CN114110303B - 一种长距离供水管道检测机器人控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长距离供水管道检测机器人控制方法，采用远程遥控和局部自主作业相结合的控制方式；局部自主作业包括电机过载调整控制和位姿自动调整控制；为了在检测过程中实时检测驱动电机的过载状态，机器人采用了安装在移动载体主动轮上的编码器；为了对位姿进行自动调整，从而保证机器人姿态的平稳，机器人采用了惯性测量单元。本发明具有远程速度与方向控制、位姿自动调整、过载保护、防倾覆等能力；能够提升对复杂管道环境的适应能力，提高管道检测机器人的驱动力，适应湿滑、崎岖的管道环境，增加管道检测机器人的稳定性，防止其在管道内倾覆；结合多传感器数据，完成机器人在管道内部的准确定位，将管道检测信息与管道位置准确关联。

Description

一种长距离供水管道检测机器人控制方法

技术领域

本发明涉及海洋装备技术领域，具体涉及一种长距离供水管道检测机器人控制方法。

背景技术

为了满足日益增长的城市供水需求，我国建设了大量长距离供水管道工程，这些工程对于保障城市的供水安全、工业发展和社会稳定起到了重要的作用。随着运营时间增长，这些管道工程也出现了局部的变形、破裂、坍塌、侵蚀、溶蚀、突水突泥等危险状况，为了保障工程安全需要进行定期安全评价。需要研制一种管道检测机器人，定量、及时、全面覆盖对管道工程的结构安全进行检测，并将管道检测信息与管道位置准确关联，为长距离供水管道的安全运行提供强力保障。管道内部的状况复杂且难以预料，可能过载导致电动机过载，为此机器人应具备自我纠正和自我调整能力。另外，机器人在作业过程中可能遇到难以越过的障碍，甚至发生倾覆现象，这就要求机器人应具有适应环境变化的能力。因此需要研制一种可以具有一定的自主作业能力的检测机器人，完成机器人驱动步进电动机过载调整、机器人姿态调节以及基于载荷变化的速度调节，具有自主作业能力的管道检测机器人。

目前，对于长距离供水管道安全检测机器人的自主作业能力较差、控制系统复杂。该方案主要由蠕动元件组成，通过控制蠕动元件实现管道机器人在管道内的移动。但是该方案的蠕动元件多达12个，限制了管道机器人的移动速度，且增加了该管道机器人的控制复杂度。

现有技术主要有两个缺点，其一，检测机器人的控制系统设计还不完善，自主作业能力较差。其二，不能完成在管道内部的准确定位，无法将管道信息与管道位置准确关联。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种长距离供水管道检测机器人控制方法，采用远程遥控和局部自主作业结合的控制方式，具有远程速度与方向控制、位姿自动调整、过载保护、防倾覆等能力；采用基于模糊控制的设计思想，实现管道检测机器人驱动电机的过载调整、机器人姿态调节以及基于载荷变化的速度调节。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：

一种长距离供水管道检测机器人控制方法，采用远程遥控和局部自主作业相结合的控制方式；所述局部自主作业包括电机过载调整控制和位姿自动调整控制；

所述电机过载调整控制具体为：

为了在检测过程中实时检测驱动电机的过载状态，机器人采用了安装在移动载体主动轮上的编码器，当编码器的脉冲频率f_z小于控制脉冲频率f₀时，便可以判定电机出现了失步，进而推断出电机发生了过载现象；

机器人的模糊控制器以脉冲频率误差e和误差变化率de/dt为输入；当判定电机因过载而产生失步时，模糊控制器将根据电机过载的严重程度及其变化趋势来输出控制量即相电流的变化△i，根据相电流的变化△i和检测到的车轮电机电流△i₀，及时增大电机的输出相电流i，以提高其输出转矩，从而达到纠正电机过载的目的；

所述位姿自动调整控制具体为：

为了对位姿进行自动调整，从而保证机器人姿态的平稳，机器人采用了惯性测量单元，惯性测量单元包括速率陀螺、线加速度计和机载计算机；速率陀螺和线加速度计分别用来测量运载体的角运动信息和线运动信息，机载计算机根据这些测量信息解算出运载体的航向、姿态、速度和位置信息；

