CN115870678B - 内焊机的姿态调节系统、方法、内焊机及存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种内焊机的姿态调节系统、方法、内焊机及存储介质，所属的技术领域为管道焊接技术领域。姿态调节系统包括姿态调节装置、电气控制模块和传感器；姿态调节装置包括动平台、定平台、直线驱动机构和万向节，动平台与第一分节的机架为一体式结构，定平台与第二分节的机架为一体式结构，直线驱动机构的两端通过万向节分别与动平台和定平台连接；电气控制模块，用于根据管道轮廓数据计算第一分节的目标姿态，并对目标姿态进行运动反解算法的计算生成直线驱动机构的长度变化信号，利用长度变化信号控制直线驱动机构进行伸缩运动，以使所述第一分节处于所述目标姿态。本申请能够实现内焊机的姿态自动化调节，提高焊接质量。

Description

内焊机的姿态调节系统、方法、内焊机及存储介质

技术领域

本申请涉及管道焊接技术领域，特别涉及一种内焊机的姿态调节系统、方法、内焊机及存储介质。

背景技术

目前，在长输管道施工中，具备条件使用自动化焊接设备的管线场地，基本已使用自动焊焊接设备进行自动化施工焊接。长输管线采用自动焊施工工艺已得到广泛施工企业的认可。特别是管道内焊机的大量采用，既提高了焊接质量、也提高了焊接的效率，为后期的管道维护检测创造了良好的管内条件。

现有技术中，内焊机一般包括锥头和机身，在锥头和机身之间通过万向节和多组相互平行的弹簧连接，锥头上位于靠近弹簧的一侧设置有涨靴和焊接组件，内焊机在行走机构的驱动下在管道中被动过弯。

现有技术为了提高内焊机在管道内的运行的灵活度，将内焊机设置成多个分节并通过万向节连接以提高过弯能力，但是在过程中受管道内周面影响，在管道内运行时会发生螺旋性旋转，改变内焊机焊接组件上焊头的初始焊接位置，从而影响焊缝搭接质量和施工效率，一般需要对姿态进行手工无量化调节，运行姿态可控精度低、效率低。

因此，如何实现内焊机的姿态自动化调节，提高焊接效率是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本申请的目的是提供一种内焊机的姿态调节系统、一种内焊机的姿态调节方法、一种内焊机及一种存储介质，能够实现内焊机的姿态自动化调节，提高焊接质量。

为解决上述技术问题，本申请提供一种内焊机的姿态调节系统，

包括姿态调节装置、传感器和电气控制模块，所述姿态调节装置设置于内焊机第一分节与第二分节之间，

所述姿态调节装置包括动平台、定平台和直线驱动机构，所述动平台连接所述第一分节、所述定平台连接所述第二分节，所述直线驱动机构的两端分别与所述动平台和定平台活动连接；

所述传感器，用于采集所述第一分节上动平台周侧的管道轮廓数据；

所述直线驱动机构连接有电气控制模块，所述电气控制模块用于根据所述管道轮廓数据计算所述第一分节的目标姿态，调节所述直线驱动机构使第一分节上的动平台的轴线处于目标姿态。

进一步的，所述姿态调节装置还包括动端安装座和定端安装座，

所述动端安装座通过螺栓固定于所述动平台，所述直线驱动机构的一端通过万向节可拆卸地连接在所述动端安装座上，

所述定端安装座通过螺栓固定于所述定平台，所述直线驱动机构的另一端通过万向节可拆卸地连接在所述定端安装座上。

进一步的，所述姿态调节装置为包括六个直线驱动机构的六自由度运动平台。

进一步的，所述传感器为多个，所有所述传感器沿所述第一分节的周向均匀分布于所述第一分节。

进一步的，所述传感器为条纹式激光传感器，所述传感器用于获取投射在管道内周面的激光轮廓线，得到所述第一分节上涨靴周侧的管道轮廓数据。

进一步的，所述电气控制模块包括：

运动控制器，用于根据所述管道轮廓数据计算所述第一分节的目标姿态，并对所述目标姿态进行运动反解算法的计算生成所述直线驱动机构的长度变化信号；

伺服驱动器，用于根据所述运动控制器下发的长度变化信号生成对应的脉冲信号；

伺服电机，用于根据所述伺服驱动器下发的脉冲信号进行转动，以便驱动对应的直线驱动机构进行伸缩运动直至所述第一分节处于所述目标姿态。

一种基于所述系统的内焊机的姿态调节方法，用于调节内焊机第一分节和第二分节之间的位置关系，包括：

采集所述第一分节上动平台周侧的管道轮廓数据；

根据所述管道轮廓数据计算所述第一分节的目标姿态，并基于目标姿态计算生成调节信号；

基于调节信号驱动直线驱动机构使第一分节上动平台的轴线处于目标姿态。

进一步的，所述根据所述管道轮廓数据计算所述第一分节的目标姿态，并基于目标姿态计算生成调节信号步骤具体为：

基于已知的传感器安装矫正系数，将各个传感器扫描得到的轮廓数据变换为第一分节坐标系下的校正轮廓数据；

基于校正轮廓数据，计算出当前管道在第一分节坐标系下的管道位姿信息；

基于管道位姿信息解算得到所述第一分节的目标姿态，并基于目标姿态计算生成调节信号。

本申请还提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序执行时实现上述内焊机的姿态调节方法执行的步骤。

