CN114851197B - 一种排管电缆机器人及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种排管电缆机器人及其控制方法，控制方法包括：建立相机坐标系、惯性坐标系与世界坐标系之间的映射关系；基于当前帧管道图像和上一帧管道图像得到当前帧移动距离和当前帧旋转矩阵，基于当前帧移动距离和拍摄周期得到当前帧移动速度；对当前帧管道图像进行判断，若不存在障碍物，则基于当前帧移动距离和映射关系得到当前帧世界坐标位置；基于当前帧世界坐标位置、当前帧移动速度、给定位置和给定速度控制机器人直线运动；若存在障碍物，则基于当前帧移动距离和拍摄周期得到当前帧移动速度；基于当前帧旋转矩阵、当前帧移动速度、给定姿态角和给定速度控制机器人旋转运动。本发明实现了高精度控制机器人完成直线和旋转运动。

Description

一种排管电缆机器人及其控制方法
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种排管电缆机器人及其控制方法。
背景技术
随着电力规模的快速发展，电网系统的建设规模越来越大，城市用电负荷的快速增长，对供电可靠性提出了越来越高的要求，电网系统在运行过程中很容易受到各种因素的影响。
采用地下电缆方式取代架空输电线路是在人口密集区域的城市是最好的输配电方式之一，地下电缆通道可以容纳多回线路，输送容量的适应性增强，避免了雷电、风雨、盐雾和污秽等自然环境对电缆的影响，提高了供电的可靠性。但是对排管电缆的巡检和对故障的精确判断是比较困难的，需要耗费大量的人力和物力，因此基于使用机器人巡检的方式油然而生。
当电缆满负荷运行时，线芯温度往往已达到允许温度；电缆一旦超过负荷，线芯温度将急剧上升，高于允许温度，由此加速电缆绝缘老化，甚至发生绝缘介质热击穿，最后导致电缆火灾的发生。如果能够提前确定温度过高电缆的位置，对解决电缆火灾的发生具有重要的作用。
现有技术中，通过全球定位系统(Global Positioning System，简称GPS)进行定位的方式，在电缆管道中，使用GPS定位的方式定位不够精确，并且电缆管道一般铺设在地下，大多数的情况GPS信号是失效的；基于旋转磁场和惯导融合的管道机器人定位装置及方法，该方法采用了有捷联惯导系统和磁传感器来定位，但是并不解决传感器本身在处理数据时预积分带来的定位误差。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种排管电缆机器人及其控制方法，在感知方面，分为对机器人姿态和位置的感知，控制方面主要是对机器人姿态和位置进行控制，通过这种方法精确感知机器人的位置和姿态，进而实现机器人在管道内高精度的直线和旋转运动。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种排管电缆机器人的控制方法，包括：
步骤S1，建立相机坐标系、惯性坐标系与世界坐标系之间的映射关系；
步骤S2，基于当前帧管道图像和上一帧管道图像得到当前帧移动距离和当前帧旋转矩阵，对所述当前帧管道图像进行判断，若不存在障碍物，则执行步骤S3，若存在障碍物，则执行步骤S4；
步骤S3，基于所述当前帧移动距离和拍摄周期得到当前帧移动速度，基于所述当前帧移动距离和所述映射关系得到当前帧世界坐标位置；基于所述当前帧世界坐标位置、所述当前帧移动速度、给定位置和给定速度控制机器人直线运动；
步骤S4，基于所述当前帧移动距离和所述拍摄周期得到当前帧移动速度；基于所述当前帧旋转矩阵、所述当前帧移动速度、给定姿态角和所述给定速度控制机器人旋转运动。
