CN110341749A - 一种轨道病害巡检机器人系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种轨道病害巡检机器人系统及控制方法。该系统模拟人类专家的控制知识与经验构建的控制模块,其通过搭载在巡检平台上的检测模块和定位模块获取轨道病害巡检机器人在线的动态信息，并反馈给控制模块进行实时控制，驱动模块驱动巡检平台做出相应运动，若达到预期行为目标则继续执行接下来的巡检任务；若未达到预期行为目标，则根据检测模块和定位模块获得的信息对行为命令进行重新规划和执行。本发明的轨道病害巡检机器人系统实现了智能自主操作，提高了效率。

Description

一种轨道病害巡检机器人系统及控制方法
技术领域
本发明涉及轨道检测领域，特别是涉及一种轨道病害巡检机器人系统及控制方法。
背景技术
随着我国经济的稳步发展，轨道交通日趋完善，随之而来的是数量巨大的轨道检测、维护、保养等难题。目前已有的相关巡检设备用于轨道的检测，但是普遍使用的方式是人工巡检和检测设备相结合的方式，这种巡检方式耗费大量的人力物力，且存在人工漏巡、检测效率低下等问题。
中国发明专利CN 105857341 A，一种智能铁路轨道巡检机器人，其特征在于：运载小车；驱动模块，安装在所述运载小车底部用于驱动所述运载小车在铁路轨道上滑动；控制器，嵌入在所述运载小车内部用于控制所述机器人的工作；机械臂1安装有金属探伤仪1、机械臂2安装有金属探伤仪2、机械臂3，安装有机械手、GPRS模块、电源模块、摄像监测模块分别耦接于所述控制器；垃圾回收箱，耦接于所述运载小车。该发明能够有效的缩短巡检时间、降低巡检误差以及提高巡检效率，不仅减轻了工作人员负担而且有利于环保工作。但其更多的是对整个流程的概述，数据流的传输，对于自主控制还有欠缺。
中国实用新型专利CN 207603301 U，一种轨道智能机器人巡检系统，包括轨道机器人单元和数据处理平台，所述轨道机器人单元和数据处理平台之间通过无线信号双向连接，所述轨道机器人包括电动滑轨和机器人本体，所述机器人本体的顶部和电动滑轨滑动连接，所述机器人本体的顶部设有与电动滑轨对应的移动平台，所述移动平台上设有扬声器，所述移动平台的底部设有升降装置，所述升降装置的底部固定连接有云台，所述云台内设气体传感器、SF传感器、局方检测仪、红外热感仪、可见光摄像机和数据处理芯片。该实用新型通过多处传感器的设置，使装置的巡检范围得到了加强，从而提升了机器人的巡检效率，给集控中心的安全带来了保障。类似的，该实用新型自主化不够。
综上所述，已经有相关的巡检机器人产品。但是其智能自主化还不够，操作人员的工作量还是很大。所以一款能够智能自主运行的轨道巡检机器人是目前轨道检测行业需求的。
发明内容
本发明为解决传统轨道巡检方式劳动强度大、误差大、效率低的技术问题，提出一种轨道病害巡检机器人系统，其特征在于，包括
定位模块：用于确定巡检机器人在轨道上的相对位置；
驱动模块：用于驱动巡检机器人在轨道上前后运动；
检测模块：用于获取轨道和隧道图像信息、对隧道进行三维重建和缺陷检测、以及对轨道焊缝进行检测；
同时与定位模块、驱动模块以及检测模块连接的巡检平台；用于搭载各个模块，作为整体支架；
同时与定位模块、驱动模块以及检测模块连接的控制模块；用于规划相应的动作序列，控制各模块协调工作；
所述检测模块包括同时与控制模块连接的摄像头、激光雷达、超声探头，以及与驱动模块连接的光电编码器；定位模块包括同时与控制模块通信的里程计和全站仪，驱动模块包括，下位机驱动和直流伺服电机；
在上述的一种轨道病害巡检机器人系统，所述控制模块包括：
特征识别信息处理单元：用于特征信息匹配，确定障碍物或被巡检设备的类型，并将结果推送给推理机；
推理机：用于结合行为规则库的知识获取预先规划好的行为目标；
控制规则集：用于结合规则解释库将行为目标解释为具体的动作序列；
