用于飞机进气道自动喷涂的机器人、控制系统及控制方法与流程

本发明涉及技术领域，具体的说，是用于飞机进气道自动喷涂的机器人、控制系统及控制方法。

背景技术：

随着现代科学技术的不断进步，尤其是传感器和执行器处理能力的提高、计算机技术的发展以及机械设计和数控加工工具的进步等共同推动了机器人的迅速发展。智能机器人已经被广泛应用于工程、生产制造以及生活等各个领域，它凭借着小型化、智能化以及灵活性高等优点能够在一些重复繁重的劳动以及工作中代替人类，甚至可以在一些极端危险的环境下代替人类执行任务。

目前飞机进气道喷漆主要采用人工喷涂和机器臂喷漆相结合的工作方式。传统的人工进入进气道喷漆的方式受工作空间的局限使得工人操作不便，且油漆对于人体健康造成极大的伤害，同时由于该方法具有操作效率低、油漆喷涂不均匀等诸多局限性，无法满足飞机表面高度平整的工艺要求。采用工业机械臂伸入进气道喷涂可以解决上述方法的大部分难题，但该方法也存在如下弊端。首先，工业机械臂自身体积大，在进气道这样有限的作业空间里降低了其灵活性；其次进气道由于长度较大，也给机械臂的设计和工作均提出了极大的挑战；最后，机器臂在进气道里面作业时，外部无法获知里面的工作情况。以上三点极其容易造成机器臂撞坏飞机进气道，轻则造成严重的经济损失，重则造成安全事故。因此，需要设计一款小巧灵活并能够进退自如的智能设备用于飞机进气道的喷涂工作。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供用于飞机进气道自动喷涂的机器人、控制系统及控制方法，实现了对飞机进气道未喷涂区域的准确定位，实现了均匀自动喷涂的目的。

本发明通过下述技术方案实现：

用于飞机进气道自动喷涂的机器人控制系统，与机器人配合使用，包括控制单元、与控制单元连接的上位机后台监控系统、与控制单元连接且用于控制机器人的喷头枪头喷涂的喷涂系统、与控制单元连接用于驱动机器人行径的舵机驱动系统以及与控制单元连接的避障模块。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述喷涂系统包括分别与控制单元连接图像采集模块和照明模块，所述图像采集模块和照明模块分别安装在喷涂枪头上。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述控制单元的型号为stm32f103，所述避障模块为u1超声波传感器，所述舵机驱动系统的型号为aa5108；

所述u1超声波传感器的引脚2与stm32f103的pc8引脚连接，所述u1超声波传感器的引脚3与stm32f103的pc9引脚连接；

所述aa5108的vin引脚与stm32f103中未使用的pa引脚/pb引脚/pc引脚连接。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述图像采集模块与控制单元之间还设置有数据传输模块、d/a数模转换模块，所述摄像头采用模块的输出端依次连接d/a数模转换模块、数据传输模块，所述数据传输模块与控制单元连接。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述的照明模块包括多组并联的发光二极管组、三极管q2、电阻组；所述发光二极管组的阴极与三极管q2的集电极连接，三极管q2的发射极接地，三极管q2的基极分别与电阻组的一端连接，电阻组的另一端与控制单元连接。

进一步地，为了更好的实现本发明，还包括与控制单元连接的信号指示灯以及分别与照明模块、控制单元、图像采集模块、舵机驱动系统连接的电源控制模块。

用于飞机进气道自动喷涂的机器人，包括支撑板、安装在支撑板上的机械臂、安装在支撑板远离机械臂一侧的爬行足、安装在机械臂远离支撑板一侧喷涂枪头，所述爬行足的数量为六组且均与支撑板连接。

进一步地，为了更好的实现本发明，每组所述爬行足包括依次与支撑板铰接的转向关节、腿关节以及胫关节；所述胫关节远离腿关节的一端安装有吸盘；

所述腿关节与胫关节之间设置有绕x轴转动的第一x轴舵机、所述转向关节与腿关节之间设置有绕x轴转动的第二x轴舵机、所述转动关节与支撑板之间设置有设置有绕z轴转动的第一z轴舵机；

所述机械臂包括固定安装在支撑板上的固定座、安装在固定座上的第一驱动臂、与第一驱动臂铰接的第二驱动臂；所述喷涂枪头与第二驱动臂远离第一驱动臂一端铰接；所述第一驱动臂与第二驱动臂之间设置有绕y轴转动的y轴舵机，所述第二驱动臂与喷涂枪头之间设置有绕x轴转动的第三x轴舵机；所述喷涂枪头远离第三x轴舵机的一端安装有照明灯和摄像头。