当机器人姿态发生异常时，即机器人侧面倾斜角与理想位姿下的倾斜角β₀之间存在偏差，机器人的模糊控制器以机器人侧面倾斜角偏差E和机器人侧面倾斜角偏差变化率EC为输入；输出控制量即机器人左、右车轮的速度差U₁，并利用遗传算法进行优化，调节机器人左、右车轮的速度U，实现机器人的位姿调整，使机器人的路径得到优化，从而使机器人进行正常的检测作业；

所述远程遥控具体为：

机器人通过缆绳与地面控制站连接，将获取的各种传感器数据进行预处理，然后依照受缆绳约束的移动机器人平台的运动学分析和动力学分析，利用里程计和惯性测量单元组成的惯性导航系统，通过扩展卡尔曼滤波算法，获得机器人的相对位姿；然后根据激光雷达的感知模型构建的管道环境栅格地图，利用概率定位算法结合相对位姿、激光数据和栅格地图估计出机器人相对地图的全局位姿，并通过缆绳内部的数据线传送到地面，地面操作人员结合机器人相对于地图的全局位姿，通过缆绳内部的数据线发送控制指令，实现对机器人的远程遥控操作。

进一步地，所述长距离供水管道检测机器人，包括：

机器人本体；

独立悬挂，与机器人本体连接；

前轮，采用独立悬挂连接在机器人本体的前端两侧；

平衡悬挂，与机器人本体连接；

中轮，采用平衡悬挂连接在机器人本体的中端两侧；

后轮，采用平衡悬挂连接在机器人本体的后端两侧；

缆绳，与机器人本体尾部连接，内部设置有数据线和动力线；

支架，通过铰链固定在机器人本体上；

电动缸，一端与机器人本体连接，另一端与支架连接，用于支撑支架；

相机，安装在支架上，用来采集供水管道内的图像信息，并通过缆绳内部的数据线传送到地面，通过调节电动缸的伸长量对相机的位置进行调节；

惯性测量单元，固定在机器人本体上，包括速率陀螺、线加速度计和机载计算机；速率陀螺和线加速度计分别用来测量运载体的角运动信息和线运动信息，机载计算机根据这些测量信息解算出运载体的航向、姿态、速度和位置信息；

激光雷达，安装在机器人本体的最前端，结合惯性测量单元、缆绳长度信息用以实时构建管道内部地图、实时确定自身在地图的位置，完成机器人在复杂管道环境中的高精度、高稳定性自主定位；

编码器，安装在前轮上，用于实时检测驱动电机的过载状态，当编码器的脉冲频率小于控制脉冲频率时，便判定电机出现了失步，进而推断出电机发生了过载现象；

里程计，安装在机器人本体上，用于测量机器人的行程。

进一步地，所述惯性测量装置包括三个速率陀螺、三个线加速度计和机载计算机。

进一步地，所述编码器为光电编码器或磁性编码器。

与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

1、采用远程遥控和局部自主作业相结合的控制方式，具有远程速度与方向控制、位姿自动调整、过载保护、防倾覆等能力；

2、能够提升机器人对复杂管道环境的适应能力，控制系统通过惯性测量单元解算出机器人的航向、姿态、速度和位置信息对位姿进行自动调整，从而保证机器人姿态的平稳，防止其在管道内倾覆；

3、结合激光SLAM、惯性测量单元、里程计、缆绳长度测量等多传感器数据，完成机器人在管道内部的准确定位，将管道检测信息与管道位置准确关联。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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是本发明长距离供水管道检测机器人的结构示意图；

图2是本发明驱动电机过载调整模糊控制框图；

图3是本发明姿态－速度调节模糊控制框图；

图4是本发明多传感器融合的定位算法框架图；

附图标记说明：

1-缆绳，2-支架，3-相机，4-电动缸，5-惯性测量单元，6-激光雷达，7-前轮，8-独立悬挂，9-中轮，10-平衡悬挂，11-后轮，12-机器人本体。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，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。

