CN114348138A - 一种水冷壁场景的爬壁机器人导航系统及其导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水冷壁场景的爬壁机器人导航系统及其导航方法，涉及机器人技术领域。包括：定位系统、运动控制系统、手动控制系统、自动导航系统和数据储存系统，所述运动控制系统接收线速度和角速度，施加运动调节速度后，通过运动学方程，将线速度和角速度转换为电机转速命令，将命令发送至电机驱动器，所述定位系统提供四种位置相关的信息由图像信息和其他传感器信息融合得到的机器人在作业区域中的坐标信息，坐标信息包含基准值和偏差值。该水冷壁场景的爬壁机器人导航系统及其导航方法，设计水冷壁爬壁机器人导航系统，可处理手动控制命令和自动控制命令，降低人工作业的难度，提高作业效率。

Description

一种水冷壁场景的爬壁机器人导航系统及其导航方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体为一种水冷壁场景的爬壁机器人导航系统及其导航方法。

背景技术

火电锅炉的水冷壁管的可靠性直接影响电厂机组的安全有效运行，同时水冷壁管不可避免地会被腐蚀和磨损，从而降低其有效承载能力和安全性，为保证设备使用安全，需定期对水冷壁管壁进行检测与维护。人工检测方式通过检测人员手持超声波等检测仪完成，需要检测人员进入锅炉内部，工作环境恶劣，危险程度高，检测过程中通常无法一人完成，需要多人协作，并且存在工作量大、检测质量和检测人员的技能水平和工作态度关系很大。

水冷壁场景下的爬壁机器人进行检测作业能够快速准确地进行检测作业，并可利用机器人的定位信息记录故障点位置，可大大提高工作效率，降低工作风险。精确的定位要求、更高的灵活性要求、自动导航和手动控制的协同控制要求、避险越障能力要求等都是目前水冷壁场景下爬壁机器人亟需解决的问题。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种水冷壁场景的爬壁机器人导航系统及其导航方法，解决了上述背景技术提出的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种水冷壁场景的爬壁机器人导航系统，包括：定位系统、运动控制系统、手动控制系统、自动导航系统和数据储存系统。

优选的，所述运动控制系统接收线速度和角速度，施加运动调节速度后，通过运动学方程，将线速度和角速度转换为电机转速命令，将命令发送至电机驱动器。

优选的，所述定位系统提供四种位置相关的信息由图像信息和其他传感器信息融合得到的机器人在作业区域中的坐标信息，坐标信息包含基准值和偏差值，所述定位系统由姿态传感器经过卡尔曼滤波得到的朝向信息，所述定位系统由激光测距仪测量的机器人距离地面的绝对高度信息，所述定位系统由超声波传感器等设备得到的机器人周围壁面的状态信息，用来分辨孔洞等需躲避的障碍。

优选的，所述控制系统依据多传感器信息及其融合得到的定位信息，对运动控制命令进行调整，使机器人的运动路径和状态符合预期。

优选的，所述手动控制系统接收到的手动控制命令包含：向上、向下、跨管等手动控制命令。

优选的，所述自动导航系统用于记录和管理爬壁机器人的运动路径和状态，根据当前爬壁机器人及其周围环境信息得到最佳的运动路径，并提供应对障碍的避障方法。

优选的，所述数据储存系统对机器人在运动过程中出现的错误报告参数进行储存。

优选的，所述数据储存系统包括高速缓冲储存器、接收器、控制部件、管理信息调度设备和算法软件。

一种水冷壁场景的爬壁机器人导航方法，该方法包括以下步骤：

S1、机器人沿当前管壁前进或后退过程中保持沿水冷壁管竖直前进或后退的状态，同时自动导航系统根据定位系统的朝向信息实时调整机器人运动状态，保证机器人沿水冷管稳定运动。

S2、对机器人在调整运动状态时的数据进行储存。

S3、根据定位系统所得的定位信息，自动导航系统根据所跨管数确定跨管运动过程参数，参数包括旋转角度和运动距离，自动导航系统根据参数完成跨管动作，跨管动作分为初次旋转，前进至目标水冷壁管，二次旋转，后退至初始高度。

