一种地下线缆机器人小车维修编队控制装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及机器人控制技术领域，具体地是一种地下线缆机器人小车维修编队控制装置及方法，该装置与方法是基于压力传感器的低成本机器人小车编队控制装备的硬件和软件设计，这种装置由多个机器人小车组成蛇形编队，可以合力拖拽维修线缆，自动行驶至故障位置进行线缆的更换工作。此外本专利设计一种基于压力传感器的低成本地下线缆维修机器人小车编队控制装置，所述编队中所有跟随机器人小车均没有通信模块，仅通过压力传感器判断编队中每台机器人小车的位置状态，从而控制每台机器人小车的行驶方向和速度，达到队形维持与按预设路径行驶的目的。驶的目的。驶的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种地下线缆机器人小车维修编队控制装置及方法


[0001]本专利技术涉及机器人控制
，具体地是一种地下线缆机器人小车维修编队控制装置及方法，该装置与方法是基于压力传感器的低成本机器人小车编队控制装备的硬件和软件设计。

技术介绍

[0002]随着科学进步，智能机器人小车技术与无人控制机器人小车编队技术的发展为高度危险、人员无法长时间执行等领域的自动化维修技术的进步奠定了基础。地下线缆是目前世界通用的城市电力系统布局走线方式，这种方法将电力线缆集中在一个空间狭小的线缆通道中，有利于高度节省空间。但是地下线缆槽或者线缆通道空间过于狭小，维修或者维护的时候不利于人员通行，因此日常维护及故障抢修极其困难，通常需要将故障段挖掘暴露后方能维修，维修后还需要重新回填土方。在现有技术中，目前多数的主流编队控制算法有：
[0003](1)领航者
‑
跟随者算法
[0004]领航者
‑
跟随者算法只设定领航者的期望路径，通过信息交互控制跟随者的行动。
[0005](2)虚拟结构算法
[0006]虚拟结构算法将整个队列视作一个刚性整体，车与车之间有极强的队形反馈机制，虚拟结构算法编队整齐，队形不容易被打乱，但是对障碍物的规避能力不佳。
[0007](3)基于行为的编队算法
[0008]基于行为的编队算法将任务分解来达成编队目标，将总体编队要求分解到每一台机器人小车个体，此外基于行为的编队算法要求其中每台都具有一定的自主判断能力，即具有一定的外界感知能力、判断能力和自主运动能力。
[0009]分析以上这些编队控制算法：
[0010](1)编队中机器人小车单体之间必须可以通信，并且对通信的要求很高，当通信受到干扰时，将直接影响编队的控制效果；
[0011](2)编队控制成本较高，为实现上述编队控制算法，编队中每台机器人小车一般具有激光雷达、高精度声呐、高精度MEMS传感器，在这种开阔场合的编队控制的精度与成本直接相关。
[0012]地下线缆维修场合，维修编队机器人小车工作在光线阴暗、封闭狭窄、路径复杂的地下空间，并且这个地下空间会受地震、坍塌、积尘、积水、堵塞等干扰。因此上述极端依赖通信的编队算法会由于复杂的地形变化从而导致编队解列，每台单机均具有一定智能性的算法可以独立控制每台个体，但是整体成本极高，不易普及。在地下线缆槽/管道这种复杂的地下迷宫环境，需要一种低通信依赖/无通信、低成本的全自动维修装置。该装置能够不过分依赖外界导引，具有一定程度自主智能、无人值守、全天候、全自动更换故障线缆的维护装置。

