CN113090864B - 管道机器人航向保证系统及航向修正方法 - Google Patents

管道机器人航向保证系统及航向修正方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及管道机器人运动控制技术领域，具体地讲是管道机器人航向保证系统及航向修正方法，前部机身与所述后部机身之间利用转体驱动装置连接，用于驱动前部机身相对于后部机身做径向运动；前、后部机身分别设置有前、后部姿态角度检测传感器，用于检测前、后部机身的航向角度等信号；行进驱动装置用以推动机器人行进，执行控制器设置在前部机身上用以接收前、后部姿态角度检测传感器的检测信号，并向转体驱动装置、行进驱动装置发送执行控制信号，本发明保证了管道机器人在大直径管道内运动的可控性，能避开行进方向的障碍物或陷阱，使得管道机器人可以保证进行航向的正确、可控。

Description

管道机器人航向保证系统及航向修正方法
技术领域
本发明涉及管道机器人运动控制技术领域，具体地讲是管道机器人航向保证系统及航向修正方法。
背景技术
管道机器人是一种用途较广的特种机器人，配备有机、电、仪及操作机械的智能一体化装备，它可以沿管道内部自动行走，并在工作人员的遥控操作或计算机自动控制下，能代替人员在无法进入或进入后危险的管状“有限空间”内，进行检测、维护和施工作业等工作。
一套完整的管内机器人系统，由行走机构、管道内部环境状态检测系统、信号传递和动力传输系统及控制系统组成，管内机器人开发者们大都是围绕着它在管内沿轴向运动进行研究和开发，相当于在二维空间内运动，但是，当管道空间的直径远大于机器人本体直径的时候，机器人在管道内的运动就不容易受管道的轴线方向约束，而是相当于在有边界的三维空间内自由运动了。管内机器人的在这种三维空间内的运动，就需要不断进行航向保证与及时修正。
为此设计一种适于管道机器人在大管道(内径大于管道机器人的主体直径1倍以上)内行进时调整航向，便于调整管内机器人的作业工具对准作业位置，以及沿着管道的轴心方向行进时，保证不偏航的管道机器人航向保证系统及航向修正方法是十分有必要的。
发明内容
本发明突破了现有技术的难题，设计了一种管道机器人航向保证系统及航向修正方法，以达到在大管道内可以及时调整航向，防止偏航的目的。
为了达到上述目的，本发明设计了管道机器人航向保证系统，其特征在于：包括前部机身、后部机身、转体驱动装置、行进驱动装置、执行控制器；
所述前部机身上设置有前车轮；
所述前部机身与所述后部机身之间利用转体驱动装置连接，用于驱动所述前部机身相对于所述后部机身做径向运动；
所述后部机身上设置有后车轮；
所述前部机身还设置有前部姿态角度检测传感器，用于检测前部机身的航向角度等信号；
所述后部机身还设置有后部姿态角度检测传感器，用于检测后部机身的航向角度等信号；
所述行进驱动装置设置在后部机身上，用以推动机器人行进，此时所述前车轮为航向调整轮，用于调整管道机器人的航向，所述后车轮为辅助轮，用于辅助管道机器人的航向调整和行进；
所述执行控制器设置在前部机身上，与前部姿态角度检测传感器、后部姿态角度检测传感器、转体驱动装置、行进驱动装置进行信号连接，用以接收前部姿态角度检测传感器、后部姿态角度检测传感器的检测信号，并向转体驱动装置、行进驱动装置发送执行控制信号。
优选的，所述行进驱动装置还可设置在前部机身上，用以带动管道机器人行进运动；
此时所述前车轮为辅助轮，用于辅助管道机器人的航向调整和行进，所述后车轮为航向调整轮，用于调整管道机器人的航向，所述驱动轮或/和辅助轮可采用单轮、双轮、组合轮或履带中的任意一种或几种。
进一步的，所述前部姿态角度检测传感器、后部姿态角度检测传感器均具有一维姿态角度或者二维姿态角度或三维姿态角度的检测功能。
进一步的，所述行进驱动装置设置有驱动轮，用以驱动管道机器人在管内行进。
进一步的，所述行进驱动装置也可以设置有蠕动节，用以推动管道机器人在管内行进。
优选的，行进驱动装置可以同时设置驱动轮和蠕动节，用以驱动管道机器人在管内行进，可以针对不同的行进需求调整并选择合适的行进驱动装置。
优选的，一维姿态角度为航向角，二维姿态角度为航向角和横滚角，三维姿态角度为航向角、横滚角和俯仰角。
进一步的，所述转体驱动装置，可以是往复旋转驱动装置，也可以是连续旋转驱动装置。