实施例

随着供水管道工程运营时间增长，这些管道工程也出现了局部的变形、破裂、坍塌、侵蚀、溶蚀、突水突泥等危险状况，为了保障工程安全需要进行定期安全评价。为了满足现代供水管道工程的安全运行管理要求，需要定量、及时、全面覆盖对管道工程的结构安全进行评价。本发明采用远程遥控和局部自主作业相结合的控制方式，具有远程速度与方向控制、位姿自动调整、过载保护、防倾覆等能力，以最大幅度提升对复杂管道环境的适应能力，提高管道检测机器人的驱动力，适应湿滑、崎岖的管道环境，增加管道检测机器人的稳定性，防止其在管道内倾覆。并结合激光SLAM、惯性测量单元、里程计、缆绳长度测量等多传感器数据完成机器人在管道内部的准确定位，将管道检测信息与管道位置准确关联。

如图1所示，本发明提供的长距离供水管道检测机器人，采用六轮全驱方式，在传动机构配合下，提供动力输出，可完成管道检测机器人前进、后退、转弯、加减速等系列动作。包括缆绳1、支架2、相机3、电动缸4、惯性测量单元5、激光雷达6、前轮7、独立悬挂8、中轮9、平衡悬挂10、后轮11和机器人本体12，悬挂部分借鉴了越野能力强的工程车辆所采用的悬挂方式，前轮7采用独立悬挂8，中轮9和后轮11采用平衡悬挂10，保证了即使崎岖坑洼的地面车轮也能与地面保持良好的接触，从而适应管道内部恶劣环境。具有良好的防腐、防水性能，可开展涉水作业。支架2通过铰链固定在机器人本体12上，由电动缸4支撑，相机3安装在支架2上，用来采集供水管道内的图像信息，并通过缆绳1内部的数据线传送到地面，可以通过调节电动缸4的伸长量对相机3的位置进行调节。惯性测量单元5固定在机器人本体12上，由三个速率陀螺、三个线加速度计和机载计算机组成，速率陀螺和线加速度计分别用来测量运载体的角运动信息和线运动信息，机载计算机根据这些测量信息解算出运载体的航向、姿态、速度和位置信息。激光雷达6安装在检测机器人本体12的最前端，结合惯性测量单元、机器人缆绳长度等信息用以实时构建管道内部地图、实时确定自身在地图的位置，完成机器人在复杂管道环境中的高精度、高稳定性自主定位。

管道检测机器人通过缆绳1与地面控制站连接，通过缆绳的动力线为机器人提供动力，机器人所采集到的图像信息、定位传感器数据等通过缆绳内部的数据线传送到地面，地面操作人员通过缆绳内部的数据线发送控制指令，实现对机器人的遥控操作。缆绳1存储于手动或电动控制的地面滚筒绞车内，通常带有自动排缆和张力控制结构，根据供水管道检测机器人的作业需求自动有序收放缆绳1。管道检测机器人在控制方式上采用远程遥控和局部自主调整相结合的控制方式，能够自动保持自身姿态平稳。

管道检测机器人搭载了用于自身定位的激光雷达6，实时构建管道内部地图、并实时确定自身在地图的位置，并结合惯性测量单元5采用多传感器融合技术，在不需要辅助定位设备的前提下，完成机器人在复杂管道环境中的高精度、高稳定性自主定位。

为了测量机器人的行程，还在机器人本体上安装有里程计，使工作人员直观地感受机器人行驶的距离。

本发明管道检测机器人采用前轮独立悬挂，中后轮平衡悬挂独立驱动的拥有较强越野能力的工程机械底盘结构，并搭载激光雷达、惯性测量单元、里程计等传感器。机器人采用远程遥控和局部自主作业相结合的控制方式，具有远程速度与方向控制、位姿自动调整、过载保护、防倾覆等能力，以最大幅度提升对复杂管道环境的适应能力，提高管道检测机器人的驱动力，适应湿滑、崎岖的管道环境，增加管道检测机器人的稳定性，防止其在管道内倾覆。

管道内部的状况复杂且难以预料，因此极容易发生倾斜、偏转等情况，严重时甚至发生倾覆，使得机器人无法继续正常工作。此时如果对机器人姿态不能进行及时检测，则地面上的操作人员将无法获知这一情况并做出相应处理。为了在检测过程中实时检测驱动电机的过载状态，机器人采用了安装在移动载体主动轮上的光电编码器或磁性编码器，当编码器的脉冲频率小于控制脉冲频率时，便可以判定电机出现了失步，进而推断出电机发生了过载现象。