技术实现思路

[0013]本专利技术针对地下线缆日常巡检与维修领域，设计了一种低成本的自动化机器人小车编队维护装置。本专利技术所述的装置可以不破坏地下线缆槽或者线缆通道的结构，自动行驶至故障位置自动进行故障线缆的跟换工作，为维护电力系统的运行稳定性，提高故障维修效率，降低人员工作量具有巨大的作用；本专利技术涉及编队控制算法，编队算法用于多台机器人小车共同拖拽电力线缆组成特定的队形行驶在线缆槽中。
[0014]本专利技术是基于压力传感器的低成本地下线缆维修机器人小车编队控制装置及方法，所述编队中所有跟随机器人小车均没有通信模块，仅通过压力传感器判断编队中每台机器人小车的位置状态，从而控制每台机器人小车的行驶方向和速度，达到队形维持与按预设路径行驶的目的。
[0015]本专利技术采用的具体技术方案如下：
[0016]一种地下线缆机器人小车维修编队控制装置，包括用来连接各个机器人小车的柔性线缆和设置在各个机器人上的压力传感器，用柔性线缆连接的机器人小车编队的第一台机器人小车和最后一台机器人小车设定为领航机器人小车，其余机器人小车设定为跟随机器人小车，领航机器人小车上设置有导航系统和压力传感器，跟随机器人小车上设置有速度模型和压力传感器，该速度模型包括陀螺仪和编码器。
[0017]本专利技术的进一步改进，上述压力传感器包括线性套管，该线性套管上设置有两个间隔一段距离的固定钮，固定钮用来固定柔性线缆，在线性套管的底部设置有复位弹簧和拉力传感器，拉力传感器通过复位弹簧获知拉力的变化，上述压力传感器还包括一个可以自由旋转的结构设定为旋转机构，该旋转机构的上半部分固定有线性套管、压力传感器与复位弹簧，该旋转机构的下半部分固定安装在机器人小车的顶部，旋转机构的上半部分和旋转机构的下半部分之间安装有绝对值式光码盘或者多组霍尔传感器。
[0018]本专利技术还披露了一种地下线缆机器人小车维修编队控制方法，具体包括以下步骤：
[0019]步骤1定义机器人小车坐标系及其运动变量；
[0020]步骤2计算左右驱动轮转速实现机器人小车运动控制；
[0021]步骤3地下线缆维修用的机器人小车蛇形编队建立；
[0022]步骤4设计用于无信息通信的机器人小车压力传感器；
[0023]步骤5线性蛇形编队中任意机器人小车的队形调整控制；
[0024]步骤6线性蛇形编队在线缆槽中的定点转弯控制。
[0025]本专利技术的进一步改进，在上述步骤1中，将地下线缆槽的电子地图定义为世界坐标系E
‑
xy。设单台机器人小车的线速度为v，机器人小车车身的宽度为d，在世界坐标系下的倾斜角为θ，绕世界坐标系z轴逆时针方向倾斜角θ变化的角速度为ω。设离散控制采样时间段为Δt，控制器计算过程中设机器人小车的左右驱动轮移动速度分别为v
l
和v
r
，行驶的路程分别为Δs
l
和Δs
r
，θ
*
是机器人小车采样时间Δt时段内的角度变化。机器人小车驱动轮电机安装有同轴转速传感器，通常是光码盘或者霍尔传感器，通过同轴转速传感器记录当前电机的转速，转速与定时器累积时间相乘可以得到当前行驶的流程。
[0026]本专利技术的进一步改进，在上述步骤2中，离散控制采样时间段Δt实际上微处理器计算一个周期所需要的时长，随着技术的进步，所需的计算时长通常较短。因此可以忽略机
器人小车转弯时的弧度，将左右驱动轮经过的路程Δs
l
和Δs
r
等效为直线段，得到公式1：
[0027][0028]公式1中，机器人小车的线速度v和角速度ω为输入量，左右驱动轮移动速度v
l
和v
r
为输出值。即如果知晓机器人小车运行时的线速度v和角速度ω就可以对其进行驱动控制。
[0029]本专利技术的进一步改进，在上述步骤3中，由左至右将所有机器人小车进行编号，编号由1开始，逐个递增。设编队中机器人小车的数量为N，编队的首尾端均为领航机器人小车，因此左首第一辆机器人小车为领航机器人小车，编号为1，右首最后一辆机器人小车也为领航机器人小车，编号为N。设k为蛇形编队中任意的一台机器人小车的编号，由此可见：
