基于四轴飞行器管道机器人的研究与设计

 项目情况简介项目名称 项目类别 关键词 （最多五个） 基于四轴飞行器管道机器人的研究与设计 文科类（ ） 理科类（√ ） STM32F103，MPU-6050，超声波，摄像头，上位机 本设计以STM32F103C8T6为主控核心，由相应的电机驱动、超声波传感器、无线通信、姿态检测模块以及摄像头模块组成。该飞行器体积小，质量 项目研究 轻，能够在管道中自由、稳定的飞行。超声波模块能够检测飞行器与前方障内容摘要 碍的距离；红外测距模块能够检测并控制悬浮的高度，以确保飞行的可靠性；（200字以内） 姿态检测模块能够检测飞行器的飞行姿态，能够更好地进行控制；摄像头模块能够采集管道中的情况，通过无线实时传输到上位机上。该飞行器不仅可以应用于各种管道，而且在其他检测中也可以使用。 项目立项依据（研究意义、国内外研究现状及分析，附主要参考文献目录。基础研究需结合科学研究发展趋势来论述科学意义；应用研究需结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。300字以内） 管道机器人是迅速发展的机器人技术的一种重要应用。由于管道环境作业的特殊性，目前还没有一种令人满意的机器人结构能够很好地满足管道作业的各种要求。工业管道的工作环境非常恶劣，管道中的气体或液体通常是有毒有害的。管道在长期使用后容易发生腐蚀生锈甚至有可能破裂，这将会导致管道破损而引起有毒有害物质的泄漏。因此，定期对管道进行检测和维护是必不可少的。但是由于工业管道中恶劣的环境，检测和维护难度较大，通过人力是难以实现的。飞行器技术已经有了100多年的发展历史， 近年来的发展更为迅速，因而可以大胆设想将飞行器技术应用于管道机器人，形成一种全新的飞行式管道机器人结构。 现在的管道机器人常采用轮式、履带式和蠕动式，而轮式和履带式在遇到淤泥的时候就会卡死，人无法进入很难解决；蠕动式运动速度很慢，而且转动不易实现，前进方式为收缩前进方式，而且蠕动式管道机器人运动不连续且效率低。现有的管道机器人由于自身结构所限，在实际应用中存在以下的问题： 1）对管道的适应性差，特别对于很小的管径； 2）在管道内转弯困难，特别是丁字路口的转弯； 3）管道内可能有异物，管道本身也可能发生变形，阻碍机器人的运动。 本系统所设计的管道机器人能够很好的解决上述问题，具有较高的研究价值和应用前景。 参考文献（禁止出现作者，但必须有文章题目、期刊名、卷期页码） [1] 一种新型管道检测机器人系统[J].上海交通大学学报，2004，(8):41-43. [2] 管道机器人的研究进展[J].机床与液压，2008，(4):111-112. [3] 油烟管道清洗机器人控制系统设计与研究[D].上海:东华大学，2009. [4] 国内外微小管道机器人的研究现状[J].机械设计，2010，(12):53-54. [5] 电缆管道机器人视频监测系统的开发[D].上海:上海交通大学，2008. [6] 管道机器人的发展现状[J].机器人技术与应用，2003，(4):71-72. 1