本申请还提供了一种内焊机，包括：第一分节、第二分节和姿态调节系统；

所述姿态调节系统包括姿态调节装置、电气控制模块和传感器；

所述姿态调节装置设置于所述第一分节和所述第二分节之间；所述姿态调节装置包括动平台、定平台、直线驱动机构和万向节，所述动平台与所述第一分节的机架为一体式结构，所述定平台与所述第二分节的机架为一体式结构，所述直线驱动机构的两端通过所述万向节分别与所述动平台和定平台连接；

所述传感器，用于采集所述第一分节上动平台周侧的管道轮廓数据；

所述电气控制模块，用于根据所述管道轮廓数据计算所述第一分节的目标姿态，并对所述目标姿态解算生成所述直线驱动机构的长度变化信号；所述电气控制模块还用于利用所述长度变化信号控制所述直线驱动机构进行伸缩运动，以使所述第一分节处于所述目标姿态。

本申请提供了一种内焊机的姿态调节系统，所述内焊机包括第一分节、第二分节和姿态调节装置，所述姿态调节装置设置于所述第一分节和所述第二分节之间；所述姿态调节装置包括动平台、定平台、直线驱动机构和万向节，所述动平台与所述第一分节的机架为一体式结构，所述定平台与所述第二分节的机架为一体式结构，所述直线驱动机构的两端通过所述万向节分别与所述动平台和定平台连接；所述传感器，用于采集所述内焊机动平台所处位置的管道轮廓数据；所述电气控制模块，用于根据所述管道轮廓数据计算所述第一分节的目标姿态，并对所述目标姿态进行运动反解算法的计算生成所述直线驱动机构的长度变化信号；所述电气控制模块还用于利用所述长度变化信号控制所述直线驱动机构进行伸缩运动，以使所述第一分节处于所述目标姿态。

本申请提供的姿态调节装置设置于内焊机的第一分节和第二分节之间，上述姿态调节装置包括动平台、定平台、直线驱动机构和万向节。由于动平台与第一分节的机架为一体式结构，且定平台与第二分节的机架为一体式结构，因此当姿态调节装置的直线驱动机构进行伸缩运动时，可以使第一分节的姿态改变。本申请中的电气控制模块在工作过程中，根据所述管道轮廓数据计算所述第一分节的目标姿态，并对所述目标姿态进行运动反解算法的计算生成所述直线驱动机构的长度变化信号，进而通过长度变化信号控制所述直线驱动机构进行伸缩运动，以使所述第一分节处于目标姿态。本申请能够根据管道轮廓数据实现内焊机的姿态自动化调节，提高焊接质量。本申请同时还提供了一种内焊机的姿态调节方法、一种存储介质和一种内焊机，具有上述有益效果，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例所提供的一种一体式智能管道内焊机的结构示意图；

图2为本申请实施例所提供的一种姿态调节系统的结构示意图；

图3为本申请实施例所提供的姿态调节装置结构示意图；

图4为本申请实施例所提供的一种内焊机的姿态调节方法的流程图；

图5为本申请实施例所提供的一种内焊机过弯管的结构示意图；

图6为本申请实施例所提供的一种控制系统总体设计图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种内焊机的姿态调节系统，所述系统包括姿态调节装置、电气控制模块和传感器，所述姿态调节装置设置于内焊机的第一分节和所述第二分节之间。上述电气控制模块可以根据传感器采集的数据控制姿态调节装置调节内焊机的姿态。区别于现有技术，本申请的姿态调节装置可以设置在内焊机任意两分节之间，每一分节均可以是刚性的不可转动的，也可以是分节内额外设计有铰接结构。作为本申请的一种优选实施方式，如图1所示，第一分节为锥头机构，该锥头上设置有电气原件、涨紧机构和焊接单元；第二分节为机身机构，机身机构设置有行走装置、刹车装置、驱动装置等。

姿态调节装置包括动平台、定平台、直线驱动机构和万向节，所述动平台与所述第一分节的机架为一体式结构，所述定平台与所述第二分节的机架为一体式结构，所述直线驱动机构的两端通过所述万向节分别与所述动平台和定平台连接。一个直线驱动机构对应两个万向节，即直线驱动机构的第一端通过一个万向节与动平台连接，直线驱动机构的第二端通过另一个万向节与定平台连接。进一步的，上述姿态调节装置为包括六个直线驱动机构的六自由度运动平台。对设置在内焊机任意两分节之间的姿态调节装置而言，通过传感器检测和姿态调节装置的主动驱动，即可以带动连接有动平台的一侧适应管道轮廓使内焊机在管道中自由的行走而不会碰撞。对上述优选实施例而言，动平台安装在锥头机构一侧，即此时动平台位于靠近涨紧机构和焊接单元，使姿态调节装置可以灵活调节锥头机构（也包括涨紧机构和焊接单元）使内焊机头部更加适应管道。

