专利名称：管道内移动微型机器人的超声波在线定位方法
技术领域：
本发明属于自动化工程技术领域，涉及一种管内移动机器人在充满液体管道内的位置及速度在线检测的方法。
背景技术：
随着现代工业的发展，管道作为一种物料传输手段得到了越来越广泛的应用，但是当机器人对管道进行检测时，管道机器人的定位是一大难点。在实验室条件下，进行管道机器人行走等特性试验时，也涉及机器人位置检测的问题。通常的管道机器人是采用电机轴上码盘计程的方法，在确知起始点与目标之间的距离的条件下，间接计算出作业机构与目标之间的相对距离，显然这种传统的方法因结构复杂，应用于微管道机器人上具有局限性，尤其不能在液体环境下在线作业。目前机器人的无缆驱动技术成为新热点，是提高机器人作业可靠性的关键，国内外已研制出多种不同原理的管内无缆机器人，其驱动原理是靠驱动器，而不是电机，其管内定位问题还没有很好的解决。
目前微管道移动机器人的位置检测方法主要有机械式、射线式和摄像机型等定位系统。它们都在不同程度上存在着缺陷与不足。机械式的定位检测方法简便、安全性能好、但是结构比较复杂、可靠性不高；射线式定位检测方法定位准确、可靠性高，但是安全性能较差；摄像机型定位检测方法定位准确，但是造价太高。
综上所述，目前以超声波原理在管内充满液体的环境下，实现微管道机器人的实时位置检测还未见报道。
发明内容
本发明的目的是给出一种简单、准确的管内液体介质环境下，具有强电磁干扰时，移动机器人位置与速度的在线检测方法，提供不同使用条件下该检测方法的技术方案，从而实现外磁场驱动非拖缆移动机器人位置及速度的闭环控制，提高机器人的可靠性和实用性。
本发明应用超声波定位的原理，采用一个发射与接收一体的超声波传感器，发出脉冲信号，信号经目标机器人反射回来后由传感器接收，测出该信号的传播时间t，已知超声波在液体介质中的传播速度，然后根据公式s＝vt可以确定往返的路程，此路程的一半即为机器人与传感器的相对位置，从而确定了机器人的位置，本技术的关键是能在微小管内环境下，通过调整机器人本体结构，与液体环境形成较大的阻抗差，提高机器人本体对超声波信号的反射率，并通过超声回波信号的补偿方法来提高环境识别能力和测量精度。
本发明的技术方案是首先根据机器人本体的材料、结构等来确定其超声波信号反射率的大小，如果反射率小，可以通过加入大阻抗微小物质来调整机器人本体结构提高超声波信号的反射率，大阻抗微小物质就是相对液体介质的特性阻抗高的可应用在液体环境的物质，例如铜基片等。然后将液浸式收发一体超声波传感器固定在充满液体介质的管内，由PC机发出命通过下位机驱动传感器发出超声波脉冲信号，信号在液体介质中传播，遇到目标机器人后反射回来，在此期间由下位机控制超声波传感器完成发射接收电路转换，当信号返回到达传感器时开始接收信号，再通过接收信号处理电路，包括放大电路、滤波电路、A/D转换电路对采集信号的处理，同时对超声波的回波信号进行补偿，采用时控增益电路来进行接收波形的补偿。最后由高精度计时模块可计算出信号的传播时间，并根据超声波信号在液体介质中的传播速度来计算出机器人在管中相对于超声波传感器的具体位置，并且随着机器人移动时的位置变化，可以及时发出超声波信号来在线反映出机器人的位置，从而完成对机器人在微管道内液体介质下的位置检测，以便对机器人的行走特性进行实验分析以及行走控制。
超声波传感器安装结构主要分为两种第一种结构是将超声波传感器安装在管道的一端，结构如附图2所示1密封定位塞；2大阻抗微小物质；3机器人行走足或者尾翼；4机器人行走管道；5机器人本体结构；6管内液体介质；7为超声波传感器。它们构成了移动机器人的位置检测结构装置。首先将超声波传感器7固定在密封的定位塞1上，然后用固定好超声波传感器7的密封定位塞1将机器人行走管道4的一端密封良好，以防止管内的液体介质6在这一侧出现泄漏。这样结构装置准备完毕。
第二种结构是将超声波传感器安装在管道的中间任何位置，结构如图3所示2大阻抗微小物质；3机器人行走足或者尾翼；4机器人行走管道；5机器人本体结构；6管内液体介质；7超声波传感器；8螺母；9垫圈；10带有螺纹的传感器固定箱。它们构成了移动机器人的位置检测又一种结构装置。首先将超声波传感器7固定在带有螺纹的传感器固定箱10中，密封良好，然后根据传感器固定箱10的尺寸，在管道中间某处开槽，槽口的大小保证刚好放进装好传感器的传感器固定箱10即可，开好槽后，将带有传感器7的传感器固定箱10放入机器人行走管道4，位置合适后将槽口密封良好，然后再将传感器固定箱10上加上合适数量的垫圈9，并用螺母8将其固定好。这样结构装置准备完毕。
以上两种结构装置分别适应不同的测量场合。当可以将超声波传感器安装在管的一端时，就采用第一种结构，这种结构更加简单可行。如果实际条件要求传感器不能安装在管的一端，则可以采用第二种结构，虽然结构相对复杂，但也同样可行。
本发明的效果和益处是1.采用了收发电路及转换为一体的超声波传感器，使在线检测装置简单，成本低廉，便于安装。