S4、对跨管运动中旋转角度和运动距离的参数进行储存。

S5、指定位置包含对应水冷壁管信息和对应高度信息，与定位系统的相关信息相对应，自动导航系统首先控制机器人前往对应水冷壁管，然后沿目标水冷壁管上下运动至目标高度。

S6、对应水冷壁管信息和对应高度信息进行储存，并对运动状态时的数据、旋转角度和运动距离参数以及水冷壁管信息和对应高度信息进行备份。

S7、水冷壁壁面运动过程中，障碍物边缘与机器人的距离由定位系统传递至自动导航系统，自动导航系统通过障碍物与机器人的相对位置关系，计算出机器人躲避此障碍物的运动过程，包括计算需跨管数，根据跨管数计算最大前进距离，根据最大前近距离确定机器人后退距离，控制跨管运动至目标水冷壁管，在目标水冷壁管沿管向前运动或继续进行跨管动作，使机器人本体与障碍物之间保持一定距离，直到返回初始位置对应的水冷壁管，完成躲避障碍物的过程。

(三)有益效果

本发明提供了一种水冷壁场景的爬壁机器人导航系统及其导航方法。具备以下有益效果：

(1)、该水冷壁场景的爬壁机器人导航系统及其导航方法，设计水冷壁爬壁机器人导航系统，可处理手动控制命令和自动控制命令，降低人工作业的难度，提高作业效率。

(2)、该水冷壁场景的爬壁机器人导航系统及其导航方法，设计一种水冷壁爬壁机器人的跨管运动控制方法，实现爬壁机器人在水冷壁壁面的自动跨管，不需人工搬运，同时利用误差补偿的方式保证机器人沿管壁方向前进或后退。

(3)该水冷壁场景的爬壁机器人导航系统及其导航方法，通过定位系统定位信息，实现爬壁机器人在水冷壁壁面场景下，前往作业区域内任意区域的导航方法。通过数据储存系统，能够保护爬壁机器人在数据发生错误或数据发生丢失时，保证自动导航系统无需重新进行记录。

附图说明

图1为本发明电机控制命令程序框图；

图2为本发明爬壁机器人工作流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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1：

本发明提供一种技术方案：一种水冷壁场景的爬壁机器人导航系统，包括：定位系统、运动控制系统、手动控制系统、自动导航系统和数据储存系统，运动控制系统接收线速度和角速度，施加运动调节速度后，通过运动学方程，将线速度和角速度转换为电机转速命令，将命令发送至电机驱动器，定位系统提供四种位置相关的信息由图像信息和其他传感器信息融合得到的机器人在作业区域中的坐标信息，坐标信息包含基准值和偏差值，定位系统由姿态传感器经过卡尔曼滤波得到的朝向信息，定位系统由激光测距仪测量的机器人距离地面的绝对高度信息，定位系统由超声波传感器等设备得到的机器人周围壁面的状态信息，用来分辨孔洞等需躲避的障碍，控制系统依据多传感器信息及其融合得到的定位信息，对运动控制命令进行调整，使机器人的运动路径和状态符合预期，手动控制系统接收到的手动控制命令包含：向上、向下、跨管等手动控制命令，自动导航系统用于记录和管理爬壁机器人的运动路径和状态，根据当前爬壁机器人及其周围环境信息得到最佳的运动路径，并提供应对障碍的避障方法，数据储存系统对机器人在运动过程中出现的错误报告参数进行储存，数据储存系统包括高速缓冲储存器、接收器、控制部件、管理信息调度设备和算法软件。

一种水冷壁场景的爬壁机器人导航方法，该方法包括以下步骤：

S1、机器人沿当前管壁前进或后退过程中保持沿水冷壁管竖直前进或后退的状态，同时自动导航系统根据定位系统的朝向信息实时调整机器人运动状态，保证机器人沿水冷管稳定运动。