传感器可以用于采集所述内焊机所处位置的管道轮廓数据，上述姿态调节装置可以包括多个传感器以便采集全面的管道轮廓数据。

电气控制模块，用于根据所述管道轮廓数据计算所述第一分节的目标姿态，并对所述目标姿态进行运动反解算法的计算生成所述直线驱动机构的长度变化信号；所述电气控制模块还用于利用所述长度变化信号控制所述直线驱动机构进行伸缩运动，以使所述第一分节处于所述目标姿态。具体的，本实施例可以根据管道轮廓数据确定当前管道与内焊机的当前相对位置，根据上述当前相对位置确定第一分节的目标姿态。上述目标姿态可以为使得内焊机在管道内正常行驶、不发生碰撞的姿态。

本实施例提供的姿态调节装置设置于内焊机的第一分节和第二分节之间，由于动平台与第一分节的机架为一体式结构，且定平台与第二分节的机架为一体式结构，因此当姿态调节装置的直线驱动机构进行伸缩运动时，可以使第一分节的姿态改变。本实施例中的电气控制模块在工作过程中，根据所述管道轮廓数据计算所述第一分节的目标姿态，并对所述目标姿态进行运动反解算法的计算生成所述直线驱动机构的长度变化信号，进而通过长度变化信号控制所述直线驱动机构进行伸缩运动，以使所述第一分节处于目标姿态。本实施例能够根据管道轮廓数据实现内焊机的姿态自动化调节，提高焊接质量。

作为一种可行的实施方式，上述姿态调节系统包括多个传感器，所有所述传感器均匀分布于所述第一分节，所有所述传感器处于同一平面，所有传感器的安装位置大致在一平面内且所述平面与所述第一分节的轴线垂直，所述传感器朝向涨紧机构设置。例如，姿态调节装置可以包括3个传感器，每一传感器间隔120°分布于第一分节，并朝向涨紧机构周围的管道区域设置。

作为一种可行的实施方式，上述姿态调节装置的姿态调节装置还包括动端安装座和定端安装座，所述万向节包括第一类万向节和第二类万向节。所述动端安装座通过螺栓固定于所述动平台，所述第一类万向节通过螺栓固定于所述动端安装座，所述直线驱动机构的第一端通过螺栓与所述第一类万向节连接；所述定端安装座通过螺栓固定于所述定平台，所述第二类万向节通过螺栓固定于所述定端安装座，所述直线驱动机构的第二端通过螺栓与所述第二类万向节连接。

作为一种可行的实施方式，上述电气控制模块包括运动控制器、伺服驱动器和伺服电机。运动控制器，用于根据所述管道轮廓数据计算所述第一分节的目标姿态，并对所述目标姿态进行运动反解算法的计算生成所述直线驱动机构的长度变化信号。伺服驱动器，用于根据所述运动控制器下发的长度变化信号生成对应的脉冲信号。伺服电机，用于根据所述伺服驱动器下发的脉冲信号进行转动，以便驱动对应的直线驱动机构进行伸缩运动直至所述第一分节处于所述目标姿态。

请参见图1，图1为本申请实施例所提供的一种一体式智能管道内焊机的结构示意图，图中1表示第一分节、2表示焊接单元、3表示涨紧机构、4表示姿态调节装置、5表示第二分节、6表示传感器。

上述一体式智能管道内焊机通过行走机构在管道中行走，其第一分节上安装的传感器会检测管道轮廓数据并将管道轮廓数据传输给运动控制器，运动控制器通过计算得出姿态调节装置中各个直线驱动机构的伸缩长度，以此控制动平台动作，从而实现内焊机头部的第一分节主动过弯的效果。

请参见图2，图2为本申请实施例所提供的一种姿态调节系统的结构示意图，图中示出了传感器、以太网线、控制器局域网络CAN、电气控制柜、运动控制器、数字量模块、其他扩展模块、直流电源、伺服驱动器、控制系统、和姿态调节装置，姿态调节装置可以包括如图3所示的动平台、万向节、直线驱动机构和定平台等。控制系统包括控制柜(可分布于内焊机上)、多轴运动控制器、驱动器和伺服电机。

上述姿态调节装置的工作原理如下：利用传感器检测管道轮廓数据，再向控制系统发送管道轮廓数据，控制系统会通过运动反解算法将其转化成直线驱动机构的长度变化信号，并通过运动控制器对伺服驱动器发送驱动信号，进而驱动伺服电机，使直线驱动机构按照给定长度变化，进行伸缩运动。直线驱动机构通过与动平台、定平台相连接的机构，驱动动平台实现位姿变化，使动平台按照管道弯曲变化的轨迹进行运动。

