CN107132533B - 一种相控寻路地质探测机器人拓展装置及其探测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种相控寻路地质探测机器人拓展装置及其探测方法，每个伸出的工作臂的末端皆设有偶极子天线阵列，偶极子天线阵列通过信号馈线顺次连接移相器、功率分配器和电力位移模块，电力位移模块连接信号控制模块进行双向传输，信号控制模块与地质探测雷达连接双向传输的同时，还与机器人的数据处理器相连并双向传输。本发明通过采用偶极子天线阵列，运用相控阵技术，将电流相位差转化为机器人方位偏差，可以使机器人如同具有“发声‑回声‑追踪”一般的工作方式，摆脱逐点排查的程序线路，避免以往技术中因单向度的探索模式而导致效率底下，从而优化了机器人的工作方式，能够智能化地追踪伤点位置。

Description

一种相控寻路地质探测机器人拓展装置及其探测方法
技术领域
本发明涉及一种地质探测机器人，具体涉及一种地质探测机器人拓展装置。
背景技术
各种堤坝因地质条件、施工方法、水头差作用下的长时间渗透等因素影响，会存在渗透变形、内部裂缝、蜂窝、塌陷等隐患。现阶段隐患探测的机器人多采用人工遥控和程序寻路。其中人工遥控的方式效率低且操作繁琐，增加了检测人员负担，而程序寻路的方式因路线事先设定而可能错过最严重的隐患位置。
此外，因堤防等水工建筑物内部伤点的分布具有随机性，而现有的机器人探测分辨率一般是事先固定的，往往无法采用最合适的分辨率来对伤点进行探测，在对建筑内部进行检测时会产生较大的偏差，观测精度受到影响。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种相控寻路地质探测机器人拓展装置及其探测方法，实现伤点自动追踪并且能够针对伤点在建筑物内部的不同分布自适应地调整观测分辨率，提高探测效率和精度。
技术方案：本发明提供了一种相控寻路地质探测机器人拓展装置，包括安装在机器人上的地质探测雷达、移相器、电力位移模块、信号控制模块、数据处理器以及向各方向伸出的工作臂，每个所述工作臂的末端皆设有偶极子天线阵列，所述偶极子天线阵列通过信号馈线顺次连接移相器、功率分配器和电力位移模块，所述电力位移模块连接信号控制模块进行双向传输，所述信号控制模块与地质探测雷达连接双向传输的同时，还与机器人的数据处理器相连并双向传输。
进一步，所述工作臂包括同一水平面内的四个，相邻两个工作臂相互垂直。
进一步，所述偶极子天线阵列是由半波长偶极子金属贴片构成的阵列且表面磨砂，固连于绝缘的工作臂端头。
进一步，所述地质探测雷达、移相器、电力位移模块、信号控制模块和数据处理器置于屏蔽背噪的金属罩中。
进一步，所述地质探测雷达连接有与其相适配的稳压变频器及压缩脉冲波发射仪。
一种相控寻路地质探测机器人拓展装置的探测方法，偶极子天线阵列通过发出的波束识别伤点，向移相器反馈电磁信号，并由移相器产生含有伤点位置信息的电相位信号，电力位移模块将电相位信号编译为力位移信号并传输至信号控制模块，信号控制模块驱动数据处理器控制机器人移动靠近伤点，达到最接近伤点位置后，信号控制模块将伤点的位置信息反馈给数据处理器进行记录，并排除对该伤点位置的继续扫描；在最接近伤点位置时，信号控制模块向地质探测雷达发射工作状态指示对伤点进行测深，同时接收地质探测雷达反馈的分辨率调整信号，达到最佳分辨率后，信号控制模块将位置信息反馈给电力位移模块使其移除已测的位置信息。
进一步，所述偶极子天线阵列接收波束的方向函数满足：
其中，θ表示天线阵列在远场辐射中的方向变量，d为阵列内各单元之间的间距，i表示相控寻路的天线阵列中第i个天线单元，N表示线阵中共有N个辐射单元，ai表示第i个天线单元为幅度加权系数，I为第i个天线单元的激励电流，λ表示该阵列的工作波长，为相邻单元之间的馈电相位差，亦称阵内相移值，/>为相变量，由阵列移相器调节；令由欧拉公式化简得到：
当时，|F(θ)|有最大值，|F(θ)|＝1，此时波束指向θB的表达式为：
由上述可知，通过改变阵列内相邻单元之间的阵内相移值即可改变天线阵列波束最大值指向；
故移相器改变反馈到电力位移模块，通过信号控制模块控制数据处理器调整机器人的前进方向，使得阵列所得信号总是处于天线阵列的最大波束处，即总是朝向伤点位置位移，实现自动寻路功能。
