CN110454642B - 一种管道检测机器人的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及管道机器人技术领域，提供一种管道检测机器人的控制方法，能够及时调整行走姿态，实现稳速控制、及时避障和故障检测。上述方法包括步骤一，设定行进速度初值、入管角度初值以及压力初值；步骤二，每隔预设时间对传感器进行监测，若任一传感器的反馈数据超过其阈值范围，则驱动机器人退出管道；步骤三，判断前方是否有障碍物，若有执行步骤四，否则执行步骤五；步骤四，控制单元根据检测情况和当前行进角度给定避障角度，进行角度闭环控制，直至避开障碍物；步骤五，控制单元根据检测情况和当前行进速度给定期望行进速度，进行速度闭环控制，继续正常运行。解决了现有管道机器人难以及时避障，自我调整能力差，容易卡死、故障的问题。

Description

一种管道检测机器人的控制方法

技术领域

本发明涉及管道检测机器人技术领域，特别是涉及一种管道检测机器人的控制方法。

背景技术

油气管道大多埋敷于地下，为保证管道的安全使用，及时发现管道变形、腐蚀等损伤情况，需要定期进行管道内部检测，事先发现各种缺陷和损伤，了解各管段的危险程度，采取相应措施，从而有效预防和减少管线事故、节约管道维修资金。管道检测机器人是进行管道内检测的理想设备，它可以沿管道内壁自动行走，而且通常搭载有一种或多种传感器及操作机械，在工作人员的遥控操作或计算机自动控制下，能够进行一系列管道检测作业。

管道检测机器人主要分为双足机器人、三足机器人、四足机器人、六足机器人等，其中三足管道检测机器人的三个支撑足绕机架中心周向均匀分布，三个支撑足能够可靠地抵住管道内壁，实现沿管道内壁的稳定行走。现有的三足管道检测机器人不能根据管内实际情况进行有效避障，如中国专利文献CN105487545A公开了一种基于高强度弹簧压壁装置的螺旋轮式驱动管道机器人系统，包括本体机械结构和控制系统；所述本体机械结构由螺旋头、机身和保持架构成；所述机身是机器人的主体，所述螺旋头和保持架均安装在机身上；所述螺旋头在圆周方向上分布安装有驱动轮；所述保持架在圆周方向上分布安装有导向轮；所述驱动轮和导向轮均通过连接杆连接到螺旋头和保持架上。这种管道机器人由于驱动轮轴线与管道轴线有一定夹角，机器人始终在管道内做螺旋运动，但是不能实时监测管道内障碍物情况进行及时避障，而且缺乏对管道机器人的闭环控制和自我监测，自我调整能力差，容易发生机器人卡死、故障的情况，难以适应当前油气管道对管道检测机器人越来越高的使用需求。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于现有技术的管道检测机器人缺乏闭环控制和自我监测，难以及时避障，自我调整能力差，容易发生卡死、故障的情况，而提供一种能够进行闭环控制和实时自我监测，及时调整行走姿态，实现稳速控制、及时避障和故障检测的管道检测机器人的控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种管道检测机器人的控制方法，包括以下步骤：

步骤一，设定所述机器人的行进速度初值、入管角度初值以及支撑足与管道内壁间压力初值，启动所述机器人；

步骤二，控制单元每隔预设时间对所述机器人搭载的各个传感器进行监测，如果任一所述传感器的反馈数据超过其阈值范围，则驱动所述机器人退出管道，否则正常运行；

步骤三，根据障碍物检测传感器的检测情况，判断前方是否有障碍物，如果有执行步骤四，否则执行步骤五；

步骤四，当发现障碍物时，控制单元根据检测情况和所述机器人的当前行进角度给定避障角度，所述控制单元根据所述给定避障角度和实时检测的实际行进角度进行角度闭环控制，直至避开障碍物，继续正常运行；

步骤五，当没有障碍物时，所述控制单元根据检测情况和所述机器人的当前行进速度给定期望行进速度，所述控制单元根据所述给定期望行进速度和实时检测的实际行进速度进行速度闭环控制，继续正常运行。