下面请参见图4，图4为本申请实施例所提供的一种内焊机的姿态调节方法的流程图，具体步骤可以包括：

S301：获取内焊机第一分节上动平台周侧的管道轮廓数据；

结合图1，上述内焊机包括第一分节、第二分节和姿态调节装置，所述第一分节上设置有传感器，传感器用于检测动平台附近的管道轮廓数据。对某些系统的优选实施例，姿态调节装置设置在锥头机构和机身机构之间，因此动平台相邻于涨紧机构，此时传感器检测涨紧机构及焊接单元附近的管道轮廓数据。

所述姿态调节装置设置于所述第一分节和所述第二分节之间，所述姿态调节装置包括动平台、定平台、直线驱动机构和万向节，所述动平台与所述第一分节的机架连接，所述定平台与所述第二分节的机架连接，所述直线驱动机构的两端分别与所述动平台和定平台铰接。

在优选的实施例中，所述传感器6为条纹式激光传感器，所述传感器6发出的激光条纹照射在在管道上，从而在管道上形成激光轮廓线，采集激光轮廓线的图像进行分析处理，即可获知当前传感器6是否检测到管道端面；

更具体的，第二分节5上的行走系统带动第二分节5沿着管道朝第一分节1所在的一侧行进，所述传感器6在锥头机构1上的位置相对于涨紧机构3以及焊接单元2而言处于行进方向的前侧，换言之，所述传感器6相对涨紧机构3以及焊接单元2更远离第二分节5，所述传感器6的激光条纹的出射方向朝向涨紧机构3以及焊接单元2所在一侧，并且所述传感器6的激光条纹的出射方向倾斜于涨紧机构3的轴向并朝向于涨紧机构3的径向外侧，并且所述传感器6的激光条纹的长度方向处于通过涨紧机构3轴心线的平面内，进一步的，所述传感器6的激光条纹照射区域覆盖焊接单元2所正对的径向外侧区域，从而确保能实时检测并精确的调节第一分节1的位姿以使焊接单元2精确的正对两个管道之间的焊缝中心。

所述传感器6发出的激光条纹照射在管道上以形成激光轮廓线，第一分节1相对于管道的位置、姿态不同，则激光条纹会照射在管道上时会形成不同形状的激光轮廓线。具体的，第一分节1上的涨紧机构3的轴心相对于管道轴心的偏转状态不同会形成不同形状的激光轮廓线，例如，以第一分节1处于管道的直线管段内时进行说明，当涨紧机构3的轴心与管道轴心完全重合时，所述传感器6发出的激光条纹照射在管道的内壁上形成的激光轮廓线呈一条直线，而当涨紧机构3的轴心与管道轴心存在偏差夹角时，此时所述传感器6发出的激光条纹的长度方向倾斜于管道的轴线方向，从而所述传感器6发出的激光条纹在管道的内壁上形成弧形的激光轮廓线。

更具体的，三个传感器6形成的激光轮廓线发送给控制器，控制器分析各传感器6形成的激光轮廓线的图像以得到相应的控制参数，所述姿态调节装置4根据用于对中同心的控制参数进行动作，从而使得第一分节1维持在涨紧机构3的轴心与管道轴心重合的状态，即，维持第一分节1处于管道截面的正中心，保障管道内焊机顺畅的沿着管道内壁行进。

检测轮廓数据的传感器6还可以通过设置在内焊机上的激光测距传感器、图像传感器等方式实现。在其他可能的实施例中，传感器6可以设置在锥头机构上，也可以设置在涨紧机构的部分或全部涨靴、部分或全部焊接单元上或其附近，当然，考虑到姿态调节的及时性，将传感器设置在靠近内焊机前进方向的位置上时是更优的，而将传感器的检测区域设置在涨靴、焊接单元附近可以更好的保障姿态调节的有效性。

若均布的涨靴、焊接单元的轴心与管道轴心出现偏离时，不同的图像传感器、激光测距传感器检测反馈结果不同，通过传感器6检测对应的信号变化，使内焊机实时进行姿态调节，均可以实现姿态调节。

S302：根据所述管道轮廓数据计算所述第一分节的目标姿态，并基于目标姿态计算生成调节信号；

结合图1-3，具体包括：

基于已知的传感器安装矫正系数，将各个传感器扫描得到的轮廓数据变换为第一分节坐标系下的校正轮廓数据；

基于校正轮廓数据，计算出当前管道在第一分节坐标系下的位置与姿态；

对所述管道数学模型进行求解，得到所述当前管道在所述第一分节坐标系下的管道位姿信息；

获得管道与第一分节之间存在的姿态（即，相对于第一分节的偏角）与位置（即，相对于第一分节的偏移）并生成调节信号。

更进一步的，由于传感器6和涨紧机构3、焊接单元2在管道轴线方向上存在距离，为了保证精度还需要对传感器6的测量误差做校正处理。在该实施例中，传感器安装矫正系数是：每个安装设计尺寸与每个传感器实际安装误差测量值构成的一个齐次变换矩阵。通过将各个传感器6扫描得到的轮廓数据乘以该齐次变换矩阵即可将各个传感器6的轮廓数据变换到第一分节坐标系下。

