CN111290396A - 一种管道检测无人船自动控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种管道检测无人船自动控制方法，包括如下步骤：S1、获取无人船的姿态信息和位置信息；S2、将外部输入的控制指令作为目标输入，姿态信息和位置信息作为反馈量进行闭环控制，输出无人船待运动信息；S3、根据无人船待运动信息拓扑分解得到无人船驱动机构的目标运行参数；S4、根据无人船驱动机构的目标运行参数控制无人船的驱动机构运行，进而驱动无人船运行。本发明应用于管道内的无人船的自动控制，大大降低操作人员对无人船检测作业的操作难度。
Description
技术领域
本发明涉及污水管道检测技术领域，具体涉及一种管道检测无人船自动控制方法。
背景技术
长期以来，由于地下污水管道受化学、应力、潮湿、维护不便等等原因的影响，地下管道会出现开裂、老化、堵塞、塌陷等情况。与此同时，由于地线管道的隐蔽性、狭窄空间、臭气熏天的污水环境，这种恶劣地下管网环境十分不适合人工作业。目前，直径较小、且无法进人或进入不便的地下污水管道检测处于缺失状态；而直径较大的地下污水管道依然采用人工检测，其检测效率低，且存在人为因素检测缺失问题。基于此，用于地下污水管道检测的船型机器人应运而生，例如申请号为CN201910034896.8的专利，公开了一种船型地下污水管道检测机器人，包括船体，设置在船体的船箱内的通讯接头快拆盒，设置在通讯接头快拆盒的前端、用于规避障碍物的避障雷达，设置在通讯接头快拆盒的后端、用于驱动船体行进的推进器，扣合在所述通讯接头快拆盒上的透明罩，由所述透明罩和通讯接头快拆盒共同构成的采集保护腔，固定在所述通讯接头快拆盒上、置于所述采集保护腔内、且为全角度旋转的摄像头，以及沿垂直于所述船体行进方向均匀布设所述通讯接头快拆盒上、用于拍摄地下污水管道内壁的图像、且置于所述采集保护腔内的三组高清相机。但是，目前针对应用于管道内的无人船的自动控制方法还处于空白，因此，亟需一种管道内的无人船的控制方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种管道检测无人船自动控制方法，应用于管道内的无人船的自动控制，大大降低操作人员对无人船检测作业的操作难度。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种管道检测无人船自动控制方法，包括如下步骤：
S1、获取无人船的姿态信息和位置信息；
S2、将外部输入的控制指令作为目标输入，姿态信息和位置信息作为反馈量进行闭环控制，输出无人船待运动信息；
S3、根据无人船待运动信息拓扑分解得到无人船驱动机构的目标运行参数；
S4、根据无人船驱动机构的目标运行参数控制无人船的驱动机构运行，进而驱动无人船运行。
进一步的，所述位置信息为无人船的管向位置信息和径向位置信息，所述姿态信息为无人船的俯仰、横滚、航向信息。
再进一步的，所述径向位置的计算方法为通过RANSAC算法将无人船在管道中行驶时雷达采集的无人船前方和侧面的障碍点坐标进行直线识别、并将雷达采集的障碍点与管壁行程的点无差别的进行直线拟合，根据拟合直线的长度和两条拟合直线的近似平行关系确认两条代表管壁的识别直线，计算无人船与这两条识别直线的距离，确定无人船在管道中的径向位置。
更进一步的，所述直线拟合的方法为从雷达数据中采用随机采样一致性算法搜索最长的两条直线，拟合出两条直线的方程：
其中，A1、B1、C1和A2、B2、C2是直线方程的系数；
更进一步的，无人船与两条识别直线的距离的计算公式为：
其中，L1表示无人船与一侧识别直线的距离，L2表示无人船与另一侧识别直线的距离；
更进一步的，无人船的航向角的计算公式为：
其中，θ为无人船航向角，表示无人船前进方向偏离管道中心的角度。
更进一步的，所述管向位置信息由自动放线机放出的线长得到。
更进一步的，所述姿态信息由无人船的微机械陀螺仪测得的线加速度和角速度通过EKF算法融合计算得到。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明应用于管道内的无人船的自动控制，大大降低操作人员对无人船检测作业的操作难度。
附图说明
图1为本发明的实施例的无人船航向和位置示意图。
图2为本发明的实施例的硬件控系统示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更为清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
如图1和2所示，本实施例提供了一种管道检测无人船自动控制方法，需要说明的是，本实施例中的“第一”、“第二”、“第三”等序号用语仅用于区分同类部件，不能理解成对保护范围的特定限定。另外，本实施例中的“底部”、“顶部”、“侧边缘”等方位用语是基于附图来说明的。
该管道检测无人船自动控制方法，包括如下步骤：
S1、获取无人船的姿态信息和位置信息；
S2、将外部输入的控制指令作为目标输入，姿态信息和位置信息作为反馈量进行闭环控制，输出无人船待运动信息；
S3、根据无人船待运动信息拓扑分解得到无人船驱动机构的目标运行参数；
S4、根据无人船驱动机构的目标运行参数控制无人船的驱动机构运行，进而驱动无人船运行。
