CN114879686A - 一种面向引水隧洞检测的机器人系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种面向引水隧洞检测的机器人系统及控制方法，涉及异构机器人领域，包括水面机器人和水下机器人，水下机器人通过线缆连接水面机器人，水下机器人包括水下通信组件，水面机器人包括循迹组件和水面通信组件，水下通信组件与水面通信组件建立水声通信和网络通信；针对目前引水隧洞勘察难以实现远程控制以及有线传输不便建立的问题，建立水面机器人和水下机器人协同工作的异构机器人系统，利用水面机器人的直线轨迹移动配合实现来获取在隧道内的位置，通过水声通信和网络通信实现相对位置定位和数据传输，保证了引水隧洞内检测数据与检测位置的对应，有效实现引水隧洞内的勘察。

Description

一种面向引水隧洞检测的机器人系统及控制方法
技术领域
本发明涉及异构机器人领域，具体涉及一种面向引水隧洞检测的机器人系统及控制方法。
背景技术
目前的引水隧洞工程表现出“长、大、群、深”的特点与趋势，长距离引水隧洞不仅所处地质条件复杂，且作为输水建筑物，其钢筋混凝土支护结构长期处于水流环境中，在地应力与水流压力共同作用下，混凝土衬砌不可避免地会产生裂缝，导致“内水外渗”，对衬砌和围岩的安全性与稳定性都产生显著影响。因此，进行长距离引水隧洞裂损病害检测，使隧洞能够长久安全运行。
传统的人工检测效率低下，需要退水作业可能进一步加重隧洞病损，且深埋隧洞的水下环境严重威胁人身安全。现有技术中提供了履带式无人车、螺旋桨式重型水下机器人等大型工程机械代替人工的方法，虽然解决了部分问题，但耗资巨大，且工作时易引起水质的浑浊从而影响检测效果；受限于长距离引水隧洞内无线信号弱，无线传输来控制和获取水下数据的方式难以实现，水下作业设备多采用有线方式来实现数据传输，但随着引出线缆长度的增加，水下线缆稳定牵拉移动的难度和阻力与之增加，容易造成线缆勾挂、线缆阻力过大的问题，检测位置不易进行有效定位，也就导致检测数据与检测位置无法准确对应的问题，难以实现引水隧洞所需的大航程检测需求。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种面向引水隧洞检测的机器人系统及控制方法，建立水面机器人和水下机器人协同工作的异构机器人系统，利用水面机器人的直线轨迹移动配合实现来获取在隧道内的位置，通过水声通信和网络通信实现相对位置定位和数据传输，保证了引水隧洞内检测数据与检测位置的对应，有效实现引水隧洞内的勘察。
本发明的第一目的是提供一种面向引水隧洞检测的机器人系统，采用以下方案：
包括水面机器人和水下机器人，水下机器人通过线缆连接水面机器人，水下机器人包括水下通信组件，水面机器人包括循迹组件和水面通信组件，水下通信组件与水面通信组件建立水声通信和网络通信；
循迹组件用于控制水面机器人于引水隧洞内沿直线路径运动，水下机器人跟随水面机器人移动并在竖直方向保持间距。
进一步地，所述水面机器人设有水面定位组件，用于依据运动时间和预设运动路径获取水面机器人与引水隧洞的相对位置。
进一步地，还包括声学定位组件，声学定位组件包括收发信机阵列和应答器，应答器安装于水下机器人，用于获取收发信机发射的声脉冲并回复脉冲，收发信机阵列包括多个收发信机，并安装于水面机器人，收发信机用于发射声脉冲并通过接收器检测回复脉冲。
进一步地，所述收发信机阵列包括三个接收器，第一个接收器和第二个接收器间隔布置，第三个接收器与第二个接收器的连线正交第一个接收器和第二个接收器的连线。
进一步地，所述水下机器人包括检测工作组件，用于获取水面机器人设定范围内引水隧洞的检测数据。
进一步地，所述线缆配合有布放回收组件，布放回收组件依据水下机器人与水面机器人的间距调整线缆的长度，水面机器人在水下机器人周围设定范围内移动。
本发明的第二目的是提供一种如第一目的所述面向引水隧洞检测的机器人系统的控制方法，包括：
基于水面机器人的运动状态及预设路径，计算水面机器人于引水隧洞内的位置；
建立水面机器人和水下机器人通信，水下机器人跟随水面机器人移动；