优选地，所述步骤S2包括：
对第一帧管道图像和第二帧管道图像进行进行匹配，得到点匹配特征和线匹配特征；
基于所述点匹配特征和所述线匹配特征，采用对极约束法得到第二帧初始移动距离；
基于惯性测量单元获取第二帧实际移动距离，将所述第二帧实际移动距离和所述第二帧初始移动距离相除，得到误差比值；
基于所述当前帧管道图像和所述上一帧管道图像得到当前帧初始移动距离和所述当前帧初始旋转矩阵；
将所述当前帧初始移动距离和所述误差比值相乘得到当前帧优化移动距离；
基于惯性测量单元获取当前帧实际移动距离；
基于所述当前帧实际移动距离、所述当前帧优化移动距离和所述当前帧初始旋转矩阵进行卡尔曼滤波，得到所述当前帧移动距离和所述当前帧旋转矩阵。
优选地，所述控制机器人直线运动采用双闭环控制方式，内环速度环，外环为位置环；
将所述给定位置和所述当前帧世界坐标位置做差，得到位置差；将所述位置差输入PID控制器，得到位置控制输出量；
基于所述给定速度和所述当前帧移动速度做差，得到速度差；将所述速度差输入PID控制器，得到速度控制输出量；
将所述位置控制输出量进行限幅后与所述速度控制输出量进行积分，得到直线控制输出，基于所述直线控制输出控制机器人直线运动。
优选地，所述控制机器人旋转运动采用双闭环控制方式，内环为速度环，外环为角度环；
基于所述当前帧旋转矩阵得到当前帧姿态角；
将所述给定姿态角和当前帧姿态角做差，得到角度差；将所述角度差输入PID控制器，得到角度控制输出量；
基于所述给定速度和所述当前帧移动速度做差，得到速度差；将所述速度差输入PID控制器，得到速度控制输出量；
将所述角度控制输出量进行限幅后与所述速度控制输出量进行积分，得到旋转控制输出，基于所述旋转控制输出控制机器人旋转运动。
本发明还提供了一种排管电缆机器人，所述排管电缆机器人基于上述的控制方法进行控制，所述排管电缆机器人包括支撑架、前进轮、旋转轮、相机、惯性测量单元、控制器和温度传感器；
所述相机设置在所述支撑架的前端部，所述相机用于拍摄管道图像；
所述温度传感器设置在所述支撑架上，所述温度传感器用于实时获取电缆的温度信息并发送至所述控制器；
所述惯性测量单元设置在所述支撑架的内部，所述惯性测量单元用于测量移动距离；
所述前进轮和所述旋转轮均设置在所述支撑架的上端部，且所述前进轮和所述旋转轮垂直设置；
所述控制器基于所述前进轮带动所述支撑架直线运动；所述控制器基于所述旋转轮带动所述支撑架旋转运动。
优选地，所述排管电缆机器人还包括第一电机和第二电机；
所述第一电机的输出轴与所述前进轮固定连接；所述第二电机的输出轴与所述旋转轮固定连接；
所述控制器驱动所述第一电机转动，继而带动所述前进轮转动，所述前进轮转动带动所述支撑架直线运动；
所述控制器驱动所述第二电机转动，继而带动所述旋转轮转动，所述旋转轮转动带动所述支撑架旋转运动。
优选地，所述排管电缆机器人还包括若干个从动轮；
若干个所述从动轮均匀分布在所述支撑架的两侧。
优选地，所述前进轮、所述旋转轮和各所述从动轮均采用福来轮。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明涉及一种排管电缆机器人及其控制方法，控制方法包括：建立相机坐标系、惯性坐标系与世界坐标系之间的映射关系；基于当前帧管道图像和上一帧管道图像得到当前帧移动距离和当前帧旋转矩阵，基于当前帧移动距离和拍摄周期得到当前帧移动速度；对当前帧管道图像进行判断，若不存在障碍物，则基于当前帧移动距离和映射关系得到当前帧世界坐标位置；基于当前帧世界坐标位置、当前帧移动速度、给定位置和给定速度控制机器人直线运动；若存在障碍物，则基于当前帧移动距离和拍摄周期得到当前帧移动速度；基于当前帧旋转矩阵、当前帧移动速度、给定姿态角和给定速度控制机器人旋转运动。本发明实现了高精度控制机器人完成直线和旋转运动。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明排管电缆机器人的控制方法流程图；