2.可实现管内机器人位置、速度的在线检测，在机器人移动的过程中，也可以发射和接受超声波来确定其相对传感器的位置，以及时反馈其位置信息，从而实现机器人的实时控制。
3.该技术可以用于一般机器人关内的位置检测，尤其适合于小管内液体介质环境下的作业，超声波信号不但不受液体环境的干扰，反而在液体环境下，信号的衰减程度更小，适合进行较长距离的测量。
4.通过调整机器人本体结构，即在本体上填加微小大阻抗物质，可与液体环境形成较大的阻抗差，进而提高超声波的反射率，并通过超声回波信号的补偿方法来提高环境识别能力和测量精度。
5.由于要求超声波测量的范围从几毫米到一米的范围内，超声回波的衰减程度差别很大。本项目采用因此超声回波信号的补偿的关键技术使超声波在传播过程中的散射衰减、在液体中的衰减和声速扩散造成的衰减得以有效的补偿。
6.两种传感器安装结构，可以根据实际的操作环境来选择采用。
附图1是管内液体环境下移动机器人的位置检测系统图。
图1中电路模块主要分为传感器驱动电路模块、传感器收发转换电路模块、信号接收电路模块、信号处理电路模块、A/D转换电路模块高精度计时模块等，以及进行控制与数据处理的上位机与下位机。通常下位机采用速度比较快的微处理器，而上位机就是PC机。
图1中1密封定位塞；2大阻抗微小物质；3机器人行走足或者尾翼；4机器人行走管道；5机器人本体结构；6管内液体介质；7为超声波传感器。
附图2是超声波传感器固定在管的一端装置图。
图2中各部件序号与图1中所示序号一致。
附图3是超声波传感器固定在管的中间任何部位的装置图。
图3中2大阻抗微小物质；3机器人行走足或者尾翼；4机器人行走管道；5机器人本体结构；6管内液体介质；7超声波传感器；8螺母；9垫圈；10带有螺纹的传感器固定箱。
具体实施例方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式
。
首先根据不同的测量场合，来选择图2和图3两种传感器安装结构。当可以将超声波传感器安装在管的一端时，采用第一种结构，否则采用第二种结构。下面采用第一种结构来加以说明。
根据机器人本体5的材料、结构等来确定其超声波信号反射率的大小，如果反射率小，可以通过加入大阻抗微小物质2来调整机器人本体结构，以提高超声波信号的反射率，再将液浸式收发一体超声波传感器7固定在密封的定位塞1上，然后用固定好超声波传感器7的密封定位塞1将机器人行走管道4的一端密封良好。结构装置安装完毕后，由PC机发出命令驱动超声波传感器7发出超声波脉冲信号，信号在液体介质6中传播，遇到目标机器人5后反射回来，在此期间由下位机控制超声波传感器7快速完成发射接收电路转换，当信号返回到达传感器7时开始接收信号，再通过接收信号处理电路，包括放大电路、滤波电路、A/D转换电路、对采集信号的处理，同时对超声波的回波信号进行补偿，采用时控增益电路来进行接收波形的补偿。最后由高精度计时模块计算出信号的传播时间，根据超声波信号在液体介质6中的传播速度来由下位机计算出机器人5在管道4中相对于超声波传感器7的具体位置，并且随着机器人5移动时的位置变化，可以及时发出超声波信号来在线反映出机器人5的相对位置，从而完成对机器人5在微管道4内液体介质下的位置检测过程。
权利要求
1.一种管道内移动微型机器人的超声波在线定位方法，其特征在于a)，采用液浸式发射接收信号一体的超声波传感器(7)作为测量探头，测量环境为充满液体介质(6)的管道(4)内部；b)，利用超声波测距的原理实现移动机器人的在线位置检测；c)，可根据测量环境来选择的两种超声波传感器安装结构，一种传感器位于管的一端，将超声波传感器固定在密封塞(1)中心，然后根据不同的管径选择密封塞(1)将管的一端密封；另一种传感器位于管中间任何部位，先将管开槽，然后将传感器(7)及其定位防液体装置放入管内，再将开槽处封闭；d)，在机器人本体上添加相对液体环境大阻抗微小物质(2)，并采用超声回波信号补偿的方法补偿超声波在传播过程中的散射衰减、在液体中的衰减和声速扩散造成的衰减。
全文摘要
本发明属于自动化工程技术领域，涉及一种管内移动机器人在充满液体管道内的位置及速度在线检测的方法。其技术特征是在机器人本体上填加大阻抗物质，提高超声波的反射率，并采用液浸式收发一体超声波传感器发射脉冲信号，接收目标反射信号，通过超声回波信号的补偿方法使超声波在液体中传播过程中的散射、声速扩散造成的衰减得以有效的补偿，测出该信号传播时间，确定机器人的位置。本发明的效果和益处是提高了超声波对环境的识别能力和测量精度，能实现管道内移动机器人的在液体介质内的在线位置和速度的检测，具有测量距离长，结构简单、定位准确、抗电磁干扰能力强，安全可靠等优点，可实现无缆电磁驱动微机器人在液体内的在线定位。
文档编号B25J13/08GK1601300SQ20041005060
公开日2005年3月30日 申请日期2004年10月13日 优先权日2004年10月13日
发明者张永顺, 郭锐, 刘煜, 贾振元, 郭东明 申请人:大连理工大学