动作序列：用于指定驱动模块和检测模块的一系列动作；
知识库：用于存储线路相关信息，包括初始知识库和动态知识库，初始知识库为人工可提前勘测得到轨道线路信息，比如焊缝位置、线路拐弯度等；动态知识库包括隧道变形过大、焊缝有裂纹等；
规则库：用于存储特征信息对应的行为规则和动作序列，包括行为规则库和规则解释库，行为规则库具有特征信息对应的行为规则，规则解释库具有行为规则对应的动作序列。
一种轨道病害巡检机器人系统控制方法，其特征在于，包括：
步骤1，机器人巡检遇到被巡检特征时，通过检测模块和定位模块获取特征信息反馈至知识库，并进行特征信息匹配，将处理得到后的信息推送至推理机；
步骤2，推理机结合行为规则库知识，得到巡检机器人的线上动作命令和预先规划好的行为目标；
步骤3，通过控制规则集结合规则解释库知识，将上述得到的动作命令解释为具体的行为动作序列，作为巡检机器人下位机驱动模块的信息输入；
步骤4，由下位机控制模块发送指令驱动执行电机完成对应的行为动作；一条动作序列执行过程中控制模块通过检测模块(光电编码器等传感器)检测是否到达当前时刻应该到的状态，如果没有到达应有状态，则调整控制参数；当一条动作序列执行完毕后，控制模块通过检测模块再次获得机器人此时运动状态的反馈信息，判断是否完成预期行为：若达到预期行为目标则继续执行接下来的巡检任务；若未达到预期行为目标，重新规划和执行。
在上述的一种轨道病害巡检机器人系统控制方法，包括：步骤1中，信息反馈包括外环反馈、中间反馈；
外环反馈主要包括定位模块反馈和检测模块反馈，所述定位模块用于获得轨道病害巡检机器人位置信息，反馈给知识库；检测模块用于对焊缝、隧道被巡检特征信息的采集，主控制器根据反馈信息和行为规划预期目标库中的信息进行比较，判断执行规划动作；中间反馈包括光电编码器反馈，光电编码器用于检测巡检机器人动作执行是否到位，对执行电机的运行进行检测，检测巡检机器人执行电机运动过程中电流、转速、位置等参数信息；巡检机器人借助外环反馈和中间反馈，并利用控制算法，实现巡检机器人的自主运动控制，达到机器代人的最终目标。
在上述的一种轨道病害巡检机器人系统控制方法，包括：步骤1中，所述规则库包括行为规则库和规则解释库；初始固定库由线路长度、焊缝位置、线路坡度、故障多发段、线路拐弯度组成，可通过人工勘测提前得知；对于机器人的突发状况、路径有障碍物、焊缝有裂纹、隧道变形超过限制等组成动态知识库，具有不可预知的状况，会对机器人的操作产生影响，需要实时更新；所述行为规则库是针对知识库做的提前规划，确定对应的行为规则，再根据宏观的行为规则对需要完成的具体动作经由规则库解释库形成最终的电机执行动作；知识库随着轨道病害巡检机器人巡检可以不断更新，增加新的内容或者变更已有内容，以适应更多的状况。
本发明由于采用以上技术方案，具有以下优点：
1.实现轨道病害巡检机器人的智能自主检测作业，无需工作人员现场操控，只需在终端屏幕实时获取巡检机器人的状态以及轨道状态，提高了检测效率，并可人为干预远程遥控，进行精细化检测。
2.环境适应性强。实现检测装置模块化，针对不同的检测环境，不同检测需要，轨道病害巡检机器人可以搭载不同的检测模块，实现不同的检测任务，模块之间重组易于实现。降低了相似检测需求的开发成本。
附图说明
图1是轨道病害巡检机器人自主控制模型。
图2是轨道病害巡检机器人自主控制所用知识库。
图3是轨道病害巡检机器人系统实施例。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来对本发明提供的轨道病害巡检机器人系统进行详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
一种轨道病害巡检机器人系统。所述轨道机器人巡检系统包括：
定位模块：用于确定巡检机器人在轨道上的相对位置；
驱动模块，用于驱动巡检机器人在轨道上前后运动；
