CN115256415A - 基于安全运动的风电机舱多感融合小型化机器人及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的基于安全运动的风电机舱多感融合小型化机器人及方法，包括：车体；机械手，安装于车体上；电磁轮胎，安装于车体上；IMU，用于获取车体及机械手的线速度和角速度；中控系统，用于根据车体及机械手的线速度和角速度，获得车体姿态和机械手姿态；根据车体姿态和机械手姿态，获得机器人的当前重心位置；获取机械手的目标位置，根据目标位置获取机械手的预估姿态；根据机械手的预估姿态和车体姿态，获得机器人的预期重心位置；将机器人的预期重心位置和当前重心位置进行比较，获得重心比较结果；根据重心比较结果，控制电磁轮胎供电电流大小，调整电磁轮胎与机舱间的附着力。通过对机器人重心和姿态的监测，对电磁轮胎的供电电流进行调整，使得机器人能够稳定的附着于机舱上，保证了作业的稳定性及安全性。
Description
技术领域
本发明涉及风电技术领域，尤其涉及基于安全运动的风电机舱多感融合小型化机器人及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
电力巡检逐渐成为保障风力发电机正常运行的关键点。传统的人工巡检智能在风机停机时进行工作，这会导致采集的电气设备数据存在延迟性，同时风机停机也会造成经济效益损失，传统的人工巡检方式难以满足风机准确、实时、高频率的设备巡检要求，且风机地理位置分布广散且偏僻，运维人员检修时存在安全隐患问题。
目前存在风电机组数量多、故障频发、地处偏远、环境恶劣、检维人员少等问题，故逐渐需要采用智能化、无人化手段来替代人工作业。如在风电机舱内安装挂轨式机器人，来代替人工巡检，但是该种方式需要在机舱内安装轨道，且由于轨道的限制，导致巡检覆盖点不全，存在巡检盲区的问题。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了基于安全运动的风电机舱多感融合小型化机器人及方法，在机器人作业过程中，通过对机器人重心和姿态的监测，对电磁轮胎的供电电流进行调整，使得机器人能够稳定的附着于机舱上，保证了作业的稳定性及安全性，运行不受轨道限制，减少了巡检忙点，使得巡检更全面。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，提出了基于安全运动的风电机舱多感融合小型化机器人，包括：
车体；
机械手，安装于车体上；
电磁轮胎，安装于车体上；
IMU，用于获取车体及机械手的线速度和角速度；
中控系统，用于根据车体及机械手的线速度和角速度，获得车体姿态和机械手姿态；根据车体姿态和机械手姿态，获得机器人的当前重心位置；获取机械手的目标位置，根据目标位置获取机械手的预估姿态；根据机械手的预估姿态和车体姿态，获得机器人的预期重心位置；将机器人的预期重心位置和当前重心位置进行比较，获得重心比较结果；根据重心比较结果，控制电磁轮胎供电电流大小，调整电磁轮胎与机舱间的附着力。
进一步的，中控系统，用于对车体及机械手的线速度和角速度进行高通滤波，获得高通滤波后数据；应用卡尔曼滤波对高通滤波后数据进行计算，获得车体姿态和机械手姿态。
进一步的，中控系统，还用于根据车体姿态，控制电磁轮胎供电电流大小，调整电磁轮胎与机舱间的附着力。
进一步的，中控系统根据车体姿态，控制电磁轮胎供电电流大小的过程为：
将车体姿态与车体的标准姿态进行比较，获得车体姿态偏差，当姿态偏差超过设定阈值时，提高电磁轮胎供电电流。
进一步的，电磁轮胎与电源模块连接，通过电源模块为电磁轮胎供电。
进一步的，电源模块与充电口连接，充电口设置于车体上。
进一步的，还包括车轮锁定装置、风速测量模块和振动信号获取模块；
车轮锁定装置，用于将电磁轮胎进行锁死；
风速测量模块，用于获取作业环境风速；
振动信号获取模块，用于获取作业环境振动信号；
中控系统，还用于当作业环境风速和作业环境振动信号均小于设定预警阈值时，控制车轮锁定装置打开。
进一步的，还包括视觉导航模块、激光导航模块和超声导航模块；
超声导航模块，用于获取机器人前方的超声信号；
视觉导航模块，用于获取机器人前方的视觉图像；
激光导航模块，用于获取机器人前方的激光信号；
中控系统，还用于根据超声信号和激光信号，判断行进路线上是否有障碍物，当有障碍物时，通过视觉导航模块获取的视觉图像重新规划运动路线，控制机器人按照重新规划的运动路线前进。