图2为本发明对极约束法求解模型示意图；
图3为本发明机器人直线运动控制方式示意图；
图4为本发明机器人旋转运动控制方式示意图；
图5为本发明排管电缆机器人正视图；
图6为本发明排管电缆机器人俯视图；
图7为本发明排管电缆机器人结构图；
图8为本发明排管电缆机器人剖视图。
符号说明：1、支撑架；2、前进轮；3、旋转轮；4、从动轮；5、相机；6、惯性测量单元；7、第一电机；8、第二电机；9、控制器；10、温度传感器。
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。
本发明的目的是提供一种排管电缆机器人及其控制方法，在感知方面，分为对机器人姿态和位置的感知，控制方面主要是对机器人姿态和位置进行控制，通过这种方法精确感知机器人的位置和姿态，进而实现机器人在管道内高精度的直线和旋转运动。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明排管电缆机器人的控制方法流程图。如图1所示，本发明提供了一种排管电缆机器人的控制方法，包括：
步骤S1，建立相机坐标系、惯性坐标系与世界坐标系之间的映射关系。
步骤S2，基于当前帧管道图像和上一帧管道图像得到当前帧移动距离和当前帧旋转矩阵，对所述当前帧管道图像进行判断，若不存在障碍物，则执行步骤S3，若存在障碍物，则执行步骤S4。
具体地，所述步骤S2包括：
步骤S21，对第一帧管道图像和第二帧管道图像进行进行匹配，得到点匹配特征和线匹配特征。
本实施例中，基于ORB-SLAM3框架中提出的提取ORB特征检测的方法，对所述第一帧管道图像和所述第二帧管道图像进行点匹配，得到初始点匹配特征；由于管道的特征点较少，因此本发明为了解决这个问题，在提取点特征之上，再加入线特征的提取，基于EDLines算法对所述第一帧管道图像和所述第二帧管道图像进行线匹配，得到初始线匹配特征；再通过RANSAC算法对所述初始点匹配特征和所述初始线匹配特征进行滤波，剔除误匹配点和误匹配线，得到所述点匹配特征和所述线匹配特征。
步骤S22，基于所述点匹配特征和所述线匹配特征，采用对极约束法得到第二帧初始移动距离。
如图2所示，I1为第一帧管道图像，I2为第二帧管道图像，P是一个物体点，p1和p2是一对匹配的特征点，O1和O2是相机的光心。
有如下表达式：
s1p1＝KPo1；s2p2＝KPo2 (1)
式中：K为相机参数矩阵，s1为p1的深度信息，s2为p2的深度信息，PO1为物体点P在O1相机坐标系的位置坐标，PO2为物体点P在O2相机坐标系的位置坐标。
由相机的运动建立约束的表达式如下：
Po2＝RPo1+t (2)
式中：t为第二帧初始移动距离，R为第二帧初始旋转矩阵。
将式(1)带入式(2)得：
s2K-1p2＝R(s1K-1p1)+t (3)
进行化简得到：0＝p2 TK-Tt^RK-1p1。
基于多对匹配的特征点和特征线构建多个方程进行求解得到t^R，然后采用采用SVD分解，就得到了t和R，因为t是列向量，会存在归一化的问题，所以尺度不确定。
步骤S23，基于惯性测量单元获取第二帧实际移动距离，将所述第二帧实际移动距离和所述第二帧初始移动距离相除，得到误差比值。
步骤S24，基于所述当前帧管道图像和所述上一帧管道图像得到当前帧初始移动距离和所述当前帧初始旋转矩阵。
