CN116892664A - 气电混合驱动的管道检测机器人 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种气电混合驱动的管道检测机器人，该机器人包括：电机驱动单元，用于按照预设路径驱动所述机器人在待检测管道中行进；视频检测单元，用于在所述行进的过程中实时获取所述待检测管道中的视频信息；主动旋转单元，分别链接在两个所述视频检测单元的后侧，用于在基于所述视频信息确定需要通过复杂路径的情况下、调整安装在每个所述视频检测单元上的球形主动驱动轮与所述待检测管道接触位置和接触方向。本申请解决了相关技术中无法准确地检测管道的技术问题。

Description

气电混合驱动的管道检测机器人

技术领域

本申请涉及管道维修检测领域，具体而言，涉及一种气电混合驱动的管道检测机器人。

背景技术

随着国家工业化进程的不断发展，管道运输已成为生活中不可或缺的需求。随着能源需求的逐步增长，发达国家相对于发展中国家在全球范围内对能源的需求量占比较重。管道运输在能源的运输和使用中起到了重要的作用。为了确保人民生命财产安全，需要加强管道检测并进行定期维修。

管道使用涉及到日常生活的各个方面，例如天然气管道、水管、石油管道等。由于运输介质的特性不同，例如石油、天然气管道的易燃易爆炸特性，含酸性、碱性介质的易腐蚀特性，因此管道更换维修等现象时常发生。随着管道在不同工况下的使用以及使用时间的延长，管道会出现一些问题，例如裂缝、穿孔等。这些问题的出现将会对人民生命财产安全产生巨大影响，造成的后果难以预估。

传统的管道检测方法局限于人工开挖、管道接头检测、焊接质量检测等，难以满足对管道的全面检测。但是随着国家的发展，管道不仅仅适用于地下，海底管道也在日益增长，而传统的方法已无法在非传统场所进行作业。这些环境更加容易使管道失效，造成能源泄漏，从而产生危害。因此，如何准确地检测管道以确保管道的安全运行成为亟待解决的问题。

针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明实施例提供了一种气电混合驱动的管道检测机器人，以至少解决相关技术中无法准确地检测管道的技术问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种气电混合驱动的管道检测机器人，包括：电机驱动单元，用于按照预设路径驱动所述机器人在待检测管道中行进；视频检测单元，用于在所述行进的过程中实时获取所述待检测管道中的视频信息；主动旋转单元，分别链接在两个所述视频检测单元的后侧，用于在基于所述视频信息确定需要通过复杂路径的情况下、调整安装在每个所述视频检测单元上的球形主动驱动轮与所述待检测管道接触位置和接触方向。

该机器人通过气电混合驱动系统，可以在待检测的管道中按照预设路径行进，这使得管道检测过程更为高效。同时，机器人配备了视频检测单元，可以在行进过程中实时获取待检测管道内的视频信息。此外，在管道检测中，有时会遇到需要通过复杂路径的情况。为了应对这种情况，机器人设计了主动旋转单元，它分别连接在两个视频检测单元的后侧。该旋转单元的作用是在基于视频信息确定需要通过复杂路径时，调整安装在每个视频检测单元上的球形主动驱动轮与待检测管道的接触位置和接触方向。这样的设计使得机器人能够更灵活地适应管道的曲率和拐角，确保它能够顺利通过各种复杂的管道形状，从而提高了检测的全面性和准确性。

在一些实施例中，所述视频检测单元包括：视频检测传感器，用于采集所述视频信息；多个LED照明灯，安装在所述视频检测传感器的两侧，用于在所述行进的过程中进行照明；两个所述半球形主动驱动轮，分别设置有支撑轮自适应机构，用于在所述电机驱动单元的驱动下带动所述机器人在所述待检测管道中行进。

在该方案的实施例中，视频检测单元是一个重要的组件。它包括一个视频检测传感器，这个传感器能够高效地采集待检测管道内的视频信息。通过这个视频检测传感器，操作人员可以实时查看管道内的情况。

除了视频检测传感器，视频检测单元还配备了多个LED照明灯，这些灯安装在视频检测传感器的两侧。在机器人行进的过程中，LED照明灯提供充足的照明，确保管道内部光线充足，使得视频采集的图像更加清晰和准确。这样的照明设计在管道检测工作中起到了重要作用，尤其是在暗或狭窄的管道环境中。