优选地，所述步骤四，当发现障碍物时，由所述障碍物检测传感器检测获得前方障碍物角度、大小并反馈给所述控制单元，由所述机器人的自身角度感应传感器检测获得所述当前行进角度并反馈给所述控制单元，所述控制单元根据所述障碍物角度和所述当前行进角度给定避障角度，进而采用模糊PD计算并对各个所述支撑足的电机进行差速闭环控制，使所述机器人按照所述避障角度行进，直至避开障碍物，继续正常运行。

优选地，所述障碍物检测传感器为设置于所述机器人的主体支架上的红外激光雷达；所述自身角度感应传感器为设置于所述主体支架内部中心位置的陀螺仪。

优选地，所述步骤五，当没有障碍物时，由所述机器人的速度检测传感器测定所述当前行进速度并反馈给所述控制单元，所述控制单元根据检测情况和所述当前行进速度给定期望行进速度，进而采用增量式PID或PI算法，进行PWM的脉宽计算，并对输出进行限幅处理，实现速度闭环控制，继续正常运行。

优选地，所述步骤四中的模糊PD计算与所述步骤五中的增量式PID或PI算法不同时进行。

优选地，所述速度检测传感器为设置于所述支撑足的电机上的编码器。

优选地，所述步骤二，若反馈数据超过阈值范围的所述传感器位于所述机器人的一个所述支撑足上，控制所述机器人在管道内旋转，使损坏的所述支撑足旋转到所述机器人的上方，然后控制所述机器人退出管道。

优选地，所述步骤二，当有任一所述传感器的反馈数据在连续100ms内都超过其阈值范围时，所述控制单元按照所述步骤五的方式控制所述机器人退出管道。

优选地，还包括压力闭环控制步骤，在机器人正常运行时，实时检测并判断压力传感器的测量值是否在其阈值范围内，如果超出阈值范围，所述控制单元根据当前压力数值控制所述机器人的电动推杆伸缩调节所述支撑足与管道内壁的贴合状态，直至压力数值恢复到阈值范围内。

优选地，所述步骤二中的所述预设时间为5ms。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明提供的管道检测机器人的控制方法，通过角度环、速度环和压力环的三闭环控制，实现管道检测机器人旋转避障、控速防绞死以及传感器故障自检功能，有效降低了机器人在管道中侧翻、遇到障碍无法通过、传感器故障而导致的机器人在管内损坏的可能性，与传统三足履带式管道机器人相比，大幅提高了机器人在管道内运行的稳定性和可靠性。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明管道检测机器人的结构示意图一；

图2是本发明管道检测机器人的结构示意图二；

图3是本发明管道检测机器人的控制方法流程图。

图中附图标记表示为：1-主体支架，2-连接支架，3-底部支架，4-履带轮，5-第一延伸支架，6-电动推杆，7-电机，8-第二延伸支架。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明涉及的管道检测机器人是三足履带式管道检测机器人，其具体结构如图1、2所示。所述三足履带式管道检测机器人包括主体支架1和绕所述主体支架1周向均布的三组行走组件(即支撑足)，所述支撑足包括底部支架3和设置在所述底部支架3上的履带轮4，所述底部支架3通过连接支架2与所述主体支架1连接。所述主体支架1为正三棱柱状，所述连接支架2与所述主体支架1、所述底部支架3均为铰接。所述连接支架2与所述主体支架1之间还设有电动推杆6，所述电动推杆6的一端与所述主体支架1铰接，另一端与所述连接支架2的中部铰接，通过电动推杆6的伸缩运动，使机器人在管道内运行过程中能够与管道内壁贴合，获得合适的正压力。所述履带轮4上通过同步带轮安装有大功率电机7，所述电机7的电机控制线与主控芯片相连，实现对电机的速度控制，本实施例中，所述主控芯片(即MCU，Microcontroller Unit，微控制单元)采用恩智浦公司的rt1052芯片。由于机器人的行进动作等不会影响主体支架，主体支架的稳定性强且空间大，因此主体支架内部可根据需要设置多种传感器、控制单元、电池等等，负载能力强。