检测模块，用于获取轨道和隧道图像信息、对隧道进行三维重建和缺陷检测、以及对轨道焊缝进行检测；
同时与定位模块、驱动模块以及检测模块连接的巡检平台；用于搭载各个模块，作为整体支架,由铝合金框架构成。；
同时与定位模块、驱动模块以及检测模块连接的控制模块；用于成相应的动作序列，控制各模块协调工作,模拟人类专家的控制知识与经验，实现自主控制。
所述检测模块包括同时与控制模块连接的摄像头、激光雷达、超声探头，以及与驱动模块连接的光电编码器,相机是微软的Kinect，激光雷达型号为HLS-LFCD LDS，超声探头为汕头超声的轮式探头扫查器；定位模块包括同时与控制模块连接的里程计和全站仪,里程计装在巡检平台上，全站仪为铁路沿线已铺设好的设备，对里程计的信息进行校准，完成对巡检平台定位，驱动模块包括下位机驱动和直流伺服电机。
所述控制模块运行步骤如下：
步骤1：机器人巡检遇到被巡检特征时，通过检测模块(包括摄像头、激光雷达、超声探头)获取特征信息，以及通过定位装置获得位置信息，反馈至知识库，并在特征识别和信息处理环节进行特征信息匹配，从而确定障碍物或被巡检设备的类型，将特征识别处理得到后的信息推送至推理机；
步骤2，推理机结合行为规则库知识，得到巡检机器人的线上动作命令和预先规划好的行为目标；
步骤3，通过控制规则集结合规则解释库知识，将上述得到的动作命令解释为具体的行为动作序列，作为巡检机器人下位机驱动模块的信息输入。
步骤4，驱动模块中由下位机控制模块发送指令驱动执行电机完成与之对应的行为动作。一条动作序列执行过程中控制模块通过检测模块(光电编码器等传感器)检测是否到达当前时刻应该到的状态，如果没有到达应有状态，则调整控制参数；当一条动作序列执行完毕后，控制模块通过检测模块再次获得机器人此时运动状态的反馈信息，判断是否完成预期行为：若达到预期行为目标则继续执行接下来的巡检任务；若未达到预期行为目标，则需要根据检测模块反馈的信息对行为命令进行重新规划和执行。执行电机自带的光电编码器等传感器则负责对电机的相关运行参数进行检测并与下位机驱动模块组成驱动模块。
所述信息反馈环节，外环反馈主要包括定位模块和检测模块，所述定位模块包括里程计和全站仪，用于获得轨道病害巡检机器人位置信息，反馈给知识库。所述检测模块包括激光雷达、摄像头、超声探头等，用于对焊缝、隧道等被巡检特征信息的采集，主控制器根据反馈信息和行为规划预期目标库中的信息进行比较，判断执行规划动作。中间反馈包括为检测模块的光电编码器等，用于检测巡检机器人动作执行是否到位，对执行电机的运行进行检测，检测巡检机器人执行电机运动过程中电流、转速、位置等参数信息。巡检机器人借助外环反馈和中间反馈，并利用控制算法，实现巡检机器人的自主运动控制，达到机器代人的最终目标
所述规则库包括行为规则库和规则解释库。初始知识库由线路长度、焊缝位置、线路坡度、故障多发段、线路拐弯度等组成，可通过人工勘测提前得知。对于机器人的突发状况、路径有障碍物、焊缝有裂纹、隧道变形超过限制等组成动态知识库，具有不可预知的状况，会对机器人的操作产生影响，需要实时更新。所述行为规则库是针对知识库做的提前规划，确定对应的行为规则，再根据宏观的行为规则对需要完成的具体动作经由规则库解释库形成最终的电机执行动作。知识库随着轨道病害巡检机器人巡检可以不断更新，增加新的内容或者变更已有内容，以适应更多的状况。
实施例：
参照图3，一种轨道病害巡检机器人系统，包括巡检平台1、检测模块、控制模块、驱动模块、定位模块。检测模块包括相机(2、4)、激光雷达(6)、超声探头(5)，驱动模块主要包括直流伺服电机和下位机驱动器，定位模块和控制模块设置在巡检平台内部。具体操作步骤和前面实施步骤一致。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种轨道病害巡检机器人系统，其特征在于，包括
定位模块：用于确定巡检机器人在轨道上的相对位置；