另外，视频检测单元还配备了两个半球形主动驱动轮，每个主动驱动轮都设置有支撑轮自适应机构。这样的设计允许机器人在电机驱动单元的驱动下，灵活地在待检测管道中行进。主动驱动轮的自适应机构使得机器人能够适应管道的曲率和拐角，顺利通过各种复杂的管道形状。这样的机动性和适应性提高了机器人在管道检测过程中的灵活性和效率。

在一些实施例中，所述视频检测单元还包括第一支撑轮，具有自适应管径装置，用于自适应所述待检测管道的管径。

由于待检测的管道可能具有不同的管径大小，这个自适应管径装置允许第一支撑轮在不同管径的管道中自动调整和适应。这使得机器人能够在各种不同大小的管道中灵活行进，而不需要对支撑轮进行手动调整或更换。这种自适应性大大提高了机器人的适应性和工作效率。

在一些实施例中，所述机器人还包括中心控制单元，所述中心控制单元用于在所述视频检测传感器检测到需要通过复杂路径的情况下控制所述主动旋转单元以通过所述复杂路径，其中，所述复杂路径包括直角弯路径或T型管道路径。

在该方案中，中心控制单元是机器人的重要组成部分。它的作用是在视频检测传感器检测到需要通过复杂路径的情况下，对主动旋转单元进行控制，以帮助机器人顺利通过这些复杂路径。这些复杂路径包括直角弯路径或T型管道路径等。

当机器人行进时，视频检测传感器能够实时监测管道内的情况。如果传感器检测到机器人即将面临直角弯路径或T型管道路径等复杂情况，中心控制单元会立即采取控制措施。它会通过对主动旋转单元的控制，调整安装在视频检测单元上的球形主动驱动轮与待检测管道的接触位置和接触方向，使机器人能够灵活适应管道的转弯和分支。

这种智能的复杂路径控制，使得机器人能够更加灵活和高效地通过管道中的复杂区域。它大大提高了机器人在管道检测过程中的适应性和可靠性，避免了在复杂路径处出现卡住或卡壁等问题。同时，通过中心控制单元的智能控制，减少了对操作人员的依赖，提高了管道检测的自动化程度和工作效率。

在一些实施例中，所述主动旋转单元包括：第一电机；传动轴，与所述第一电机连接，用于通过所述第一电机的转动带动所述视频检测单元的旋转，调整所述球形主动驱动轮与所述待检测管道接触位置和接触方向。

主动旋转单元包括第一电机和传动轴，通过第一电机的转动，传动轴能够带动视频检测单元的旋转。这样的设计使得机器人能够灵活地调整球形主动驱动轮与待检测管道的接触位置和接触方向。机器人可以在运行时根据需要实时调整接触位置，以适应不同管道尺寸和形状的变化。此外，由于主动旋转单元采用电机驱动，并通过传动轴实现旋转，这使得调整过程更加精准和可控。机器人可以精确地控制主动驱动轮的位置和角度，确保与管道壁面的充分接触，从而提供更加稳定和准确的检测操作。并且，主动旋转单元的灵活调整能力和精准控制，可以确保机器人在管道检测过程中始终与管道壁面保持恰到好处的接触。这样有助于减少因不当接触而导致的漏检或误检情况，提高了管道检测的质量和准确性。

在一些实施例中，所述主动旋转单元还包括支撑行走轮，用于在视频检测传感器工作时，保持所述视频检测传感器的姿态稳定。

支撑行走轮的存在有助于在视频检测传感器工作时保持其姿态稳定。在机器人行进的过程中，特别是在通过复杂路径或管道弯曲的情况下，支撑行走轮能够稳定视频检测传感器的位置和角度，确保传感器始终朝向管道内部，从而获取稳定的视频信息。此外，支撑行走轮的稳定作用还可以降低机器人在行进过程中的振动和干扰。在管道内部，地形可能不平坦，或存在一些障碍物，这些都可能导致机器人的姿态不稳定。支撑行走轮通过保持传感器的姿态稳定，可以减少振动和干扰的影响，提供更清晰、准确的视频信息。此外，姿态稳定的视频检测传感器有助于提高管道检测的精度。通过保持传感器的稳定位置，可以确保管道内部的视频信息不会因为传感器的晃动或姿态变化而产生失真，从而提高了检测数据的可靠性和准确性。最后，通过使用支撑行走轮，机器人在管道检测过程中能够更稳定地获取视频信息，减少了因传感器姿态问题而导致的重复检测或校准。这有助于优化工作流程，提高工作效率，减少不必要的时间浪费。

