全覆蓋算法無線通信論文

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1機器人本體設計

1.1WCR工作環(huán)境

所設計的WCR的主要功能是在無任何支架的情況下攜帶無損檢測工具對油罐進行檢測。這種立式油罐主要是石油公司對其進行儲油，所以一般都設計半徑為5米～10米，高度為15米～25米的圓柱體，材料為鋼制，為此本人選用永磁式吸附方式。基于以上油罐相關數(shù)據(jù)，完成一個如此容量大的整體油罐需要采用鋼板進行焊接，勢必會存在焊縫，這些焊縫的突起有10mm左右，這將經(jīng)常導致故障發(fā)生，所以WCR在行進時必須能夠翻越這個障礙。

1.2WCR工作指標

1）WCR除了克服自身重量吸附在油罐表明外，還需要克服攜帶的無損檢測工具，一般不低于25kg。2）為了使WCR能夠在規(guī)定時間內(nèi)很好地完成無損檢測工作，需要使其行走速度控制在5米～10米，并能夠翻越10mm障礙。3）為了方便地面系統(tǒng)進行控制，采用無線遠程遙控，控制半徑不低于50米。基于以上要求，WCR需要最終完成復合式任務，比如對油罐厚度進行探測，對那些破損需要修復的表面進行噴砂和噴漆處理。

1.3WCR機械結構設計

基于以上幾個方面要求，本W(wǎng)CR選擇了4輪驅動的非接觸永磁輪式結構。該機器人結構如圖1所示,整個機器人本體長約410mm、寬約250mm、高約90mm。本體由車體框架結構、4輪及非接觸吸附單元組成；4個直流伺服電機分別驅動爬壁機器人的4個輪子，為使能夠翻越障礙，加入了減震機構增加其越障能力。為使WCR轉向不會對罐壁噴漆造成損壞，特為每個輪子分別套有特制的耐磨防滑橡膠膠套，這種方式能夠提供更穩(wěn)定的吸附能力。

2控制系統(tǒng)

2.1硬件系統(tǒng)

WCR硬件系統(tǒng)采用二級多層次進行控制。上位機采用基于Web的計算機系統(tǒng)，下位機主要是采用嵌入式計算機系統(tǒng)，二者通過無線進行通訊。具體包括嵌入式計算機系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、電機驅動系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)和供電系統(tǒng)。

2.1.1嵌入式計算機系統(tǒng)

嵌入式計算機系統(tǒng)是下位機核心，負責協(xié)調(diào)各個子系統(tǒng)工作，并產(chǎn)生控制命令。它主要包括嵌入式控制器、A/D轉換器、D/A轉換器、數(shù)字量輸入輸出通道、閃存、無線局域網(wǎng)卡以及無線LAN卡，如圖所示。我們選用的是美國RTD嵌入式系統(tǒng)公司的PC/104+嵌入式計算機模塊，這種模塊體積小、可以支持堆棧式連接、功耗?。ㄒ话?mA總線驅動即可使模塊正常工作）、可以在強烈振動的惡劣的環(huán)境下工作。此款嵌入式計算機模塊的工作頻率在733MHz，工作頻率可以滿足WCR數(shù)據(jù)處理的速度。使用無線LAN控制卡可以完成WCR與地面系統(tǒng)進行Internet連接，這樣就可以使用WEB接口對WCR進行遠程控制，方便用戶管理與監(jiān)控。

2.1.2傳感系統(tǒng)

為了完成對油罐的無損檢測任務，為WCR配備了一套傳感系統(tǒng)，用來檢測各種數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)都可以通過無線傳輸系統(tǒng)在地面系統(tǒng)進行監(jiān)控與記錄。配備的傳感器有：光學編碼器、CCD攝像頭、無損檢測傳感器、重力傳感器、加速度傳感器等。光學編碼器主要是用來測量伺服電機的位置和速度，并反饋給伺服電機；CCD攝像頭能夠對油罐表面的焊縫進行視頻提取，進而可以利用地面系統(tǒng)進行判別。無損檢測傳感器能夠探測出油罐表明的故障。重力和加速度傳感器二者進行信息融合對WCR的方位信息作出決策，以便幫助工作人員更好地了解WCR當前的狀況，防止發(fā)生意外狀況以及為以后檢測任務提供相關依據(jù)。