[0030][0031]由公式2可知，当1<k<N时，k为跟随机本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种地下线缆机器人小车维修编队控制装置，其特征在于，包括用来连接各个机器人小车的柔性线缆和设置在各个机器人上的压力传感器，用柔性线缆连接的机器人小车编队，该装置可以依靠装设在机器人小车中特殊设计的压力传感器实现无通信的编队控制。2.根据权利要求1所述的地下线缆机器人小车维修编队控制装置，其特征在于，所述压力传感器包括线性套管，该线性套管上设置有两个间隔一段距离的固定钮，所述固定钮用来固定柔性线缆，在线性套管的底部设置有复位弹簧和拉力传感器，拉力传感器通过复位弹簧获知拉力的变化，所述压力传感器还包括一个自由旋转的结构设定为旋转机构，所述旋转机构的上半部分固定有线性套管、压力传感器与复位弹簧，所述旋转机构的下半部分固定安装在机器人小车的顶部，旋转机构的上半部分和旋转机构的下半部分之间安装有绝对值式光码盘或者多组霍尔传感器。3.一种地下线缆机器人小车维修编队控制方法，其特征在于，使用如权利要求2所述的地下线缆机器人小车维修编队控制装置，具体包括以下步骤：步骤1定义机器人小车坐标系及其运动变量；步骤2计算左右驱动轮转速实现机器人小车运动控制；步骤3地下线缆维修用的机器人小车蛇形编队建立；步骤4设计用于无信息通信的机器人小车压力传感器；步骤5线性蛇形编队中任意机器人小车的队形调整控制；步骤6线性蛇形编队在线缆槽中的定点转弯控制。4.根据权利要求3所述的地下线缆机器人小车维修编队控制方法，其特征在于，在所述步骤1中，将地下线缆槽的电子地图定义为世界坐标系E
‑
xy，设单台机器人小车的线速度为v，机器人小车车身的宽度为d，在世界坐标系下的倾斜角为绕世界坐标系z轴逆时针方向倾斜角变化的角速度为ω，设离散控制采样时间段为Δt，控制器计算过程中设机器人小车的左右驱动轮移动速度分别为v
l
和v
r
，行驶的路程分别为Δs
l
和Δs
r
，是机器人小车采样时间Δt时段内的角度变化，机器人小车驱动轮电机安装有同轴转速传感器，通常是光码盘或者霍尔传感器，通过同轴转速传感器记录当前电机的转速，转速与定时器累积时间相乘可以得到当前行驶的流程。5.根据权利要求4所述的地下线缆机器人小车维修编队控制方法，其特征在于，在所述步骤2中，将左右驱动轮经过的路程Δs
l
和Δs
r
等效为直线段，得到公式1：公式1中，机器人小车的线速度v和角速度ω为输入量，左右驱动轮移动速度v
l
和v
r
为输出值，即如果知晓机器人小车运行时的线速度v和角速度ω就可以对其进行驱动控制。6.根据权利要求5所述的地下线缆机器人小车维修编队控制方法，其特征在于，在所述步骤3中，由左至右将所有机器人小车进行编号，编号由1开始，逐个递增，设编队中机器人
小车的数量为N，编队的首尾端均为领航机器人小车，因此左首第一辆机器人小车为领航机器人小车，编号为1，右首最后一辆机器人小车也为领航机器人小车，编号为N，设k为蛇形编队中任意的一台机器人小车的编号，由此可见：由公式2可知，当1<k<N时，k为跟随机器人小车，蛇形编队中第k辆机器人小车跟随第k
‑
1辆机器人小车前进，由此可见，正序蛇形编队中第k
‑
1辆机器人下车为前车，第k辆机器人小车为后车，定义为第k辆机器人小车相对于世界坐标系的角度，v
k
为其线速度，ω
k
为其角速度，表示第k辆机器人小车的受力方向，F
k
表示第k辆机器人小车的受力大小；具体的数据计算步骤如下：步骤3.1数据接收：第k辆后车小车由压力传感器数据接收得到F
k
，由陀螺仪，编码器得到后车的线速度v
k
和角度步骤3.2数据计算：将接收得到的数据，按以下方式代入计算；步骤3.2.1当F
k
>F
occ
时，后车检测到其与前车拉力大于合适距离所对应的拉力，即第k辆后车与第k
‑
1辆前车距离过远，并结合受力角度计算第k辆后车的线速度v
k
和角速度ω
k
，其中为判断大角度转弯的阈值，可以根据实际进行设定，
①
当大于阈值时，采用大角度转弯的计算方式计算第k辆后车的线速度v
k
和角速度ω
k
，公式3中α为线速度灵敏度系数，β为角速度灵敏度系数，为大角度转弯时角速度的补偿系数，通过min函数限制后车的线速度为v
max
，
②
当小于阈值时，按编队调整的计算方式计算第k辆后车的线速度v
k
和角速度ω
k
。即：步骤3.2.2当F
kt
<F
occ
时，后车检测到其与前车拉力小于合适距离所对应的拉力，即第k辆后车与第k
‑
1辆前车距离过近，需要调整后车使其拉大距离，公式5中r
c
为预设的安全距离，l为编队时两车的理想距离，通过max函数限制后车的线速度为v
max
，步骤3.3带入速度模型求取左右轮速度：根据公式1可以求得后车的线速度v
k
和角速度
ω
k
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王伟然，苏哲昊，朱安宏，谷丽丽，张永韡，许洁，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：