S2、对机器人在调整运动状态时的数据进行储存。

S3、根据定位系统所得的定位信息，自动导航系统根据所跨管数确定跨管运动过程参数，参数包括旋转角度和运动距离，自动导航系统根据参数完成跨管动作，跨管动作分为初次旋转，前进至目标水冷壁管，二次旋转，后退至初始高度。

S4、对跨管运动中旋转角度和运动距离的参数进行储存。

S5、指定位置包含对应水冷壁管信息和对应高度信息，与定位系统的相关信息相对应，自动导航系统首先控制机器人前往对应水冷壁管，然后沿目标水冷壁管上下运动至目标高度。

S6、对应水冷壁管信息和对应高度信息进行储存，并对运动状态时的数据、旋转角度和运动距离参数以及水冷壁管信息和对应高度信息进行备份。

S7、水冷壁壁面运动过程中，障碍物边缘与机器人的距离由定位系统传递至自动导航系统，自动导航系统通过障碍物与机器人的相对位置关系，计算出机器人躲避此障碍物的运动过程，包括计算需跨管数，根据跨管数计算最大前进距离，根据最大前近距离确定机器人后退距离，控制跨管运动至目标水冷壁管，在目标水冷壁管沿管向前运动或继续进行跨管动作，使机器人本体与障碍物之间保持一定距离，直到返回初始位置对应的水冷壁管，完成躲避障碍物的过程。

实施例2：

在实施例1的基础上，假设机器人初始所在水冷壁管、高度信息及偏移值所组成的定位信息为：

(X₀，Y0)：(offset_x，offset_y)

当offset_x为0时，说明表示机器人的质点位于X0所指的水冷壁管最高点，即检测母线上，机器人保持在此相对位置沿水冷壁管上下移动，机器人运动过程中朝向保持与水冷壁管朝向相同。假设水冷壁管朝向角度与竖直方向夹角为δ，机器人以速度v前进过程中，垂直于水冷壁管方向的相对运动距离可表示为：

Δd＝∫v*sinδdt

当Δd大于一距离阈值D1时，运动控制系统在向前运动过程中向相反方向施加角速度控制，使机器人朝向与水冷壁管朝向有一定的夹角Δθ，保持一定时间后Δd不断减小，当小于某一阈值D0时，运动控制系统不再施加角速度，从而使机器人保持沿当前水冷壁管方向运动。

假设机器人需前往水冷壁管X1，首先根据定位系统的数据得到X1和X0之间的实际距离Δx，根据Δx值计算跨管过程中的运动控制参数，旋转角度ζ和运动距离α：

旋转角度ζ为自动导航系统控制机器人首次旋转后与水冷壁管方向的夹角，跨管距离过短时，如目标管为相邻管，使用ζ1，超过跨管距离x1时，使用根据跨管距离动态变化的旋转角度，最大值不超过90°。此种分类处理方式为机器人能最快完成跨管过程。

α＝Δx/sinζ

当ζ取ζ1，α值较大，更容易运动距离控制保证横向运动距离。当ζ取ζ2，由于跨管距离较长，旋转角度加大，保证跨管过程中沿水冷壁管距离在一定范围内。

自动导航系统控制机器人到达目标管后，将机器人朝向调整至与水冷壁管方向相平行，沿水冷壁管方向前后运动，直到到达初始位置高度位置，自动导航系统控制机器人前往任意位置时，根据目标Y，计算目标高度值，机器人到达目标管后，将机器人朝向调整至与水冷壁管方向相平行，沿水冷壁管方向前后运动，直到达到预设目标位置。

假设机器人保持沿水冷壁管前进运动至(X0,Y0):(0,0)，定位系统检测到前方距离机器人M处存在障碍，障碍宽度为Xm。计算得跨管至m管，机器人跨管过程需沿水冷壁管方向运动距离为：