研究内容、研究目标以及拟解决的关键问题（此部分为重点阐述内容，700字以内） 研究内容： 1) 合理设计四轴飞行器的外形结构； 2）飞控系统控制飞行器在管道中平稳飞行； 3）利用红外遥控指令实现悬浮、落地以及向前、后、左、右方向的运动； 4）利用红外距离传感器检测并控制悬浮的高度； 5）利用超声波模块检测飞行器前方障碍的具体位置； 6）利用MPU-6050姿态检测模块来检测飞行器在管道中的飞行姿态； 7）利用摄像头来采集管道中的情况，通过无线传输到上位机上。 研究目标： 将设计新型的基于四轴飞行器原理的管道机器人结构，基于飞行器的主控板，配置相应的电机驱动电路、传感器电路、通信电路以及电源转换电路。主要研究目标有以下几个方面： 1）主控核心采用STM32F103C8T6最小系统，此核心体积小，质量轻，具有强大的功能，是研究和设计飞行器的最佳选择，能够通过编程来实现飞行器在管道中自由，平稳的飞行； 2）通过红外遥控指令实现悬浮、落地以及向前、后、左、右方向的运动，红外遥控是一种无线、非接触控制技术，如抗干扰能力强，信息传输可靠，功耗低，成本低，易实现等优点。 3）通过红外距离传感器检测并控制悬浮的高度，飞行器在管道中飞行时很容易接触到管壁，会影响飞行器的稳定飞行，而利用红外距离传感器能够检测到飞行器与关闭的距离，通过设置距离的极限值来自动控制飞行器悬浮的高度； 4）通过超声波模块来检测飞行器前方障碍的具体位置，当飞行器在管道中飞行时会通过摄像头来采集管道内的情况，但是很难通过图像来判断前方距离，而超声波易于定向发射、方向性好、强度可控，测量距离远，能够定位出障碍的位置； 5）通过MPU-6050姿态检测模块来检测飞行器在管道中的飞行姿态，飞行器在管道中飞行我们是看不到的，用遥控器来控制很容易发生偏转，利用姿态检测模块来检测飞行的姿态能够很好的进行控制； 6）利用摄像头来采集管道中的情况，通过无线传输到上位机上，通过摄像头能够清楚地了解管道中的情况，维修工人能够更方便的进行维修。 关键问题： 1）通过红外遥控来精确的控制飞行器在管道中稳定飞行； 2）通过MPU-6050姿态检测模块来检测飞行器在管道中的飞行姿态； 3）通过无线将摄像头采集的视频和飞行姿态传输到上位机上。 项目情况简介 2

流程框图：

3

拟采取的研究方案及可行性分析（包括有关方法、技术路线、实验手段、关键技术等说明，500字以内） 有关方法：理论法、实验法。 技术路线：我们将先通过理论分析来对项目进行总体设计、优化，找到最优的比例方案，然后通过理论学习来了解各个模块的功能和使用方法，然后通过实验来熟悉各个模块的使用，最后再将各个模块综合起来，实现总的功能。 本小组对组员进行具体分工，对科研进行具体分化，加快科研进度，同时也将采用理论与实践相结合的方式，通过理论指导实践，再通过实践验证理论，使项目得到进一步优化。 本项目的特色与创新之处（200字以内） 1）能够在较小的范围内飞行，达到精确的控制； 2）能够通过红外传感器来自动控制飞行器的悬浮高度； 3）能够通过姿态检测模块来时时检测飞行器的飞行姿态； 4）能够通过无线将视频和姿态传输到上位机上。 经费预算及说明 科 目 申请经费 备 注（计算依据与说明） １、科研业务费 300 （1）测试/计算/分析费 200 仪器的借用、购买费用 （2）调研/文献/信息传播费 （3）其他 100 2、实验材料费 900 （1）原材料/试剂/药品购置费 800 相关元器件 （2）其他 100 3、仪器设备费 300 （1）购置 300 仪器仪表及焊接工具的购置 （2）试制 合 计 1500 研究计划及预期研究结果 研究计划： （1）12月-3月，学习相关的理论知识，为实物的制作打下理论基础 （2）3月-4月，进行程序设计，完成程序整体框架 （3）5月-6月，购买元器件，为实物的制作做前期的准备。 （4）6月-8月，实物制作。 （5）9月-10月，功能测试，并改进方案； （6）11月，撰写实验报告 预期研究结果： 能够实现我们的研究目标，真正的应用于实际中去，利用这个作品去参加毕昇杯，大创项目，并且能够申请专利。 项目情况简介

4