实时获取水面机器人和水下机器人相对位置，结合水面机器人于引水隧洞内的位置，得到水下机器人于引水隧洞内的位置；
通过水下机器人获取引水隧洞检测数据，关联引水隧洞检测数据和检测位置数据。
进一步地，划定水面机器人相对于水下机器人的活动范围，分别控制水面机器人和水下机器人运动。
进一步地，建立水面机器人与水下机器人的隐式通信，隐式通信、水声通信和网络通信相互独立运行。
进一步地，建立水面机器人与岸侧计算机通信，保持岸侧计算机与水面机器人通信优先，以控制水面机器人和水下机器人。
与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：
(1)针对目前引水隧洞勘察难以实现远程控制以及有线传输不便建立的问题，建立水面机器人和水下机器人协同工作的异构机器人系统，利用水面机器人的直线轨迹移动配合实现来获取在隧道内的位置，通过水声通信和网络通信实现相对位置定位和数据传输，保证了引水隧洞内检测数据与检测位置的对应，有效实现引水隧洞内的勘察。
(2)相比于传统的单台水下机器人与地面工作站直接连接，将水下机器人首先与水面机器人连接，可以保证更大的航程和更少的绳索阻力，从而使机器人系统能够自主导航，进行更长距离、更灵活的引水隧洞检测工作。
(3)建立水下机器人与水面机器人之间的冗余通信连接，应对引水隧洞内通信条件不佳的问题，利用水声通信提供短任务更新和定位信息；网络通信，通过光纤脐带线缆连接，建立计算机网络通信，提供高精度图像数据和三维成像声呐数据以及部分系统导航用数据；隐式通信能够应对突发场景的自动返回任务。
(4)为了实现水面机器人和水下机器人之间的协调导航，将动态系统模型与标记检测数据结合在一起，水面机器人的运动遵循直线路径，并且水面机器人和水下机器人保持固定的竖向间距距离，将水面机器人的运动与水下机器人的状态结合在一起，提高其协同运行的稳定性。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1或2中机器人系统的运行学模型示意图。
图2为本发明实施例1或2中水下机器人的控制逻辑图。
图3为本发明实施例1或2中水下机器人的ROS节点图。
图4为本发明实施例1或2中水下机器人的电控系统结构图。
图5为本发明实施例1或2中水下机器人与水面机器人的通信示意图。
图6为本发明实施例1或2中声学定位组件中接收器的排布方式示意图。
图7为本发明实施例1或2中状态估计模块的示意图。
具体实施方式
实施例1
本发明的一个典型实施例中，如图1-图7所示，给出一种面向引水隧洞检测的机器人系统。
针对长距离引水隧洞的运行环境特点，进行了研究分析，提出了面向引水隧洞检测的异构多机器人系统，采用轻量化方案设计，利用多个异构机器人协同，通过建立水面机器人与水下机器人通信，实现水下机器人的精准定位以及里程测量、检测作业。
在水面上，电磁信号因其相对于声波的优越速度而被使用，但在水中，由于其比空气更高的导电性和介电常数，电磁信号会快速衰减。相比于传统的单台水下机器人与地面工作站直接连接，本实施例中，将水下机器人首先与水面机器人连接，可以保证更大的航程和更少的绳索阻力，并使水面机器人使机器人系统能够自主导航，进行更长距离、更灵活的引水隧洞检测工作。
具体的，面向引水隧洞检测的机器人系统包括：水面机器人、水下机器人、连接水面机器人与水下机器人的脐带线缆、岸侧计算机、车载缆线及布放回收组件。水下机器人通过线缆连接水面机器人，水下机器人包括水下通信组件，水面机器人包括循迹组件和水面通信组件，水下通信组件与水面通信组件建立水声通信和网络通信；循迹组件用于控制水面机器人于引水隧洞内沿直线路径运动，水下机器人跟随水面机器人移动并在竖直方向保持间距。
水下机器人包括检测工作组件，用于获取水面机器人设定范围内引水隧洞的检测数据；线缆配合有布放回收组件，布放回收组件依据水下机器人与水面机器人的间距调整线缆的长度，水面机器人在水下机器人周围设定范围内移动。