虽然管道检测机器人前轮采用独立悬挂，中后轮采用平衡悬挂轮独立驱动的拥有较强越野能力的工程机械底盘结构，保证了即使崎岖坑洼的地面车轮也能与地面保持良好的接触，能够适应管道内部恶劣环境，但却无法使机器人自动恢复至正常状态。管道检测机器人采用惯性测量单元来测量机器人的角运动信息和线运动信息，机载计算机根据这些测量信息解算出机器人的航向、姿态、速度和位置信息，通过控制系统对位姿进行自动调整，从而保证机器人姿态的平稳。

机器人在管道中进行作业时，远离操作者的视线和控制，而管道中的状况十分复杂，机器人经常会遇到一些难以预料的状况，因此必须具有一定的自主作业能力才能实现可靠的工作，否则机器人将无法按预期完成作业。采用基于模糊控制的设计思想，实现管道检测机器人驱动电机的过载调整、机器人姿态调节以及基于载荷变化的速度调节，从而极大地提升了机器人的自主作业能力。

如图2所示，电机过载调整控制具体为：

为了在检测过程中实时检测驱动电机的过载状态，机器人采用了安装在移动载体主动轮上的编码器，当编码器的脉冲频率f_z小于控制脉冲频率f₀时，便可以判定电机出现了失步，进而推断出电机发生了过载现象；

机器人的模糊控制器以脉冲频率误差e和误差变化率de/dt为输入；当判定电机因过载而产生失步时，模糊控制器将根据电机过载的严重程度及其变化趋势来输出控制量即相电流的变化△i，根据相电流的变化△i和检测到的车轮电机电流△i₀，及时增大电机的输出相电流i，以提高其输出转矩，从而达到纠正电机过载的目的。

如图3所示，位姿自动调整控制具体为：

为了对位姿进行自动调整，从而保证机器人姿态的平稳，机器人采用了惯性测量单元，惯性测量单元包括速率陀螺、线加速度计和机载计算机；速率陀螺和线加速度计分别用来测量运载体的角运动信息和线运动信息，机载计算机根据这些测量信息解算出运载体的航向、姿态、速度和位置信息；

当机器人姿态发生异常时，即机器人侧面倾斜角与理想位姿下的倾斜角β₀之间存在偏差，机器人的模糊控制器以机器人侧面倾斜角偏差E和机器人侧面倾斜角偏差变化率EC为输入；输出控制量即机器人左、右车轮的速度差U₁，并利用遗传算法进行优化，调节机器人左、右车轮的速度U，实现机器人的位姿调整，使机器人的路径得到优化，从而使机器人进行正常的检测作业。

如图4所示，远程遥控具体为：管道检测机器人通过缆绳与地面控制站连接，将获取的各种传感器数据进行预处理，然后依照受缆绳约束的移动机器人平台的运动学分析和动力学分析，利用里程计和惯性测量单元组成的惯性导航系统，通过扩展卡尔曼滤波算法，获得机器人的相对位姿；然后根据激光雷达的感知模型构建的供水管道环境栅格地图，利用概率定位算法结合相对位姿、激光数据和栅格地图估计出机器人相对地图的全局位姿，并通过缆绳内部的数据线传送到地面，地面操作人员结合机器人相对于地图的全局位姿，通过缆绳内部的数据线发送控制指令，实现对机器人的远程遥控操作。

本发明提供的一种长距离供水管道检测机器人控制方法，基本内容是采用远程遥控和局部自主调整相结合的控制方式，自动保持自身姿态平稳。具有远程速度与方向控制、位姿自动调整、过载保护、防倾覆等能力，以最大幅度提升对复杂管道环境的适应能力，提高管道检测机器人的驱动力，适应湿滑、崎岖的管道环境，增加管道检测机器人的稳定性，防止其在管道内倾覆。并结合激光SLAM、惯性测量单元、里程计、缆绳长度测量等多传感器数据完成机器人在管道内部的准确定位，将管道检测信息与管道位置准确关联。

本发明采用远程遥控和局部自主调整相结合的控制方式，自动保持管道检测机器人自身的姿态平稳，通过多传感器数据完成机器人在管道内部的准确定位，有利于提高长距离管道工程结构安全评估的数字化和智能化水平。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种长距离供水管道检测机器人控制方法，其特征在于，采用远程遥控和局部自主作业相结合的控制方式；所述局部自主作业包括电机过载调整控制和位姿自动调整控制；前轮采用独立悬挂，中轮和后轮采用平衡悬挂；

