系统本身的逻辑，也不能通过遥控物理/机械配置。如果两个子系统同时激活，整个系统可能会损坏。想象机器人沿着管道移动，同时移动，维护系统正在扩大其腿部以创建刚性结构;这是无效状态，这将导致维护系统腿损坏和损坏管壁。想象相反的情况，来自维护系统的腿被延伸;维护系统已经成为管道内的坚固结构，并且移动机器人系统也被激活，试图推或拉维护系统;机器人将无法移动;因此，这是另一个无效状态。

为了从机械角度克服这些无效状态，遥控器具有用于选择每个机器人系统的单独按钮，以及一个且仅一个主机子系统可以一次选择，移动机器人或维护系统或工具系统。 同样，在逻辑层面，在执行任何任务之前，程序总是通过知道其当前和先前状态来检查所选择的系统是否有效。

如果我们想要管道系统移动，维护系统不能配置为刚性结构，它必须禁用和轮式配置移动管道由移动机器人。 另一方面，如果维护系统被设置为刚性结构，则移动机器人将不能移动，因此必须禁用移动机器人，将所有控制传递到维护系统及其工具系统。

同样地，维护系统上的工具系统以相同的方式被相互排除，并且一次只能使用一个。 维护系统必须在扩展配置中，然后，将启用清洁或恢复工具。

表1 管道机器人状态

从操作机器人状态，有限状态机（FSM）被建立并被定义为由有限数量的状态组成的行为模型，那些状态之间的转换状态和动作，类似于流程图，其中可以检查当满足某些条件时逻辑运行的方式。

图4. DeWaLoP有限状态机

FSM由4个状态组成：

1. 移动机器人能够移动，维护单元处于压缩模式并且处于刀具系统禁用的状态。
2. 移动机器人位于管接头位置，然后移动机器人处于被禁用的状态。

3.维修单元扩大其轮腿，创造管内坚固的结构。

4.激活工具系统和工具的相机，因此管接头可以恢复。

一旦当前管接头被重新开发，状态返回初始状态，如下：

1.工具系统和工具相机完全压缩并禁用。

2.维护单元压缩其轮腿，因此轮子是主要的接触点，单位是能够移动。

3.移动机器人正在被激活和维护单位处于被禁用的状态。

4.移动机器人能够移动，维护单元处于压缩模式，并且禁用工具系统。

4. DEWALOP嵌入式系统设计

嵌入式系统由四层板布局组成，包括两个以太网路由器，六个8位微控制器和八个双电机驱动器。 输入的系统是电机编码器和反馈电位器，以估计系统的位置和旋转; 压力传感器，知道施加的力; 一个加速度计和倾斜传感器对，以在操作时将系统保持在管道的中心。

嵌入式系统设计是基于机器人操作，换句话说，在有限状态机（FSM）的过程中重新开发管接头，如图。 这是一个序列化过程，而不是并行过程。 因此，从遥控器可以一次选择一个并且仅一个管道系统以完全操作它。 因此，更容易设置一个小型8位微控制器来管理每个管道系统，而不是一个复杂的16或32位微控制器管理所有。 因此，系统中包括四个微控制器，一个用于管理移动机器人，一个用于管理维护单元，一个用于管理工具系统，一个用作微控制器路由器，将从控制站接收的TCP / IP数据 进入RS-232，所以所有的微控制器都能够读取任务命令。

因此，由于其配置，用于这些控制器的最佳网络布置是星形/总线网络拓扑，其中每个网络主机连接到中心集线器与点对点连接。 穿过网络的所有流量通过中央集线器，充当信号中继器。 因此，星形拓扑被认为是最简单实现的拓扑设计。 星形拓扑的优点是添加附加节点的简单性。 然而，星的主要缺点拓扑是中心代表单点故障，Groth（2001）。 以同样的方式，信息是传递所有的微控制器和如果头的数据与微控制器ID匹配，则该模块被激活，否则数据丢失。 嵌入式系统网络可扩展到2⁸-1个模块。

图5DeWaLoP嵌入式系统安排在4个级别

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