CN113247220A - 水下机器人自动扫描检测隧洞的方法及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种水下机器人自动扫描检测隧洞的方法，水下机器人具有脐带缆，隧洞中具有高流速动水，包括：布放水下机器人至隧洞中，控制水下机器人的扫描检测设备朝向隧洞的内壁；悬停水下机器人至与内壁具有期望距离处；控制水下机器人以预设运动方式沿隧洞的延伸方向运动，以使水下机器人对隧洞的内壁进行全方位扫描；预设运动方式包括在隧洞内正向螺旋和反向螺旋；在运动过程中，控制水下机器人的扫描检测设备始终朝向隧洞的内壁，且与内壁具有期望距离。在高流速动水隧洞中进行全方位自动巡航检测，进入自动巡航监测后无需人工干预。能够提取整个隧洞内壁的全部位置检测数据，并且在全方位巡检过程是在持续运动中完成的，具有良好的效率。
Description
技术领域
本公开涉及输水隧洞扫描检测技术领域，尤其涉及一种水下机器人自动扫描检测隧洞的方法及电子设备。
背景技术
输水隧洞是水利工程中常见的一种输水道，长期运行可能存在各种运行隐患。巡视检查在输水隧洞安全监测与管理中十分重要，隧洞巡检的工作量巨大，任务繁重。
水下机器人的应用场景越来越广泛，水下机器人在输水隧洞中使用也变得越来多。但是多为在静水中人为手动操作控制摇杆或者控制手柄进行单点观察，无法在高流速动水中进行全方位的自动扫描检测，导致用户使用不方便、不智能，作业效率低下。
发明内容
有鉴于此，本公开的目的在于提出一种水下机器人自动扫描检测隧洞的方法及电子设备。
基于上述目的，本公开提供了水下机器人自动扫描检测隧洞的方法，所述水下机器人具有脐带缆，所述隧洞中具有高流速动水，所述方法包括：
布放水下机器人至隧洞中，控制所述水下机器人的扫描检测设备朝向所述隧洞的内壁；悬停所述水下机器人至与所述内壁具有期望距离处；
控制所述水下机器人以预设运动方式沿所述隧洞的延伸方向运动，以使所述水下机器人对所述隧洞的内壁进行全方位扫描；所述预设运动方式包括在隧洞内正向螺旋和反向螺旋；在运动过程中，控制所述水下机器人的扫描检测设备始终朝向所述隧洞的内壁，且与所述内壁具有所述期望距离。
在一些实施例中，所述控制所述水下机器人以预设运动方式沿所述隧洞的延伸方向运动具体包括：
确定所述隧洞是否为拼接式隧洞；
响应于确定所述隧洞为一体式隧洞，控制所述水下机器人在所述隧洞中交替正向螺旋前进和反向螺旋前进；
响应于确定所述隧洞为拼接式隧洞，控制所述水下机器人在所述隧洞内交替正向螺旋、前进和反向螺旋。
在一些实施例中，所述控制水下机器人以预设运动方式沿所述隧洞的延伸方向运动具体包括：
分别设定水下机器人在自身坐标系的期望运动参数，期望运动参数包括：Y轴方向的期望横移速度、X轴方向的期望前进速度、 Z轴方向的期望距离、RX方向上水下机器人底面左端和右端到隧洞内壁的期望距离差、RY方向上水下机器人底面前端和后端到隧洞内壁的期望距离差和RZ方向的期望航向角度；其中，Z轴为水下机器人中心点到隧洞内壁的方向；X轴为平行于隧洞延伸的方向；Y轴为螺旋时的横移方向；RY为沿Y轴旋转的方向； RX为沿X轴旋转的方向； RZ为沿Z轴旋转的方向；
分别实时检测水下机器人在自身坐标系的实际运动参数，实际运动线束包括：Y轴方向的实际横移速度、X轴方向的实际前进速度、 Z轴方向的实际距离、RX方向的实际距离差、RY方向的实际距离差和RZ方向的实际航向角度；
分别根据所述期望运动参数和对应的实际运动参数的差值，通过控制算法，计算推进器推力；所述推进器推力包括：Y轴方向的推进力、X轴方向的推进力、 Z轴方向的推进力、RX方向的推进力、RY方向的推进力和RZ方向的推进力。
在一些实施例中，所述期望前进速度根据期望横移速度和扫描检测设备的最大扫描检测角度计算；所述实际前进速度和所述实际横移速度分别通过水下机器人搭载的速度传感器检测。
在一些实施例中，所述期望前进速度根据期望横移速度和扫描检测设备的最大扫描检测角度计算具体包括：
根据水下机器人距离隧洞内壁的期望距离和最大扫描角度计算最大扫描长度；
根据隧洞尺寸和隧洞形状计算隧洞横截面的周长；
根据所述周长和期望横移速度计算水下机器人螺旋一圈所需时长；
根据最大扫描长度和所需时长计算期望前进速度。
在一些实施例中，RX方向的推进力计算包括：
根据水下机器人的距离测量设备检测的RX方向上水下机器人底面左端和右端到隧洞内壁的实际距离差，推算期望横滚角度与实际横滚角度的差值；