β＝Δx/tanζ

根据距离β，自动导航系统控制机器人后退至安全距离后，执行跨管动作。

完成跨管动作后，机器人沿当前水冷壁管继续前进，当高度基准值Y0增加1后，自动导航系统控制机器人跨管返回原水冷壁管，若返回过程因障碍无法完成，则重复以上过程，直到返回原水冷壁管，即完成躲避障碍过程。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种水冷壁场景的爬壁机器人导航系统，包括：定位系统、运动控制系统、手动控制系统、自动导航系统和数据储存系统。

2.根据权利要求1所述的一种水冷壁场景的爬壁机器人导航系统，其特征在于：所述运动控制系统接收线速度和角速度，施加运动调节速度后，通过运动学方程，将线速度和角速度转换为电机转速命令，将命令发送至电机驱动器。

3.根据权利要求1所述的一种水冷壁场景的爬壁机器人导航系统，其特征在于：所述定位系统提供四种位置相关的信息由图像信息和其他传感器信息融合得到的机器人在作业区域中的坐标信息，坐标信息包含基准值和偏差值，所述定位系统由姿态传感器经过卡尔曼滤波得到的朝向信息，所述定位系统由激光测距仪测量的机器人距离地面的绝对高度信息，所述定位系统由超声波传感器等设备得到的机器人周围壁面的状态信息，用来分辨孔洞等需躲避的障碍。

4.根据权利要求1所述的一种水冷壁场景的爬壁机器人导航系统，其特征在于：所述控制系统依据多传感器信息及其融合得到的定位信息，对运动控制命令进行调整，使机器人的运动路径和状态符合预期。

5.根据权利要求1所述的一种水冷壁场景的爬壁机器人导航系统，其特征在于：所述手动控制系统接收到的手动控制命令包含：向上、向下、跨管等手动控制命令。

6.根据权利要求1所述的一种水冷壁场景的爬壁机器人导航系统，其特征在于：所述自动导航系统用于记录和管理爬壁机器人的运动路径和状态，根据当前爬壁机器人及其周围环境信息得到最佳的运动路径，并提供应对障碍的避障方法。

7.根据权利要求1所述的一种水冷壁场景的爬壁机器人导航系统，其特征在于：所述数据储存系统对机器人在运动过程中出现的错误报告参数进行储存。

8.根据权利要求1所述的一种水冷壁场景的爬壁机器人导航系统，其特征在于：所述数据储存系统包括高速缓冲储存器、接收器、控制部件、管理信息调度设备和算法软件。

9.一种水冷壁场景的爬壁机器人导航方法，该方法包括以下步骤：

S1、机器人沿当前管壁前进或后退过程中保持沿水冷壁管竖直前进或后退的状态，同时自动导航系统根据定位系统的朝向信息实时调整机器人运动状态，保证机器人沿水冷管稳定运动；

S2、对机器人在调整运动状态时的数据进行储存；

S3、根据定位系统所得的定位信息，自动导航系统根据所跨管数确定跨管运动过程参数，参数包括旋转角度和运动距离，自动导航系统根据参数完成跨管动作，跨管动作分为初次旋转，前进至目标水冷壁管，二次旋转，后退至初始高度；

S4、对跨管运动中旋转角度和运动距离的参数进行储存；

S5、指定位置包含对应水冷壁管信息和对应高度信息，与定位系统的相关信息相对应，自动导航系统首先控制机器人前往对应水冷壁管，然后沿目标水冷壁管上下运动至目标高度；

S6、对应水冷壁管信息和对应高度信息进行储存，并对运动状态时的数据、旋转角度和运动距离参数以及水冷壁管信息和对应高度信息进行备份；

S7、水冷壁壁面运动过程中，障碍物边缘与机器人的距离由定位系统传递至自动导航系统，自动导航系统通过障碍物与机器人的相对位置关系，计算出机器人躲避此障碍物的运动过程，包括计算需跨管数，根据跨管数计算最大前进距离，根据最大前近距离确定机器人后退距离，控制跨管运动至目标水冷壁管，在目标水冷壁管沿管向前运动或继续进行跨管动作，使机器人本体与障碍物之间保持一定距离，直到返回初始位置对应的水冷壁管，完成躲避障碍物的过程。

Images