在一些实施例中，所述主动旋转单元还包括气动转换结构，用于将气体的动能转化为所述机器人驱动的动能。

气动转换结构允许将气体的动能转化为机器人驱动的动能。通过利用气体的动能来驱动机器人，可以降低机器人的能源消耗，从而达到节能的目的。同时，这也有助于减少对传统能源的依赖，对环境更友好。

由于气动转换结构能够从气体中提取动能，机器人可以在气体供应持续的情况下实现长时间的持续运行。这种持续性的运行能力使得机器人在管道检测任务中更加灵活和高效，不需要频繁更换能源，减少了停机时间和人工干预。此外，通过将气体的动能转化为机器人的驱动动能，机器人可以在管道内独立完成行进和检测任务，减少了对外部能源和控制系统的依赖。这使得机器人能够实现更高程度的自主驱动，提高了机器人的自主性和智能性。此外，气动转换结构的设计使得机器人能够在不同气体供应条件下运行。根据不同的气体供应压力和流量，机器人可以调整动能转化的效率，适应不同的工作环境和管道条件。

在一些实施例中，所述电机驱动单元包括：单元体，所述单元体内包裹着两个第二电机；两个主动驱动轮，每个所述主动驱动轮的直径大于预设阈值，用于分别在所述两个第二电机的驱动下驱动所述机器人行进；管道支撑轮，具有自适应管径调节装置，其中，所述自适应管径调节装置分别与两个所述主动驱动轮连接，用于在通过焊接口或管道接缝处时能够通过自适应调节以使得所述机器人通过所述焊接口或管道接缝处。

电机驱动单元内包裹着两个第二电机，并且配备了两个直径大于预设阈值的主动驱动轮。这样的设计保证了机器人在行进时拥有强劲的驱动力，可以顺利推动机器人通过管道中的各种障碍物和不平坦地形。此外，电机驱动单元中还配备了管道支撑轮，该支撑轮具有自适应管径调节装置。这意味着在机器人通过焊接接口或管道接缝等狭窄处时，自适应管径调节装置可以根据实际情况进行调节，确保机器人能够顺利通过这些狭窄的区域。并且，由于机器人配备了自适应管径调节装置的管道支撑轮，它可以有效地适应管道的直径变化，并在需要时进行调节。这大大提高了机器人在管道中通过焊接接口、管道接缝等狭窄处的能力，保证了机器人在管道检测过程中的顺畅行进。最后，电机驱动单元的强劲驱动力和自适应管径调节装置的设计，使得机器人在管道检测任务中能够更高效地工作。它能够自主地驱动并适应管道的不同情况，减少了对操作人员的依赖，提高了工作效率和管道检测的自动化程度。

在一些实施例中，还包括多个可旋转的柔性链接单元，用于链接所述电机驱动单元、视频检测单元和主动旋转单元。通过灵活连接，机器人能够绕过各种障碍物，适应不同的管道形状和尺寸，从而保持稳定的运动和视频传感器的正确朝向。此外，这些柔性链接单元还能帮助减轻机器人的自身重量和刚性，从而减少在管道内部的阻力和摩擦。这有助于提高机器人在管道内的行进效率，减少能源消耗，并延长电池寿命。

在一些实施例中，还包括能源供应单元，与所述电机驱动单元连接，用于为所述机器人提供能量；数据存储单元，与所述能源供应单元连接，用于存储数据。

在本发明实施例中，电机驱动单元用于按照预设路径驱动所述机器人在待检测管道中行进；视频检测单元用于在所述行进的过程中实时获取所述待检测管道中的视频信息；主动旋转单元，分别链接在两个所述视频检测单元的后侧，用于在基于所述视频信息确定需要通过复杂路径的情况下、调整安装在每个所述视频检测单元上的球形主动驱动轮与所述待检测管道接触位置和接触方向。通过上述方案，解决了相关技术中无法准确地检测管道的技术问题。

