管道机器人航向保证系统及航向修正方法技术方案

本发明专利技术涉及管道机器人运动控制技术领域，具体地讲是管道机器人航向保证系统及航向修正方法，前部机身与所述后部机身之间利用转体驱动装置连接，用于驱动前部机身相对于后部机身做径向运动；前、后部机身分别设置有前、后部姿态角度检测传感器，用于检测前、后部机身的航向角度等信号；行进驱动装置用以推动机器人行进，执行控制器设置在前部机身上用以接收前、后部姿态角度检测传感器的检测信号，并向转体驱动装置、行进驱动装置发送执行控制信号，本发明专利技术保证了管道机器人在大直径管道内运动的可控性，能避开行进方向的障碍物或陷阱，使得管道机器人可以保证进行航向的正确、可控。控。控。

【技术实现步骤摘要】
管道机器人航向保证系统及航向修正方法


[0001]本专利技术涉及管道机器人运动控制
，具体地讲是管道机器人航向保证系统及航向修正方法。

技术介绍

[0002]管道机器人是一种用途较广的特种机器人，配备有机、电、仪及操作机械的智能一体化装备，它可以沿管道内部自动行走，并在工作人员的遥控操作或计算机自动控制下，能代替人员在无法进入或进入后危险的管状“有限空间”内，进行检测、维护和施工作业等工作。
[0003]一套完整的管内机器人系统，由行走机构、管道内部环境状态检测系统、信号传递和动力传输系统及控制系统组成，管内机器人开发者们大都是围绕着它在管内沿轴向运动进行研究和开发，相当于在二维空间内运动，但是，当管道空间的直径远大于机器人本体直径的时候，机器人在管道内的运动就不容易受管道的轴线方向约束，而是相当于在有边界的三维空间内自由运动了。管内机器人的在这种三维空间内的运动，就需要不断进行航向保证与及时修正。
[0004]为此设计一种适于管道机器人在大管道(内径大于管道机器人的主体直径1倍以上)内行进时调整航向，便于调整管内机器人的作业工具对准作业位置，以及沿着管道的轴心方向行进时，保证不偏航的管道机器人航向保证系统及航向修正方法是十分有必要的。