所述主体支架1上设置有红外激光雷达、摄像头、陀螺仪、温湿度传感器和气体浓度传感器，每个所述履带轮4上设置有薄膜压力传感器、漏磁模块和编码器，所述主体支架1外侧的第一延伸支架5和第二延伸支架8上分别设置有红外测距传感器和里程轮模块。

具体地，所述红外激光雷达和所述摄像头设置于所述主体支架1朝向行进方向的一侧，并且所述摄像头安装在设置于所述主体支架1上的二自由度舵机上；所述陀螺仪、所述温湿度传感器和所述气体浓度传感器设置于所述主体支架1的内部，优选地所述陀螺仪设置于所述主体支架1内部的中心位置；所述薄膜压力传感器设置于所述履带轮4的夹层中；所述漏磁模块设置均匀分布于所述履带轮4的内侧；所述编码器设置于所述履带轮4所搭载的电机7上。

所述红外激光雷达，用于在机器人行进过程中对管道内壁进行二维360°扫描，构建管道内壁二维点云图像，实现障碍物情况检测，包括障碍物的大小和位置(角度)。所述摄像头，用于回传和存储管道内检测图像。所述陀螺仪，用于检测机器人的运行加速度和机器人运行时偏差初始入管的角度。所述温湿度传感器，用于检测管道内环境的温度和湿度，作为衡量管道腐蚀情况的依据。所述气体浓度传感器，用于检测管道内有害气体(如甲烷等)的浓度。所述薄膜压力传感器，用于检测各个履带与管道内壁之间的正压力。所述漏磁模块，用于检测管道内壁漏磁场信号，以判断管道缺陷位置。所述编码器，用于实时检测和反馈履带轮的行走速度。所述红外测距传感器，用于检测所述机器人与前方阻挡物的距离，及时调整机器人运行速度通过弯管。所述里程轮模块，用于检测所述机器人的行进距离。

本发明的管道检测机器人针对1016mm大型石油管道设计，以顺应中国制造2025中关键岗位机器人替代、智能化和国家输油输气管道趋于大型化的趋势，能够搭载多种检测模块和传感器，能够实时检测管道内环境和实时监测机器人自身传感器状态。

如图3所示，本发明管道检测机器人的控制方法，包括以下步骤：

步骤一，设定所述机器人的行进速度初值、入管角度初值以及支撑足与管道内壁间压力初值，启动所述机器人。

在机器人进入待测管道之前，控制单元根据待检测管道的实际工况，对机器人的行进速度初值、入管角度初值以及支撑足与管道内壁间压力初值进行预先设定。

步骤二，控制单元每隔预设时间对所述机器人搭载的各个传感器进行监测，如果任一所述传感器的反馈数据超过其阈值范围，则驱动所述机器人退出管道，否则正常运行。

在本实施例中，所述控制单元采用MCU，所述预设时间为5ms。而且，在本实施例中，各个传感器是指机器人所搭载所有传感器，包括：红外激光雷达、摄像头、陀螺仪、温湿度传感器、气体浓度传感器、薄膜压力传感器、漏磁模块、编码器、红外测距传感器和里程轮模块。在其他实施例中，机器人还可能搭载其他类型或功能的传感器，本发明对传感器的种类不做限定。

在机器人开始工作之前，控制单元预先对所有传感器都设定好适合的阈值范围，为后续机器人进入管道工作后的传感器定时监测提供数据依据。将定时监测获得的反馈数据与预设阈值范围相比较，以实现判断是否有传感器发生故障的目的。

在本实施例中，若反馈数据超过阈值范围的所述传感器位于所述机器人的一个所述支撑足上，控制所述机器人在管道内旋转，使损坏的所述支撑足旋转到所述机器人的上方，然后控制所述机器人退出管道(注：通常待检测管道为水平管道或与地面成锐角布置的管道)。

