CN114211512B - 一种隧道衬砌检测攀爬机器人整面回形巡检方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于隧道检测技术领域，公开了一种隧道衬砌检测攀爬机器人整面回形巡检方法，基于攀爬机器人实现，所述攀爬机器人上设置有激光雷达，加速度传感器，压力传感器，计时器和惯性传感器，包括以下步骤：获取攀爬机器人目前所处位置到隧道底部等空间的三维信息数据，通过计算处理获得当前空间的三维云图，建立空间坐标系，获取当前攀爬机器人在空间中的环境位置信息状态；控制攀爬机器人从起始点开始沿边界进行方形巡检；直至攀爬机器人即将回到起始位置，并距离起始位置一个检测宽度的距离时，控制攀爬机器人转向90°，以检测宽度为间隔，以回形路径进行检测。本发明检测覆盖率高，检测效率高，而且可以估计预期时间，提高工作效率。
Description
技术领域
本发明属于隧道检测、机器人、传感器等技术领域，特别是涉及一种隧道衬砌检测攀爬机器人整面回形巡检方法。
背景技术
随着隧道里程数量的增加，其维护和检测所起到的作用也变得至关重要，现有的隧道内衬砌质量检测方法需要工作人员手持检测雷达等专业设备，配合专项检测车、脚手架等辅助设备共同操作，才能检测获得衬砌及衬砌背后的病害信息。该方法前期设备投入成本大，并且需要大量具有专业技能的工作人员配合工作，人为干扰因素大，易出现人为错误，检测精度的稳定性不佳。此外，检测设备推进速度缓慢，检测工序复杂，整体效率偏低，天窗期可检测范围较小，难以满足繁忙线路隧道的检测要求。目前的隧道衬砌病害检测存在诸多问题，属于行业技术痛点。
隧道内壁攀爬检测机器人提供了一种很好的解决方案，它依靠自身攀爬功能贴靠在隧道内壁，通过行走机构沿隧道内壁移动，利用装载的检测设备识别衬砌病害。如果采用随机的机器人巡检路径，必然会出现检测盲区，同时容易发生机器人在同一地点重复往返检测的情况，难以保障检测工作的正常进行。且无法估计预期检测时间，只有完成全部检测后才能确定时间，本方法初步确定轮廓后可以推测检测用时，提高检测效率。
发明内容
本发明的目的在于解决原有检测手段易出错误，检测效率低，无法预估检测时间等问题，实现攀爬机器人在隧道内紧贴内壁开展衬砌病害检测工作时规划全面、高效的检测路径，提供一种有序行进、全面覆盖、有效避障的攀爬机器人巡检路径规划方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种隧道衬砌检测攀爬机器人整面回形巡检方法，基于攀爬机器人实现，所述攀爬机器人上设置有激光雷达，加速度传感器，压力传感器，计时器和惯性传感器，包括以下步骤：
S1、获取攀爬机器人目前所处位置到隧道底部等空间的三维信息数据，通过计算处理获得当前空间的三维云图，建立空间坐标系，获取当前攀爬机器人在空间中的环境位置信息状态；
S2、控制攀爬机器人从起始点开始沿边界进行方形巡检；
S3、直至攀爬机器人即将回到起始位置，并距离起始位置一个检测宽度的距离时，控制攀爬机器人转向90°，以检测宽度为间隔，以回形路径进行检测。
所述激光雷达安装在攀爬机器人底部，所述压力传感器安装在机器人的攀爬轮上，所述加速度传感器，惯性传感器和计时器安装在雷达内部。
所述激光雷达用于收集攀爬机器人目前所处位置到隧道底部空间的三维数据，通过计算处理获得当前空间的三维云图，建立空间坐标系，获取当前攀爬机器人在空间中的环境位置信息状态。
所述压力传感器和加速度传感器用于判断是否达到边界以及是否与边界碰撞，所述攀爬机器人根据三维云图中标记的当前位置，以及压力传感器和加速度传感器的探测信号，处理规划巡检路径。
所述计时器用于记录机器人巡检用时；所述巡检方法还包括以下步骤：
根据攀爬机器人向内侧径向移动的检测宽度，计算攀爬机器人的速度及转向速度，计算攀爬机器人完成全部巡检路径所需的时间。
完成全部巡检路径所需的时间t的计算公式如下：