驱动模块：用于驱动巡检机器人在轨道上前后运动；
检测模块：用于获取轨道和隧道图像信息、对隧道进行三维重建和缺陷检测、以及对轨道焊缝进行检测；
同时与定位模块、驱动模块以及检测模块连接的巡检平台；用于搭载各个模块，作为整体支架；
同时与定位模块、驱动模块以及检测模块连接的控制模块；用于规划相应的动作序列，控制各模块协调工作；
所述检测模块包括同时与控制模块连接的摄像头、激光雷达、超声探头，以及与驱动模块连接的光电编码器；定位模块包括同时与控制模块通信的里程计和全站仪，驱动模块包括，下位机驱动和直流伺服电机。
2.根据权利要求1所述的一种轨道病害巡检机器人系统，其特征在于，所述控制模块包括：
特征识别信息处理单元：用于特征信息匹配，确定障碍物或被巡检设备的类型，并将结果推送给推理机；
推理机：用于结合行为规则库的知识获取预先规划好的行为目标；
控制规则集：用于结合规则解释库将行为目标解释为具体的动作序列；
动作序列：用于指定驱动模块和检测模块的一系列动作；
知识库：用于存储线路相关信息，包括初始知识库和动态知识库，初始知识库为人工可提前勘测得到轨道线路信息，比如焊缝位置、线路拐弯度等；动态知识库包括隧道变形过大、焊缝有裂纹等；
规则库：用于存储特征信息对应的行为规则和动作序列，包括行为规则库和规则解释库，行为规则库具有特征信息对应的行为规则，规则解释库具有行为规则对应的动作序列。
3.一种轨道病害巡检机器人系统控制方法，其特征在于，包括：
步骤1，机器人巡检遇到被巡检特征时，通过检测模块和定位模块获取特征信息反馈至知识库，并进行特征信息匹配，将处理得到后的信息推送至推理机；
步骤2，推理机结合行为规则库知识，得到巡检机器人的线上动作命令和预先规划好的行为目标；
步骤3，通过控制规则集结合规则解释库知识，将上述得到的动作命令解释为具体的行为动作序列，作为巡检机器人下位机驱动模块的信息输入；
步骤4，由下位机控制模块发送指令驱动执行电机完成对应的行为动作；一条动作序列执行过程中控制模块通过检测模块(光电编码器等传感器)检测是否到达当前时刻应该到的状态，如果没有到达应有状态，则调整控制参数；当一条动作序列执行完毕后，控制模块通过检测模块再次获得机器人此时运动状态的反馈信息，判断是否完成预期行为：若达到预期行为目标则继续执行接下来的巡检任务；若未达到预期行为目标，重新规划和执行。
4.根据权利要求3所述的一种轨道病害巡检机器人系统控制方法，其特征在于，包括：步骤1中，信息反馈包括外环反馈、中间反馈；
外环反馈主要包括定位模块反馈和检测模块反馈，所述定位模块用于获得轨道病害巡检机器人位置信息，反馈给知识库；检测模块用于对焊缝、隧道被巡检特征信息的采集，主控制器根据反馈信息和行为规划预期目标库中的信息进行比较，判断执行规划动作；中间反馈包括光电编码器反馈，光电编码器用于检测巡检机器人动作执行是否到位，对执行电机的运行进行检测，检测巡检机器人执行电机运动过程中电流、转速、位置等参数信息；巡检机器人借助外环反馈和中间反馈，并利用控制算法，实现巡检机器人的自主运动控制，达到机器代人的最终目标。
5.根据权利要求3所述的一种轨道病害巡检机器人系统控制方法，其特征在于，包括：步骤1中，所述规则库包括行为规则库和规则解释库；初始固定库由线路长度、焊缝位置、线路坡度、故障多发段、线路拐弯度组成，可通过人工勘测提前得知；对于机器人的突发状况、路径有障碍物、焊缝有裂纹、隧道变形超过限制等组成动态知识库，具有不可预知的状况，会对机器人的操作产生影响，需要实时更新；所述行为规则库是针对知识库做的提前规划，确定对应的行为规则，再根据宏观的行为规则对需要完成的具体动作经由规则库解释库形成最终的电机执行动作；知识库随着轨道病害巡检机器人巡检可以不断更新，增加新的内容或者变更已有内容，以适应更多的状况。
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