在本实施例中，当有任一所述传感器的反馈数据在连续100ms内都超过其阈值范围时，所述控制单元控制所述机器人退出管道。优选地，在控制机器人退出管道的过程中，控制单元按照以下步骤五的方式，控制机器人平稳退出管道。

步骤三，根据障碍物检测传感器的检测情况，判断前方是否有障碍物，如果有执行步骤四，否则执行步骤五。

在本实施例中，所述障碍物检测传感器是指红外激光雷达。

步骤四，当发现障碍物时，控制单元根据检测情况和所述机器人的当前行进角度给定避障角度，所述控制单元根据所述给定避障角度和实时检测的实际行进角度进行角度闭环控制，直至避开障碍物，继续正常运行。

当发现障碍物时，由所述障碍物检测传感器检测获得前方障碍物角度、大小并反馈给所述控制单元，由所述机器人的自身角度感应传感器检测获得所述当前行进角度并反馈给所述控制单元，所述控制单元根据所述障碍物角度和所述当前行进角度给定避障角度，进而采用模糊PD计算并对各个所述支撑足的电机进行差速闭环控制，使所述机器人按照所述避障角度行进，直至避开障碍物，继续正常运行。

在本实施例中，所述自身角度感应传感器为陀螺仪。

步骤五，当没有障碍物时，所述控制单元根据检测情况和所述机器人的当前行进速度给定期望行进速度，所述控制单元根据所述给定期望行进速度和实时检测的实际行进速度进行速度闭环控制，继续正常运行。

当没有障碍物时，由所述机器人的速度检测传感器测定所述当前行进速度并反馈给所述控制单元，所述控制单元根据检测情况和所述当前行进速度给定期望行进速度，进而采用增量式PID或PI算法，进行PWM的脉宽计算，并对输出进行限幅处理，实现速度闭环控制，继续正常运行。在本实施例中，所述速度检测传感器为编码器，在运行过程中编码器实时反馈机器人三足速度。

具体地，在没有检测到障碍物时，为保证三足速度相同且不会卡死，控制单元根据检测情况和机器人的当前行进速度给定期望行进速度，使用增量式PID算法，对期望行进速度与当前行进速度进行做差，并进行多次累加，经多次试验得到PID三参数(Kp、Ki、Kd)，进行PWM的脉宽计算，并对输出进行限幅处理，实现机器人在管道中的平稳运行，实现速度闭环控制。

增量式PID算法为：

ΔU(n)＝Kp*{e(n)-e(n-1)}+Ki*e(n)+Kd*{e(n)-2*(n-1)+e(n-2)}

其中，e(n)、e(n-1)、e(n-2)分别为此连续的三次编码器采集量，Kp、Ki、Kd的值由实验获得，输出值ΔU(n)即为电机新的控制量。

优选地，考虑到噪声及突变使机器人的速度采集值可能会发生大幅度波动，为了消除积分饱和带来的不利影响，而且考虑到微分算子(即D微分项：{e(n)-2*e(n-1)+e(n-2)})容易受噪声影响，同时为了加快算法的处理速度，以及简化参数优化的复杂度，因此去掉D微分项，只剩下比例项P和积分项I，采用增量式积分分离的PI算法。

注：所述步骤四中的模糊PD计算与所述步骤五中的增量式PID或PI算法不同时进行，即在对角度进行调整的时候，应当放弃对于行驶速度的控制，以此保证两个PID算法不相互影响。

本发明的控制方法还包括压力闭环控制步骤，在机器人正常运行时，实时检测并判断压力传感器的测量值是否在其阈值范围内，如果超出阈值范围，所述控制单元根据当前压力数值控制所述机器人的电动推杆伸缩调节所述支撑足与管道内壁的贴合状态，直至压力数值恢复到阈值范围内。

具体的，经过多次试验首先获得机器人在正常运行过程中压力传感器的数值，并以此设置机器人正常运行过程中的压力传感器的阈值范围。当管径发生改变时，三足压力传感器所采集的反馈数据如果在预设阈值范围外，控制单元根据反馈数据的大小控制电动推杆进行伸或缩的操作，直到压力传感器的反馈数值回到其阈值范围内，此时认为机器人在新的管径中满足紧贴管壁的状态。所述压力传感器即为机器人搭载的薄膜压力传感器。