步骤S25，将所述当前帧初始移动距离和所述误差比值相乘得到当前帧优化移动距离。
步骤S26，基于惯性测量单元获取当前帧实际移动距离。
步骤S27，基于所述当前帧实际移动距离、所述当前帧优化移动距离和所述当前帧初始旋转矩阵进行卡尔曼滤波，得到所述当前帧移动距离和所述当前帧旋转矩阵。
步骤S3，基于所述当前帧移动距离和拍摄周期得到当前帧移动速度，基于所述当前帧移动距离和所述映射关系得到当前帧世界坐标位置；基于所述当前帧世界坐标位置、所述当前帧移动速度、给定位置和给定速度控制机器人直线运动。
具体地，如图3所示，所述控制机器人直线运动采用双闭环控制方式，内环速度环，外环为位置环。
将所述给定位置和所述当前帧世界坐标位置做差，得到位置差；将所述位置差输入PID控制器，得到位置控制输出量。
基于所述给定速度和所述当前帧移动速度做差，得到速度差；将所述速度差输入PID控制器，得到速度控制输出量。
将所述位置控制输出量进行限幅后与所述速度控制输出量进行积分，得到直线控制输出，基于所述直线控制输出控制机器人直线运动。
步骤S4，基于所述当前帧移动距离和所述拍摄周期得到当前帧移动速度；基于所述当前帧旋转矩阵、所述当前帧移动速度、给定姿态角和所述给定速度控制机器人旋转运动。
进一步地，如图4所示，所述控制机器人旋转运动采用双闭环控制方式，内环为速度环，外环为角度环。
基于所述当前帧旋转矩阵得到当前帧姿态角。
将所述给定姿态角和当前帧姿态角做差，得到角度差；将所述角度差输入PID控制器，得到角度控制输出量。
基于所述给定速度和所述当前帧移动速度做差，得到速度差；将所述速度差输入PID控制器，得到速度控制输出量。
将所述角度控制输出量进行限幅后与所述速度控制输出量进行积分，得到旋转控制输出，基于所述旋转控制输出控制机器人旋转运动。
图5为本发明排管电缆机器人正视图；图6为本发明排管电缆机器人俯视图；图7为本发明排管电缆机器人结构图；图8为本发明排管电缆机器人剖视图。如图5-图8所示，本发明提供了一种排管电缆机器人，所述排管电缆机器人基于上述的控制方法进行控制，所述排管电缆机器人包括支撑架1、前进轮2、旋转轮3、若干个从动轮4、相机5、惯性测量单元6、第一电机7、第二电机8、控制器9和温度传感器10。所述控制器9和所述惯性测量单元6采用一体化模块结构。
所述相机5设置在所述支撑架1的前端部，所述相机5用于拍摄管道图像。
所述温度传感器10设置在所述支撑架1上，所述温度传感器10用于实时获取电缆的温度信息并发送至所述控制器9。本实施例中，所述温度传感器10采用测温探头。
所述惯性测量单元6设置在所述支撑架1的内部，所述惯性测量单元6用于测量移动距离。
所述前进轮2和所述旋转轮3均设置在所述支撑架1的上端部，且所述前进轮2和所述旋转轮3垂直设置。
所述第一电机7的输出轴与所述前进轮2固定连接；所述第二电机8的输出轴与所述旋转轮3固定连接。
所述控制器9驱动所述第一电机7转动，继而带动所述前进轮2转动，所述前进轮2转动带动所述支撑架1直线运动。
所述控制器9驱动所述第二电机8转动，继而带动所述旋转轮3转动，所述旋转轮3转动带动所述支撑架1旋转运动。
若干个所述从动轮4均匀分布在所述支撑架1的两侧。所述前进轮2、所述旋转轮3和各所述从动轮4均采用福来轮。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种排管电缆机器人的控制方法，其特征在于，包括：
步骤S1，建立相机坐标系、惯性坐标系与世界坐标系之间的映射关系；