进而在第一分节坐标系下转换各传感器6采集到的管道轮廓数据；然后使用最优拟合算法基于校正轮廓数据，计算出当前管道在第一分节坐标系下的位置与姿态；

利用最小二乘法的优化目标函数对所述管道数学模型进行求解，得到所述当前管道在所述第一分节坐标系下的管道位姿信息。

S303：基于调节信号驱动直线驱动机构使第一分节上动平台的轴线处于目标姿态。

如图1-图4，本实施例提供的姿态调节装置4设置于内焊机的第一分节1和第二分节5之间，当姿态调节装置的直线驱动机构43进行伸缩运动时，可以使第一分节1的姿态改变。本实施例中的电气控制模块在工作过程中，根据所述管道轮廓数据计算所述第一分节1的目标姿态，并对所述目标姿态进行运动反解算法的计算生成所述直线驱动机构43的长度变化信号，进而通过长度变化信号控制所述直线驱动机构43进行伸缩运动，以使所述第一分节1处于目标姿态。本实施例能够根据管道轮廓数据实现内焊机的姿态自动化调节，提高焊接质量。

所述目标姿态在最理想的状态下，动平台的轴线与其所位于的管道截面的轴线重合，此时内焊机的第一分节在行走时，恰好通过直线驱动机构适应管道而不发生碰撞干涉。在实际状况下，动平台的轴线与其所位于的管道截面的轴线不可能完全理想地重合，此时动平台的轴线与其所位于的管道截面的轴线大致重合或大致平行，也包含在本申请所说的目标姿态中。

进一步的，在利用所述传感器6采集所述内焊机所处位置的管道轮廓数据之后，还可以执行以下操作：根据所述管道轮廓数据确定所述内焊机所处位置的管道类型；若所述管道类型为弯管，则进入根据所述管道轮廓数据计算所述第一分节的目标姿态的步骤，使内焊机实时适应管道内轮廓；若所述管道类型为直管，则控制所有所述直线驱动机构的伸出距离相同，使内焊机保持稳定的行进。

基于上述系统，具有该姿态调节系统的内焊机还可以在根据所述管道轮廓数据确定所述内焊机所处位置的管道类型之后，若所述管道类型为弯管，则可以降低所述内焊机的前进速度，以便内焊机在弯管处的运行更加平稳，减少冲击。

请参见图3，图3为本申请实施例所提供的姿态调节装置结构示意图，图中示出了定平台41（连接图1第二分节6）、定端安装座42、万向节44、直线驱动机构43、动端安装座45和动平台46（连接图1第一分节1）；图中定平台41的中轴线即内焊机的轴线方向为Z轴方向，垂直于Z轴的水平方向为X轴方向，垂直于X轴的竖直方向为Y轴方向，X、Y、Z表示一直角坐标系的坐标轴，ΦX表示俯仰，ΦY表示横摇，ΦZ表示偏航。

通过具体的姿态调节方法对上述实施例做补充说明，所述调节方法包括：

传感器采集的管道轮廓数据；

通过预先测量得到的传感器安装矫正系数，在第一分节坐标系下拼接转换各传感器采集到的管道轮廓数据（即，整体管道轮廓点云数据）；

传感器安装矫正系数是：每个结构安装设计尺寸与每个传感器实际安装误差测量值构成的一个齐次变换矩阵。通过将各个传感器扫描得到的轮廓数据乘以该齐次变换矩阵即可将各个传感器的轮廓数据变换到第一分节坐标系下 。具体过程如下：

设传感器A采集的管道轮廓数据为，根据安装设计尺寸与安装误差得到齐次变换矩阵：/>，其中Rot矩阵由传感器坐标系与第一分节坐标系对应坐标轴的夹角组成，表示旋转变换；/>向量由传感器坐标系原点在第一分节坐标系下的坐标值组成，表示平移变换。

拼接后的管道轮廓数据表示为：

；

其中表示整体管道轮廓数据，/>表示各个传感器采集的管道轮廓数据/>对应各个传感器的齐次变换矩阵。/>表示管道轮廓数据上第i个点的X轴坐标，/>表示管道轮廓数据上第i个点的Y轴坐标，/>表示管道轮廓数据上第i个点的Z轴坐标。