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。在附图中：

图1为根据本申请实施例的管道检测机器人整体结构示意图；

图2为根据本申请实施例的视频检测单元结构图；

图3为根据本申请实施例的气电混合驱动单元结构图；

图4为根据本申请实施例的气电混合驱动单元结构设计图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

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。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本申请实施例针对现有的管道机器人无法在110mm以下的小管径的环境下工作、工作管径单一、能源限制、通过性差等问题，提供了一款用于城市内埋地管道气电混合驱动轮式管道巡检机器人。

参考图1至4，该机器人包括前后对称分布的两组视频检测及电机驱动单元1和10、主动旋转单元2和9、电机驱动单元3和8、能源供应单元4和7、数据存储单元5、和中心控制单元6，上述各单元之间由可旋转的柔性连接结构17相链接。

管道机器人头部的视频检测单元设有视频检测传感器11，用于检测管道内机器人工作时的视频检测工作，主要负责检测内径为DN100的城市内埋地天然气管道内部的细小裂缝和孔洞。

视频检测传感器11在保证正常的检测工作的同时，还进行机器人前进路线的获取，通过视频传感器获得的视频信息，管道机器人会按照事先规划好的路径进行运动，当视频检测传感器发现管道机器人需要进行通过直角弯或T型管道等复杂路径时，视频检测传感器会通过视频分析传递信号至负责控制机器人运动的中心控制单元6，然后通过中心控制单元6控制机器人的具体运动通过复杂管道。

视频检测传单元的视频检测传感器11后侧连接着两个可以主动转动的半球形主动驱动轮13，采用半球形主动驱动轮13可以提高和管道的接触面积，保证直角弯道等复杂路况的通过性，还可以最大程度的保障视频检测传感器不受到撞击。

本实施例中，视频检测单元的视频检测传感器11后侧连接着两个可以主动转动的半球形主动驱动轮13。这样的设计有效提高了与管道的接触面积，使机器人能够更好地与管道表面贴合，从而增加了摩擦力和附着力。在通过直角弯道和T型管道等复杂路径时，半球形主动驱动轮13可以灵活旋转，适应管道曲线，保证了机器人的通过性能。此外，半球形设计还能最大程度地保障视频检测传感器11不受到撞击，避免了对传感器的损坏和影响巡检的准确性。

视频检测传感器两侧安装有用于照明的LED照明灯12，视频检测及电机驱动单元的主动驱动轮13设置有支撑轮自适应机构。支撑轮自适应机构包括有贯穿安装在中盘座和下盘座上的丝杆，丝杆上设置有丝杆游块，丝杆与丝杆游块螺纹配合，中盘座上设置有若干V形支撑臂，V形支撑臂的一端较接在中盘座上，一端设置有从动导向轮，V形支撑警与丝杆游块之间还设置有连接杆，连接杆的一端与丝杆游块较接，另一端与V形支撑臂的中部较接。

管道机器人头部的视频检测单元1后链接着主动旋转单元2，主动旋转单元2是有一个电机和与其相连接的传动轴组成的，主动旋转单元2的主要作用之一是在管道机器人在视频检测传感器检测到需要通过直角弯等复杂路况时，通过电机21转动带动头部的旋转，调整半球形主动驱动轮13与管道接触位置和接触方向，以便于通过复杂路径。主动旋转单元2的另一个作用是在头部的视频检测传感器工作时，可能有时会需要保持一定的姿态，但管道机器人在工作时难免会产生旋转，所以这个时候就可以通过主动旋转单元的旋转来保证机器人视频传感器的正常工作。

主动旋转单元2由一个电机和与其相连接的传动轴组成。当管道机器人在视频检测传感器检测到需要通过直角弯等复杂路况时，主动旋转单元2发挥重要作用。通过电机21的驱动，主动旋转单元2可以旋转带动头部的位置和方向调整。这样的设计使得机器人能够灵活应对复杂路径的导航和运动，通过直角弯和T型管道等狭窄环境，从而能够顺利完成巡检任务。通过此旋转功能，主动旋转单元2为机器人提供了更大的运动灵活性，使其能够穿越并探测更多类型的管道形状和路线。