式中d为机器人轮胎直径，r为轮转速，D为检测宽度，攀爬机器人采用单侧轮停转的方法转向，L为被测平面长度，H为被测平面宽度。
进一步地，有障碍物存在情况下，机器人完成巡检的总时间为：
t z =t+t d +t t +t a ；
其中，t d 、t t 、t a 别表示机器人经过独立障碍物、凸附属障碍物与凹附属障碍物增加的时间，其计算公式分别为：
其中，L d 为独立障碍物长度，H d 为独立障碍物宽度，L t 为凸附属障碍物长度，H t 为凸附属障碍物宽度，L a 为凹附属障碍物长度，H a 为凹附属障碍物宽度。
所述惯性传感器用于获取攀爬机器人当前运行相对于惯性系的加速度，角度增量、角速度信息。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明提供了一种隧道衬砌检测攀爬机器人整面回形巡检方法，具有路径覆盖合理，检测效率高，能够预估检测时间，巡检方法易于实现的优点。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种隧道衬砌检测攀爬机器人整面回形巡检方法的流程图；
图2为本发明实施例中整面检测的回形路径；
图3为方形隧道的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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。
如图1所示，本发明实施例提供了一种隧道衬砌检测攀爬机器人整面回形巡检方法，可以应用于如图3所示的方形隧道环境中。其基于攀爬机器人实现，所述攀爬机器人上设置有激光雷达，加速度传感器，压力传感器，计时器和惯性传感器，所述激光雷达安装在攀爬机器人底部，所述压力传感器安装在机器人的攀爬轮上，所述加速度传感器，惯性传感器和计时器安装在雷达内部，所述计时器用于记录机器人巡检用时。所述激光雷达用于收集攀爬机器人目前所处位置到隧道底部空间的三维数据，通过计算处理获得当前空间的三维云图，建立空间坐标系，获取当前攀爬机器人在空间中的环境位置信息状态。所述压力传感器和加速度传感器用于判断是否达到边界以及是否与边界碰撞，所述攀爬机器人根据三维云图中标记的当前位置，以及压力传感器和加速度传感器的探测信号，处理规划巡检路径。如图1所示，本实施例的巡检方法具体包括以下步骤：
S1、获取攀爬机器人目前所处位置到隧道底部等空间的三维信息数据，通过计算处理获得当前空间的三维云图，建立空间坐标系，获取当前攀爬机器人在空间中的环境位置信息状态。首先在开始进行巡检之前，利用自身所携带的激光雷达，分别测量收集攀爬机器人目前所处位置到隧道底部等空间的三维信息数据，通过计算处理获得当前空间的三维云图，建立空间坐标系，获取当前攀爬机器人在空间中的环境位置信息状态。
在已知空间数据的情况下，竖直向上运动，通过激光雷达测距和自身所带传感器，如加速度传感器，压力传感器，判断是否达到边界与边界碰撞，确定此位置为起始位置，处理信息，在三维云图中标记当前位置，将获取的信息传递给机器人计算处理规划巡检路径。
S2、控制攀爬机器人从起始点开始沿边界进行方形巡检。
攀爬机器人沿当前边界线运动，通过激光雷达，以某一频率发射激光信号检测爬壁机器人与边界和其他平面相距的距离，不断判断机器人当前所处位置信息并及时反馈的信息及时调整相应的机器参数，对攀爬机器人的运动状态和运动路径做出及时调整，保证机器人按照规划巡检路径进行行进，以保证检测的稳定进行。同时利用惯性导航，使用以惯性系作为参考的传感器，通过惯性传感器获取攀爬机器人当前运行相对于惯性系的加速度，角度增量、角速度等信息，并利用这些信息建立导航坐标系，根据所获取的信息计算出攀爬机器人在导航坐标系的速度和位置，并及时反馈，进行机器人姿态的不断被调整，增强攀爬机器人在沿边界运动过程的稳定性，保证巡检路径的精确。通过以上多种方法的综合使用，保证巡检路径的精确和稳定。