进一步的，还包括巡检图像采集装置和语音采集装置，巡检图像采集装置和语音采集装置均与中控系统连接。
第二方面，提出了基于安全运动的风电机舱多感融合小型化机器人控制方法，包括：
获取车体及机械手的线速度和角速度；
根据车体及机械手的线速度和角速度，获得车体姿态和机械手姿态；
根据车体姿态和机械手姿态，获得机器人的当前重心位置；
获取机械手的目标位置，根据目标位置获取机械手的预估姿态；
根据机械手的预估姿态和车体姿态，获得机器人的预期重心位置；
将机器人的预期重心位置和当前重心位置进行比较，获得重心比较结果；
根据重心比较结果，控制电磁轮胎供电电流大小，调整电磁轮胎与机舱间的附着力。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明通过电磁轮胎附着于机舱上，带动机器人移动，并能将机器人稳定附着于机舱上，运动不受轨道限制，不用对机舱内部进行改造，保护机舱结构，且减少巡检盲点，使得巡检更全面。
2、本发明通过设置风速测量模块和振动信号获取模块，对机器人的作业环境进行监控，只有作业环境符合机器人的作业条件要求时，机器人才会解锁工作，初步保证了机器人作业的安全性。
3、本发明对机器人的姿态和重心进行监测，通过机器人的姿态和重心，对电磁轮胎的供电电流进行调整，从而保证电磁轮胎能够稳定的附着于机舱上，而不用额外增加配重，减小了机器人体积，使得机器人在机舱内具备更好的通过性。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为实施例1公开机器人的主视图；
图2为实施例1公开机器人的侧视图；
图3为实施例1公开机器人处于稳定状态和倾斜状态示意图；
图4为实施例1公开机器人根据车体姿态对电磁轮胎附着力进行调整的过程；
图5为实施例1公开机器人的三种重心位置状态；
图6为实施例1公开机器人根据重心位置对电磁轮胎附着力进行调整的过程；
图7为实施例1公开机器人的作业流程图；
图8为实施例1公开机器人的车轮锁定装置示意图。
其中：1、车体，2、电磁轮胎，3、超声导航模块，4、充电口，5、视觉导航模块，6、激光导航模块，7、拾音器和喇叭一体装置，8、双光相机，9、机械手，10、视觉摄像头，11、天线，12、车轮锁定装置。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
实施例1
在该实施例中，公开了基于安全运动的风电机舱多感融合小型化机器人，如图1、2所示，包括：车体1、机械手9、电磁轮胎2、超声导航模块3、视觉导航模块5、激光导航模块6、天线11、巡检图像采集装置、语音采集装置、IMU及中控系统。
其中，超声导航模块3、视觉导航模块5、激光导航模块6、视觉摄像头10、天线11、语音采集装置、双光相机8、IMU均与中控系统连接。
巡检图像采集装置采用视觉摄像头10和双光相机8，机械手9安装于车体1上，视觉摄像头10安装于机械手9上，双光相机8安装于车体1上，通过视觉摄像头10、双光相机8获取巡检照片，并将巡检照片发送至中控系统进行处理存储。
语音采集装置采用拾音器和喇叭一体装置7，拾音器和喇叭一体装置7安装于车体1上，通过拾音器和喇叭一体装置7获取机舱内的声音信号，并将声音信号发送至中控系统进行处理存储。
巡检照片和声音信号用于对机舱内部电气设备的巡检分析。
天线11用于中控系统与外部终端进行信号交流。
电磁轮胎2安装于车体1上，附着于机舱上，用于对车体1进行稳定支撑，并能带动车体1及车体1以上零部件进行移动。
电磁轮胎2与驱动装置连接，驱动装置能够驱动电磁轮胎2运动。
电磁轮胎2包括相连接的电磁和轮胎，当向电磁中通入电流时，电磁产生吸力，将电磁轮胎2吸附于机舱上。
电磁轮胎2与电源模块连接，通过电源模块为电磁轮胎供电，电源模块与充电口4连接，通过充电口4为电源模块进行充电，电源模块和充电口4均设置于车体上。
在车体1和机械手9上均设置了IMU，用于获取车体1和机械手9的线速度和角速度。
由于机器人在进行巡检作业时，可能处于强风摆动、机组振动等非平稳环境中，导致机器人在风电机舱运动过程中会出现左右摆动、前后滑动等异常姿态，不能在机舱内平稳运动，如图3所示。
本实施例公开机器人在车体1和机械手9上均设置了IMU，用于获取车体1和机械手9的线速度和角速度。
中控系统，用于根据车体及机械手的线速度和角速度，获得车体姿态和机械手姿态，根据车体姿态，控制电磁轮胎供电电流大小，调整电磁轮胎与机舱间的附着力，如图4所示。