利用最小二乘法的优化目标函数对所述校正轮廓数据进行求解，得到所述当前管道在所述第一分节坐标系下的管道位姿信息的过程如下：

整体管道内壁轮廓数据为，/>，/>表示管道轮廓数据中点的数量， />表示管道轴线上一点/>，管道轴线上一点也可以表示为，/>表示管道轴线上一点的X轴坐标，/>表示管道轴线上一点的Y轴坐标，表示管道轴线上一点的Z轴坐标，/>表示管道的轴向量，管道的轴向量也可以表示为，/>表示管道的轴向量/>在X轴的坐标，/>表示管道的轴向量/>在Y轴的坐标，/>表示管道的轴向量/>在Z轴的坐标，/>表示轮廓点云数据点/>到管道轴线的距离，管道的数学描述（即管道数学模型）表示如下：

；

本例中使用下式作为优化目标函数，其中R表示管道半径：

；

求解管道位姿参数：、/>、R转换为求解/>取得极小值时对应的极值点/>，其中/>。

故该非线性优化问题转为求为极小值时对应的/>，表示为下式：；

表示管道数学模型的参数中的/>表示管道轴线上一点、/>表示管道的轴向量、R表示管道半径组成的向量。即：/>。

对于该实施例中的非线性函数求极值问题，本例通过将非线性函数线性化，构造Jacobian矩阵进行奇异值分解，即求解线性方程组迭代出管道数学模型的非线性方程中的参数。

具体的，求解的过程如下：

步骤1:设置管道位姿参数的初始值：，其中：/>，。/>表示管道轴上一点/>的坐标估计值（本实施例中，管道偏移可以使用管道轴线上某点的坐标值表示），/>表示管道轴上一点/>在X轴的坐标估计值，/>表示管道轴上一点/>在Y轴的坐标估计值，/>表示管道轴上一点/>在Z轴的坐标估计值，/>表示管道轴向量的估计值（本实施例中的管道偏角可以使用管道轴向量表示），/>表示管道轴向量/>在X轴的坐标估计值，/>表示管道轴向量/>在Y轴的坐标估计值，/>表示管道轴向量/>在Z轴的坐标估计值，/>表示管道半径的估计值。

步骤2:在优化迭代过程中为减少对求导的运算量，建立一个以/>为原点，/>为Z轴的空间直角坐标系，通过齐次变换矩阵/>将管道轮廓数据/>转换到该坐标系下，故此时/>、/>、/>、/>、/>、/>，将这些常数带入到/>中，对关于/>求导并令导函数为0，得到下述线性方程组：

；

其中为对/>的自变量求偏导获得的雅克比矩阵：

；

其中，用于表达拟合误差的向量为：

；

由于是一个超定方程组，向量/>不在/>矩阵的列空间之内，故使用奇异值分解方法求解出/>。迭代步长/>表示为下式，/>中的元素/>、/>、/>、/>和是由线性表出向量/>在/>列空间的投影向量的系数：

；

步骤3:求解上述线性方程组得到矩阵后更新迭代参数，T为转置矩阵的符号：

；

；

；

步骤4:判断的范数是否小于迭代要求的精度，若否，转到步骤2，继续迭代；若是，迭代停止输出/>。解算得到的X即管道位姿信息包含管道与第一分节之间存在的姿态（即，相对于第一分节的偏角）与位置（即，相对于第一分节的偏移）。将姿态与位置发送至多自由度调节机构（如，六自由度运动平台），使得第一分节轴线与管道轴线始终重合，在行走机构使内焊机沿管道向前运动的同时，使得第一分节能很好的适应在弯曲管道内行走运动的内焊场景。

姿态调节装置（在优选实施例中具体为六自由度运动平台）还可以在获得目标位姿后，首先对目标位姿进行工作空间分析，判断目标位姿是否在姿态调节装置的工作空间之内，若否给出执行目标异常，并将目标位姿修改为在可执行工作空间范围内最靠近原目标位姿的数据。结合机器人逆运动学、轨迹曲线约束生成六自由度运动平台各个电动缸的伸缩量，将各个电动缸的伸缩量通过实时网络通讯传送至各个电动缸的电机驱动器，驱动器通过三环PID控制电机转动。与此同时，各个电机驱动器向通讯主站报告当前各个轴的伸缩量，通过机器人正运动学解算向轨迹规划与生成器报告当前动平台的实际位姿，使得轨迹规划与生成器能及时根据实际位姿调整规划位姿，提高多自由度调节机构的控制精度。

在上述的一优选的实施例中，第二分节为内焊机机身，将定平台与内焊机机身的机架设计为一体式的结构，即定平台为机身机架的一部分，机身动作则定平台也相应动作。定平台上设计有安装孔，定端安装座通过螺栓固定在定平台上，万向节通过螺栓固定在定端安装座上，直线驱动机构通过螺栓与万向节连接。

对应的，在该实施例中，第一分节为锥头机构，将动平台与内焊机锥头机构的机架设计为一体式的结构，即动平台为锥头机构机架的一部分，动平台动作则锥头机构也相应动作。动平台上设计有安装孔，动端安装座通过螺栓固定在动平台上，直线驱动机构通过螺栓与动端安装座连接。