其中，所述位置信息为无人船的管向位置信息和径向位置信息，所述姿态信息位无人船的俯仰、横滚、航向信息。所述径向位置信息的计算方法为通过RANSAC算法将无人船在管道中行驶时雷达采集的无人船前方和侧面的障碍点坐标进行直线识别、并将雷达采集的障碍点与管壁行程的点无差别的进行直线拟合，根据拟合直线的长度和两条拟合直线的近似平行关系确认两条代表管壁的识别直线，计算无人船与两条识别直线的距离，确定无人船在管道中的径向位置。
RANSAC直线识别：输入一组观测数据，一个适应于观测数据的参数化模型和一些可信参数。RANSAC通过反复选择数据中的一组随机子集来达成目标。被选取的子集被假设为局内点，并用下述方法进行验证；随机选取一个模型适应于假设的局内点a，即所有的未知参数都能从假设的局内点计算得出。用a中得到的模型去测试所有的其它数据，如果某个点适用于估计的模型，认为它也是局内点。如果有足够多的点被归类为假设的局内点，那么估计的模型就足够合理。然后，用所有假设的局内点去重新估计模型，因为它仅仅被初始的假设局内点估计过。最后，通过估计局内点与模型的错误率来评估模型。此过程被重复执行固定的次数，每次产生的模型要么因为局内点太少而被舍弃，要么因为比现有的模型更好而被选用
具体来说，如图1所示，管道侧壁的雷达数据表现为两条直线(图中虚线所示)，所述直线拟合的方法为从雷达数据中采用随机采样一致性算法搜索最长的两条直线，拟合出两条直线的方程：
其中，A1、B1、C1和A2、B2、C2是直线方程的系数；
无人船与两条识别直线的距离的计算公式为：
其中，L1表示无人船与一侧识别直线的距离，L2表示无人船与另一侧识别直线的距离；
无人船的航向角的计算公式为：
其中，为无人船航向角，表示无人船前进方向偏离管道中心的角度。激光雷达安装在无人船头位置，扫描方向为水平360°扫描。图1中菱形表示机器人，x-y为船体坐标系，为船头方向与管道中心线的夹角，这里定义为航向角。
所述管向位置信息由自动放线机放出的线长得到。所述姿态信息由无人船的微机械陀螺仪测得的线加速度和角速度通过EKF算法融合计算得到。
该管道检测无人船自动控制方法还配套有一套硬件控系统，该方法硬件控制系统包含两个控制器(分别为实时控制器与运算控制器)，一个陀螺仪、一个激光雷达、一个数字电台、多路驱动风扇、多路风扇驱动器(电调)。实时控制器，负责完成电调控制信号生成，驱动风扇转速信号接收，陀螺仪数据读取，风扇控制算法实现、船体运动控制算法实现、数字电台数据接收。运算控制器，负责系统通讯指令接收与状态回传、激光雷达数据接收、位置与姿态融合算法实现、位置与姿态控制算法实现。两个控制器之间有数字通讯链路连接实现协同工作。
实时控制器与电机驱动进行通讯，实时进行多电机协同工作，并对电机进行转速闭环控制。运算控制器采用运算性能更好的处理器，陀螺仪和激光雷达数据由该处理器读取，并进行计算得到船体姿态与位置数据。实时控制器与运算控制器之间采用数字通讯链路连接，运动控制器将船体运动指令发送给实时控制，同时实时控制器将船体运动状态反馈给运算控制器。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种管道检测无人船自动控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、获取无人船的姿态信息和位置信息；
S2、将外部输入的控制指令作为目标输入，姿态信息和位置信息作为反馈量进行闭环控制，输出无人船待运动信息；
S3、根据无人船待运动信息拓扑分解得到无人船驱动机构的目标运行参数；
S4、根据无人船驱动机构的目标运行参数控制无人船的驱动机构运行，进而驱动无人船运行。
2.根据权利要求1所述的管道检测无人船自动控制方法，其特征在于：所述位置信息为无人船的管向位置信息和径向位置信息，所述姿态信息为无人船的俯仰、横滚、航向信息。
3.根据权利要求2所述的管道检测无人船自动控制方法，其特征在于：所述径向位置的计算方法为通过RANSAC算法将无人船在管道中行驶时雷达采集的无人船前方和侧面的障碍点坐标进行直线识别、并将雷达采集的障碍点与管壁行程的点无差别的进行直线拟合，根据拟合直线的长度和两条拟合直线的近似平行关系确认两条代表管壁的识别直线，计算无人船与这两条识别直线的距离，确定无人船在管道中的径向位置。
4.根据权利要求3所述的管道检测无人船自动控制方法，其特征在于：所述直线拟合的方法为从雷达数据中采用随机采样一致性算法搜索最长的两条直线，拟合出两条直线的方程：
其中，A1、B1、C1和A2、B2、C2是直线方程的系数。
5.根据权利要求4所述的管道检测无人船自动控制方法，其特征在于：无人船与两条识别直线的距离的计算公式为：
其中，L1表示无人船与一侧识别直线的距离，L2表示无人船与另一侧识别直线的距离。
6.根据权利要求5所述的管道检测无人船自动控制方法，其特征在于：无人船的航向角的计算公式为：
其中，θ为无人船航向角，表示无人船前进方向偏离管道中心的角度。
7.根据权利要求6所述的管道检测无人船自动控制方法，其特征在于：所述管向位置信息由自动放线机放出的线长得到。
8.根据权利要求7所述的管道检测无人船自动控制方法，其特征在于：所述姿态信息由无人船的微机械陀螺仪测得的线加速度和角速度通过EKF算法融合计算得到。
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