中控系统根据车体姿态，控制电磁轮胎供电电流大小的具体过程为：将车体姿态与车体的标准姿态进行比较，获得车体姿态偏差，当车体姿态偏差超过设定阈值时，提高电磁轮胎供电电流，以增加电磁轮胎与机舱间的附着力，使机器人能稳定附着于机舱上。
本实施例还为电磁轮胎设置了刹车装置，当车体姿态偏差超过设定阈值时，除提高电磁轮胎供电电流外，还通过刹车装置对电磁轮胎进行刹车，将机器人固定在原地，从而确保机器人的运行安全。
由于车体及机械手的线速度和角速度信号中存在数据噪音，对车体及机械手的线速度和角速度进行高通滤波，获得高通滤波后数据，再应用卡尔曼滤波对高通滤波后数据进行计算，获得车体姿态和机械手姿态。
此外，在机械手转动、升降等运动过程中，机器人的重心会发生变化，如图5所示，重心改变，容易造成机器人重心不稳，发生倾斜。为了保证机器人在机械手运动过程中的稳定性，中控系统，还用于根据车体姿态和机械手姿态，获得机器人的当前重心位置；获取机械手的目标位置，根据目标位置获取机械手的预估姿态；根据机械手的预估姿态和车体姿态，获得机器人的预期重心位置；将机器人的预期重心位置和当前重心位置进行比较，获得重心比较结果；根据重心比较结果，控制电磁轮胎供电电流大小，调整电磁轮胎与机舱间的附着力，使机器人稳定附着于机舱上，如图6所示。
当重心比较结果超过设定的安全阈值时，增大电磁轮胎供电电流，提高电磁轮胎与机舱间的附着力，使机器人稳定附着于机舱上，保证机器人在机械手运动时的稳定性。
通过中控系统根据机器人的姿态或重心位置，对电磁轮胎的供电电流进行调整，保证了机器人在强风、振动等非平稳环境中运动时的稳定性，及机械手运动时的稳定性，而不用额外增加配重，减小了机器人的体积，实现了小型化机器人作业，由于风电机舱空间狭小，本实施例公开的机器人具备小型化特点，在风电机舱中具有更好的通过性。
此外，本实施例公开机器人通过调整电磁轮胎的供电电流，从而能够保证机器人的稳定运行，从而不需要在风电机舱内额外设置导轨，不会对风电机舱原有结构造成破坏，且在运行不受导轨限制及机器人体型较小的前提下，对风电机舱内设备进行巡检时减少巡检盲点，使得巡检更全面。
本实施例公开机器人还设置了超声导航模块3、视觉导航模块5和激光导航模块6，超声导航模块3、视觉导航模块5和激光导航模块6均设置于车体1上。
在机器人运动过程中，通过超声导航模块3获取机器人前方的超声信号，通过视觉导航模块5获取机器人前方的视觉图像，通过激光导航模块6获取机器人前方的激光信号，中控系统，根据超声信号和激光信号，实时感知行进路线上的环境情况，判断行进路线上是否有障碍物，当有障碍物时，通过视觉导航模块获取的视觉图像重新规划运动路线，控制机器人按照重新规划的运动路线前进。
通过设置超声导航模块3、视觉导航模块5和激光导航模块6实现了机器人的自主避障导航，从而能够在风电机舱内正常运行，进行顺利巡航。
为了进一步保证本实施例公开机器人工作时的安全稳定，还设置了车轮锁定装置12、风速测量模块和振动信号获取模块。
车轮锁定装置，如图8所示，用于将电磁轮胎进行锁死；
风速测量模块，用于获取作业环境风速；
振动信号获取模块，用于获取作业环境振动信号；
中控系统，还用于当作业环境风速和作业环境振动信号均小于设定预警阈值时，控制车轮锁定装置打开。
如图7所示，本实施例公开机器人，当不工作时，停靠在停放位置处，并通过车轮锁定装置12将机器人进行锁死，只有当车轮锁定装置12打开时，机器人才能从停放位置处驶出进行巡检。
本实施例公开机器人在工作前，首先对作业条件进行判断，当作业环境风速和作业环境振动信号均小于设定预警阈值时，说明满足机器人作业条件，此时车轮锁定装置打开，按照规划路线开展巡检作业任务。
在执行巡检作业任务的过程中，根据超声导航模块获取的超声信号和激光导航模块获取的激光信号，实时感知行进路线上的环境情况，判断行进路线上是否有障碍物，并观察周边空间是否足够完成绕行动作以及是否有可供绕行的备选路线，当行进路线上有障碍物，且有可供绕行的备选路线时，通过视觉导航模块获取的视觉图像重新规划运动路线，控制机器人按照重新规划的运动路线前进，当行进路线上有障碍物，但没有可供绕行的备选路线时，机器人作业停止，返回停放位置处，当行进路线上没有障碍物时，机器人按照规划路线前进；当巡检任务完成后，自动返回停放位置处，车轮锁定装置重新对机器人进行锁定。
在停放位置处设置了充电装置，充电装置能够与充电口4连接，为电源模块供电。
