CN103586870A - 蒸汽发生器爬壁机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种蒸汽发生器爬壁机器人，其包括行走系统、控制系统、定位系统以及交互系统，行走系统包括动力源机构、运动机构以及吸附机构，控制系统包括：主控模块、处理模块以及存储模块。定位系统获取机器人与传热管的位置关系信息、或机器人的运动属性信息；处理模块根据位置关系信息或运动属性信息获取机器人的实时位置；主控模块根据实时位置以及预设运动路径向动力源机构发送控制指令；交互系统接收外部指令信号，主控模块还根据实时位置以及外部指令信号向动力源机构发送控制指令。本发明提出的蒸汽发生器爬壁机器人可自动获取其当前位置，定位精准，可以在蒸汽发生器内部实施高效、精确的检测和维护。
Description
【技术领域】
本发明涉及自动化控制领域，尤其涉及一种蒸汽发生器爬壁机器人。
【背景技术】
自福岛核电站发生事故以来，核电站的安全性、可靠性受到社会各界的普遍关注，核电站的定期安全检查是保障核电站正常运行的重要措施。随着科技水平的不断提高，自动化、智能化的检测机器人可以代替检测人员进入危险、狭小的空间进行检测，检测人员可以远程遥控操作检测机器人，从而保证了操作人员的安全，提高了检测效率。
蒸汽发生器是核电站中用于将一回路冷却剂与二回路给水进行热交换的重要设备，是产生饱和蒸汽供给二回路的动力装置。若蒸汽发生器长期不清洁，往往会形成一定厚度的泥渣堆积层，从而导致堆积层内传热管的多种形式的破损。因此，通过蒸汽发生器爬壁机器人对管板二次侧进行全面和实时的清洁度检查、以维持蒸汽发生器的正常运行是十分必要的。
现有技术中的蒸汽发生器爬壁机器人以小车为载体，在蒸汽发生器内部竖直壁面上吸附和行走。该机器人包括至少两个轮子，轮上装有永磁体，且分别由电机独立驱动，其缺点是无法自动定位、自动导航，不能够在蒸汽发生器内部实施高效、精确的检测和维护。
【发明内容】
本发明旨在解决上述现有技术中存在的问题，提出一种蒸汽发生器爬壁机器人。
本发明提出的蒸汽发生器爬壁机器人包括行走系统、控制系统、定位系统以及交互系统，所述行走系统包括动力源机构、运动机构以及吸附机构，所述控制系统包括：主控模块、处理模块以及存储模块。其中，所述存储模块存储蒸汽发生器内部三维结构图像以及机器人预设运动路径；所述定位系统获取所述机器人与所述传热管的位置关系信息、或所述机器人的运动属性信息；所述处理模块根据所述位置关系信息或运动属性信息、同时结合所述三维结构图像获取所述机器人在所述蒸汽发生器内部的实时位置；所述主控模块根据所述实时位置以及预设运动路径向所述动力源机构发送控制指令，所述动力源机构为所述运动机构提供动力；所述交互系统接收外部指令信号，所述主控模块还根据所述实时位置以及外部指令信号向所述动力源机构发送控制指令；所述交互系统显示所述机器人的实时位置。
本发明提出的蒸汽发生器爬壁机器人通过获取其与传热管的位置信息和/或所述机器人的运动属性信息，从而自动计算其当前位置。本发明提出的蒸汽发生器爬壁机器人定位精准，可以在蒸汽发生器内部实施高效、精确的检测和维护。
【附图说明】
图1为蒸汽发生器的侧面剖视图。
图2为本发明一实施例的蒸汽发生器爬壁机器人系统结构图。
【具体实施方式】
下面结合具体实施例及附图对本发明作进一步详细说明。下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明的技术方案，而不应当理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。
本发明公开了一种蒸汽发生器爬壁机器人，该蒸汽发生器爬壁机器人用于清洁和检测蒸汽发生器中的传热管。如图1所示，蒸汽发生器是一直径约3至4米的圆柱形设备，其内部分布有约上千根用于热交换的传热管，其中，传热管12与蒸汽发生器内壁11的间距约100毫米。
