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一款自适应管道机器人-嵌入式系统的设计和实现.docx
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一款自适应管道机器人-嵌入式系统的设计和实现.docx
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摘 要
本文针对传统管道机器人控制系统设计和的缺点与对管道内壁缺陷检测方
式单一低效等不足提出解决方案。基于 Raspberry PI 平台设计嵌入式系统的控
制方案,实现自适应机器人在管道内实时可控稳定运行。利用 Python 设计界面
式人机交互界面,达到直观可视化操作效果。基于 Raspberry PI 与多 Arduino
协同工作模式,实现以红外扫描为主、超声波检测补偿的形式进行高精度缺陷检
测。采用多组传感器并行的机制,增大对管道内壁的监测范围,有效提高了管道
机器人的监测效率,并对被检测缺陷进行基于 OpenCV 与 Canny 算法的图像计算,
得到清晰的管内缺陷特征图像,可以有效直观的看出裂缝特征,并及时采取相应
的措施。本文还设计了黑盒机制记录机器人运行信息与监测信息,便于操作员进
行后续分析与判断。
关键词:管道机器人;嵌入式系统;缺陷检测;图像计算;Raspberry PI;
OpenCV。
北京理工大学珠海学院 2020 届本科生毕业设计
Design and implementation of an adaptive pipeline robot
-Embedded system
Abstract
This paper proposes a solution to the shortcomings of the design and control of
traditional pipeline robot control systems and the single inefficiency of the detection
method of pipeline inner wall defects. This paper designs the control scheme of the
embedded system based on the Raspberry PI platform to realize the real-time
controllable and stable operation of the adaptive robot in the pipeline. Use Python as a
development language to design an interface-type human-computer interaction front
end to achieve an intuitive and visual operation effect. Based on the cooperative
working mode of Raspberry PI and multiple Arduinos, high-precision defect detection
in the form of infrared scanning and ultrasonic detection compensation is realized.
And based on OpenCV and Canny algorithm for image calculation of the detected
defects, a clear image of defects in the tube is obtained. In addition, a black box
mechanism is designed to record robot operation information and monitoring
information, which is convenient for the operator to perform subsequent analysis and
judgment.
Keywords: pipeline robot; embedded system; defect detection; image calculation;
Raspberry PI.
北京理工大学珠海学院 2020 届本科生毕业设计
目录
1 绪论..............................................................................................................................................................1
1.1 研究背景及意义 .............................................................................................................................................1
1.2 管道机器人的国外研究现状.......................................................................................................................1
1.3 管道机器人的国内研究现状.......................................................................................................................4
1.4 研究内容与结构安排....................................................................................................................................5
2 自适应机器人嵌入式系统整体设计 .......................................................................................................7
2.1 自适应机器人工作流程设计.......................................................................................................................7
2.1.1 自适应机器人工作流程设计..................................................................................................................7
2.1.2 自适应机器人模块化设计理念..............................................................................................................8
2.1.3 驱动方式的选择.........................................................................................................................................8
2.1.4 供电方式的选择.........................................................................................................................................9
2.1.5 自适应管道机器人整体设计的确定 ....................................................................................................9
2.2 嵌入式系统的搭建与通信设计................................................................................................................10
2.3 车体跨度调整的驱动设计 ........................................................................................................................11
2.4 车体整体运行的驱动设计.........................................................................................................................13
2.5 对整车控制交互的研究与实现...............................................................................................................16
2.6 本章小结 ........................................................................................................................................................20
3 自适应机器人的检测与响应..................................................................................................................21
3.1 利用红外线传感器对裂缝检测的实现..................................................................................................21
3.2 利用超声波模块对裂缝检测的实现.......................................................................................................26
3.3 嵌入式系统对探知裂缝时响应的实现..................................................................................................28
3.4 本章小结.........................................................................................................................................................30
4 基于 OPENCV 与 CANNY 算法进行图像的采集与分析 ..........................................................................32
4.1 利用 CCD 对图像采集与灰度化实现.......................................................................................................32
4.2 利用 CANNY 算子进行图像计算与边缘识别 ..........................................................................................33
4.2.1 图像滤波消除噪声原理 ........................................................................................................................34
4.2.2 梯度 SOBEL 算子实现原理......................................................................................................................34
4.2.3 非极大值抑制算法实现原理...............................................................................................................36
4.2.4 双阈值法边缘连接算法实现原理......................................................................................................37
4.3 本章小结 ........................................................................................................................................................38
5.硬件调整与测试...............................................................................................................................................39
6.结束语.................................................................................................................................................................40
6.1 设计总结和难点 ..........................................................................................................................................40
6.2 设计创新点....................................................................................................................................................40
6.3 设计的不足点...............................................................................................................................................41
6.4 展望 .................................................................................................................................................................41
参考文献 ......................................................................................................................................................42
致 谢 ............................................................................................................................................................43
北京理工大学珠海学院 2020 届本科生毕业设计
附录 1 嵌入式系统各部分元件................................................................................................................44
附录 2 嵌入式系统实现图 ........................................................................................................................50
附录 3 实现程序.........................................................................................................................................51
附录 3 英文文献.........................................................................................................................................75
附录 4 英文文献翻译 ................................................................................................................................82
北京理工大学珠海学院 2020 届本科生毕业设计
1
1 绪论
本章节描述了对自适应机器人的研究背景及对自适应机器人的研究意义,通过了解
国外管道机器人的研究,分析国内的研究过程,基于对过去研发传统管道机器人的机器
人控制系统与检测系统的研究现状,确定了本文的研究目的和意义。
1.1 研究背景及意义
机器人在当今时代中已经是不足为奇的存在,扫地机器人、向导服务机器人、工业
生产机器人等等。在半个世纪前机器人技术成为一门综合性学科,该学科涉及到多门基
础科学技术。这门综合性学科,从成立到现在有着长足的发展,诞生的产品已经能够帮
助人们做很多劳动,甚至在某些情况下能够做到代替人类完成一些无法完成的工作。使
用范围涉及愈来愈多的领域和行业:从贴近生活的服务业、医疗护理业,到生产运营的
制造业、运输业,再到国家战略的航空航天业、国防工业,还有科学领域对海洋、微观
世界等特殊环境的探索。表现出了广泛的社会前景与市场需求。
本文主要研究方向为机器人对生产运输业的局部应用。现代生产运输业除了陆运、
海运和空运外,对流质产品与气体产品还采用了管道进行运输,目前石油产业、化工产
业、食品加工产业、城市供排水系统产业等领域对管道运用的越加广泛。由于对管道的
使用场景一般对管道本身要求极高的封闭性,且为了保护管道,一般都会将管道置于地
下、海底甚至空中,这为后续管道清扫、检测、维修带来了极大的不便。一旦发生因管
道故障导致的污染、泄漏,将极大影响被运输物可靠性,甚至可能造成不可预测意外事
件,导致巨大的经济损失或威胁人类健康安全。为了尽量避免该情况的发生,定期进行
管道检测成为了必不可少的环节。由于管道本身特性,人工维护难度大大增加,为了能
有效提高生产效率、避免危险,就需要机器人进行辅助工作。因此设计与研发管道机器
人将具有很强现实意义与市场价值。
管道机器人要实现对管道内部检测,无损检测技术使必不可少的。目前主流的管道
无损检测技术有:基于光科学的激光、红外等主动光源检测技术、基于图像科学的数字
成像解析检测技术、基于仿生学的超声波检测技术还有基于电磁学的漏磁通检测技术。
1.2 管道机器人的国外研究现状
在机器人研究领域,能够在管道内工作的机器人,于 20 世纪中期就有国外的高校和
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