此外，在头部的视频检测传感器工作时，由于管道机器人在工作时难免会产生旋转，这可能会导致视频传感器的视角发生变化，影响视频检测的准确性。在这种情况下，主动旋转单元2通过旋转来保持视频传感器的相对稳定姿态，即使机器人整体发生旋转，视频检测传感器的角度仍然能够相对稳定，从而确保视频检测的准确性和连续性。这种智能的自适应调整功能使得机器人在复杂管道环境中的视频检测更加可靠。

主动旋转单元2的多功能设计使得管道机器人能够在高度复杂和狭窄的管道环境下进行精确的巡检和数据采集。通过适应性旋转功能，机器人能够绕过障碍物、转弯和转向，并保持视频传感器的稳定工作，为机器人提供了出色的导航和控制能力。这使得机器人能够在城市内埋地天然气管道这样狭小而复杂的环境下有效地进行巡检工作，大大提高了管道检测的效率和准确性。

本实施例中，主动旋转单元2通过其旋转功能，机器人能够适应复杂路径和保持视频传感器的稳定工作，从而有效地应对现有管道机器人在小管径环境下工作、工作管径单一、能源限制、通过性差等问题，实现高效、准确的城市内埋地管道巡检任务。

主动旋转单元除了包括视频检测传感器、电机和传动轴，还特别配备了支撑行走轮16。这个支撑行走轮在视频检测传感器工作时发挥着关键的作用，旨在保持视频检测传感器的姿态稳定。

当管道机器人在巡检过程中前进时，支撑行走轮16负责接触管道内壁面，从而提供额外的稳定支撑。在机器人移动时，管道内壁面可能存在不规则或不平整的情况，而支撑行走轮16的存在能够让机器人保持相对稳定的姿态，避免传感器因为管道表面的不平坦而发生晃动，保证了视频检测传感器在巡检过程中的准确性和稳定性。支撑行走轮16的作用类似于车辆的第三支点，增加了机器人在管道内运动时的平衡性和控制性，有效提高了巡检过程的可靠性和数据采集的准确性。

此外，主动旋转单元还特别配备了气动转换结构15，这个结构的设计允许将管道内流动的气体动能转化为机器人驱动的动能，为机器人提供额外的动力来源。在城市内埋地管道中，气体通常会以一定的流速在管道内流动。而气动转换结构15充分利用了这种气体流动的能量。通过精心设计的气动转换机制，将流动的气体动能转化为机器人的驱动力。这种设计在节省能源的同时，为机器人提供了持续的动力支持，延长了机器人的工作时间和行程。利用气动转换结构15，管道机器人可以更加高效地进行巡检任务，降低了对电池等传统能源的依赖程度，提高了机器人的自主性和可持续性。

通过上述结构，管道机器人在巡检任务中能够更加稳定、高效地工作，克服了在复杂管道环境下的挑战，为城市内埋地管道的维护和管理提供了先进的技术手段。

管道机器人的视频检测单元1和主动旋转单元2之间通过带有一定强度的柔性连接结构17，柔性连接结构十分柔软，可以保证机器人在转弯灯复杂操作时各单元之间的链接单元不会影响到机器人的正常运动，柔性连接结构同时还有一定的强度，当主动旋转单元2发生旋转时，柔性连接结构17也会带动相连接的两个单元旋转，保证了机器人的刚性。管道机器人的各个不同单元间都采用同样的柔性连接结构的连接单元。本实施例中，柔性连接结构17具有柔软性和一定强度，在机器人进行转弯和复杂操作时，各单元之间的连接不会影响到机器人的正常运动，同时又保证了机器人的刚性。这种设计使得机器人能够更加灵活地在小管径环境下穿行，并顺利应对复杂管道的巡检任务。

管道机器人的主动旋转单元2后通过柔性连接结构17连接的是电机驱动单元3，电机驱动单元3主要由单元体、两个大直径的主动驱动轮19和20、设置有自适应管径调节装置的管道支撑轮18构成。单元体内包裹着两个电机，通过电机驱动控制量大直径主动轮进行驱动机器人运动，主动驱动轮选用大直径是为了提高机器人的通过性和避障性能，主动驱动轮连接着自适应管径调节装置，在通过焊接口或管道接缝处时可以通过自动调节提高管道机器人的通过性。