根据所述期望横滚角度与实际横滚角度的差值，通过控制算法计算RX方向的推进力。
在一些实施例中，RY方向的推进力计算包括：
根据水下机器人的距离测量设备检测的RY方向上水下机器人底面前端和后端到隧洞内壁的实际距离差，推算期望俯仰角度与实际俯仰角度的差值；
根据期望俯仰角度与实际俯仰角度的差值，通过控制算法计算RY方向的推进力。
在一些实施例中，所述实际距离通过水下机器人的距离测量设备检测；
所述期望航向角度为平行于隧洞的延伸方向；所述实际航向角度通过水下机器人的惯性导航系统检测。
在一些实施例中，控制所述水下机器人在所述隧洞内正向螺旋时，期望横移速度的方向为向右；期望前进速度为0；
控制所述水下机器人在所述隧洞内反向螺旋时，期望横移速度的方向为向左；期望前进速度为0；
控制所述水下机器人在所述隧洞内前进时，期望横移速度为0；前进的距离等于所述隧洞的最小拼接单元的长度。
本公开实施例还提供一种电子设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如前任意一项所述的方法。
从上面所述可以看出，本公开提供的水下机器人自动扫描检测隧洞的方法，水下机器人具有脐带缆，隧洞中具有高流速动水，包括：布放水下机器人至隧洞中，控制水下机器人的扫描检测设备朝向隧洞的内壁；悬停水下机器人至与内壁具有期望距离处；控制水下机器人以预设运动方式沿隧洞的延伸方向运动，以使水下机器人对隧洞的内壁进行全方位扫描；预设运动方式包括在隧洞内正向螺旋和反向螺旋；在运动过程中，控制水下机器人的扫描检测设备始终朝向隧洞的内壁，且与内壁具有期望距离。在高流速动水隧洞中进行全方位自动巡航检测，进入自动巡航监测后无需人工干预。能够提取整个隧洞内壁的全部位置检测数据，并且在全方位巡检过程是在持续运动中完成的，具有良好的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本公开或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本公开实施例的水下机器人自动扫描检测隧洞的方法的流程示意图；
图2为本公开实施例的水下机器人在一体式隧洞中的运动轨迹的正视图；
图3为本公开实施例的水下机器人在隧洞中的运动轨迹的侧视图；
图4为本公开实施例的水下机器人在拼接式隧洞中的运动轨迹的正视图示意图；
图5为本公开实施例的控制所述水下机器人以预设运动方式沿所述隧洞的延伸方向运动的流程示意图；
图6为本公开实施例的水下机器人自身坐标系的示意图；
图7为本公开实施例的X轴和Y轴方向的推进器推力的计算流程示意图；
图8为本公开实施例的RX方向的推进器推进力的计算流程示意图；
图9为本公开实施例的水下机器人底面左端和右端的距离差示意图；
图10为本公开实施例的RY方向的推进器推进力的计算流程示意图；
图11为本公开实施例的水下机器人底面前端和后端的距离差示意图；
图12为本公开实施例的Z轴方向的推进器推进力的计算流程示意图；
图13为本公开实施例的水下机器人中心点到所正对的隧洞内壁的距离示意图；
图14为本公开实施例的RZ的推进器推进力的计算流程示意图；
图15为本公开实施例的水下机器人扫描角度示意图；
图16为本公开实施例所提供的电子设备硬件结构示意图。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
需要说明的是，除非另外定义，本公开实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开实施例中使用的 “包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
请参阅图1，本公开实施例提供一种水下机器人自动扫描检测隧洞的方法，所述水下机器人具有脐带缆，所述隧洞中具有高流速动水，包括：
S100，布放水下机器人至隧洞中，控制所述水下机器人的扫描检测设备朝向所述隧洞的内壁；悬停所述水下机器人至与所述内壁具有期望距离处；
S200，控制所述水下机器人以预设运动方式沿所述隧洞的延伸方向运动，以使所述水下机器人对所述隧洞的内壁进行全方位扫描；所述预设运动方式包括在隧洞内正向螺旋和反向螺旋；在运动过程中，控制所述水下机器人的扫描检测设备始终朝向所述隧洞的内壁，且与所述内壁具有所述期望距离。应当说明的是，本公开实施例中的正向螺旋指的是顺时针螺旋；反向螺旋指的是逆时针螺旋。