本发明提供的管道检测机器人的控制方法，使机器人在管道内运行的稳定性大大增强，有效防止管内卡死的情况发生，而且能够自由旋转进行避障，并实现机器人状态自检，增强了机器人管内作业的灵活性和安全性。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种管道检测机器人的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，设定所述机器人的行进速度初值、入管角度初值以及支撑足与管道内壁间压力初值，启动所述机器人；

步骤二，控制单元每隔预设时间对所述机器人搭载的各个传感器进行监测，如果任一所述传感器的反馈数据超过其阈值范围，则驱动所述机器人退出管道，否则正常运行；

若反馈数据超过阈值范围的所述传感器位于所述机器人的一个所述支撑足上，控制所述机器人在管道内旋转，使损坏的所述支撑足旋转到所述机器人的上方，然后控制所述机器人退出管道；

步骤三，根据障碍物检测传感器的检测情况，判断前方是否有障碍物，如果有执行步骤四，否则执行步骤五；

步骤四，当发现障碍物时，控制单元根据检测情况和所述机器人的当前行进角度给定避障角度，所述控制单元根据所述给定避障角度和实时检测的实际行进角度进行角度闭环控制，直至避开障碍物，继续正常运行；

步骤五，当没有障碍物时，所述控制单元根据检测情况和所述机器人的当前行进速度给定期望行进速度，所述控制单元根据所述给定期望行进速度和实时检测的实际行进速度进行速度闭环控制，继续正常运行。

2.根据权利要求1所述的管道检测机器人的控制方法，其特征在于：所述步骤四，当发现障碍物时，由所述障碍物检测传感器检测获得前方障碍物角度、大小并反馈给所述控制单元，由所述机器人的自身角度感应传感器检测获得所述当前行进角度并反馈给所述控制单元，所述控制单元根据所述障碍物角度和所述当前行进角度给定避障角度，进而采用模糊PD计算并对各个所述支撑足的电机进行差速闭环控制，使所述机器人按照所述避障角度行进，直至避开障碍物，继续正常运行。

3.根据权利要求2所述的管道检测机器人的控制方法，其特征在于：所述障碍物检测传感器为设置于所述机器人的主体支架(1)上的红外激光雷达；所述自身角度感应传感器为设置于所述主体支架(1)内部中心位置的陀螺仪。

4.根据权利要求2所述的管道检测机器人的控制方法，其特征在于：所述步骤五，当没有障碍物时，由所述机器人的速度检测传感器测定所述当前行进速度并反馈给所述控制单元，所述控制单元根据检测情况和所述当前行进速度给定期望行进速度，进而采用增量式PID或PI算法，进行PWM的脉宽计算，并对输出进行限幅处理，实现速度闭环控制，继续正常运行。

5.根据权利要求4所述的管道检测机器人的控制方法，其特征在于：所述步骤四中的模糊PD计算与所述步骤五中的增量式PID或PI算法不同时进行。

6.根据权利要求5所述的管道检测机器人的控制方法，其特征在于：所述速度检测传感器为设置于所述支撑足的电机(7)上的编码器。

7.根据权利要求1-6任一所述的管道检测机器人的控制方法，其特征在于：所述步骤二，当有任一所述传感器的反馈数据在连续100ms内都超过其阈值范围时，所述控制单元按照所述步骤五的方式控制所述机器人退出管道。

8.根据权利要求7所述的管道检测机器人的控制方法，其特征在于：还包括压力闭环控制步骤，在机器人正常运行时，实时检测并判断压力传感器的测量值是否在其阈值范围内，如果超出阈值范围，所述控制单元根据当前压力数值控制所述机器人的电动推杆伸缩调节所述支撑足与管道内壁的贴合状态，直至压力数值恢复到阈值范围内。

9.根据权利要求1所述的管道检测机器人的控制方法，其特征在于：所述步骤二中的所述预设时间为5ms。

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