S3、直至攀爬机器人即将回到起始位置，并距离起始位置一个检测宽度的距离时，控制攀爬机器人转向90°，以检测宽度为间隔，以回形路径进行检测。
当攀爬机器人到达路径尽头转弯区域时，攀爬机器人周围布置由多个碰触传感器，通过传感器获取周围信息，判断是否到达巡检路径尽头，判断转向时机并及时反馈相关信息参数到机器人控制系统，控制小车运动状态，进行90度转向。转向采用双侧速度差方法，向左侧转向时，机器人左侧车轮减速，形成路径转向，向右侧转向时反之。
完成转向之后重复上述巡检方式直到第二次经过起始位置，利用攀爬机器人周围传感器和激光雷达判断位置，沿径向向内侧移动一个检测范围宽度的距离，利用激光雷达和惯性导航获取第一圈巡检移动距离，根据攀爬机器人自身所携带的计时装置所记录的巡检用时，综合机器人向内侧径向移动的检测宽度，计算攀爬机器人的速度及转向速度，计算预估机器人完成全部巡检路径所需的时间。
机器人利用激光雷达导航移动到边角作为检测起始点，在惯性导航的引导下，根据已探明的被测平面边界，沿全部边界检测一周。在回到起始位置的途中，距离起始点一个及检测宽度的位置，向被测平面中心方向转向90°。检测宽度是由探地雷达的扫描宽度决定的，机器人的移动距离通过轮子直径与旋转周数控制。此时机器人所在位置为新的起始点，前次检测路径为新的检测边界。机器人再次沿边界检测，重复以上过程，直至路径覆盖整面检测区域。
攀爬机器人首先在重力传感器的方向引导下，在被测平面的竖直方向上往返移动，直至机器人碰触到被测平面上下边界。边界的由机器人四周布置的压力传感器或者机器人底部的悬崖探测器确定。同样地，机器人在水平方向上找出被测平面边界。确定边界后，机器人利用惯性导航移动到边角作为检测起始点，沿全部边界检测一周，在回到起始位置的途中，距离起始点一个及检测宽度的位置，向被测平面中心方向转向90°。此时机器人所在位置为新的起始点，前次检测路径为新的检测边界。机器人再次沿边界检测，重复以上过程，直至路径覆盖整面检测区域。
攀爬机器人附着在隧道内壁后，通过环境感知系统判断自身所处位置与姿态，调整前进方向与检测边界一致。攀爬机器人通过行走机构在方形隧道整面上移动。移动过程中不断通过环境感知系统调整路线与姿态，保持移动方向，利用激光雷达检测与惯性导航维持机器人与边界保持紧贴状态，同时校准机器人移动路径的准确性。
具体地，所述巡检方法还包括以下步骤：
根据攀爬机器人向内侧径向移动的检测宽度，计算攀爬机器人的速度及转向速度，计算攀爬机器人完成全部巡检路径所需的时间。
检测时间预估方法如下：
机器人首先沿被测平面的长边开始检测，设机器人轮胎直径为d，轮转速为r，则机器人直线速度v=πd r。
设机器人检测宽度为D，机器人采用单侧轮停转的方法转向，则1次转向90°的时间
。
机器人通过初始探索移动确定评测平面边界，设机器人在被测平面长度方向上的移动时间为
，在宽度方向上的移动时间为
。设被测平面长度为L，宽度为H，且L>H，则L=πdrt 1，H=πdrt2。
检测的直线数量由被测平面的短边决定，与长边方向一致的直线数量为
，与短边方向一致的直线数量为
。
每次直线检测前都会转向1次，但起始直线不转向，因此转向次数为
，转向时间
。
与长边方向一致的直线总长为：
与短边方向一致的直线总长为：
直线检测总长为
，直线检测时间为
。
因此，完成全部巡检路径所需的时间t的计算公式如下：
式中d为机器人轮胎直径，r为轮转速，D为检测宽度，攀爬机器人采用单侧轮停转的方法转向，L为被测平面长度，H为被测平面宽度。
独立障碍物检测增加时间计算方法如下：
设障碍物长度为L d ，障碍物宽度为H d ，障碍物检测时间为机器人探索一周时间与通过障碍物时间的总时长减去无障碍物时机器人通过相同区域的时间；
机器人探索时间为直线移动时间加转向时间，机器人在探索完成后紧接着进行通过障碍物的动作，而此时机器人已经进行转向，因此需要减去一次转向时间，即机器人探测时间为：
机器人每次通过障碍物，路程都比上一次通过增加2D，需要
次才可通过一半区域，则机器人通过障碍物一半区域（同侧转向）时间为：