本公开实施例中的水下机器人，具有扫描检测设备，用于对隧洞的内壁进行扫描拍摄；速度传感器，用于检测水下机器人在Y轴方向的实际横移速度和X轴方向的实际前进速度；惯性导航系统，用于检测水下机器人的实际横滚角度、实际俯仰角度和实际航向角度；距离测量设备，用于检测水下机器人的底面中心、底面左端、底面右端、底面前端和底面后端与隧洞内壁的距离。
在一些实施例中，在步骤S100中，扫描检测设备朝向所述隧洞的内壁可以为扫描检测设备正对所述隧洞的内壁，以清晰且全面拍摄隧洞内壁的形态。扫描检测设备可以为高清摄像机等。期望距离，可以根据经验设定，只要使扫描检测设备能够拍摄到清晰可以识别的照片即可。
在应用场景中，期望距离根据检测任务、设备特性（水下机器人特性）和经验确定。也即，水下机器人可以贴壁扫描，也可以与隧洞内壁保持一定距离进行扫描。
在一些实施例中，水下机器人在运动时，根据自身坐标系的各个方向，来进行相应的控制。如图6，水下机器人自身坐标系以水下机器人中心点为坐标系的原点，具体包括：Z轴方向、X轴方向、Y轴方向、RZ方向、RY方向和RX方向。其中，Z轴为水下机器人中心点到隧洞内壁的方向；X轴为平行于隧洞延伸（也即长度）的方向；Y轴为在隧洞内螺旋时的横移方向；RY为沿Y轴旋转的方向；RX为沿X轴旋转的方向；RZ为沿Z轴旋转的方向。
在一些实施例中，所述控制水下机器人以预设运动方式沿所述隧洞的延伸方向运动具体包括：
分别设定水下机器人在自身坐标系的期望运动参数，期望运动参数包括：Y轴方向的期望横移速度、X轴方向的期望前进速度、 Z轴方向的期望距离、RX方向上水下机器人底面左端和右端的期望距离差、RY方向上水下机器人底面前端和后端的期望距离差和RZ方向的期望航向角度； 期望运动参数可以在水下机器人开始执行任务前，预先在软件中输入设定好。
分别实时检测水下机器人在自身坐标系的实际运动参数，实际运动参数包括：Y轴方向的实际横移速度、X轴方向的实际前进速度、 Z轴方向的实际距离、RX方向上水下机器人底面左端和右端的实际距离差、RY方向上水下机器人底面前端和后端的实际距离差和RZ方向的实际航向角度；
分别根据所述期望运动参数和对应的实际运动参数的差值，通过控制算法，计算推进器推力；所述推进器推力包括：Y轴方向的推进力、X轴方向的推进力、 Z轴方向的推进力、RX方向的推进力、RY方向的推进力和RZ方向的推进力。
如图5，在一些实施例中，在步骤S200中，所述控制所述水下机器人以预设运动方式沿所述隧洞的延伸方向运动具体包括：
S210，确定所述隧洞是否为拼接式隧洞；
S220，响应于确定结果，控制所述水下机器人在所述隧洞中交替正向螺旋、直线前进和反向螺旋或交替正向螺旋前进和反向螺旋前进。
通过根据隧洞的拼接方式，进行对应的方式的扫描，能够提高扫描检测的效率。
在一些实施例中，步骤S210中具体可以通过隧洞的参数进行确定隧洞是否为拼接式隧洞。隧洞的形状可以为圆形。
在一些实施例中，步骤S220中，所述响应于确定结果，控制所述水下机器人在所述隧洞中交替正向螺旋、直线前进和反向螺旋或交替正向螺旋前进和反向螺旋前进具体包括：
响应于确定所述隧洞为一体式隧洞，控制所述水下机器人在所述隧洞中交替正向螺旋前进和反向螺旋前进；
响应于确定所述隧洞为拼接式隧洞，控制所述水下机器人在所述隧洞内交替正向螺旋、前进和反向螺旋。
在一些实施例中，当隧洞为一体式隧洞，水下机器人的运动轨迹具体可以如图2和图3所示。可以理解为，水下机器人正向螺旋前进，为沿隧洞的延伸方向向右侧螺旋前进；反向螺旋前进，为沿隧洞的延伸方向向左侧螺旋前进。通过该种扫描方式，能够使水下机器人以较佳地速率前进，高效完成一体式隧洞的扫描检测。
在应用场景中，可以理解为，水下机器人在一体式隧洞中转圈-前进-转圈扫描:保持水下机器搭载的扫描检测设备始终正对隧洞内壁,水下机器人保持隧洞走向方向上悬停，在隧洞横截面上以一定的速度沿隧洞内壁顺时针运动一圈后，水下机器人向前方运动L米，然后水下机器人保持隧洞走向方向上悬停，在隧洞横截面上以一定的速度沿隧洞内壁逆时针运动一圈。水下机器人在隧洞内交替顺时针逆时针运动，能够防止用于水下机器人通讯的脐带缆在一个方向上缠绕。