水面机器人选用自主水面机器人，水下机器人选用自主水下航行器，自主水面机器人(ASV)与自主水下航行器(ROV)相结合，建立了一个集成的协同导航系统。利用ASV的长续航能力，通过脐带线缆为水下ROV供电，从而大幅增加整个机器人检测系统的可检测距离。同时，ASV在水面更低维度的运动空间中，定位更精准，为ROV的位置标定提供辅助，系统架构使ASV能够定期向ROV系统提供位置更新，无需ROV从深处浮出水面以更新其内部计算的位置，合作定位方案将提高ROV测量的效率和准确性。
划定水面机器人相对于水下机器人的活动范围，分别控制水面机器人和水下机器人运动。对于水下机器人机器人的运动，水下的ROV配备8个推进器可实现六自由度的运动，如图1所示，三个用于定位，三个用于定向。每个自由度都被定义为确定ROV运动所需的自变量。前三个自由度的波动、摇摆和升沉分别定义为沿x、y和z轴的平移运动，另外三个自由度分别表示绕x、y和z轴的角运动。相较于ASV活动范围更大，测量能力和准确性更强。
运动的矢量表示使得控制每个自由度和针对不同的控制模式改变它变得更容易。控制系统使用此表示法来计算推进器的力。稳定性和机动性之间的折衷决定了运动控制系统的结果。由于这是解耦的运动控制，它假定每个自由度只受其相应值的影响。
水面机器人设有水面定位组件，用于依据运动时间和预设运动路径获取水面机器人与引水隧洞的相对位置。本实施例中，水面定位组件包括多普勒流速仪，通过多普勒流速仪积分获取水面机器人的移动距离，结合其预设的直线运动路径，获取水面机器人与引水隧洞的相对位置。
对于水面机器人与水下机器人之间的相对位置确定，通过声学定位组件实现，声学定位组件包括收发信机阵列和应答器，应答器安装于水下机器人，用于获取收发信机发射的声脉冲并回复脉冲，收发信机阵列包括多个收发信机，并安装于水面机器人，收发信机用于发射声脉冲并通过接收器检测回复脉冲。
如图6所示，收发信机阵列包括三个接收器，第一个接收器和第二个接收器间隔布置，第三个接收器与第二个接收器的连线正交第一个接收器和第二个接收器的连线。
如图5所示，ASV通过3种方式与ROV建立冗余的通信连接：①水声通信，通过水声通信器M64传输数据，主要提供短任务更新和定位信息。②网络通信，通过光纤脐带线缆连接，建立计算机网络通信，运行TCP/IP协议，主要提供高精度图像数据和三维成像声呐数据以及部分系统导航用数据。③隐式通信，ROV通过视觉智能识别ASV底部的光信号，以应对突发场景的自返回任务。
除了此三种方式此外，岸上上位机系统通过超短基线USBL X150与ASV、ROV建立通信连接。
岸侧计算机和ROV之间的通信是最优先的。为了能够在尽可能少的干扰和延迟的情况下控制ROV，以最大限度地减少出现问题时的故障排除时间。
ASV与ROV之间局部定位采用超短基线(USBL)声学定位系统，使用一个收发信机阵列(三个或更多)，固定在ASV上。应答器安装在待定位的ROV上。声脉冲由收发机发射，并由ROV应答器检测，应答器用自己的声脉冲进行回复。返回的脉冲由ASV收发机阵列检测。从发送初始声脉冲到应答被检测、测量并转换成范围的时间。测量从水下机器人到收发信机阵列的距离和角度，以计算水下位置。为了避免相角测量中的模糊性，阵列中的收发信机只分开声信号波长的一半(10cm或更小)。
为了确定方位角，需要测量阵列中两个接收器之间的信号相对于阵列基线的相位差。角度定义为正X轴与投影到水平XY平面上的目标位置向量之间的角度。如果使用与前两个接收器正交的第三个接收器，则可以确定仰角y。从收发机到目标r的距离是目标向量的幅度，通过测量到达时间获得的。USBL声学定位系统排布方式如图6所示。
实施例2
本发明的另一典型实施方式中，如图1-图7所示，给出一种面向引水隧洞检测的机器人系统的控制方法。
结合实施例1中的面向引水隧洞检测的机器人系统，包括以下步骤：
基于水面机器人的运动状态及预设路径，计算水面机器人于引水隧洞内的位置；
建立水面机器人和水下机器人通信，水下机器人跟随水面机器人移动；
实时获取水面机器人和水下机器人相对位置，结合水面机器人于引水隧洞内的位置，得到水下机器人于引水隧洞内的位置；