本实施例中，主动驱动轮的选用大直径设计是为了增加与管道表面的接触面积，提高了机器人的通过性和避障性能。这样的设计使得机器人能够更好地应对管道内的各种不平整和障碍物，确保顺利行驶和稳定的运动。

此外，电机驱动单元3连接着设置有自适应管径调节装置的管道支撑轮18。该装置允许机器人在通过不同管道直径时进行自动调节，以保持与管道壁面的合适接触，从而进一步提高了机器人的通过性能。特别是在通过焊接接口或管道接缝处时，自适应管径调节装置的应用使得机器人能够更加灵活地适应管道环境的变化，无需人工干预，确保了管道巡检的连续性和准确性。

此外，电机驱动单元3的设计使得管道机器人在运动过程中更加稳定和可靠，其大直径主动驱动轮和自适应管径调节装置相辅相成，使得机器人能够轻松适应不同的管道环境，包括小管径和复杂路况，从而大幅提升巡检的效率和全面性。

管道机器人的电机驱动单元3连接着的是能源供应单元4，采用大容量、高功效的电池组成，同时进行了散热处理，可以顺利的保障管道机器人正常工作6-7小时。

管道机器人的中心控制单元以及数据存储单元结构大致与能源供应单元一致，由单元体和三轴支撑结构构成，分别作为机器人的控制中心和数据存储中心，保证机器人的正常工作。

下面将详细描述中心控制单元。

中心控制单元6通过接收视频检测传感器11传递的视频信息，获取管道内的实时图像数据。这些图像数据可能包含有关管道内部的细小裂缝、孔洞、障碍物等信息。中心控制单元6对接收到的视频数据进行分析处理。通过图像处理算法，可以检测出管道内的异常情况，例如裂缝、孔洞、漏水等问题。

在事先规划好的路径基础上，中心控制单元6根据视频分析的结果来决定机器人的具体运动路径。当视频检测传感器发现管道机器人需要通过直角弯或T型管道等复杂路径时，中心控制单元6会相应地调整机器人的运动方向和速度，以确保机器人能够顺利通过这些复杂的管道形状。

中心控制单元6通过控制电机驱动单元3来实现对机器人的运动控制。根据路径规划和视频分析的结果，中心控制单元6会向电机驱动单元3发送指令，控制主动驱动轮的转动和速度，从而使机器人按照规划好的路径进行运动。

中心控制单元6还包含碰撞避免算法，用于监测机器人周围的环境，并确保机器人避免与管道壁面或其他障碍物发生碰撞。这样可以保护机器人和管道的安全，并防止对传感器和其他设备的损坏。

本实施例中，中心控制单元6通过接收和分析视频信息，决定并控制机器人的运动，使其能够高效、准确地巡检城市内埋地管道，克服了在小管径环境下工作、工作管径单一、能源限制、通过性差等问题，实现了对复杂管道环境的有效探测和巡检。

下面将详细描述中心控制单元的功能。

视频检测传感器提供的实时图像数据需要进行视频分析，以提取出管道的几何信息和障碍物的位置。中心控制单元使用图像处理算法、边缘检测算法、目标检测算法等，来识别管道的形状和障碍物的位置，并将这些信息用于路径规划和运动控制。

基于事先规划好的路径和视频检测传感器提供的实时图像数据，中心控制单元6使用路径规划算法，如A*算法或Dijkstra算法，来确定机器人在复杂路径中的最优运动路径。这些算法考虑了管道的几何形状、障碍物位置以及机器人的尺寸和运动能力。

例如，采用最小二乘法来拟合平面，即通过将误差的平方和最小化得到最佳的匹配值。假设拟合的平面方程的表达式为：

z＝a₀x+a₁y+a₂

其中，x,y,z分别表示x轴，y轴，z轴坐标，a₀、a₁、a₂是方程式的参数。坡度可以表示为：

为了避免机器人因坡度过大而无法通过该区域，根据爬坡能力限制机器人可行驶区域的坡度，从而建立了坡度代价函数：

其中，k是常值，可根据实际需要或经验知识确定，表示机器人爬坡能力最大值。k是控制代价函数曲线陡峭程度的参数。这样的坡度代价函数在管道巡检机器人中可以用于规划路径，使机器人能够根据具体坡度情况来调整运动方向和速度，从而实现更精确的控制和避免在复杂路径中发生卡住或倾斜的情况。