所述第一x轴舵机、第二x轴舵机、第三x轴舵机、y轴舵机以及第一z轴舵机分别与舵机驱动系统连接。

用于飞机进气道自动喷涂的机器的控制方法，具体包括以下步骤：

步骤s1：将机器人置于进气道的入口处，并以该入口作为自动喷涂行机器人的起始工作位置；

步骤s2：启动机器人及上位机后台监控系统。

步骤s3：图像信息采集：图像采集模块采集的视频图像数据通过数据传输模块传输到上位机后台监控系统，以作为图像识别的数据源；

步骤s4：图像滤波：上位机后台监控系统采用高增滤波算法去除图像中的噪声信号，提高图像的质量并且使模糊的图像变清晰，具体是指：

步骤s41：从原始图像中减去原始图像的平滑图像，得到一个高增图像；即：

g(x,y)＝f(x,y)-fs(x,y)(1)；

式(1)中，g(x,y)表示得到的高增图像，f(x,y)表示输入图像，fs(x,y)表示输入图像的平滑图像；

步骤s42：将原始图像和高增图像分别与不同的值相乘，再将相乘的结果相加即可得到新图像；

fhb(x,y)＝af(x,y)+kg(x,y)(2)；

式(2)中，fhb(x,y)表示新图像，a和k是比例系数，且a≥0,0≤k≤1；

步骤s5：目标分类识别：图像中针对待喷涂区域的检测定义好颜色的特征参数，选择使用感知上均匀的颜色空间等分析方法；

步骤s6：定位好待喷涂区域后，此时由上位机后台控制系统给喷漆系统发送指令，喷漆枪头对准识别出的未喷涂区域进行喷漆；

步骤s7：所述机械臂前端的第三x轴舵机绕飞机进气道环面转动的角度为θ，该角度所对应的弧长l等于喷漆的宽度w，即w＝l＝θπr/180；

步骤s8：重复执行步骤s3至步骤s7，直到第一x轴舵机、第二x轴舵机、第三x轴舵机、y轴舵机以及第一z轴舵机分别绕进气道环面旋转360度为止；

步骤s9：解除吸盘锁定状态，自动喷涂行机器人后退，后退的距离为d；

当机器人停止后退，吸盘结构处于工作状态，爬行足牢固地贴紧地面；

所述后腿的距离d等于上一次喷漆的宽度w，即d＝w；

步骤s10：执行步骤s8；

步骤s11：反复执行上述步骤s9、步骤s10，直到自动喷涂行机器人后退至飞机进气道的另一端，完成喷涂。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明实现了对飞机进气道未喷涂区域的准确定位，实现了均匀自动喷涂的目的；

(2)本发明利用机器人代替人类进入狭窄空间采集工作环境的视频图像数据，并结合遥控技术实现对机器人运动过程的控制；有效的实现了机械化、自动化喷涂。

附图说明

图1为本发明的控制系统连接关系示意图；

图2为本发明中机器人的结构示意图；

图3为本发明中控制单元的电路图；

图4为本发明中舵机驱动系统的电路图；

图5为本发明中照明模块的电路图；

图6为本发明中避障模块的电路图；

图7为本发明中电源控制模块的电路图；

图8为本发明中信号指示灯的电路图；

其中1—吸盘；2—胫关节；3—第一x轴舵机；4—腿关节；5—第二x轴舵机；6—第一z轴转舵机；7—支撑板；8—固定座；9—第一驱动臂；10—y轴舵机；11—第二驱动臂；12—第三x轴舵机；13—照明灯；14—喷漆枪头；15—摄像头。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

本发明通过下述技术方案实现，如图1-图8所示，用于飞机进气道自动喷涂的机器人控制系统，包括控制单元、与控制单元连接的上位机后台监控系统、与控制单元连接且用于控制机器人的喷头枪头喷涂的喷涂系统、与控制单元连接用于驱动机器人行径的舵机驱动系统以及与控制单元连接的避障模块。

需要说明的是，通过上述改进，在使用过程中，操作人员将机器人安置在飞机进气道的入口处，喷涂系统对进气道内的信息进行采集并发送给控制单元，控制单元将信息处理分析后传递给上位机后台监控系统，操作人员通过上位机后台监控系统即可看到进气道内的信息，从而控制机器人的喷涂枪头14对进气道内进行喷涂，当一定的区域喷涂完成后，操作人员将通过控制单元将驱动机器人在进气道内行走，进行其他区域的喷涂，直到进气道内全部喷涂完成。

