爬壁机器人电控系统设计(附件)【字数：16115】
Design of electric control system for wall climbing robot Design of electric control system for wall climbing robot 随着工业自动化技术的不断进步，机器人在工业生产中发挥着越来越重要的作用。爬壁机器人作为高空极限作业的一种自动机械装置，可以代替人工在高空、毒气毒液、辐射、水下等高危环境中进行特种作业，在热电厂、造船业、核工业、石化天然气业等领域有广泛的应用。本文借助船用清洁喷涂爬壁机器人实验平台，设计了一种具有开放性、通用性，而且容易操作的爬壁机器人电控系统，能够用于船舶清洁、喷涂作业。本文主要由以下几个部分构成第一部分介绍了爬壁机器人的研究背景、意义、发展历程、国内外研究现状、未来的发展趋势以及本文研究的主要内容。第二部分根据爬壁机器人电控系统的设计要求，确定爬壁机器人控制系统的结构形式和总体设计方案。第三部分对爬壁机器人控制系统硬件部分进行设计，搭建基于主控制器STM32的硬件结构，包括传感器模块、视觉模块、通讯模块、图传模块、清洁和喷涂模块、电机驱动模块以及电机执行机构。第四部分对爬壁机器人控制系统软件部分进行设计，在Keil μVision开发环境下，运用C语言，完成爬壁机器人控制算法的设计并提出爬壁机器人的路径规划方案。第五部分借助船舶清洁喷涂爬壁机器人对本文所设计的控制系统进行整体实验测试，通过对爬壁机器人视觉识别以及自主循迹等功能进行测试，验证爬壁机器人控制系统的稳定性。实验结果表明本文所设计的爬壁机器人电控系统能够在视觉识别系统的协同作用下控制机器人进行自主循迹，并能完成监测、清洁、喷涂等工作任务，控制系统开放、易操作，达到了预期设计要求。关键词爬壁机器人；电控系统；单片机；路径规划；软件设计ABSTRACT
目录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 研究现状及发展趋势 1
1.2.1 国外研究现状 1
1.2.2 国内研究现状 2
1.2.3 发展趋势 3
1.3 本文研究内容 4
1.4 本章小结 4
第二章 爬壁机器人电控系统总体设计方案 5
2.1 爬壁 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
机器人控制系统设计要求 5
2.2 爬壁机器人电控系统总体方案 5
2.2.1 控制系统结构形式 5
2.2.2 控制系统控制架构 6
2.3 爬壁机器人电控系统具体设计方案 6
2.4 本章小结 8
第三章 爬壁机器人电控系统硬件设计 9
3.1爬壁机器人控制系统硬件整体设计 9
3.2爬壁机器人控制系统硬件设计 9
3.2.1 STM32芯片及其外围电路 9
3.2.2 驱动模块 16
3.2.3 吸附和爬行结构 17
3.2.4 无损探伤传感器模块 18
3.2.5 视觉模块 18
3.2.6 通讯模块 20
3.2.7 清洁和喷涂结构 20
3.3 本章小结 22
第四章 爬壁机器人电控系统软件设计 23
4.1 电控系统软件总体设计 23
4.2 电控系统软件设计 23
4.2.1 上位机控制系统软件设计 23
4.2.2 下位机控制系统软件设计 24
4.2.3 控制程序设计 25
4.3 路径规划 27
4.3.1 地图构建 27
4.3.2 基于图像识别的路径规划方案 28
第五章 实验测试 29
总结与展望 33
致谢 34
参考文献 35
附录 37
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
当今社会，科学技术发展日新月异，知识的更新也是瞬息万变，机器人技术经过几十年的发展已经日渐成熟，智能化水平也在日益提高。爬壁机器人可以代替人工从事高空极限作业或者在危险、恶劣环境中进行工作[1]。随着人们的自我安全保护意识不断增强,人们对这种机器人的需求越来越迫切。