所述电机过载调整控制具体为：

为了在检测过程中实时检测驱动电机的过载状态，机器人采用了安装在移动载体主动轮上的编码器，当编码器的脉冲频率f_z小于控制脉冲频率f₀时，便可以判定电机出现了失步，进而推断出电机发生了过载现象；

机器人的模糊控制器以脉冲频率误差e和误差变化率de/dt为输入；当判定电机因过载而产生失步时，模糊控制器将根据电机过载的严重程度及其变化趋势来输出控制量即相电流的变化△i，根据相电流的变化△i和检测到的车轮电机电流△i₀，及时增大电机的输出相电流i，以提高其输出转矩，从而达到纠正电机过载的目的；

所述位姿自动调整控制具体为：

为了对位姿进行自动调整，从而保证机器人姿态的平稳，机器人采用了惯性测量单元，惯性测量单元包括速率陀螺、线加速度计和机载计算机；速率陀螺和线加速度计分别用来测量运载体的角运动信息和线运动信息，机载计算机根据这些测量信息解算出运载体的航向、姿态、速度和位置信息；

当机器人姿态发生异常时，即机器人侧面倾斜角与理想位姿下的倾斜角β₀之间存在偏差，机器人的模糊控制器以机器人侧面倾斜角偏差E和机器人侧面倾斜角偏差变化率EC为输入；输出控制量即机器人左、右车轮的速度差U₁，并利用遗传算法进行优化，调节机器人左、右车轮的速度U，实现机器人的位姿调整，使机器人的路径得到优化，从而使机器人进行正常的检测作业；

所述远程遥控具体为：

机器人通过缆绳与地面控制站连接，将获取的各种传感器数据进行预处理，然后依照受缆绳约束的移动机器人平台的运动学分析和动力学分析，利用里程计和惯性测量单元组成的惯性导航系统，通过扩展卡尔曼滤波算法，获得机器人的相对位姿；然后根据激光雷达的感知模型构建的管道环境栅格地图，利用概率定位算法结合相对位姿、激光数据和栅格地图估计出机器人相对地图的全局位姿，并通过缆绳内部的数据线传送到地面，地面操作人员结合机器人相对于地图的全局位姿，通过缆绳内部的数据线发送控制指令，实现对机器人的远程遥控操作。

2.根据权利要求1所述的长距离供水管道检测机器人控制方法，其特征在于，所述长距离供水管道检测机器人，包括：

机器人本体；

独立悬挂，与机器人本体连接；

前轮，采用独立悬挂连接在机器人本体的前端两侧；

平衡悬挂，与机器人本体连接；

中轮，采用平衡悬挂连接在机器人本体的中端两侧；

后轮，采用平衡悬挂连接在机器人本体的后端两侧；

缆绳，与机器人本体尾部连接，内部设置有数据线和动力线；

支架，通过铰链固定在机器人本体上；

电动缸，一端与机器人本体连接，另一端与支架连接，用于支撑支架；

相机，安装在支架上，用来采集供水管道内的图像信息，并通过缆绳内部的数据线传送到地面，通过调节电动缸的伸长量对相机的位置进行调节；

惯性测量单元，固定在机器人本体上，包括速率陀螺、线加速度计和机载计算机；速率陀螺和线加速度计分别用来测量运载体的角运动信息和线运动信息，机载计算机根据这些测量信息解算出运载体的航向、姿态、速度和位置信息；

激光雷达，安装在机器人本体的最前端，结合惯性测量单元、缆绳长度信息用以实时构建管道内部地图、实时确定自身在地图的位置，完成机器人在复杂管道环境中的高精度、高稳定性自主定位；

编码器，安装在前轮上，用于实时检测驱动电机的过载状态，当编码器的脉冲频率小于控制脉冲频率时，便判定电机出现了失步，进而推断出电机发生了过载现象；

里程计，安装在机器人本体上，用于测量机器人的行程。

3.根据权利要求1所述的长距离供水管道检测机器人控制方法，其特征在于，所述惯性测量单元包括三个速率陀螺、三个线加速度计和机载计算机。

4.根据权利要求1所述的长距离供水管道检测机器人控制方法，其特征在于，所述编码器为光电编码器或磁性编码器。