通过上述结构，当动平台相对定平台位姿发生变化时，第一分节相对于第二分节的位姿也将发生变化，由此就可以保证内焊机在遇到弯管时能够在控制系统的控制下进行自动转弯。

请参见图5，图5为本申请实施例所提供的一种内焊机过弯管的结构示意图，图中示出了第二分节5、姿态调节装置4、涨紧机构3、第一分节1、传感器6、动平台46、直线驱动机构43、定平台41和管道。

姿态调节装置4中的每个直线驱动机构43都能够实现空间中单独的伸缩运动，控制系统通过对直线驱动机构43伸缩量的控制，可以控制动平台46完成空间中六个自由度的运动，从而实现动平台位姿的改变，达到内焊机过弯的目的。六个自由度分别指的是平台沿着X、Y、Z三个坐标轴的平移运动，以及绕三个坐标轴的旋转运动（俯仰φX、横摇φY、偏航φZ、横向X、纵向Z、垂向Y）。

根据动平台46的运动状态，计算出各个直线驱动机构43的响应位置和速度指令信号，从而控制运动平台的动作，保证按照预定的轨迹运动；当动平台46到达要求的位置时，各直线驱动机构43的速度指令信号给定为零，动平台46停止活动达到了精确点位控制的目的。内焊机在行走机构的动作下进行前后移动，当遇到弯管时，根据传感器6输入的数据，计算各直线驱动机构43需要动作的距离，让动平台46运动到合适的位置，保证过弯时不会与管道内壁碰撞。当内焊机在直管段行走时，动平台46与定平台41平行，其直线驱动机构43伸出距离一样，其初始姿态如图1所示。当内焊机过弯时，动平台46相对定平台41会旋转，此处以过下弯为例，其姿态如图5所示。

为了提高控制系统实时性、高速性和使用效率，控制器对各个控制模块进行了功能分析，再结合各功能在控制系统中对实时性要求，采用以下平台控制系统的总体设计方案：

请参见图6，图6为本申请实施例所提供的一种控制系统总体设计图，图中示出了包括上位机管理模块（包括初始化模块、参数设置、通讯模块和运行参数显示）、通讯接口、多轴运动控制器和下位机控制模块（包括电动模式、测试模式、自动模式、伺服驱动模块和I/O模块）。

本实施例中的实时性模块即平台控制系统具有很强的实时性要求。主要包括：位置伺服模块、伺服驱动模块、故障检测模块。在平台的运行过程中，位置伺服模块是对各轴的精确的位置控制，关系着执行机构是否能成功完成相应的运动轨迹；伺服驱动模块是对各轴的运行状态的监控与控制各轴运行状态的切换；故障检测模块是检测各轴与执行机构的运行的状态，当故障出现时，通过立即停止平台的运动，达到保护人员安全与平台不损坏目的。

控制系统还可以根据用户输入的参数对任务进行合理性分析，具有屏蔽超运动范围控制指令的功能。控制系统对平台的最大速度和最大加速度等运动参数范围均有合理的设定和监控，如果发现用户的输入指令不合理时，运动平台会按照设定好的合理最大运动参数实行，完成连续的运动控制，同时也会报警提示。

由于方法部分的实施例与装置部分的实施例相互对应，因此方法部分的实施例请参见装置部分的实施例的描述，这里暂不赘述。

本申请还提供了一种存储介质，其上存有计算机程序，该计算机程序被执行时可以实现上述实施例所提供的步骤。该存储介质可以包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（Read-Only Memory ，ROM）、随机存取存储器（Random Access Memory ，RAM）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本申请还提供了一种内焊机，包括：第一分节、第二分节和姿态调节系统；

所述姿态调节系统包括姿态调节装置、电气控制模块和传感器；

所述姿态调节装置设置于所述第一分节和所述第二分节之间；所述姿态调节装置包括动平台、定平台、直线驱动机构和万向节，所述动平台与所述第一分节的机架为一体式结构，所述定平台与所述第二分节的机架为一体式结构，所述直线驱动机构的两端通过所述万向节分别与所述动平台和定平台连接；

所述传感器，用于采集所述内焊机所处位置的管道轮廓数据；

所述电气控制模块，用于根据所述管道轮廓数据计算所述第一分节的目标姿态，并对所述目标姿态进行运动反解算法的计算生成所述直线驱动机构的长度变化信号；所述电气控制模块还用于利用所述长度变化信号控制所述直线驱动机构进行伸缩运动，以使所述第一分节处于所述目标姿态。

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。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的状况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (10)

1.一种内焊机的姿态调节系统，其特征在于，包括姿态调节装置、传感器和电气控制模块，所述姿态调节装置设置于内焊机第一分节与第二分节之间，所述第一分节为设置有焊接单元的锥头机构，所述第二分节为设置有行走装置和驱动装置的机身机构；