本实施例引入斜率参数k和阈值参数θ可以使坡度代价函数在不同情况下具有更好的适应性和灵活性。通过调整这两个参数，可以使函数的变化率和响应范围适应不同的地形和坡度情况。较大的斜率k可以使函数在陡峭坡度下具有更敏感的响应，有助于机器人更快地避开陡峭的地形。而较小的斜率k则使函数在缓坡或平坦地形下响应较为平缓，避免对平坦地形的过度敏感，从而保持稳定的移动。阈值参数θ的引入则允许控制坡度代价函数何时开始对角度变化进行显著的响应，从而使机器人在遇到不同坡度的地形时能够更加智能地选择合适的移动路径。

此外，地形的粗糙度会影响机器人的行驶能力，地形粗糙度过大会造成行动困难，甚至陷入其中，无法动弹。粗糙度R用拟合平均偏差来描述。

其中，粗糙度的计算公式为：

其中，为各高程点到拟合平面的距离，n表示所选坐标点个数。

同样为了避免机器人因粗糙度过大而无法通过该区域，根据行驶能力限制机器人可行驶区域的粗糙度，从而建立粗糙度代价函数：

其中，k₂是常值，可根据实际需要或经验知识确定，R_max表示机器人行驶能力最大值。

地形的起伏度会影响机器人的攀爬能力，起伏度过大会造成出现侧翻或碰撞等情况。起伏度H用所属内所有离散点的高程标准差来描述，这种方法相较于只用最大高程点和最小高程点之间的差值来描述更为客观和真实，即：

其中，为e内所有高程值的算数平均值。

同样为了避免因起伏度过大而无法通过该区域，根据机器人的越障能力限制机器人可行驶区域的起伏度，从而建立了起伏度代价函数。

其中，k₃是常值，可根据实际需要或经验知识确定，h表示机器人的高度。

最后，估价函数为：

F(n)＝[G(n)+H(n)]*f_slope(angle)*f_rough(L)*f_step(H)

F(n)表示从初始状态经由状态n到目标状态的代价估计，G(n)表示在状态空间中从初始状态到状态n的实际代价，H(n)表示从状态n到目标状态的最佳路径的估计代价。本实施例引入粗糙度代价、起伏度代价和坡度代价作为估计函数的一部分，可以综合考虑地形的多个因素对路径规划的影响。这样的综合代价能够更全面地评估路径的艰难程度，使得机器人能够避开过于粗糙、起伏过大或者坡度过陡而无法通过的区域，从而提高机器人在复杂管道中的行驶能力和安全性。

本实施例，中心控制单元引入斜率参数k和阈值参数θ，建立坡度代价函数。该函数用于规划路径，使机器人根据具体坡度情况来调整运动方向和速度，避免因坡度过大而无法通过区域，保持稳定的移动。可根据不同地形和坡度情况调整参数，使机器人智能地选择合适的移动路径。此外，中心控制单元建立地形粗糙度代价函数，用于规划路径，避免机器人因地形过于粗糙而陷入其中或无法行动。根据机器人的行驶能力限制，此函数能够控制机器人的可行驶区域，确保机器人在合适的地形上行驶。中心控制单元建立地形起伏度代价函数，用于规划路径，避免因地形起伏度过大导致机器人出现侧翻或碰撞等情况。根据机器人的越障能力限制，此函数能够控制机器人的可行驶区域，保证机器人的安全运动。综上所述，中心控制单元的功能使得管道巡检机器人能够智能地规划路径、避开障碍物、适应不同地形和坡度，从而提高了机器人的自主导航能力、安全性和效率，使其能够在复杂环境中高效完成任务。

之后，中心控制单元6使用运动控制算法，如PID控制算法或模型预测控制算法，来调整机器人的运动方向和速度。这些算法根据实时传感器数据，比如机器人的位置、姿态、速度等，计算出合适的控制指令，使得机器人能够准确地遵循规划好的路径，并及时做出调整来适应复杂的管道形状。