在一些实施例中，所述控制所述水下机器人在所述隧洞中正向螺旋前进可以理解为，控制所述水下机器人沿自身坐标系的Y轴方向正向螺旋前进。沿自身坐标系的Y轴方向正向螺旋前进具体可以包括：控制所述水下机器人在自身坐标系的Y轴方向向右运动，速度值为正值，即期望横移速度的方向为向右。剩余方向的期望运动参数不变，即维持X轴方向的期望前进速度、维持Z轴方向的期望距离、维持RX方向上水下机器人底面左端和右端的期望距离差、维持RY方向上水下机器人底面前端和后端的期望距离差和RZ方向的期望航向角度。
在一些实施例中，所述控制所述水下机器人在所述隧洞中反向螺旋前进可以理解为，沿自身坐标系的Y轴方向反向螺旋前进。沿自身坐标系的Y轴方向反向螺旋前进具体包括：控制所述水下机器人在自身坐标系的Y轴方向向左运动和RX方向向左运动，速度值为负值，即期望横移速度的方向为向左。剩余方向的期望运动参数不变，即维持X轴方向的期望前进速度、维持Z轴方向的期望距离、维持RX方向上水下机器人底面左端和右端的期望距离差、维持RY方向上水下机器人底面前端和后端的期望距离差和RZ方向的期望航向角度。
在一些实施例中，当隧洞为拼接式隧洞时，水下机器人的运动轨迹具体可以如图4和图3所示。可以理解为，水下机器人正向螺旋，为沿隧洞的延伸方向向右侧螺旋；前进，为沿隧洞的延伸方向直线前进；反向螺旋，为沿隧洞的延伸方向向左侧螺旋。前进的距离可以等于所述隧洞的最小拼接单元的长度。通过该种运动方式，能够重点对拼接式隧洞易发生问题的连接处进行检测，从而使该种运动轨迹下仍具有较高的扫描检测效率。
在应用场景中，可以理解为，水下机器人在拼接式隧洞中螺旋形扫描: 保持水下机器搭载的扫描检测设备始终正对隧洞内壁，水下机器人在隧洞横截面上以一定的速度沿隧洞内壁顺时针运动同时以一定的速度前进，顺时针运动N圈后，水下机器人再在隧洞横截面上以一定的速度沿隧洞内壁逆时针运动，同时以一定的速度前进，依次循环运动。
在一些实施例中，所述控制所述水下机器人在所述隧洞内交替正向螺旋、前进和反向螺旋具体包括：控制所述水下机器人沿自身坐标系的Y轴方向正向螺旋、X轴方向直线前进和RX方向反向螺旋；其中，X轴方向直线前进的距离可以等于所述隧洞的最小拼接单元的长度。沿自身坐标系的Y轴方向正向螺旋具体可以包括：控制所述水下机器人在自身坐标系的Y轴方向向右运动，速度值为正值，即期望横移速度的方向为向右。 也即隧洞的周向向右运动、在隧洞的径向方向向右运动。期望前进速度为0。剩余方向的期望运动参数不变，即维持Z轴方向的期望距离、维持RX方向上水下机器人底面左端和右端的期望距离差、维持RY方向上水下机器人底面前端和后端的期望距离差和RZ方向的期望航向角度。
在一些实施例中，所述控制所述水下机器人在所述隧洞内前进可以理解为，沿自身坐标系的X轴方向直线前进。沿自身坐标系的X轴方向反向直线前进具体包括：控制所述水下机器人在自身坐标系的X轴直线运动，期望横移速度为0。剩余方向的期望运动参数不变，即维持X轴方向的期望运动速度、维持Z轴方向的期望距离、维持RX方向上水下机器人底面左端和右端的期望距离差、维持RY方向上水下机器人底面前端和后端的期望距离差和RZ方向的期望航向角度。
在一些实施例中，所述控制所述水下机器人在所述隧洞中反向螺旋可以理解为，沿自身坐标系的Y轴方向反向螺旋。沿自身坐标系的Y轴方向反向螺旋前进具体包括：控制所述水下机器人在自身坐标系的Y轴方向向左运动，速度值为负值，即期望横移速度的方向为向左；也即控制所述水下机器人在隧洞的周向向左运动。期望前进速度为0。剩余方向的期望运动参数不变，即维持Z轴方向的期望距离、维持RX方向上水下机器人底面左端和右端的期望距离差、维持RY方向上水下机器人底面前端和后端的期望距离差和RZ方向的期望航向角度。
在一些实施例中，所述期望横移速度，根据经验确定。只要保证扫描检测设备拍摄的清晰度即可。
在一些实施例中，所述期望前进速度根据期望横移速度和扫描检测设备的最大扫描检测角度计算。所述期望前进速度根据期望横移速度和扫描检测设备的最大扫描检测角度计算具体包括：
根据水下机器人距离隧洞内壁的期望距离和最大扫描角度计算最大扫描长度。如图15，可以通过式L=m*tan（θ/2）*2计算；L为最大扫描长度；m为水下机器人距离隧洞内壁的期望距离；θ为水下机器人扫描检测设备的最大扫描角度（也即扫描角）。
根据隧洞尺寸和隧洞形状计算隧洞横截面的周长。
根据所述周长和期望横移速度计算水下机器人螺旋一圈所需时长。可以通过式T=S/VY计算；其中，T为旋转扫描一圈所需时长；S为隧洞横截面的周长；VY为Y轴方向的期望横移速度。