随着经济全球化的发展，各国之间的贸易往来也是越来越频繁。船舶作为一种古老的海上交通运输工具，不仅在商品贸易方面发挥重要的作用，也关系到国防事业和军队的建设。但是因为船体长时间浸在海水中，无论船体钢板的质量有多好，时间一长肯定会受到海水的腐蚀而产生锈迹。而要预防或减少船体锈蚀的最好方法就是定期对船体表面进行清洗、喷漆。
船舶喷漆相对于其他喷漆作业来说工艺更复杂，受所处环境影响，船体表面通常要喷多种漆料而且要喷涂多层[2]。这些喷漆工作通常都是工人拿着喷枪来喷涂的，这样不仅劳动力度大，而且漆料会挥发出有毒物质，人们长时间处于这样的空间中，身体会受到很大伤害。另外对大型船舶进行喷漆的时候，人们必须爬到高空中进行操作，这不仅需要加大安全设施的投入，对操作工人来说更是存在着极大的危险性，而且人工喷漆也容易受个人技术以及其他因素的干扰，影响到喷漆的质量。因此，开发能在维修施工现场实际运用的清洁喷涂爬壁机器人,将会是很有意义的,极有可能产生良好的经济效益和社会效益。
1.2 研究现状及发展趋势
1.2.1 国外研究现状
近些年来，世界上许多国家，都在深入研究爬壁机器人这一领域，包括：美国、日本、英国、法国、德国、意大利、澳大利亚、西班牙等国家，其中由于日本起步较早，在这一方面的研究成果尤为突出。
1966年，世界上第一台爬壁机器人的原理样机在日本大阪府立大学的实验室诞生，开创了研究爬壁机器人的历史先河。在此之后，日本日立制所于1984年，又研制出了一种步行式磁吸附爬壁机器人，该机器人的内侧外侧各四只脚，行走的时候交替吸附在墙壁表面[3]。同年，日立制所又与东京煤气公司合作，联合开发了一种多吸盘爬壁机器人。此外，还有日本日挥株式会社研究开发的负压吸附壁面检查机器人，日本东京工业大学研发的“Disk Rover”吸盘式爬壁机器人、“Anchor climber”机器人、无线遥控磁吸附爬壁机器人以及日本宫崎大学的“飞行机器人”。这些机器人大多用于建筑行业的外墙清洗工作或用于石油工业、核工业存储罐壁面的巡检、清洗、喷涂作业。
继日本之后，世界上许多国家陆续加入到爬壁机器人的研究开发工作中，并且取得了不小的进展。例如：美国西雅图的AutoCrawler公司和波音公司合作开发了一种真空吸附履带式爬壁机器人，用于波音飞机的探伤工作[3]。在这个机器人的履带上装有好几个小的吸附室，在机器人的行走过程中，吸附室连续与壁面接触，形成真空腔，使机器人牢牢吸附在飞机表面。此外，美国斯坦福大学为了改进爬壁机器人的吸附机制，运用仿生学原理，设计开发了Capuchin。这种机器人的吸附机构能像壁虎的粘性脚足一样，牢牢吸附在墙壁表面，这也为将来爬壁机器人在外星探测领域的应用打下了坚实的基础[3]。
另外，英国的朴茨茅斯工艺学校，俄罗斯的莫斯科机械力学研究所、西班牙的马德里CSIC大学工业自动化研究所、德国的Fraunhofer研究所等机构都自主开发研制成了爬壁机器人，并已运用到相应的领域。
1.2.2 国内研究现状
目录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 研究现状及发展趋势 1
1.2.1 国外研究现状 1
1.2.2 国内研究现状 2
1.2.3 发展趋势 3
1.3 本文研究内容 4
1.4 本章小结 4
第二章 爬壁机器人电控系统总体设计方案 5
2.1 爬壁 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
机器人控制系统设计要求 5
2.2 爬壁机器人电控系统总体方案 5
2.2.1 控制系统结构形式 5
2.2.2 控制系统控制架构 6
2.3 爬壁机器人电控系统具体设计方案 6
2.4 本章小结 8
第三章 爬壁机器人电控系统硬件设计 9
3.1爬壁机器人控制系统硬件整体设计 9
3.2爬壁机器人控制系统硬件设计 9
3.2.1 STM32芯片及其外围电路 9
3.2.2 驱动模块 16
3.2.3 吸附和爬行结构 17
3.2.4 无损探伤传感器模块 18
3.2.5 视觉模块 18
3.2.6 通讯模块 20