所述姿态调节装置包括动平台、定平台和直线驱动机构，所述动平台连接所述第一分节、所述定平台连接所述第二分节，所述直线驱动机构的两端分别与所述动平台和定平台活动连接；所述动平台与所述第一分节的机架为一体式结构，所述定平台与所述第二分节的机架为一体式结构；

所述传感器，用于采集所述第一分节上动平台周侧的管道轮廓数据；其中，所述传感器覆盖所述焊接单元所正对的径向外侧区域，从而确保实时检测并调节所述第一分节的位姿以使所述焊接单元正对两个管道之间的焊缝中心；

所述直线驱动机构连接有电气控制模块，所述电气控制模块用于根据所述管道轮廓数据计算所述第一分节的目标姿态，对所述目标姿态进行运动反解算法的计算生成所述直线驱动机构的长度变化信号，通过长度变化信号控制所述直线驱动机构进行伸缩运动，以使所述第一分节处于目标姿态；其中，处于所述目标姿态的所述第一分节在行走时，恰好通过直线驱动机构适应管道而不发生碰撞干涉。

2.根据权利要求1所述内焊机的姿态调节系统，其特征在于，所述姿态调节装置还包括动端安装座和定端安装座，

所述动端安装座通过螺栓固定于所述动平台，所述直线驱动机构的一端通过万向节可拆卸地连接在所述动端安装座上，

所述定端安装座通过螺栓固定于所述定平台，所述直线驱动机构的另一端通过万向节可拆卸地连接在所述定端安装座上。

3.根据权利要求1或2所述内焊机的姿态调节系统，其特征在于，所述姿态调节装置为包括六个直线驱动机构的六自由度运动平台。

4.根据权利要求1所述内焊机的姿态调节系统，其特征在于，所述传感器为多个，所有所述传感器沿所述第一分节的周向均匀分布于所述第一分节。

5.根据权利要求4所述内焊机的姿态调节系统，其特征在于，所述传感器为条纹式激光传感器，所述传感器用于获取投射在管道内周面的激光轮廓线，得到所述第一分节上涨靴周侧的管道轮廓数据。

6.根据权利要求5所述内焊机的姿态调节系统，其特征在于，所述电气控制模块包括：

运动控制器，用于根据所述管道轮廓数据计算所述第一分节的目标姿态，并对所述目标姿态进行运动反解算法的计算生成所述直线驱动机构的长度变化信号；

伺服驱动器，用于根据所述运动控制器下发的长度变化信号生成对应的脉冲信号；

伺服电机，用于根据所述伺服驱动器下发的脉冲信号进行转动，以便驱动对应的直线驱动机构进行伸缩运动直至所述第一分节处于所述目标姿态。

7.一种基于权利要求1-6任一项所述系统的姿态调节方法，用于调节内焊机第一分节和第二分节之间的位置关系，其特征在于，包括：

采集所述第一分节上动平台周侧的管道轮廓数据；

根据所述管道轮廓数据计算所述第一分节的目标姿态，并基于目标姿态计算生成调节信号；

基于调节信号驱动直线驱动机构使第一分节上动平台的轴线处于目标姿态。

8.根据权利要求7所述姿态调节方法，其特征在于，所述根据所述管道轮廓数据计算所述第一分节的目标姿态，并基于目标姿态计算生成调节信号步骤具体为：

基于已知的传感器安装矫正系数，将各个传感器扫描得到的轮廓数据变换为第一分节坐标系下的校正轮廓数据；

基于校正轮廓数据，计算出当前管道在第一分节坐标系下的管道位姿信息；

基于管道位姿信息解算得到所述第一分节的目标姿态，并基于目标姿态计算生成调节信号。

9.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被处理器加载并执行时，实现如权利要求7至8任一项所述姿态调节方法的步骤。

10.一种内焊机，其特征在于，包括：第一分节、第二分节和如权利要求1-6任一项所述的姿态调节系统；所述第一分节为设置有焊接单元的锥头机构，所述第二分节为设置有行走装置和驱动装置的机身机构；

所述姿态调节系统包括姿态调节装置、电气控制模块和传感器；

所述姿态调节装置设置于所述第一分节和所述第二分节之间；所述姿态调节装置包括动平台、定平台、直线驱动机构和万向节，所述动平台与所述第一分节的机架为一体式结构，所述定平台与所述第二分节的机架为一体式结构，所述直线驱动机构的两端通过所述万向节分别与所述动平台和定平台连接；

所述传感器，用于采集所述第一分节上动平台周侧的管道轮廓数据；

所述电气控制模块，用于根据所述管道轮廓数据计算所述第一分节的目标姿态，并对所述目标姿态进行运动反解算法的计算生成所述直线驱动机构的长度变化信号；所述电气控制模块还用于通过长度变化信号控制所述直线驱动机构进行伸缩运动，以使所述第一分节处于目标姿态；其中，处于所述目标姿态的所述第一分节在行走时，恰好通过直线驱动机构适应管道而不发生碰撞干涉。