本实施例在机器人作业之前，首先对机器人的作业条件进行判断，只有当作业环境满足作业条件时，机器人才会开始作业，初步保证了机器人的作业安全性，在机器人作业过程中，通过监测机器人的重心跟姿态，对电磁轮胎的供电电流进行调整，使电磁轮胎能有效附着于机舱了，有效保证了机器人的稳定性。
实施例2
在该实施例中，公开了基于安全运动的风电机舱多感融合小型化机器人控制方法，包括：
获取车体及机械手的线速度和角速度；
根据车体及机械手的线速度和角速度，获得车体姿态和机械手姿态；
根据车体姿态和机械手姿态，获得机器人的当前重心位置；
获取机械手的目标位置，根据目标位置获取机械手的预估姿态；
根据机械手的预估姿态和车体姿态，获得机器人的预期重心位置；
将机器人的预期重心位置和当前重心位置进行比较，获得重心比较结果；
根据重心比较结果，控制电磁轮胎供电电流大小，调整电磁轮胎与机舱间的附着力。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.基于安全运动的风电机舱多感融合小型化机器人，其特征在于，包括：
车体；
机械手，安装于车体上；
电磁轮胎，安装于车体上；
IMU，用于获取车体及机械手的线速度和角速度；
中控系统，用于根据车体及机械手的线速度和角速度，获得车体姿态和机械手姿态；根据车体姿态和机械手姿态，获得机器人的当前重心位置；获取机械手的目标位置，根据目标位置获取机械手的预估姿态；根据机械手的预估姿态和车体姿态，获得机器人的预期重心位置；将机器人的预期重心位置和当前重心位置进行比较，获得重心比较结果；根据重心比较结果，控制电磁轮胎供电电流大小，调整电磁轮胎与机舱间的附着力。
2.如权利要求1所述的基于安全运动的风电机舱多感融合小型化机器人，其特征在于，中控系统，用于对车体及机械手的线速度和角速度进行高通滤波，获得高通滤波后数据；应用卡尔曼滤波对高通滤波后数据进行计算，获得车体姿态和机械手姿态。
3.如权利要求1所述的基于安全运动的风电机舱多感融合小型化机器人，其特征在于，中控系统，还用于根据车体姿态，控制电磁轮胎供电电流大小，调整电磁轮胎与机舱间的附着力。
4.如权利要求3所述的基于安全运动的风电机舱多感融合小型化机器人，其特征在于，中控系统根据车体姿态，控制电磁轮胎供电电流大小的过程为：
将车体姿态与车体的标准姿态进行比较，获得车体姿态偏差，当姿态偏差超过设定阈值时，提高电磁轮胎供电电流。
5.如权利要求1所述的基于安全运动的风电机舱多感融合小型化机器人，其特征在于，电磁轮胎与电源模块连接，通过电源模块为电磁轮胎供电。
6.如权利要求1所述的基于安全运动的风电机舱多感融合小型化机器人，其特征在于，电源模块与充电口连接，充电口设置于车体上。
7.如权利要求1所述的基于安全运动的风电机舱多感融合小型化机器人，其特征在于，还包括车轮锁定装置、风速测量模块和振动信号获取模块；
车轮锁定装置，用于将电磁轮胎进行锁死；
风速测量模块，用于获取作业环境风速；
振动信号获取模块，用于获取作业环境振动信号；
中控系统，还用于当作业环境风速和作业环境振动信号均小于设定预警阈值时，控制车轮锁定装置打开。
8.如权利要求1所述的基于安全运动的风电机舱多感融合小型化机器人，其特征在于，还包括视觉导航模块、激光导航模块和超声导航模块；
超声导航模块，用于获取机器人前方的超声信号；
视觉导航模块，用于获取机器人前方的视觉图像；
激光导航模块，用于获取机器人前方的激光信号；
中控系统，还用于根据超声信号和激光信号，判断行进路线上是否有障碍物，当有障碍物时，通过视觉导航模块获取的视觉图像重新规划运动路线，控制机器人按照重新规划的运动路线前进。
9.如权利要求1所述的基于安全运动的风电机舱多感融合小型化机器人，其特征在于，还包括巡检图像采集装置和语音采集装置，巡检图像采集装置和语音采集装置均与中控系统连接。
10.基于安全运动的风电机舱多感融合小型化机器人控制方法，其特征在于，包括：
获取车体及机械手的线速度和角速度；
根据车体及机械手的线速度和角速度，获得车体姿态和机械手姿态；
根据车体姿态和机械手姿态，获得机器人的当前重心位置；
获取机械手的目标位置，根据目标位置获取机械手的预估姿态；
根据机械手的预估姿态和车体姿态，获得机器人的预期重心位置；
将机器人的预期重心位置和当前重心位置进行比较，获得重心比较结果；
根据重心比较结果，控制电磁轮胎供电电流大小，调整电磁轮胎与机舱间的附着力。
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