根据最大扫描长度和所需时长计算期望前进速度。可以通过式VX = L/T=m*tan(θ/2)*2/(S/VY)计算；其中，VX为X轴方向的期望前进速度；m为水下机器人距离隧洞内壁的距离；θ为水下机器人扫描检测设备的最大扫描角度；S为隧洞横截面的周长；VY为Y轴方向的期望横移速度。
在一些实施例中，所述实际前进速度和所述实际横移速度分别通过水下机器人搭载的速度传感器检测。
在一些实施例中，请参见图7，根据期望前进速度和实际前进速度，通过控制算法，计算X轴方向的推进器推力具体包括：
计算期望前进速度和实际前进速度的差值；
根据期望前进速度和实际前进速度的差值，进行PID计算，得到X轴方向的推进器
推力。具体计算可以通过式（1）进行计算，其中，
为t时刻X方向的推进器推力；Kp为比
例增益；Tt为积分时间常数；TD为微分时间常数；
为X轴方向的期望前进速度和实际前
进速度的差值。
在一些实施例中，请参见图7，根据期望横移速度和实际横移速度，通过控制算法，计算Y轴方向的推进器推力具体包括：
计算期望横移速度和实际横移速度的差值；
根据期望横移速度和实际横移速度的差值，进行PID计算，得到Y轴方向的推进器
推力。具体计算可以通过式（2）进行计算，其中，
为t时刻Y方向的推进器推力；Kp为比例增益；Tt为积分时间常数；TD为微分时间常
数；
为Y轴方向的期望横移速度和实际横移速度的差值。
在一些实施例中，如图8，根据RX方向上水下机器人底面左端和右端到隧洞内壁的实际距离差，通过控制算法，计算RX方向的推进器推进力具体包括：
通过水下机器人的惯性导航系统检测实际横滚角度。
根据水下机器人的距离测量设备检测的RX方向上水下机器人底面左端和右端的实际距离差和实际横滚角度，推算期望横滚角度；并计算期望横滚角度与实际横滚角度的差值。在应用场景中，如图9，水下机器人底面左端与隧洞内壁的距离可以如D1所示，水下机器人底面右端与隧洞内壁的距离可以如D2所示。期望横滚角的计算具体可以如式（7）所示：roll= arcsin （(D2-D1)/W）+roll_act(7)；其中，roll为期望横滚角度：W为水下机器人的宽度；D1为水下机器人底面左端与隧洞内壁的距离；D2为水下机器人底面右端与隧洞内壁的距离；roll_act为实际横滚角度。期望横滚角度与实际横滚角度的差值可以为e RX （t）=arcsin（(D1-D2)/W）。也即，根据水下机器人底面左端和右端到隧洞内壁的实际距离差，即可计算得到期望横滚角度与实际横滚角度的差值。
根据期望横滚角度与实际横滚角度的差值，通过控制算法计算RX方向的推进力。
具体计算可以通过式（3）进行计算，其中，
为t时刻RX方向的推进器推力；Kp为比例
增益；Tt为积分时间常数；TD为微分时间常数；
为RX方向的期望横滚角度和实际横
滚角度的差值。
在一些实施例中，如图10，根据RY方向上水下机器人底面前端和后端到隧洞内壁的实际距离差，通过控制算法，计算RY方向的推进力包括：
通过水下机器人的惯性导航系统检测实际俯仰角度；
根据水下机器人的距离测量设备检测的RY方向上水下机器人底面前端和后端到隧洞内壁的距离差，和实际俯仰角度，推算期望俯仰角度；计算期望俯仰角度和实际俯仰角度的差值。在应用场景中，如图11，水下机器人底面前端与隧洞内壁的距离可以如S1所示，水下机器人底面后端与隧洞内壁的距离可以如S2所示。期望俯仰角的具体计算可以如式（8）所示； pitch= arcsin（(S1-S2)/H）+pitch_act（8）其中，pitch为期望俯仰角度；H为水下机器人的长度；S1为水下机器人底面前端与隧洞内壁的距离；S2为水下机器人底面后端与隧洞内壁的距离；pitch_act为实际俯仰角度；计算期望俯仰角度和实际俯仰角度的差值，可以如式e RY （t）= arcsin （(S1-S2)/H）（9）；其中，e RY （t）为期望俯仰角度和实际俯仰角度的差值。也即，可以根据水下机器人底面前端到隧洞内壁的距离和水下机器人底面后端到隧洞内壁的距离，计算期望俯仰角度和实际俯仰角度的差值。
根据期望俯仰角度与实际俯仰角度的差值，通过控制算法计算RY方向的推进力。
具体计算可以通过式（4）进行计算，其中，
为t时刻RY方向的推进器推力；Kp为比例
增益；Tt为积分时间常数；TD为微分时间常数；
为RY方向的期望横滚角度和实际横滚
角度的差值。
在一些实施例中，如图12所示，根据Z轴方向的期望距离和实际距离，通过控制算法，计算Z轴方向的推进器推力具体包括：