本发明还设计了管道机器人航向保证系统的航向修正方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：控制器获取前部姿态角度检测传感器、后部姿态角度检测传感器传递的姿态角度信号，并与初始给定的航向对比，判断偏航方向、偏航角度的多少；
步骤2：根据判断结果输出修正航向的扭转力矩F×L1给转体驱动装置，使前部机身相对于后部机身进行设定方向的径向相对转动；
步骤3：因为步骤2的相对转动，航向调整轮中的一侧轮会离地抬起，另一侧轮维持落地状态，此时扭转力矩使前部机身有一个指向落地侧轮的偏转力f1及其对应的偏转力矩，令管道机器人行进方向偏向落地侧轮方向，在行进驱动装置的驱动下行进一个时间段，实现行进一次行进航向修正。
步骤4：通过转体驱动装置与步骤1中旋转方向进行反向旋转，使得两个侧轮都恢复到落地状态，并再次将当前的航向角与初始的航向角进行比对。
步骤5：重复上述步骤，直到行进航向与期望航向的差值小于可接受的误差值，此时偏航方向、偏航角度修正完毕。
进一步的，控制器还可设置扭转力矩F×L1和行进驱动的持续时间，以确定一次航向修正过程中，航向角度可修正的大小。
进一步的，判断偏航方向、偏航角度的方法为：利用前部姿态角度检测传感器、后部姿态角度检测传感器检测的当前航向角度值与期望的航向角度进行比较，以确定偏航方向和偏航角度。
进一步的，步骤5的重复次数由期望的航向角度和偏航的角度之差，结合在一次航向修正过程中航向角度可修正的大小来确定。
进一步的，偏转力f1及其对应的偏转力矩的大小以及方向由前部姿态角度检测传感器、后部姿态角度检测传感器检测的当前横滚角的角度结合转体驱动装置的驱动力确定。
本发明与现有技术相比，具有以下优势：
1)，保证了管道机器人在大直径管道内运动的可控性，能避开行进方向的障碍物或陷阱，使得管道机器人可以保证进行航向的正确、可控；
2)仅使用一个轻微的前后机身相对转体动作来实现航向纠偏，操作起来动作幅度小，在大直径管道内的动作顺畅，而不需要借助管道内壁的摩擦和约束等方式来保证正确的行进方向；
3)本发明也适用于在非管道空间内的轮式运动设备，能提高轮式运动设备在大空间内运动控制的顺畅度和可靠性。
附图说明
图1为一具体实施例中一种管道机器人航向保证系统的结构示意图。
图2为一具体实施例中一种管道机器人航向保证系统的修正方法中正常行进状态的车轮后视图。
图3为一具体实施例中一种管道机器人航向保证系统的修正方法中扭转力矩作用下的车轮后视图。
其中，F--转体扭力；f1—航向偏转力；f2—转体扭力的垂直方向分力；
L1—转体扭力的力臂长度；L2—重力的力臂长度；G--重力。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述，但不作为对本发明的限定。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”、“顶”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，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“径向”是以管道的轴向和径向进行的划分，“径向转体”和“径向运动”均是指机身在垂直于管道轴向的进行顺时针或逆时针转体，是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系、相对运动关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
参见图1～3，在具体实施例中设计了管道机器人航向保证系统，包括前部机身1、后部机身2、转体驱动装置3、行进驱动装置4、控制器5；
所述前部机身1上设置有前车轮6；
所述前部机身1与所述后部机身2之间利用转体驱动装置3连接，用于驱动所述前部机身1相对于所述后部机身2做径向运动；
所述后部机身2上设置有后车轮7；
所述前部机身1还设置有前部姿态角度检测传感器8，用于检测前部机身1的航向角度等信号；
所述后部机身2还设置有后部姿态角度检测传感器9，用于检测后部机身2的航向角度等信号；
所述行进驱动装置4设置在后部机身2上，用以推动机器人行进，此时所述前车轮6为航向调整轮，用于调整管道机器人的航向，所述后车轮7为辅助轮，用于辅助管道机器人的航向调整和行进。
优选的，所述驱动轮或/和辅助轮可采用单轮、双轮、组合轮或履带中的任意一种或几种。