实施例2：

本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，如图1所示，所述喷涂系统包括分别与控制单元连接图像采集模块和照明模块，所述图像采集模块和照明模块分别安装在喷涂枪头14上。

需要说明的是，通过上述改进，图像采集模块对进气道内的情况进行采集，并传递给控制单元，控制单元对信息进行处理后传递给上位机后台监控系统，使得操作人员能够实时了解机器人在进气道内的喷涂情况，避免喷涂出现误差。照明模块用于照亮进气道内的工作环境，使得图像采集模块能够对进气道内的工作情况进行信息收集。上位机后台监控系统根据得到的图像确定待喷涂区域，下达任务指令，喷涂系统从而实现喷涂，从而达到自动化、智能化的目的。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

实施例3：

本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，如图3、图4、图6所示，所述控制单元的型号为stm32f103，所述避障模块为u1超声波传感器，所述舵机驱动系统的型号为aa5108；

所述u1超声波传感器的引脚2与stm32f103的pc8引脚连接，所述u1超声波传感器的引脚3与stm32f103的pc9引脚连接；避障模块在喷涂过程中实时的对机器人相对于进气道的位置进行测量，避障模块使得机器人各部分与进气道内壁保持一定的安全距离，有效预防爬行机器人在工作时对飞机进气道造成破坏。

所述图像采集模块与控制单元之间还设置有数据传输模块、d/a数模转换模块，所述摄像头15采用模块的输出端依次连接d/a数模转换模块、数据传输模块，所述数据传输模块与控制单元连接。图像采集模块所采集的数字视频信号被d/a数模转换模块转换成模拟视频信号进行上传，充分利用模拟信号传输时占用频谱较窄，信道利用率高的优点。

所述的照明模块包括多组并联的发光二极管组、三极管q2、电阻组；所述发光二极管组的阴极与三极管q2的集电极连接，三极管q2的发射极接地，三极管q2的基极分别与电阻组的一端连接，电阻组的另一端与控制单元连接。如图5所示，多组所述发光二极管组包括第一发光二极管组，第二发光二极管组，第三发光二极管组，第四发光二极管组，第五发光二极管组；第一发光二极管组包括依次连接发光二极管led4、led5；第二发光二极管组包括发光二极管led6、led7；第三发光二极管组包括依次连接的发光二极管led8、led9；第四发光二极管组包括依次连接的发光二极管led610、led11；第五发光二极管组包括依次连接的发光二极管led612、led13；

发光二极管led4、led6、led8、led10、led12的阳极均接入电源，发光二极管led4、led6、led8、led10、led12分别与led5、led7、led9、led11、led13串联，led5、led7、led9、led11、led13的阴极分别与三极管q2的集电极连接，三极管q2的发射极接地，三极管q2的基极分别与电阻8.2k、电阻4.3k、电阻2k、电阻1k、电阻431的一端连接，电阻8.2k的另一端与控制单元的pc3引脚连接、电阻4.3k的另一端与控制单元的pc4引脚连接；电阻2k的另一端与控制单元的pc5引脚连接；电阻1k的另一端与控制单元的pc6引脚连接；电阻431的另一端与控制单元的pc7引脚连接；

还包括与控制单元连接的信号指示灯以及分别与照明模块、控制单元、图像采集模块、舵机驱动系统连接的电源控制模块。如图8所示，信号指示灯包括通过电阻1k与控制单元pc0引脚连接的发光二极管led1、通过电阻1k与控制单元pc1引脚连接的发光二极管led2、通过电阻1k与控制单元pc2引脚连接的发光二极管led3；所述发光二极管led1、led2、led3的阳极均接入电源。

如图7所示，电源控制模块将电压降至照明模块、控制单元、图像采集模块、舵机驱动系统需要的电压，自取连接即可实现供电。

所述aa5108的vin引脚与stm32f103中未使用的pa引脚/pb引脚/pc引脚连接。

本系统还包括与控制单元连接的操纵杆控制系统，操纵杆控制系统通过无线网络模块与控制单元连接，通信模块用于将操纵杆产生的运动姿态命令发送控制单元，控制单元将数据反馈给上位机后台监控系统，上位机后台监控系统进行解析，并将解析后的信息发送到控制单元从而将实现机器人运动的控制，所述运动姿态命令包括前进、后退以及转弯。