通过水下机器人获取引水隧洞检测数据，关联引水隧洞检测数据和检测位置数据。
同时，划定水面机器人相对于水下机器人的活动范围，分别控制水面机器人和水下机器人运动。
建立机器人运动学模型，ROV是独立于隧洞坐标系运行的刚体对象，独立于ASV参考系。为了参考ROV的位置和方向，需要一个大地坐标系。由于ASV的位置可以使用多普勒流速仪积分计算，ROV可以间接的通过ASV进行定位。来获得更精确的结果。坐标系的原点在ROV的中部，并有重心、浮力中心和浮心的参考点。
如图1所示的符号：
自由度 力和力矩 线速度和角速度 位置和欧拉角
Surge X u x
Sway Y v y
Heave Z w z
Roll K p φ
Pitch M q θ
Yaw N r ψ
六自由度ROV运动的矢量化描述：
Figure BDA0003666924000000091
控制系统使用欧拉角来操纵机器人框架和设定点，以及控制器中的所以数据转换。欧拉角定义为围绕传统三维坐标系(x,y,z)上的轴分别滚动、俯仰和偏航的角运动：
Figure BDA0003666924000000092
Figure BDA0003666924000000093
Figure BDA0003666924000000094
Figure BDA0003666924000000101
利用变换矩阵将ROV与ASV之间的欧拉角变换表示为矢量形式，得到运动方程
Figure BDA0003666924000000102
线速度和角速度变换的矩阵为:
Figure BDA0003666924000000103
使用矢量表示法来计算推进器的力。
稳定性被定义为系统在受到干扰后自身恢复到平衡状态的能力。机动性是指系统执行特定机动的能力。稳定性和机动性之间的折衷决定了运动控制系统的结果，为了增加水下异构多机器人控制系统的鲁棒性，必须在期望的稳定性和最佳的可操作性之间找到一个折衷。
由于这是解耦的运动控制，假定每个自由度只受其相应值的影响。ROV有八个推进器固定在机器人本体上。在分配调节设定点所需的力量时，必须考虑到用于调整设定值的推力配置矩阵取自旋转推进器，即方位推进器，其中旋转变量被设置为常量。在6个自由度中，这被定义为：
Figure BDA0003666924000000104
其中，f＝[Fx,Fy,Fz]T是力，r＝[lx,ly,lz]T是力矩。这些力是相对于ROV的，因为它们固定在ROV的框架上：
Figure BDA0003666924000000111
控制器使用带有重力补偿的PD控制器，该控制器可用于六自由度ROV的位置和姿态设定值调节。该矢量系统的PD控制器定义为：
τ＝-Kdv-Kp(q)z+g(q)
其中，
V＝[vT,ωT]T
Figure BDA0003666924000000112
与传统的单输入单输出系统(SISO)相比，该控制器针对非线性系统而设计，这种多输入多输出控制策略处理滚动、俯仰和偏航模式之间的相互作用的系统中具有很大的优势。
ROV的控制系统方面，基于ROS设计，逻辑架构图如图2所示，ROS节点图如图3所示。
控制系统除了手动控制外，还有不同的模式可供选择。
Figure BDA0003666924000000113
Figure BDA0003666924000000121
ROV的电控系统结构如图4所示。
对于水面机器人与水下机器人的通信，有三个独立的系统需要通信：岸基上位机和操纵杆控制的ROV，ASV网络和ASV上的水下定位系统。为了在开环中通过操纵杆控制水下无人机，除了水下定位系统之外，一切都需要正常运行。
机器人之间的通信使用以太网，以太网电缆有8根铜线分配给双绞线，每秒传输约1GB的数据。连接到ASV的防水脐带电缆是一种特制的以太网电缆，内部有较厚隔离和防水材料，以保护连接到它的交换机或计算机，以防其在水下损坏。将ASV上的控制器直接连接到岸边的计算机。
为了避免水面机器人与水下机器人之间的碰撞，协作系统有必要有一个控制器来跟踪运动规划，并驱动ASV到ROV，以执行对接。充分考虑水流波动等外部干扰，以便建立稳健和安全的控制器。在对接的最后阶段，外部干扰可能会将LAUV或ASV从运动计划中驱离，并增加执行机动的碰撞风险。在这种情况下，控制器必须能够停止对接机动，并将ASV驱离。