如图2所示，本发明提出的蒸汽发生器爬壁机器人包括行走系统100、控制系统200、定位系统300以及交互系统400，所述行走系统100进一步包括动力源机构101、运动机构102以及吸附机构103，所述控制系统200进一步包括：主控模块201、处理模块202以及存储模块203。
其中，存储模块203预先存储了所述蒸汽发生器内部的三维结构图像以及机器人预设运动路径；定位系统300用于获取所述机器人与所述传热管的位置关系信息或所述机器人的运动属性信息；处理模块202根据所述位置关系信息或运动属性信息、同时结合所述三维结构图像获取所述机器人在所述蒸汽发生器内部的实时位置；主控模块201根据所述实时位置以及预设运动路径向动力源机构101发送控制指令，动力源机构101为运动机构102提供动力；交互系统400接收外部指令信号，主控模块201还根据所述实时位置以及外部指令信号向动力源机构101发送控制指令；交互系统400还用于显示所述机器人的实时位置。
下面将通过多个实施例对本发明提出的蒸汽发生器爬壁机器人各组成部分及其工作原理作进一步详细描述。
在实施例一中，定位系统300包括安置于所述机器人本体上的摄像头。
具体地，所述摄像头用于获取所述蒸汽发生器内部传热管的分布图像。处理模块202对所述摄像头采集到的当前帧对应的分布图像与上一帧对应的分布图像进行归一化匹配，获得所述机器人的相对位置概率分布，处理模块202还对当前帧对应的分布图像与存储模块203存储的三维结构图像进行归一化匹配，从而获得所述机器人的绝对位置概率分布；最终，处理模块202对所述相对位置概率分布以及绝对位置概率分布进行融合对比，从而获得所述机器人的实时位置。
优选地，处理模块202对所述分布图像先后进行灰度化处理以及边缘检测，获取传热管的分布轮廓图，处理模块202基于归一化匹配算法对当前帧分布轮廓图与上一帧分布轮廓图进行匹配，并对当前帧分布轮廓图与所述三维结构图像进行匹配。其中，采用的边缘检测算法包括但不限于Canny边缘检测算法等数字图像边缘检测算法。
其中，上述归一化匹配操作所采用的算法的原理为：使用一定大小的搜索窗口穷尽所搜选取待匹配图像，求其与同样大小图像模板的互相关值并作归一化处理，所述互相关值即为与搜索窗口位置有关的概率值，所述互相关值越大说明搜索窗口与模板越相似，当所述互相关值大于某一预设阈值时，可认为该搜索位置即为匹配位置。在确定两幅图像的匹配位置之后，就可以确定所述机器人的在两幅图像之间的相对位移信息，从而获取所述机器人的位置概率分布。
优选地，处理模块202基于卡尔曼滤波器对所述相对位置概率分布以及绝对位置概率分布进行融合对比，获得所述机器人的实时位置。
在实施例二中，定位系统300除包括摄像头之外，还包括结构光发射装置。所述结构光发射装置设置在所述机器人本体上。所述结构光发射装置向所述传热管发射结构光，在受所述传热管分布的深度信息调制之后，所述摄像头捕获到具有深度信息的当前变形光条纹图像。处理模块202同时根据所述三维结构图像、所述结构光发射装置在机器人上的位置、所述摄像头相对于结构光发射装置的位置获取具有深度信息的预测光条纹图像，最终处理模块202对所述当前变形光条纹图像以及预测光条纹图像进行融合对比，获取所述机器人的实时位置。
优选地，处理模块202基于卡尔曼滤波器对所述当前变形光条纹图像以及预测光条纹图像进行融合对比，从而获取所述机器人的实时位置。
在实施例三中，定位系统300除包括摄像头之外，还包括位移统计装置以及惯性导航装置，所述位移统计装置用于获取所述机器人的位移值，所述惯性导航装置用于实时测量所述机器人的角速度以及加速度。处理模块202根据所述位移值、角速度以及加速度，并结合通过摄像头获取的机器人初始位置以及所述三维结构图像确定所述机器人的实时位置。
优选地，所述位移统计装置包括编码盘，所述编码盘用于统计所述机器人的行走距离。