3.2.7 清洁和喷涂结构 20
3.3 本章小结 22
第四章 爬壁机器人电控系统软件设计 23
4.1 电控系统软件总体设计 23
4.2 电控系统软件设计 23
4.2.1 上位机控制系统软件设计 23
4.2.2 下位机控制系统软件设计 24
4.2.3 控制程序设计 25
4.3 路径规划 27
4.3.1 地图构建 27
4.3.2 基于图像识别的路径规划方案 28
第五章 实验测试 29
总结与展望 33
致谢 34
参考文献 35
附录 37
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
当今社会，科学技术发展日新月异，知识的更新也是瞬息万变，机器人技术经过几十年的发展已经日渐成熟，智能化水平也在日益提高。爬壁机器人可以代替人工从事高空极限作业或者在危险、恶劣环境中进行工作[1]。随着人们的自我安全保护意识不断增强,人们对这种机器人的需求越来越迫切。
随着经济全球化的发展，各国之间的贸易往来也是越来越频繁。船舶作为一种古老的海上交通运输工具，不仅在商品贸易方面发挥重要的作用，也关系到国防事业和军队的建设。但是因为船体长时间浸在海水中，无论船体钢板的质量有多好，时间一长肯定会受到海水的腐蚀而产生锈迹。而要预防或减少船体锈蚀的最好方法就是定期对船体表面进行清洗、喷漆。
船舶喷漆相对于其他喷漆作业来说工艺更复杂，受所处环境影响，船体表面通常要喷多种漆料而且要喷涂多层[2]。这些喷漆工作通常都是工人拿着喷枪来喷涂的，这样不仅劳动力度大，而且漆料会挥发出有毒物质，人们长时间处于这样的空间中，身体会受到很大伤害。另外对大型船舶进行喷漆的时候，人们必须爬到高空中进行操作，这不仅需要加大安全设施的投入，对操作工人来说更是存在着极大的危险性，而且人工喷漆也容易受个人技术以及其他因素的干扰，影响到喷漆的质量。因此，开发能在维修施工现场实际运用的清洁喷涂爬壁机器人,将会是很有意义的,极有可能产生良好的经济效益和社会效益。
1.2 研究现状及发展趋势
1.2.1 国外研究现状
近些年来，世界上许多国家，都在深入研究爬壁机器人这一领域，包括：美国、日本、英国、法国、德国、意大利、澳大利亚、西班牙等国家，其中由于日本起步较早，在这一方面的研究成果尤为突出。
1966年，世界上第一台爬壁机器人的原理样机在日本大阪府立大学的实验室诞生，开创了研究爬壁机器人的历史先河。在此之后，日本日立制所于1984年，又研制出了一种步行式磁吸附爬壁机器人，该机器人的内侧外侧各四只脚，行走的时候交替吸附在墙壁表面[3]。同年，日立制所又与东京煤气公司合作，联合开发了一种多吸盘爬壁机器人。此外，还有日本日挥株式会社研究开发的负压吸附壁面检查机器人，日本东京工业大学研发的“Disk Rover”吸盘式爬壁机器人、“Anchor climber”机器人、无线遥控磁吸附爬壁机器人以及日本宫崎大学的“飞行机器人”。这些机器人大多用于建筑行业的外墙清洗工作或用于石油工业、核工业存储罐壁面的巡检、清洗、喷涂作业。
继日本之后，世界上许多国家陆续加入到爬壁机器人的研究开发工作中，并且取得了不小的进展。例如：美国西雅图的AutoCrawler公司和波音公司合作开发了一种真空吸附履带式爬壁机器人，用于波音飞机的探伤工作[3]。在这个机器人的履带上装有好几个小的吸附室，在机器人的行走过程中，吸附室连续与壁面接触，形成真空腔，使机器人牢牢吸附在飞机表面。此外，美国斯坦福大学为了改进爬壁机器人的吸附机制，运用仿生学原理，设计开发了Capuchin。这种机器人的吸附机构能像壁虎的粘性脚足一样，牢牢吸附在墙壁表面，这也为将来爬壁机器人在外星探测领域的应用打下了坚实的基础[3]。
另外，英国的朴茨茅斯工艺学校，俄罗斯的莫斯科机械力学研究所、西班牙的马德里CSIC大学工业自动化研究所、德国的Fraunhofer研究所等机构都自主开发研制成了爬壁机器人，并已运用到相应的领域。
1.2.2 国内研究现状
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