一种基于PID控制市政管网清淤机器人位姿纠偏系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种基于PID控制市政管网清淤机器人位姿纠偏系统，本实用新型专利技术通过在轮式机器人上设置重力纠偏仪、编码器、PID控制器和控制单元，使重力纠偏仪监测轮式机器人行走时发生偏移产生的纠偏信号，通过PID控制器调节轮式机器人的车轮转向角度和速度，解决了目前现存机器人清淤过程中因杂物、污泥、车轮打滑等原因造成的位置偏移的问题，并且使用PID控制器驱动无刷电机对轮式机器人进行纠偏，使本实用新型专利技术的硬件简单实用，且设备量及占用空间较小，后期便于维护。

A position and attitude correction system based on PID control for dredging robot of municipal pipe network

【技术实现步骤摘要】
一种基于PID控制市政管网清淤机器人位姿纠偏系统
本技术属于自动控制
，具体是涉及一种基于PID控制市政管网清淤机器人位姿纠偏系统。
技术介绍
在城市现代化的过程中，市政排水管道的重要作用逐渐为人们所认知。作为现代城市的一类基础建设，市政排水管道始终肩负着保障城市稳定发展和保障人民生命财产安全的责任。然而，城市地下管道经常会出现很多问题，比如管道堵塞、管道破裂、淤泥沉积等情况。如果这些问题没能够及时解决，一旦遇到暴雨，极有可能会引发城市积水，甚至内涝。仅2008到2010年之间，全国范围内有62％的都市爆发过内涝。由此可见，保障市政排水管道能够正常工作至关重要。然而，随着城市的快速发展，用水量急剧增加，加之越来越多的生活垃圾，厨余垃圾和建筑垃圾混杂其中，使得本来排水量就不高的排水管道变得更加容易堵塞。排水管道中的垃圾大大地减少了管道的排放量，一旦遭遇暴雨，需要管道排放大量污水时，这些隐藏的危机就会被放大，从而造成更加严重的后果。因此如何高效安全地给市政排水管道清淤成为了一个亟待解决的问题。目前，在全球范围内较为常见的管道清淤方式有以下几种：绞车清淤、通沟机和髙压水射流上述各类清淤方式的主要清淤对象是大管径的主干管道，而对于小管径的直线管道，其清淤效率并不是很高，同时，上述各类清淤方式，多少需要工人下井。进行前期的准备，然而，狭小的下水管道，使得工人极难正常作业，并且管道内充斥着各种有毒气体，对于工人的生命安全造成了很大的威胁，工作人员在小管径管道内时难以开展作业的。因此利用管道机器人代替人工进行作业是未来的发展趋势。如今，该领域出现各类机器人样机，然而很少有通过现场实验，以此证实机器人实用可靠。因此，一款集淤泥破碎、淤泥泵送、位姿纠偏等功能于一身的管道机器人是极具现实意义的，为市政的小管径排水管道的清淤工作提供了一种新的选项，对于市政工程技术的发展有着重要的作用。随着机器人被广泛应用于各种领域，人们对于机器人的稳定性提出了更高的要求，而其中，行走的稳定性更是无数次被提及。要知道机器人被要求应用的场合多是环境复杂，因此环境对于机器人行走的姿态势必会造成影响。这种外界的影响是难以避免的，因此需要机器人自身能够有一套系统能够在位姿偏差达到一定阈值之前，就其进行调整，使得机器人整体恢复到正常的位姿。基于PID控制方法对市政管网内的清淤机械人二维平面内运动的主要对转向角进行控制，在清淤过程中受到管道内水流阻力、碰撞等各种因数的影响，无法建立精确的数学模型来编写算法对清淤机器人进行精确的控制。前常见的管道清淤方式有以下几种：绞车清淤、通沟机和髙压水射流上述各类清淤方式的主要清淤对象是大管径的主干管道，而对于小管径的直线管道，其清淤效率并不是很高，同时，上述各类清淤方式，多少需要工人下井，而清淤机器人可以在较小的管径内进行行走并清理淤泥。清淤机器人在市政管网内前后运动进行清淤的过程中，因管道内环境复杂容易引起机器人偏移轨道，从而无法正常完成范围内的清理任务。传统位姿纠偏系统采用由于FPGA/GPLD等可编程器件，用户可以通过编程的方式实现位姿控制，之后下载到硬件中，最终通过硬件的方式最终实现位姿控制系统。然而这种方法的实现成本较高，控制算法越复杂，对硬件的要求就越高，成本就越昂贵。传统清淤机器人需要使用牵引装置于地面链接，确保机器人可以按照既定轨道回到初始点。管道内存在各种杂物，一旦无法及时纠偏且又无牵引装置，程序控制容易计算错误距离，从而前进与后退距离不相符，导致机器人无法回到初始点。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种基于PID控制市政管网清淤机器人位姿纠偏系统，解决了目前机器人清淤过程中因杂物、污泥、车轮打滑等原因造成的位置偏移的问题。为了达到上述目的，本技术包括通过无刷电机驱动的轮式机器人，轮式机器人上设置有重力纠偏仪、编码器、PID控制器和控制单元，重力纠偏仪连接编码器，编码器连接控制单元，控制单元连接PID控制器和无刷电机；重力纠偏仪用于监测轮式机器人行走时发生偏移产生的纠偏信号，并将纠偏信号发送至编码器；编码器用于根据重力纠偏仪产生的纠偏信号来计算轮式机器人的车轮速度和行走距离，并通过控制单元发送至PID控制器中；PID控制器用于推演在管道内轮式机器人如何对转向角进行运转，并输出能够控制轮式机器人调节自身平衡的车轮转向角度和速度，通过控制单元发送至无刷电机。轮式机器人上设置有红外模块，红外模块连接编码器；红外模块用于探测管道内道路状态，并将道路状态信息发送至编码器，编码器根据道路状态信息计算行走方位信息，并将行走方位信息发送至控制单元，控制单元将行走方位信息转换为无刷电机的控制信息发送至无刷电机。红外模块设置在轮式机器人的前部。轮式机器人上设置有用于供电的电源模块。控制单元采用STM32F105芯片。与现有技术相比，本技术通过在轮式机器人上设置重力纠偏仪、编码器、PID控制器和控制单元，使重力纠偏仪监测轮式机器人行走时发生偏移产生的纠偏信号，通过PID控制器调节轮式机器人的车轮转向角度和速度，解决了目前现存机器人清淤过程中因杂物、污泥、车轮打滑等原因造成的位置偏移的问题，并且使用PID控制器驱动无刷电机对轮式机器人进行纠偏，使本技术的硬件简单实用，且设备量及占用空间较小，后期便于维护，解决了传统控制系统多原件多算法占用空间大的集成系统。附图说明图1为本技术的结构示意图；图2为本技术的控制流程图；图3为PID控制器运行原理图；其中，1、重力纠偏仪；2、无刷电机；3、编码器；4、PID控制器；5、控制单元；6、红外模块；7、电源模块。具体实施方式下面结合附图对本技术做进一步说明。参见图1和图2，本技术包括通过无刷电机2驱动的轮式机器人，轮式机器人上设置有重力纠偏仪1、编码器3、PID控制器4和控制单元5，重力纠偏仪1连接编码器3，编码器3连接控制单元5，控制单元5连接PID控制器4和无刷电机2，轮式机器人上设置有红外模块6，红外模块6连接编码器3，红外模块6设置在轮式机器人的前部，轮式机器人上设置有用于供电的电源模块7；重力纠偏仪1用于监测轮式机器人行走时发生偏移产生的纠偏信号，并将纠偏信号发送至编码器3；编码器3用于根据重力纠偏仪1产生的纠偏信号来计算轮式机器人的车轮速度和行走距离，并通过控制单元5发送至PID控制器4中；PID控制器4用于推演在管道内轮式机器人如何对转向角进行运转，并输出能够控制轮式机器人调节自身平衡的车轮转向角度和速度，通过控制单元5发送至无刷电机2。红外模块6用于探测管道内道路状态，并将道路状态信息发送至编码器3，编码器3根据道路状态信息计算行走方位信息，并将行走方位信息发送至控制单元5，控制单元5将行走方位信息转换为无刷电机2的控制信息发送至无刷电机2。优选的，控制单元5采用STM32F105芯片。...