2.1.3分層級控制策略

到目前為止，機器人控制結構主要分為兩種方案：任務執(zhí)行行為模塊、功能模塊。在具體應用中主要是采用混合式和分層級控制結構。為了使WCR能夠簡單有效地工作，本設計采用了分層級控制結構思想，這種控制思想和互聯(lián)網(wǎng)七層協(xié)議有類似之處，傳感器采集的信號從底層一級級往上傳遞，最終達到?jīng)Q策層，決策層接受到信號后按照預先設置好的控制策略發(fā)出控制命令，經(jīng)一級級往下傳遞最終到達非常勤奮的最底層——執(zhí)行器，進而帶動機器人進行運動，比如在進行轉向過程中，最終是由電機帶動機械結構進行運動。本設計分成四層控制結構，由下至上分別是：物理層：位于控制結構最底層，完成相關信息的采集和對來自控制層命令的最終執(zhí)行。在本設計中，主要包括電機、光電編碼器、加速度傳感器、無損檢測傳感器、CCD攝像頭、執(zhí)行器等以及無線局域網(wǎng)卡。它們各自完成自己的任務，相互不發(fā)生干擾?？刂茖樱罕緦游挥谖锢韺由弦患墸苯訉ξ锢韺舆M行控制和接受來自物理層的反饋信息。主要為電機的位置、力、速度控制提供反饋控制回路，構成電機的三環(huán)控制。同時接受來自無損檢測傳感器和CCD攝像頭提供的信息，并且完成對整個系統(tǒng)的無線通信控制。任務層：本層主要是決策出對WCR本體下達各種執(zhí)行任務，最終此任務到達物理層進行對任務的執(zhí)行。具體包括對WCR的導航和路徑規(guī)劃、焊縫跟蹤以及無損檢測等任務。項目層：由用戶提出各種具體檢測任務，具體包括油罐檢測、噴砂噴漆、焊縫跟蹤、無線通信任務。

2.1.4基于WEB遠程控制

WCR本體與地面系統(tǒng)通過10Mbps無線局域網(wǎng)方式進行相互通信，為此機器人可以很方便地通過Internet網(wǎng)得到用戶的控制，進而節(jié)省通信線路。而且可以使許多人（如一些某些專家、操作者以及相關工作人員）同時在線查閱檢測數(shù)據(jù)，不必像傳統(tǒng)通信方式那樣要想查閱數(shù)據(jù)必須得分別與WCR本體進行通信。通過Internet網(wǎng)不僅可以使上下位系統(tǒng)進行遠程通信，同時用戶之間也可以通過Internet進行信息共享與互訪。

3油罐表面全覆蓋算法

3.1方案設計

為了對整個油罐表面進行覆蓋，并且能成功避開障礙物，規(guī)劃WCR進行油罐表面檢測。為此設計出一種適合油罐實際情況的油罐表面全覆蓋算法，為了更好仿真出WCR在油罐表面的行走路線，為此將圓柱形油罐表面進行展開成平面式進行仿真。在此平面內(nèi)WCR按照預先設計好的算法進行路徑規(guī)劃。將整個平面分成統(tǒng)一單元網(wǎng)格，每個網(wǎng)格表示傳感器的大小。如果單元格與傳感器重疊，那么表示此單元格認為被覆蓋掉。此規(guī)劃算法不同于現(xiàn)有的拓撲和利用建立模型式的距離變換方式的路徑規(guī)劃，較之那兩種算法本算法簡單實用，易于移植到各種機器人處理器中，且能夠以較高速率和效率完成對整個油罐表面的行走規(guī)劃。

3.2仿真結果

為了使規(guī)劃算法程序和微控制器直接進行兼容，傳統(tǒng)基于MATLAB仿真不能展示重復路徑，為此利用MicrosoftVisualStudio軟件對算法進行仿真。為了能夠更好地模仿地面真實油罐的表面情況，對油罐中的旋轉梯按照障礙物來處理，且通過產(chǎn)生路徑來檢驗算法的性能。

4結束語

設計了一種4輪驅動的非接觸永磁輪式結構油罐檢測爬壁機器人，機器人本體控制部分采用二級結構，并根據(jù)實際工作要求采用了分層級控制策略，使機器人能夠可靠地執(zhí)行檢測任務并實時反饋信息，躲避并有效地實施油罐表面檢測。其中主要設計了WCR的油罐表面全覆蓋算法，通過仿真和現(xiàn)場試驗能夠達到預期效果。在后續(xù)工作中，需要對路徑規(guī)劃算法繼續(xù)優(yōu)化，以提高WCR的行進速度，提高檢測效率，并考慮采用無線RSSI定位算法對油罐具體損傷進行定位。

作者：季曉明 文懷海 單位：江蘇安全技術職業(yè)學院 大連理工大學機械工程學院