在实施例三的一个优选实施例四中，所述位移统计装置包括接触元件，所述接触元件从机器人本体上引出，用于与所述传热管接触时进行计数。处理模块202根据所述计数结果计算出所述机器人通过所述传热管的数目，并由此统计所述机器人的行走距离。其中，所述接触元件包括但不限于拨片、探针、接触开关等。
在实施例五中，定位系统300除包括惯性导航装置以及红外线收发装置，处理模块202根据所述机器人当前姿态实时调整所述红外线收发装置的发射方向保持水平，处理模块202根据传热管对红外线的反射计算出所述机器人经过所述传热管的数目，处理模块202结合所述三维结构图像获取所述机器人的实时位置。其中，所述机器人的当前姿态可由所述惯性导航装置通过测量所述机器人当前的角速度而获得。
优选地，在实施例三、四、五中所述的惯性导航装置包括陀螺仪以及加速度传感器，所述陀螺仪用于测量所述机器人的角速度，所述加速度传感器用于测量所述机器人的加速度。
在实施例六中，定位系统300包括激光测距仪，所述激光测距仪设置于所述机器人本体上。其中，所述激光测距仪用于测量所述机器人与所述传热管的距离，处理模块202根据所述距离获取传热管的当前分布三维点阵图；处理模块202还根据所述三维结构图像、所述激光测距仪设置在机器人上的位置获取传热管的预测分布三维点阵图；处理模块202最终对所述当前分布点阵图以及预测分布点阵图进行融合对比，获得所述机器人的实时位置。
优选地，处理模块202基于卡尔曼滤波器对所述当前分布点阵图以及预测分布点阵图进行融合对比，从而获取所述机器人的实时位置。
在上述实施例一至六中，动力源机构101包括但不限于PWM（Pulse WidthModulator，脉宽调制器式）直流电机；运动机构102可以为轮式或履带式；吸附机构103可以为磁铁，用于吸附在所述蒸汽发生器内壁上。
优选地，交互系统400可以是触控式屏幕。交互系统400可用于接收外部指令信号，还可用于显示所述机器人的实时位置。
本发明提出的蒸汽发生器爬壁机器人通过上述六种定位方式获取其与传热管的位置信息和/或所述机器人的运动属性信息，从而自动获取其当前位置，并向机器人控制人员展示，控制人员可根据所述机器人的当前位置实时控制所述机器人的行走，此外所述机器人的运动轨迹还可以预先进行设置。本发明提出的蒸汽发生器爬壁机器人定位精准，可以在蒸汽发生器内部实施高效、精确的检测和维护。
虽然本发明参照当前的较佳实施方式进行了描述，但本领域的技术人员应能理解，上述较佳实施方式仅用来解释和说明本发明的技术方案，而并非用来限定本发明的保护范围，任何在本发明的精神和原则范围之内，所做的任何修饰、等效替换、变形、改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种蒸汽发生器爬壁机器人，用于清洁和检测蒸汽发生器中的传热管，所述机器人包括行走系统、控制系统、定位系统以及交互系统，所述行走系统包括动力源机构、运动机构以及吸附机构，所述控制系统包括主控模块、处理模块以及存储模块，其中，
所述存储模块存储蒸汽发生器内部三维结构图像以及机器人预设运动路径；
所述定位系统获取所述机器人与所述传热管的位置关系信息、或所述机器人的运动属性信息；
所述处理模块根据所述位置关系信息或运动属性信息、同时结合所述三维结构图像获取所述机器人在所述蒸汽发生器内部的实时位置；
所述主控模块根据所述实时位置以及预设运动路径向所述动力源机构发送控制指令，所述动力源机构为所述运动机构提供动力；
所述交互系统接收外部指令信号，所述主控模块还根据所述实时位置以及外部指令信号向所述动力源机构发送控制指令；
所述交互系统显示所述机器人的实时位置。
2.根据权利要求1所述的蒸汽发生器爬壁机器人，其特征在于，所述定位系统包括摄像头。
3.根据权利要求2所述的蒸汽发生器爬壁机器人，其特征在于，
所述摄像头获取蒸汽发生器内部传热管的分布图像；
所述处理模块对当前帧分布图像与上一帧分布图像进行归一化匹配，获得所述机器人的相对位置概率分布；
所述处理模块对当前帧分布图像与所述三维结构图像进行归一化匹配，获得所述机器人的绝对位置概率分布；