步骤S2，基于当前帧管道图像和上一帧管道图像得到当前帧移动距离和当前帧旋转矩阵，对所述当前帧管道图像进行判断，若不存在障碍物，则执行步骤S3，若存在障碍物，则执行步骤S4；
步骤S3，基于所述当前帧移动距离和拍摄周期得到当前帧移动速度，基于所述当前帧移动距离和所述映射关系得到当前帧世界坐标位置；基于所述当前帧世界坐标位置、所述当前帧移动速度、给定位置和给定速度控制机器人直线运动；
步骤S4，基于所述当前帧移动距离和所述拍摄周期得到当前帧移动速度；基于所述当前帧旋转矩阵、所述当前帧移动速度、给定姿态角和所述给定速度控制机器人旋转运动；
所述步骤S2包括：
对第一帧管道图像和第二帧管道图像进行匹配，得到点匹配特征和线匹配特征；
基于所述点匹配特征和所述线匹配特征，采用对极约束法得到第二帧初始移动距离；
基于惯性测量单元获取第二帧实际移动距离，将所述第二帧实际移动距离和所述第二帧初始移动距离相除，得到误差比值；
基于所述当前帧管道图像和所述上一帧管道图像得到当前帧初始移动距离和所述当前帧初始旋转矩阵；
将所述当前帧初始移动距离和所述误差比值相乘得到当前帧优化移动距离；
基于惯性测量单元获取当前帧实际移动距离；
基于所述当前帧实际移动距离、所述当前帧优化移动距离和所述当前帧初始旋转矩阵进行卡尔曼滤波，得到所述当前帧移动距离和所述当前帧旋转矩阵；
所述控制机器人直线运动采用双闭环控制方式，内环速度环，外环为位置环；
将所述给定位置和所述当前帧世界坐标位置做差，得到位置差；将所述位置差输入PID控制器，得到位置控制输出量；
基于所述给定速度和所述当前帧移动速度做差，得到速度差；将所述速度差输入PID控制器，得到速度控制输出量；
将所述位置控制输出量进行限幅后与所述速度控制输出量进行积分，得到直线控制输出，基于所述直线控制输出控制机器人直线运动；
所述控制机器人旋转运动采用双闭环控制方式，内环为速度环，外环为角度环；
基于所述当前帧旋转矩阵得到当前帧姿态角；
将所述给定姿态角和当前帧姿态角做差，得到角度差；将所述角度差输入PID控制器，得到角度控制输出量；
基于所述给定速度和所述当前帧移动速度做差，得到速度差；将所述速度差输入PID控制器，得到速度控制输出量；
将所述角度控制输出量进行限幅后与所述速度控制输出量进行积分，得到旋转控制输出，基于所述旋转控制输出控制机器人旋转运动。
2.一种排管电缆机器人，所述排管电缆机器人基于权利要求1所述的控制方法进行控制，其特征在于，所述排管电缆机器人包括支撑架、前进轮、旋转轮、相机、惯性测量单元、控制器和温度传感器；
所述相机设置在所述支撑架的前端部，所述相机用于拍摄管道图像；
所述温度传感器设置在所述支撑架上，所述温度传感器用于实时获取电缆的温度信息并发送至所述控制器；
所述惯性测量单元设置在所述支撑架的内部，所述惯性测量单元用于测量移动距离；
所述前进轮和所述旋转轮均设置在所述支撑架的上端部，且所述前进轮和所述旋转轮垂直设置；
所述控制器基于所述前进轮带动所述支撑架直线运动；所述控制器基于所述旋转轮带动所述支撑架旋转运动；
所述排管电缆机器人还包括第一电机和第二电机；
所述第一电机的输出轴与所述前进轮固定连接；所述第二电机的输出轴与所述旋转轮固定连接；
所述控制器驱动所述第一电机转动，继而带动所述前进轮转动，所述前进轮转动带动所述支撑架直线运动；
所述控制器驱动所述第二电机转动，继而带动所述旋转轮转动，所述旋转轮转动带动所述支撑架旋转运动；
所述排管电缆机器人还包括若干个从动轮；
若干个所述从动轮均匀分布在所述支撑架的两侧；
所述前进轮、所述旋转轮和各所述从动轮均采用福来轮。
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