最后，在通过直角弯或T型管道等复杂路径时，中心控制单元6使用碰撞避免算法，如避障路径规划算法或人工势场算法，来避免机器人与管道壁面或其他障碍物发生碰撞。这些算法考虑机器人周围的环境信息，并根据实时传感器数据，计算出避开障碍物的最优路径和速度，确保机器人的安全和稳定通过复杂的管道形状。

本申请的有益效果为：

本申请的导向轮自适应机构和支撑轮自适应机构可根据管道自动调节适应80～100mm的管道。

本申请多个主动驱动前进，具有较好的运动能力，同时多动力分布的设计，能避免T型三通管道环境下出现动力失效、失去控制的情况发生。

本申请的导向轮自适应机构、行星轮驱动机构、支撑轮自适应机构的长度和管径的比值小，能够在轻微的管径变化、T型三通管道等特殊、复杂的管道环境中正常运行，实现对此类特殊、复杂环境管道的检查和维护。

上述实施例中的集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在上述计算机可读取的存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在存储介质中，包括若干指令用以使得一台或多台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。

在本申请的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的终端设备，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种气电混合驱动的管道检测机器人，其特征在于，包括：

电机驱动单元(3、8)，用于按照预设路径驱动所述机器人在待检测管道中行进；

视频检测单元(1、10)，用于在所述行进的过程中实时获取所述待检测管道中的视频信息；

主动旋转单元(2、9)，分别链接在两个所述视频检测单元(1、10)的后侧，用于在基于所述视频信息确定需要通过复杂路径的情况下、调整安装在每个所述视频检测单元上的球形主动驱动轮与所述待检测管道接触位置和接触方向。

2.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述视频检测单元(1、10)包括：

视频检测传感器(11)，用于采集所述视频信息；

多个LED照明灯(12)，安装在所述视频检测传感器的两侧，用于在所述行进的过程中进行照明；

两个半球形主动驱动轮(13)，分别设置有支撑轮自适应机构，用于在所述电机驱动单元的驱动下带动所述机器人在所述待检测管道中行进。

3.根据权利要求2所述的机器人，其特征在于，所述视频检测单元(1、10)还包括第一支撑轮(14)，具有自适应管径装置，用于自适应所述待检测管道的管径。

4.根据权利要求2所述的机器人，其特征在于，所述机器人还包括中心控制单元(6)，所述中心控制单元用于在所述视频检测传感器检测到需要通过复杂路径的情况下控制所述主动旋转单元以通过所述复杂路径，其中，所述复杂路径包括直角弯路径或T型管道路径。

5.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述主动旋转单元(2、9)包括：

第一电机(21)；

传动轴，与所述第一电机(21)连接，用于通过所述第一电机的转动带动所述视频检测单元的旋转，调整所述球形主动驱动轮与所述待检测管道接触位置和接触方向。

6.根据权利要求5所述的机器人，其特征在于，所述主动旋转单元(2、9)还包括支撑行走轮(16)，用于在视频检测传感器工作时，保持所述视频检测传感器的姿态稳定。

7.根据权利要求6所述的机器人，其特征在于，所述主动旋转单元(2、9)还包括气动转换结构(15)，用于将气体的动能转化为所述机器人驱动的动能。

8.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述电机驱动单元包括：

单元体，所述单元体内包裹着两个第二电机；

两个主动驱动轮(19、20)，每个所述主动驱动轮的直径大于预设阈值，用于分别在所述两个第二电机的驱动下驱动所述机器人行进；

管道支撑轮，具有自适应管径调节装置，其中，所述自适应管径调节装置分别与两个所述主动驱动轮连接，用于在通过焊接口或管道接缝处时能够通过自适应调节以使得所述机器人通过所述焊接口或管道接缝处。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的机器人，其特征在于，还包括多个可旋转的柔性链接单元(17)，用于链接所述电机驱动单元(3、8)、视频检测单元(1、10)和主动旋转单元(2、9)。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的机器人，其特征在于，还包括：

能源供应单元(4)，与所述电机驱动单元(3)连接，用于为所述机器人提供能量；

数据存储单元(5)，与所述能源供应单元(4)连接，用于存储数据。