为了实现ASV和ROV之间的协调导航，将动态系统模型与标记检测数据结合在一起。ASV的运动遵循直线路径，并且ROV与ASV保持固定的z距离4米。将ASV的运动与ROV的状态结合在一起。ASV的速度分量被视为状态的一部分。状态估计模块如图7所示。
图7中，V指的是从基准标记获得的视觉姿态观测值，S指的是动态系统模型，表示为随时间t演化的卡尔曼滤波。
确定ROV位置的典型事件顺序如下：
(1)USBL系统发出特定的声脉冲以查询附近的应答器。
(2)脉冲通过水传输到应答器。
(3)应答器检测USBL信号，并以独特的应答器声脉冲响应。
(4)应答器脉冲通过水返回到USBL阵列。
(5)USBL阵列检测应答器信号，并确定信号到USBL阵列中的每个换能器的往返声波传播时间和相位延迟。
(6)利用USBL阵列上的声速来计算应答器信号的接收方位和距离。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种面向引水隧洞检测的机器人系统，其特征在于，包括水面机器人和水下机器人，水下机器人通过线缆连接水面机器人，水下机器人包括水下通信组件，水面机器人包括循迹组件和水面通信组件，水下通信组件与水面通信组件建立水声通信和网络通信；
循迹组件用于控制水面机器人于引水隧洞内沿直线路径运动，水下机器人跟随水面机器人移动并在竖直方向保持间距。
2.如权利要求1所述的面向引水隧洞检测的机器人系统，其特征在于，所述水面机器人设有水面定位组件，用于依据运动时间和预设运动路径获取水面机器人与引水隧洞的相对位置。
3.如权利要求1所述的面向引水隧洞检测的机器人系统，其特征在于，还包括声学定位组件，声学定位组件包括收发信机阵列和应答器，应答器安装于水下机器人，用于获取收发信机发射的声脉冲并回复脉冲，收发信机阵列包括多个收发信机，并安装于水面机器人，收发信机用于发射声脉冲并通过接收器检测回复脉冲。
4.如权利要求3所述的面向引水隧洞检测的机器人系统，其特征在于，所述收发信机阵列包括三个接收器，第一个接收器和第二个接收器间隔布置，第三个接收器与第二个接收器的连线正交第一个接收器和第二个接收器的连线。
5.如权利要求1所述的面向引水隧洞检测的机器人系统，其特征在于，所述水下机器人包括检测工作组件，用于获取水面机器人设定范围内引水隧洞的检测数据。
6.如权利要求1所述的面向引水隧洞检测的机器人系统，其特征在于，所述线缆配合有布放回收组件，布放回收组件依据水下机器人与水面机器人的间距调整线缆的长度，水面机器人在水下机器人周围设定范围内移动。
7.一种如权利要求1-6任一项所述面向引水隧洞检测的机器人系统的控制方法，其特征在于，包括：
基于水面机器人的运动状态及预设路径，计算水面机器人于引水隧洞内的位置；建立水面机器人和水下机器人通信，水下机器人跟随水面机器人移动；
实时获取水面机器人和水下机器人相对位置，结合水面机器人于引水隧洞内的位置，得到水下机器人于引水隧洞内的位置；
通过水下机器人获取引水隧洞检测数据，关联引水隧洞检测数据和检测位置数据。
8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，划定水面机器人相对于水下机器人的活动范围，分别控制水面机器人和水下机器人运动。
9.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，建立水面机器人与水下机器人的隐式通信，隐式通信、水声通信和网络通信相互独立运行。
10.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，建立水面机器人与岸侧计算机通信，保持岸侧计算机与水面机器人通信优先，以控制水面机器人和水下机器人。
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