进一步，所述地质探测雷达由稳压变频器及压缩脉冲波发射仪控制发射频段呈对数周期分布的脉冲波，得到初始分辨率下复数周期系列的观测数据，经信号控制模块传输到数据处理器，数据处理器对观测数据进行最小二乘法拟合，得到回归方程并获取最佳分辨率，由信号控制模块控制地质探测雷达调节分辨率。
有益效果：本发明通过采用偶极子天线阵列，运用相控阵技术，将电流相位差转化为机器人方位偏差，可以使机器人如同具有“发声-回声-追踪”一般的工作方式，摆脱逐点排查的程序线路，避免以往技术中因单向度的探索模式而导致效率底下，从而优化了机器人的工作方式，能够智能化地追踪伤点位置。
本发明在机器人到达最优探测位置时，雷达产生复数频率周期的脉冲波系列，从而收集不同系列的电磁波信号衰减数据，经过信号控制模块传输到数据处理器进行最小二乘法拟合曲线，导出最佳分辨率回归方程的参数解，使雷达调整至最优的观测分辨率，与以往观测装置相比，本发明使地质探测机器人具有更灵活的适应性，能够在不同的堤防、坝面亦或是管道内表面顺利作业，提高了探测精确度。
综上所述可知，与现有技术相比，本发明具有智能化和自动化，探测精确度和灵敏度高等优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为偶极子天线阵列的局部示意图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例：一种相控寻路地质探测机器人拓展装置，如图1所示，包括安装在机器人1上的工作臂6-1、6-2、6-3、6-4以及地质探测雷达13、移相器8、电力位移模块10、信号控制模块11和数据处理器12。本实施例地质探测雷达13选用LPAA深度精测雷达，还设有与之连接配合使用的稳压变频器及压缩脉冲波发射仪。
工作臂6-1、6-2、6-3、6-4共有四个，在同一水平面内相邻两个互相垂直，向四周各方向伸出。每个工作臂6-1、6-2、6-3、6-4的末端皆设有偶极子天线阵列7-1、7-2、 7-3、7-4，如图2所示，每个天线阵列7-1、7-2、7-3、7-4是由5×5个半波长偶极子金属贴片构成。
偶极子天线阵列7-1、7-2、7-3、7-4通过信号馈线顺次连接移相器8和电力位移模块10，电力位移模块10连接信号控制模块11双向传输，信号控制模块11与地质探测雷达13连接双向传输的同时，还与机器人1的数据处理器12相连并双向传输。地质探测雷达13、移相器8、电力位移模块10、信号控制模块11和数据处理器12安装在屏蔽背噪的金属圆筒中。
上述装置的装配过程如下：
第一步，组装机器人1基础动力部分，用于机器人1行走的万向轮2-1、2-2、2-3、 2-4分别与机械联动轴承3-1、3-2固连，并进行连接检查，确保在电源电量充足的状态下，该部分能够自由移动。
第二步，将偶极子天线阵列7-1、7-2、7-3、7-4进行表面磨砂处理，采用502胶水将天线阵列7-1、7-2、7-3、7-4分别对应固定在绝缘处理后的工作臂6-1、6-2、6-3、 6-4端头表面，并将双芯信号馈线悉数对应焊接到天线阵列7-1、7-2、7-3、7-4上，连接完好进行检查，将引出的信号馈线进行整理。组装完成后，将定位工作臂6-1、6-2、 6-3、6-4的一端固定到机器人1中部的工作台5上。
第三步，在工作台5上，将地质探测雷达13、移相器8、电力位移模块10、信号控制模块11、数据处理器12和偶极子天线阵列7-1、7-2、7-3、7-4用信号馈线进行连接，其中，地质探测雷达13通过其集成电路9与信号控制模块11相连。
本实施例机器人拓展装置具体工作过程如下：
①启动阶段，启动装置并放置于目标建筑物表面某位置，选取标志物，记入数据处理器12建立参考系，并将该位置设为初始点位置。
②工作阶段，分为寻路阶段和测深阶段：
(a)当工作处于所述寻路阶段时，工作臂6-1、6-2、6-3、6-4上的偶极子天线阵列7-1、7-2、7-3、7-4开始工作，对空间进行一维扫描，经过移相器8调节，改变天线阵列7-1、7-2、7-3、7-4内相邻单元之间的阵内相移值从而改变天线波束最大值指向；移相器8反馈到电力位移模块10，将电相位信号编译为信号控制模块11可以识别的力位移信号，由信号控制模块11传达至机器人1的数据处理器12，负责调整机器人1前进方向，使得伤点所反馈的电磁信号总是处于寻路用相控阵列7-1、7-2、7-3、7-4天线的最大波束处，即探测机器人1将总是朝向“最近”伤点位置位移，综合空间位置与伤点破坏程度的信号衰减反应在电磁空间中最近点，直至信号反馈达到峰值(电力位移模块10反馈达到最小值，机器人1到达伤点附近)，记录该伤点空间位置并由信号控制模块11指示数据处理器12排除对该伤点空间位置的继续扫描，使得在下一次机器处于该阶段时不再“陷于”该点，进入下一阶段；