【技术保护点】
1.一种基于PID控制市政管网清淤机器人位姿纠偏系统，其特征在于，包括通过无刷电机(2)驱动的轮式机器人，轮式机器人上设置有重力纠偏仪(1)、编码器(3)、PID控制器(4)和控制单元(5)，重力纠偏仪(1)连接编码器(3)，编码器(3)连接控制单元(5)，控制单元(5)连接PID控制器(4)和无刷电机(2)；/n重力纠偏仪(1)用于监测轮式机器人行走时发生偏移产生的纠偏信号，并将纠偏信号发送至编码器(3)；/n编码器(3)用于根据重力纠偏仪(1)产生的纠偏信号来计算轮式机器人的车轮速度和行走距离，并通过控制单元(5)发送至PID控制器(4)中；/nPID控制器(4)用于推演在管道内轮式机器人如何对转向角进行运转，并输出能够控制轮式机器人调节自身平衡的车轮转向角度和速度，通过控制单元(5)发送至无刷电机(2)。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于PID控制市政管网清淤机器人位姿纠偏系统，其特征在于，包括通过无刷电机(2)驱动的轮式机器人，轮式机器人上设置有重力纠偏仪(1)、编码器(3)、PID控制器(4)和控制单元(5)，重力纠偏仪(1)连接编码器(3)，编码器(3)连接控制单元(5)，控制单元(5)连接PID控制器(4)和无刷电机(2)；
重力纠偏仪(1)用于监测轮式机器人行走时发生偏移产生的纠偏信号，并将纠偏信号发送至编码器(3)；
编码器(3)用于根据重力纠偏仪(1)产生的纠偏信号来计算轮式机器人的车轮速度和行走距离，并通过控制单元(5)发送至PID控制器(4)中；
PID控制器(4)用于推演在管道内轮式机器人如何对转向角进行运转，并输出能够控制轮式机器人调节自身平衡的车轮转向角度和速度，通过控制单元(5)发送至无刷电机(2)。


2.根据权利要求1所述的一种基于PID控制市政管...

【专利技术属性】
技术研发人员：王兴让，弋娜，王旭波，闫娜，
申请(专利权)人：西安市东郊市政养护管理公司，
类型：新型
国别省市：陕西;61