进入另一半区域后机器人转向另一侧，动作与之前完全对称，因此机器人通过障碍物另一半区域的时间t d 2=t d 1。
机器人通过无障碍物的相同区域的时间：
整理得，独立障碍物检测增加时间：
凸附属障碍物检测增加时间计算方法如下：
设凸附属障碍物长度为L t ，凸附属障碍物宽度为H t ，障碍物检测时间为增加的移动时间加上转向时间，机器人路径抹平凸附属障碍物所需的经过次数
；
增加的直线移动时间：
增加的转向时间：
机器人通过无障碍物的相同区域的时间：
整理得凸附属障碍物检测增加时间
凹附属障碍物检测增加时间计算方法如下：
设凹附属障碍物长度为L a ，凹附属障碍物宽度为H a ，障碍物检测时间为增加的移动时间加上转向时间，机器人路径抹平凸附属障碍物所需的经过次数
；
增加的直线移动时间为：
增加的转向时间为：
机器人通过无障碍物的相同区域的时间为：
整理得凸附属障碍物检测增加时间为：
机器人完成巡检的总时间为：
因此，通过公式（1）、（5）、（9）、（13）可以计算得到机器人完成巡检的总时间。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种隧道衬砌检测攀爬机器人整面回形巡检方法，其特征在于，基于攀爬机器人实现，所述攀爬机器人上设置有激光雷达，加速度传感器，压力传感器，计时器和惯性传感器，包括以下步骤：
S1、获取攀爬机器人目前所处位置到隧道底部空间的三维信息数据，通过计算处理获得当前空间的三维云图，建立空间坐标系，获取当前攀爬机器人在空间中的环境位置信息状态；
S2、控制攀爬机器人从起始点开始沿边界进行方形巡检；
S3、直至攀爬机器人即将回到起始位置，并距离起始位置一个检测宽度的距离时，控制攀爬机器人转向90°，以检测宽度为间隔，以回形路径进行检测；
所述计时器用于记录机器人巡检用时；所述巡检方法还包括以下步骤：
根据攀爬机器人向内侧径向移动的检测宽度，计算攀爬机器人的速度及转向速度，计算攀爬机器人完成全部巡检路径所需的时间；无障碍条件下完成全部巡检路径所需的时间t的计算公式如下：
式中d为机器人轮胎直径，r为轮转速，D为检测宽度，攀爬机器人采用单侧轮停转的方法转向，L为被测平面长度，H为被测平面宽度。
2.根据权利要求1所述的一种隧道衬砌检测攀爬机器人整面回形巡检方法，其特征在于，所述激光雷达安装在攀爬机器人底部，所述压力传感器安装在机器人的攀爬轮上，所述加速度传感器，惯性传感器和计时器安装在雷达内部。
3.根据权利要求1所述的一种隧道衬砌检测攀爬机器人整面回形巡检方法，其特征在于，所述激光雷达用于收集攀爬机器人目前所处位置到隧道底部空间的三维数据，通过计算处理获得当前空间的三维云图，建立空间坐标系，获取当前攀爬机器人在空间中的环境位置信息状态。
4.根据权利要求1所述的一种隧道衬砌检测攀爬机器人整面回形巡检方法，其特征在于，所述压力传感器和加速度传感器用于判断是否达到边界以及是否与边界碰撞，所述攀爬机器人根据三维云图中标记的当前位置，以及压力传感器和加速度传感器的探测信号，处理规划巡检路径。
5.根据权利要求1所述的一种隧道衬砌检测攀爬机器人整面回形巡检方法，其特征在于，有障碍物存在情况下，机器人完成巡检的总时间为：
t z =t+t d +t t +t a ；
其中，t d 、t t 、t a 分别表示机器人经过独立障碍物、凸附属障碍物与凹附属障碍物增加的时间，其计算公式分别为：
其中，L d 为独立障碍物长度，H d 为独立障碍物宽度，L t 为凸附属障碍物长度，H t 为凸附属障碍物宽度，L a 为凹附属障碍物长度，H a 为凹附属障碍物宽度。
6.根据权利要求1所述的一种隧道衬砌检测攀爬机器人整面回形巡检方法，其特征在于，所述惯性传感器用于获取攀爬机器人当前运行相对于惯性系的加速度，角度增量、角速度信息。
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