计算期望距离和实际距离的差值；在应用场景中，该期望距离和实际距离的示意，可以如图13中m所示。其中m,可以理解为水下机器人底面中心点到所正对的隧洞内壁的距离。
根据期望距离和实际距离的差值，进行PID计算，得到Z轴方向的推进器推力。具体
计算可以通过式（5）进行计算，其中，
为t时刻Z方向的推进器推力；Kp为比例增益；Tt
为积分时间常数；TD为微分时间常数；
为Z轴方向的期望距离和实际距离的差值。
在一些实施例中，如图14，根据RZ方向上水下机器人期望航向角与实际航向角的差值，通过控制算法，计算RZ方向的推进力包括：
通过水下机器人的惯性导航系统检测实际航向角度；
根据期望航向角度与实际航向角度的差值，通过控制算法计算RZ方向的推进力。
期望航向角度即为隧洞的延伸方向的角度。具体计算可以通过式（6）进行计算，其中，
为t时刻RZ方向的推进器推力；Kp为比例增益；Tt为积分时间常数；TD为微分时间常
数；
为RZ方向的期望横滚角度和实际横滚角度的差值。
本公开提供的水下机器人自动扫描检测隧洞的方法，通过从水下机器人中心点到隧洞内壁的Z轴方向；平行于隧洞延伸的X轴方向；螺旋时横移的Y轴方向；沿Y轴旋转的RY方向；沿X轴旋转的RX方向；沿Z轴旋转的RZ方向，六个维度对水下机器人进行控制，使水下机器人在高流速动水隧洞中进行全方位自动巡航检测，进入自动巡航监测后无需人工干预，水下机器人驾驶员只需要观察检测数据和处理异常即可。水下机器人在高流速动水隧洞中运行一次后，能够提取整个隧洞内壁的全部位置检测数据，并且在全方位巡检过程是在持续运动中完成的，具有良好的效率。当通过隧洞的参数确定为一体式隧洞时，水下机器人交替沿隧洞的延伸方向向右侧螺旋前进和沿隧洞的延伸方向向左侧螺旋前进。当确定为拼接式隧洞时，水下机器人交替沿隧洞的延伸方向向右侧螺旋；沿隧洞的延伸方向直线前进；沿隧洞的延伸方向向左侧螺旋。能够使水下机器人以较佳地速率前进，高效完成一体式隧洞的扫描检测。对拼接式隧洞易发生问题的连接处进行检测，从而使该种运动轨迹下仍具有较高的扫描检测效率。
需要说明的是，本公开实施例的方法可以由单个设备执行，例如一台计算机或服务器等。本实施例的方法也可以应用于分布式场景下，由多台设备相互配合来完成。在这种分布式场景的情况下，这多台设备中的一台设备可以只执行本公开实施例的方法中的某一个或多个步骤，这多台设备相互之间会进行交互以完成所述的方法。
需要说明的是，上述对本公开的一些实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于上述实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
基于同一发明构思，与上述任意实施例方法相对应的，本公开还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上任意一实施例所述的水下机器人自动扫描检测隧洞的方法。
图16示出了本实施例所提供的一种更为具体的电子设备硬件结构示意图， 该设备可以包括：处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030、通信接口1040和总线 1050。其中处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030和通信接口1040通过总线1050实现彼此之间在设备内部的通信连接。
处理器1010可以采用通用的CPU（Central Processing Unit，中央处理器）、微处理器、应用专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）、或者一个或多个集成电路等方式实现，用于执行相关程序，以实现本说明书实施例所提供的技术方案。
存储器1020可以采用ROM（Read Only Memory，只读存储器）、RAM（Random AccessMemory，随机存取存储器）、静态存储设备，动态存储设备等形式实现。存储器1020可以存储操作系统和其他应用程序，在通过软件或者固件来实现本说明书实施例所提供的技术方案时，相关的程序代码保存在存储器1020中，并由处理器1010来调用执行。
输入/输出接口1030用于连接输入/输出模块，以实现信息输入及输出。输入输出/模块可以作为组件配置在设备中（图中未示出），也可以外接于设备以提供相应功能。其中输入设备可以包括键盘、鼠标、触摸屏、麦克风、各类传感器等，输出设备可以包括显示器、扬声器、振动器、指示灯等。