所述处理模块对所述相对位置概率分布以及绝对位置概率分布进行融合对比，获得所述机器人的实时位置。
4.根据权利要求3所述的蒸汽发生器爬壁机器人，其特征在于，所述处理模块对所述分布图像灰度化并进行边缘检测，获取传热管的分布轮廓图，所述处理模块基于归一化匹配算法对当前帧分布轮廓图与上一帧分布轮廓图进行匹配、以及对当前帧分布轮廓图与所述三维结构图像进行匹配。
5.根据权利要求2所述的蒸汽发生器爬壁机器人，其特征在于，所述定位系统还包括结构光发射装置，其中，
所述结构光发射装置向所述传热管发射结构光，所述摄像头获取具有深度信息的当前变形光条纹图像；
所述处理模块根据所述三维结构图像、所述结构光发射装置在机器人上的位置、所述摄像头相对于结构光发射装置的位置获取具有深度信息的预测光条纹图像；
所述处理模块对所述当前变形光条纹图像以及预测光条纹图像进行融合对比，获取所述机器人的实时位置。
6.根据权利要求2所述的蒸汽发生器爬壁机器人，其特征在于，所述定位系统包括位移统计装置以及惯性导航装置，所述位移统计装置获取所述机器人的位移值，所述惯性导航装置测量所述机器人的角速度以及加速度，所述处理模块根据所述位移值、角速度以及加速度，并结合所述三维结构图像获取所述机器人的实时位置。
7.根据权利要求6所述的蒸汽发生器爬壁机器人，其特征在于，所述位移统计装置包括编码盘或接触元件，所述接触元件从机器人本体上引出。
8.根据权利要求6所述的蒸汽发生器爬壁机器人，其特征在于，所述定位系统还包括红外线收发装置，所述处理模块根据所述机器人当前姿态实时调整所述红外线收发装置的发射方向保持水平，所述处理模块根据传热管对红外线的反射获取所述机器人经过所述传热管的数目，并结合所述三维结构图像获取所述机器人的实时位置。
9.根据权利要求6至8任意一项所述的蒸汽发生器爬壁机器人，其特征在于，所述惯性导航装置包括陀螺仪以及加速度传感器，所述陀螺仪测量所述机器人的角速度，所述加速度传感器测量所述机器人的加速度。
10.根据权利要求1所述的蒸汽发生器爬壁机器人，其特征在于，所述定位系统包括激光测距仪，其中，
所述激光测距仪测量所述机器人与所述传热管的距离，所述处理模块根据所述距离获取传热管的当前分布三维点阵图；
所述处理模块根据所述三维结构图像、所述激光测距仪设置在机器人上的位置获取传热管的预测分布三维点阵图；
所述处理模块对所述当前分布点阵图以及预测分布点阵图进行融合对比，获得所述机器人的实时位置。
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Effective date of registration: 20140715 Address after: 1068 No. 518055 Guangdong city in Shenzhen Province, Nanshan District City Xili University School Avenue Applicant after: Shenzhen Institutes of Advanced Technology, Chinese Academy of Science Applicant after: Zhongkehua Nuclear Power Technology Institute Co., Ltd. Address before: 1068 No. 518055 Guangdong city in Shenzhen Province, Nanshan District City Xili University School Avenue Applicant before: Shenzhen Institutes of Advanced Technology, Chinese Academy of Science |
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