所述控制器5设置在前部机身1上，与前部姿态角度检测传感器8、后部姿态角度检测传感器9、转体驱动装置3、行进驱动装置4进行信号连接，用以接收前部姿态角度检测传感器8、后部姿态角度检测传感器9的检测信号，并向转体驱动装置3、行进驱动装置4发送执行控制信号。
优选的，所述行进驱动装置4还可设置在前部机身1上，用以带动管道机器人行进运动，此时所述前车轮6为辅助轮，用于辅助管道机器人的航向调整和行进，所述后车轮7为航向调整轮，用于调整管道机器人的航向。
进一步的，所述前部姿态角度检测传感器8、后部姿态角度检测传感器9均具有一维姿态角度或者二维姿态角度或三维姿态角度的检测功能。
其中，一维姿态角度为航向角，二维姿态角度为航向角和横滚角，三维姿态角度为航向角、横滚角和俯仰角。
优选的，所述行进驱动装置4设置有驱动轮，用以驱动管道机器人行进，所述行进驱动装置4还可以使用蠕动节，用以推动管道机器人行进。
优选的，行进驱动装置可以同时设置驱动轮和蠕动节，用以驱动管道机器人在管内行进，可以针对不同的行进需求调整并选择合适的行进驱动装置。
优选的，转体驱动装置3，可以是往复旋转驱动装置，也可以是连续旋转驱动装置。
本发明在具体实施中还涉及管道机器人航向保证系统的航向修正方法，包括如下步骤：
步骤1：控制器5获取前部姿态角度检测传感器8、后部姿态角度检测传感器9传递的姿态角度信号，并与初始给定的航向对比，判断偏航方向、偏航角度的多少；
步骤2：根据判断结果输出修正航向的扭转力矩F×L1给转体驱动装置3，使前部机身1相对于后部机身2进行设定方向的径向相对转动，需要注意的是该扭转力矩F×L1的持续时间可以由控制器5进行设置，用以确定一次航向修正过程中航向角度可修正的大小；
步骤3：因为步骤2的相对转动，航向调整轮中的一侧轮回离地抬起，另一侧轮维持落地状态，此时扭转力矩使前部机身1有一个指向落地侧轮的偏转力f1及其对应的偏转力矩，令管道机器人行进方向偏向落地侧轮方向，在行进驱动装置3的驱动下行进一个时间段，实现一次行进航向修正。
步骤4：通过转体驱动装置3与步骤1中旋转方向进行反向旋转，使得两个侧轮都恢复到落地状态，并再次将当前的航向角与初始的航向角进行比对。
步骤5：重复上述步骤，直到行进航向与期望航向的差值小于可接受的误差值，此时偏航方向、偏航角度修正完毕，而此处的重复次数则由期望的航向角度和偏航的角度之差，结合在一次航向修正过程中航向角度可修正的大小来确定。
优选的，偏转力f1及其对应的偏转力矩的大小以及方向由前部姿态角度检测传感器8、后部姿态角度检测传感器9检测的当前横滚角的角度，结合转体驱动装置3的驱动力确定。
实施例1：
控制器5根据前后姿态角度传感器检测获得的航向角信号判断偏航的方向和偏航角度的多少，根据判断结果，控制器5在管道机器人行进时提供一个修正航向的扭转力矩F*L1，使前部机身相对于后部机身进行设定方向的径向相对转动，此时航向调整轮(前轮或后轮)一对轮子中的侧轮A会离地抬起，另一侧轮B则维持落地，扭转力矩使前部机身的有一个指向落地轮子一侧的偏转力f1及其对应的偏转力矩，此时管道机器人行进的方向就会偏向那个落地的轮子一侧，实现机器人行进航向的一次修正；设定偏转力矩F*L1以及行进驱动的行进持续时间，就可以决定一次修正航向角度的大小。
实施例2：
如果提供的偏转力矩F*L1与期望行进方向的方向相反，行进的方向也与期望行进方向的相反，也可以进行与实施例1中方向相同的航向修正。
实施例3：
如果修正航向的扭转力矩F*L1与期望行进方向的方向相反，行进的方向与期望行进方向的相同，则可以进行与与实施例1中反方向的航向修正。
实施例4：
如果扭转力矩F*L1与期望行进方向的方向相同，而行进的方向与期望行进方向相反，则可以进行与实施例1中反方向的航向修正。
实施例5：
航向调整轮以扭转力矩以外的方式，在行进中使其一侧轮子高于另外一侧，也能达到与上面相同的航向修正效果，这种航向修正方式的原理也与上面的描述类似。
进一步的，控制器5还可设置扭转力矩F×L1以及行进驱动的行进持续时间，以确定航向角度一次修正的大小。
进一步的，判断偏航方向、偏航角度的方法为：利用前部姿态角度检测传感器8、后部姿态角度检测传感器9检测的当前航向角度值与期望的航向角度进行比较，以确定偏航方向和偏航角度。
进一步的，步骤4的重复次数由期望的航向角度和偏航的角度之差，结合在一次航向修正过程中航向角度可修正的大小来确定。