通信接口1040用于连接通信模块（图中未示出），以实现本设备与其他设备的通信交互。其中通信模块可以通过有线方式（例如USB、网线等）实现通信，也可以通过无线方式（例如移动网络、WIFI、蓝牙等）实现通信。
总线1050包括一通路，在设备的各个组件（例如处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030和通信接口1040）之间传输信息。
需要说明的是，尽管上述设备仅示出了处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030、通信接口1040以及总线1050，但是在具体实施过程中，该设备还可以包括实现正常运行所必需的其他组件。此外，本领域的技术人员可以理解的是，上述设备中也可以仅包含实现本说明书实施例方案所必需的组件，而不必包含图中所示的全部组件。
上述实施例的电子设备用于实现前述任一实施例中相应的水下机器人自动扫描检测隧洞的方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。
基于同一发明构思，与上述任意实施例方法相对应的，本公开还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行如上任一实施例所述的水下机器人自动扫描检测隧洞的方法。
本实施例的计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存（PRAM）、静态随机存取存储器（SRAM）、动态随机存取存储器（DRAM）、其他类型的随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器（CD-ROM）、数字多功能光盘（DVD）或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。
上述实施例的存储介质存储的计算机指令用于使所述计算机执行如上任一实施例所述的水下机器人自动扫描检测隧洞的方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围（包括权利要求）被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本公开实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本公开实施例难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路（IC）芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本公开实施例难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本公开实施例的平台的（即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内）。在阐述了具体细节（例如，电路）以描述本公开的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本公开实施例。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。
尽管已经结合了本公开的具体实施例对本公开进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构（例如，动态RAM（DRAM））可以使用所讨论的实施例。
本公开实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本公开实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种水下机器人自动扫描检测隧洞的方法，所述水下机器人具有脐带缆，所述隧洞中具有动水，其特征在于，包括：
布放水下机器人至隧洞中，控制所述水下机器人的扫描检测设备朝向所述隧洞的内壁；悬停所述水下机器人至与所述内壁具有期望距离处；