(b)当工作处于测深阶段时，此时机器人1启动地质探测雷达13，通过稳压变频器及压缩脉冲波发射仪控制发射频段呈对数周期分布的脉冲波，对伤点进行大约7-10 个周期的频率审查，得到初始分辨率下复数周期系列的反馈信号，并传导到信号控制模块11中进行频谱分析，进行最小二乘法拟合，得到回归方程并获取最佳分辨率，数据处理器12同时通过所连接的信号控制模块11向地质探测雷达13反馈出相应伤点的最佳分辨率，LPAA雷达13调整并测量，最终将结果记载到机器人1的数据处理器12，信号控制模块11指示电力位移模块10移除该节点位置，并指示挂起地质探测雷达13，启动工作臂6-1、6-2、6-3、6-4继续进行相控寻路。
重复上述两阶段，寻找下一伤点。
③分析阶段，读取数据处理器12的内存，将工作阶段所采集的位置信息、深度数据和伤点衰减系数进行整合，导出至电子计算机终端，由计算机软件的图像处理器编译探测数据，完成探测工作。

Claims (6)

1.一种相控寻路地质探测机器人拓展装置的探测方法，其特征在于：使用的相控寻路地质探测机器人拓展装置包括安装在机器人上的地质探测雷达、移相器、电力位移模块、信号控制模块、数据处理器以及向各方向伸出的工作臂，每个所述工作臂的末端皆设有偶极子天线阵列，所述偶极子天线阵列通过信号馈线顺次连接移相器、功率分配器和电力位移模块，所述电力位移模块连接信号控制模块进行双向传输，所述信号控制模块与地质探测雷达连接双向传输的同时，还与机器人的数据处理器相连并双向传输；
偶极子天线阵列通过发出的波束识别伤点，向移相器反馈电磁信号，并由移相器产生含有伤点位置信息的电相位信号，电力位移模块将电相位信号编译为力位移信号并传输至信号控制模块，信号控制模块驱动数据处理器控制机器人移动靠近伤点，达到最接近伤点位置后，信号控制模块将伤点的位置信息反馈给数据处理器进行记录，并排除对该伤点位置的继续扫描；在最接近伤点位置时，信号控制模块向地质探测雷达发射工作状态指示对伤点进行测深，同时接收地质探测雷达反馈的分辨率调整信号，达到最佳分辨率后，信号控制模块将位置信息反馈给电力位移模块使其移除已测的位置信息；
偶极子天线阵列接收波束的方向函数满足：
其中，θ表示天线阵列在远场辐射中的方向变量，d为阵列内各单元之间的间距，i表示相控寻路的天线阵列中第i个天线单元，N表示线阵中共有N个辐射单元，αi表示第i个天线单元为幅度加权系数，I为第i个天线单元的激励电流，λ表示该阵列的工作波长，为相邻单元之间的馈电相位差，亦称阵内相移值，/>为相变量，由阵列移相器调节；令由欧拉公式化简得到：
当时，|F(θ)|有最大值，|F(θ)|＝1，此时波束指向/>的表达式为：
由上述可知，通过改变阵列内相邻单元之间的阵内相移值即可改变天线阵列波束最大值指向；
故移相器改变反馈到电力位移模块，通过信号控制模块控制数据处理器调整机器人的前进方向，使得阵列所得信号总是处于天线阵列的最大波束处，即总是朝向伤点位置位移，实现自动寻路功能。
2.根据权利要求1所述的相控寻路地质探测机器人拓展装置的探测方法，其特征在于：所述地质探测雷达由稳压变频器及压缩脉冲波发射仪控制发射频段呈对数周期分布的脉冲波，得到初始分辨率下复数周期系列的观测数据，经信号控制模块传输到数据处理器，数据处理器对观测数据进行最小二乘法拟合，得到回归方程并获取最佳分辨率，由信号控制模块控制地质探测雷达调节分辨率。
3.根据权利要求1所述的相控寻路地质探测机器人拓展装置的探测方法，其特征在于：所述工作臂包括同一水平面内的四个，相邻两个工作臂相互垂直。
4.根据权利要求1所述的相控寻路地质探测机器人拓展装置的探测方法，其特征在于：所述偶极子天线阵列是由半波长偶极子金属贴片构成的阵列且表面磨砂，固连于绝缘的工作臂端头。
5.根据权利要求1所述的相控寻路地质探测机器人拓展装置的探测方法，其特征在于：所述地质探测雷达、移相器、电力位移模块、信号控制模块和数据处理器置于屏蔽背噪的金属罩中。
6.根据权利要求1所述的相控寻路地质探测机器人拓展装置的探测方法，其特征在于：所述地质探测雷达连接有与其相适配的稳压变频器及压缩脉冲波发射仪。
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