进一步的，偏转力f1及其对应的偏转力矩的大小以及方向由前部姿态角度检测传感器8、后部姿态角度检测传感器9检测的当前横滚角的角度结合转体驱动装置3的驱动力确定。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.管道机器人航向保证系统的航向修正方法，其特征在于：所述管道机器人航向保证系统包括前部机身（1）、后部机身（2）、转体驱动装置（3）、行进驱动装置（4）、控制器（5）；
所述前部机身（1）上设置有前车轮（6）；
所述前部机身（1）与所述后部机身（2）之间利用转体驱动装置（3）连接，用于驱动所述前部机身（1）相对于所述后部机身（2）做径向运动；
所述后部机身（2）上设置有后车轮（7）；
所述前部机身（1）还设置有前部姿态角度检测传感器（8），用于检测前部机身（1）的航向角度信号；
所述后部机身（2）还设置有后部姿态角度检测传感器（9），用于检测后部机身（2）的航向角度信号；
所述行进驱动装置（4）设置在后部机身（2）上，用以推动机器人行进，此时所述前车轮（6）为航向调整轮，用于调整管道机器人的航向，所述后车轮（7）为辅助轮，用于辅助管道机器人的航向调整和行进；
所述控制器（5）设置在前部机身（1）上，与前部姿态角度检测传感器（8）、后部姿态角度检测传感器（9）、转体驱动装置（3）、行进驱动装置（4）进行信号连接，用以接收前部姿态角度检测传感器（8）、后部姿态角度检测传感器（9）的检测信号，并向转体驱动装置（3）、行进驱动装置（4）发送执行控制信号；
包括如下步骤；
步骤1：控制器（5）获取前部姿态角度检测传感器（8）、后部姿态角度检测传感器（9）传递的姿态角度信号，并与初始给定的航向对比，判断偏航方向、偏航角度的多少；
步骤2：根据判断结果输出修正航向的扭转力矩F×L1给转体驱动装置（3），F为转体扭力，L1为转体扭力的力臂长度，使前部机身（1）相对于后部机身（2）进行设定方向的径向相对转动；
步骤3：因为步骤2的相对转动，航向调整轮中的一侧轮会离地抬起，另一侧轮维持落地状态，此时扭转力矩使前部机身（1）有一个指向落地侧轮的偏转力f1及其对应的偏转力矩，令管道机器人行进方向偏向落地侧轮方向，在行进驱动装置（3）的驱动下行进一个时间段，实现一次行进航向修正；
步骤4：通过转体驱动装置（3）与步骤1中旋转方向进行反向旋转，使得两个侧轮都恢复到落地状态，并再次将当前的航向角与初始的航向角进行比对；
步骤5：重复上述步骤，直到行进航向与期望航向的差值小于可接受的误差值，此时偏航方向、偏航角度修正完毕。
2.根据权利要求1所述的管道机器人航向保证系统的航向修正方法，其特征在于：所述行进驱动装置（4）还可设置在前部机身（1）上，用以带动管道机器人行进运动；
此时所述前车轮（6）为辅助轮，用于辅助管道机器人的航向调整和行进，所述后车轮（7）为航向调整轮，用于调整管道机器人的航向。
3.根据权利要求1所述的管道机器人航向保证系统的航向修正方法，其特征在于：所述前部姿态角度检测传感器（8）、后部姿态角度检测传感器（9）均具有一维姿态角度即航向角或者二维姿态角度即航向角和横滚角，三维姿态角度即航向角、横滚角和俯仰角的检测功能。
4.根据权利要求1所述的管道机器人航向保证系统的航向修正方法，其特征在于：所述行进驱动装置（4）设置有驱动轮或/和蠕动节，用以推动管道机器人在管内行进。
5.根据权利要求1所述的管道机器人航向保证系统的航向修正方法，其特征在于：所述转体驱动装置（3），为往复旋转驱动装置或连续旋转驱动装置。
6.根据权利要求1所述的管道机器人航向保证系统的航向修正方法，其特征在于：控制器（5）设置扭转力矩F×L1和行进驱动的持续时间，以确定一次航向修正过程中航向角度可修正的大小。
7.根据权利要求1所述的管道机器人航向保证系统的航向修正方法，其特征在于：判断偏航方向、偏航角度的方法为：利用前部姿态角度检测传感器（8）、后部姿态角度检测传感器（9）检测的当前航向角度值与期望的航向角度进行比较，以确定偏航方向和偏航角度。
8.根据权利要求1所述的管道机器人航向保证系统的航向修正方法，其特征在于：步骤5的重复次数由期望的航向角度和偏航的角度之差，结合在一次航向修正过程中航向角度可修正的大小来确定。
9.根据权利要求1所述的管道机器人航向保证系统的航向修正方法，其特征在于：偏转力f1及对应的偏转力矩的大小以及方向由前部姿态角度检测传感器（8）、后部姿态角度检测传感器（9）检测的当前横滚角的角度，结合转体驱动装置（3）的驱动力及其力臂长度确定。
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