控制所述水下机器人以预设运动方式沿所述隧洞的延伸方向运动，以使所述水下机器人对所述隧洞的内壁进行全方位扫描；所述预设运动方式包括在隧洞内正向螺旋和反向螺旋；在运动过程中，控制所述水下机器人的扫描检测设备始终朝向所述隧洞的内壁，且与所述内壁具有所述期望距离。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制所述水下机器人以预设运动方式沿所述隧洞的延伸方向运动具体包括：
确定所述隧洞是否为拼接式隧洞；
响应于确定所述隧洞为一体式隧洞，控制所述水下机器人在所述隧洞中交替正向螺旋前进和反向螺旋前进；
响应于确定所述隧洞为拼接式隧洞，控制所述水下机器人在所述隧洞内交替正向螺旋、前进和反向螺旋。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述控制水下机器人以预设运动方式沿所述隧洞的延伸方向运动具体包括：
分别设定水下机器人在自身坐标系的期望运动参数，期望运动参数包括：Y轴方向的期望横移速度、X轴方向的期望前进速度、 Z轴方向的期望距离、RX方向上水下机器人底面左端和右端到隧洞内壁的期望距离差、RY方向上水下机器人底面前端和后端到隧洞内壁的期望距离差和RZ方向的期望航向角度；其中，Z轴为水下机器人中心点到隧洞内壁的方向；X轴为平行于隧洞延伸的方向；Y轴为螺旋时的横移方向；RY为沿Y轴旋转的方向； RX为沿X轴旋转的方向； RZ为沿Z轴旋转的方向；
分别实时检测水下机器人在自身坐标系的实际运动参数，实际运动参数包括：Y轴方向的实际横移速度、X轴方向的实际前进速度、 Z轴方向的实际距离、RX方向的实际距离差、RY方向的实际距离差和RZ方向的实际航向角度；
分别根据所述期望运动参数和对应的实际运动参数的差值，通过控制算法，计算推进器推力；所述推进器推力包括：Y轴方向的推进力、X轴方向的推进力、 Z轴方向的推进力、RX方向的推进力、RY方向的推进力和RZ方向的推进力。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述期望前进速度根据期望横移速度和扫描检测设备的最大扫描检测角度计算；所述实际前进速度和所述实际横移速度分别通过水下机器人搭载的速度传感器检测。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述期望前进速度根据期望横移速度和扫描检测设备的最大扫描检测角度计算具体包括：
根据水下机器人距离隧洞内壁的期望距离和最大扫描角度计算最大扫描长度；
根据隧洞尺寸和隧洞形状计算隧洞横截面的周长；
根据所述周长和期望横移速度计算水下机器人螺旋一圈所需时长；
根据最大扫描长度和所需时长计算期望前进速度。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，RX方向的推进力计算包括：
根据水下机器人的距离测量设备检测的RX方向上水下机器人底面左端和右端到隧洞内壁的实际距离差，推算期望横滚角度与实际横滚角度的差值；
根据所述期望横滚角度与实际横滚角度的差值，通过控制算法计算RX方向的推进力。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，RY方向的推进力计算包括：
根据水下机器人的距离测量设备检测的RY方向上水下机器人底面前端和后端到隧洞内壁的实际距离差，推算期望俯仰角度与实际俯仰角度的差值；
根据期望俯仰角度与实际俯仰角度的差值，通过控制算法计算RY方向的推进力。
8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述实际距离通过水下机器人的距离测量设备检测；
所述期望航向角度为平行于隧洞的延伸方向；所述实际航向角度通过水下机器人的惯性导航系统检测。
9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，控制所述水下机器人在所述隧洞内正向螺旋时，期望横移速度的方向为向右；期望前进速度为0；
控制所述水下机器人在所述隧洞内反向螺旋时，期望横移速度的方向为向左；期望前进速度为0；
控制所述水下机器人在所述隧洞内前进时，期望横移速度为0；前进的距离等于所述隧洞的最小拼接单元的长度。
10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至9任意一项所述的方法。
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