所述上位机后台监控系统为计算机。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

实施例4：

如图2所示，用于飞机进气道自动喷涂的机器人，包括支撑板7、安装在支撑板7上的机械臂、安装在支撑板7远离机械臂一侧的爬行足、安装在机械臂远离支撑板7一侧喷涂枪头14，所述爬行足的数量为六组且均与支撑板7连接。

每组所述爬行足包括依次与支撑板7铰接的转向关节、腿关节4以及胫关节2；所述胫关节2远离腿关节4的一端安装有吸盘1；

所述腿关节4与胫关节2之间设置有绕x轴转动的第一x轴舵机3、所述转向关节与腿关节4之间设置有绕x轴转动的第二x轴舵机5、所述转动关节与支撑板7之间设置有设置有绕z轴转动的第一z轴舵机6；所述第一x轴舵机3的输出端与胫关节2连接，所述第二x轴舵机5的输出端与腿关节4连接，所述第一z轴舵机6的输出端与转向关节连接。

所述机械臂包括固定安装在支撑板7上的固定座8、安装在固定座8上的第一驱动臂9、与第一驱动臂9铰接的第二驱动臂11；所述喷涂枪头14与第二驱动臂11远离第一驱动臂9一端铰接；所述第一驱动臂9与第二驱动臂11之间设置有绕y轴转动的y轴舵机10，所述第二驱动臂11与喷涂枪头14之间设置有绕x轴转动的第三x轴舵机12；所述y轴舵机10的输出端与第二驱动臂11连接，第三x轴舵机12的输出端与喷涂枪头14连接；所述喷涂枪头14远离第三x轴舵机12的一端安装有照明灯13和摄像头15。

所述第一x轴舵机3、第二x轴舵机5、第三x轴舵机12、y轴舵机10以及第一z轴舵机6分别与舵机驱动系统连接。控制单元通过舵机驱动系统从而实现机器人在进气道内的行走和喷涂控制。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

实施例5：

如图1-图7所示，用于飞机进气道自动喷涂的机器的控制方法，具体包括以下步骤：

步骤s1：将机器人置于进气道的入口处，并以该入口作为自动喷涂行机器人的起始工作位置；

步骤s2：启动机器人及上位机后台监控系统。

步骤s3：图像信息采集：图像采集模块采集的视频图像数据通过数据传输模块传输到上位机后台监控系统，以作为图像识别的数据源；

步骤s4：图像滤波：上位机后台监控系统采用高增滤波算法去除图像中的噪声信号，提高图像的质量并且使模糊的图像变清晰，具体是指：

步骤s41：从原始图像中减去原始图像的平滑图像，得到一个高增图像；

g(x,y)＝f(x,y)-fs(x,y)(1)；

式(1)中，g(x,y)表示得到的高增图像，f(x,y)表示输入图像，fs(x,y)表示输入图像的平滑图像；

步骤s42：将原始图像和高增图像分别与不同的值相乘，再将相乘的结果相加即可得到新图像；

fhb(x,y)＝af(x,y)+kg(x,y)(2)；

式(2)中，fhb(x,y)表示新图像，a和k是比例系数，且a≥0,0≤k≤1；优选的，当0.2≤k≤0.7时，滤波效果最好。

步骤s5：目标分类识别：图像中针对待喷涂区域的检测定义好颜色的特征参数，选择使用感知上均匀的颜色空间等分析方法；

步骤s6：定位好待喷涂区域后，此时由上位机后台控制系统给喷漆系统发送指令，喷漆枪头对准识别出的未喷涂区域进行喷漆；

步骤s7：所述机械臂前端的第三x轴舵机12绕飞机进气道环面转动的角度为θ，该角度所对应的弧长l等于喷漆的宽度w，即w＝l＝θπr/180；

步骤s8：重复执行步骤s3至步骤s7，直到第一x轴舵机3、第二x轴舵机5、第三x轴舵机12、y轴舵机10以及第一z轴舵机6分别绕进气道环面旋转360度为止；

步骤s9：解除吸盘1锁定状态，自动喷涂行机器人后退，后退的距离为d；当机器人停止后退，吸盘1结构处于工作状态，爬行足牢固地贴紧地面；

所述后腿的距离d等于上一次喷漆的宽度w，即d＝w；

步骤s10：执行步骤s8；

步骤s11：反复执行上述步骤s9、步骤s10，直到自动喷涂行机器人后退至飞机进气道的另一端，完成喷涂。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。