技术实现思路

[0005]本专利技术突破了现有技术的难题，设计了一种管道机器人航向保证系统及航向修正方法，以达到在大管道内可以及时调整航向，防止偏航的目的。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术设计了管道机器人航向保证系统，其特征在于：包括前部机身、后部机身、转体驱动装置、行进驱动装置、执行控制器；
[0007]所述前部机身上设置有前车轮；
[0008]所述前部机身与所述后部机身之间利用转体驱动装置连接，用于驱动所述前部机身相对于所述后部机身做径向运动；
[0009]所述后部机身上设置有后车轮；
[0010]所述前部机身还设置有前部姿态角度检测传感器，用于检测前部机身的航向角度等信号；
[0011]所述后部机身还设置有后部姿态角度检测传感器，用于检测后部机身的航向角度等信号；
[0012]所述行进驱动装置设置在后部机身上，用以推动机器人行进，此时所述前车轮为航向调整轮，用于调整管道机器人的航向，所述后车轮为辅助轮，用于辅助管道机器人的航向调整和行进；
[0013]所述执行控制器设置在前部机身上，与前部姿态角度检测传感器、后部姿态角度
检测传感器、转体驱动装置、行进驱动装置进行信号连接，用以接收前部姿态角度检测传感器、后部姿态角度检测传感器的检测信号，并向转体驱动装置、行进驱动装置发送执行控制信号。
[0014]优选的，所述行进驱动装置还可设置在前部机身上，用以带动管道机器人行进运动；
[0015]此时所述前车轮为辅助轮，用于辅助管道机器人的航向调整和行进，所述后车轮为航向调整轮，用于调整管道机器人的航向，所述驱动轮或/和辅助轮可采用单轮、双轮、组合轮或履带中的任意一种或几种。
[0016]进一步的，所述前部姿态角度检测传感器、后部姿态角度检测传感器均具有一维姿态角度或者二维姿态角度或三维姿态角度的检测功能。
[0017]进一步的，所述行进驱动装置设置有驱动轮，用以驱动管道机器人在管内行进。
[0018]进一步的，所述行进驱动装置也可以设置有蠕动节，用以推动管道机器人在管内行进。
[0019]优选的，行进驱动装置可以同时设置驱动轮和蠕动节，用以驱动管道机器人在管内行进，可以针对不同的行进需求调整并选择合适的行进驱动装置。
[0020]优选的，一维姿态角度为航向角，二维姿态角度为航向角和横滚角，三维姿态角度为航向角、横滚角和俯仰角。
[0021]进一步的，所述转体驱动装置，可以是往复旋转驱动装置，也可以是连续旋转驱动装置。
[0022]本专利技术还设计了管道机器人航向保证系统的航向修正方法，其特征在于：包括如下步骤：
[0023]步骤1：控制器获取前部姿态角度检测传感器、后部姿态角度检测传感器传递的姿态角度信号，并与初始给定的航向对比，判断偏航方向、偏航角度的多少；
[0024]步骤2：根据判断结果输出修正航向的扭转力矩F
×
L1给转体驱动装置，使前部机身相对于后部机身进行设定方向的径向相对转动；
[0025]步骤3：因为步骤2的相对转动，航向调整轮中的一侧轮会离地抬起，另一侧轮维持落地状态，此时扭转力矩使前部机身有一个指向落地侧轮的偏转力f1及其对应的偏转力矩，令管道机器人行进方向偏向落地侧轮方向，在行进驱动装置的驱动下行进一个时间段，实现行进一次行进航向修正。
[0026]步骤4：通过转体驱动装置与步骤1中旋转方向进行反向旋转，使得两个侧轮都恢复到落地状态，并再次将当前的航向角与初始的航向角进行比对。
[0027]步骤5：重复上述步骤，直到行进航向与期望航向的差值小于可接受的误差值，此时偏航方向、偏航角度修正完毕。
[0028]进一步的，控制器还可设置扭转力矩F
×
L1和行进驱动的持续时间，以确定一次航向修正过程中，航向角度可修正的大小。
[0029]进一步的，判断偏航方向、偏航角度的方法为：利用前部姿态角度检测传感器、后部姿态角度检测传感器检测的当前航向角度值与期望的航向角度进行比较，以确定偏航方向和偏航角度。
[0030]进一步的，步骤5的重复次数由期望的航向角度和偏航的角度之差，结合在一次航
向修正过程中航向角度可修正的大小来确定。
[0031]进一步的，偏转力f1及其对应的偏转力矩的大小以及方向由前部姿态角度检测传感器、后部姿态角度检测传感器检测的当前横滚角的角度结合转体驱动装置的驱动力确定。
[0032]本专利技术与现有技术相比，具有以下优势：
[0033]1)，保证了管道机器人在大直径管道内运动的可控性，能避开行进方向的障碍物或陷阱，使得管道机器人可以保证进行航向的正确、可控；
[0034]2)仅使用一个轻微的前后机身相对转体动作来实现航向纠偏，操作起来动作幅度小，在大直径管道内的动作顺畅，而不需要借助管道内壁的摩擦和约束等方式来保证正确的行进方向；
[0035]3)本专利技术也适用于在非管道空间内的轮式运动设备，能提高轮式运动设备在大空间内运动控制的顺畅度和可靠性。
附图说明
[0036]图1为一具体实施例中一种管道机器人航向保证系统的结构示意图。
[0037]图2为一具体实施例中一种管道机器人航向保证系统的修正方法中正常行进状态的车轮后视图。
[0038]图3为一具体实施例中一种管道机器人航向保证系统的修正方法中扭转力矩作用下的车轮后视图。
[0039]其中，F
‑‑
转体扭力；f1—航向偏转力；f2—转体扭力的垂直方向分力；
[0040]L1—转体扭力的力臂长度；L2—重力的力臂长度；G
‑‑
重力。
具体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.管道机器人航向保证系统，其特征在于：包括前部机身(1)、后部机身(2)、转体驱动装置(3)、行进驱动装置(4)、控制器(5)；所述前部机身(1)上设置有前车轮(6)；所述前部机身(1)与所述后部机身(2)之间利用转体驱动装置(3)连接，用于驱动所述前部机身(1)相对于所述后部机身(2)做径向运动；所述后部机身(2)上设置有后车轮(7)；所述前部机身(1)还设置有前部姿态角度检测传感器(8)，用于检测前部机身(1)的航向角度信号；所述后部机身(2)还设置有后部姿态角度检测传感器(9)，用于检测后部机身(2)的航向角度信号；所述行进驱动装置(4)设置在后部机身(2)上，用以推动机器人行进，此时所述前车轮(6)为航向调整轮，用于调整管道机器人的航向，所述后车轮(7)为辅助轮，用于辅助管道机器人的航向调整和行进；所述控制器(5)设置在前部机身(1)上，与前部姿态角度检测传感器(8)、后部姿态角度检测传感器(9)、转体驱动装置(3)、行进驱动装置(4)进行信号连接，用以接收前部姿态角度检测传感器(8)、后部姿态角度检测传感器(9)的检测信号，并向转体驱动装置(3)、行进驱动装置(4)发送执行控制信号。2.根据权利要求1所述的管道机器人航向保证系统，其特征在于：所述行进驱动装置(4)还可设置在前部机身(1)上，用以带动管道机器人行进运动；此时所述前车轮(6)为辅助轮，用于辅助管道机器人的航向调整和行进，所述后车轮(7)为航向调整轮，用于调整管道机器人的航向；所述驱动轮或/和辅助轮可采用单轮、双轮、组合轮或履带中的任意一种或几种。3.根据权利要求1所述的管道机器人航向保证系统，其特征在于：所述前部姿态角度检测传感器(8)、后部姿态角度检测传感器(9)均具有一维姿态角度即航向角或者二维姿态角度即航向角和横滚角或三维姿态角度即航向角、横滚角和俯仰角的检测功能。4.根据权利要求1所述的管道机器人航向保证系统，其特征在于：所述行进驱动装置(4)设置有驱动轮或/和蠕动节，用以推动管道机器人在管内行进。5.根据权利要求1所述的管道机器人航向保证系统，其特征在于：所述转体驱动装置(3)，可以是往复旋转驱动装置，也可以是连续旋转驱动装置。...

【专利技术属性】
技术研发人员：李必文，王峰，程辉，李天琦，周志雄，
申请(专利权)人：吴惠霞，
类型：发明
国别省市：