一种爬壁机器人在管道运维中的轨迹规划和跟踪方法技术

本发明专利技术涉及一种爬壁机器人在管道运维中的轨迹规划和跟踪方法，包括：建立管道圆柱面坐标系作为世界坐标系；建立小车坐标系，确定任一时刻小车坐标系相对世界坐标系的位置关系；建立爬壁机器人在管道圆柱面内壁上的运动学模型；对管道圆柱面坐标系进行圆柱面展开，得到平面坐标系；根据小车坐标系相对世界坐标系的位置关系确定爬壁机器人当前位姿，将目标位姿和当前位姿转换为平面坐标系中，获取最短路径，并转换到世界坐标系下表示，得到目标路径，并结合运动学模型，构建轨迹跟踪控制器，实现跟踪运行。与现有技术相比，本发明专利技术提高了爬壁机器人在管道内运动控制的准确性，对实现管道检测爬壁机器人的全自主运行方式具有一定的意义。的意义。的意义。

【技术实现步骤摘要】
一种爬壁机器人在管道运维中的轨迹规划和跟踪方法


[0001]本专利技术涉及机器人控制
，尤其是涉及一种爬壁机器人在管道运维中 的轨迹规划和跟踪方法。

技术介绍

[0002]由于燃机电厂管道长时在高温、高压等恶劣工况下运行，管道焊缝不可避免地 存在不同缺陷并易扩展为裂纹等危害性因素，导致管道发生泄露、爆管等严重事故， 给电站运行带来巨大安全隐患。当前管道焊缝的检测需执行地面开挖、搭建脚手架、 拆除保温层等大量前期准备工作，耗时耗力、风险高，严重影响火电厂安全经济运 行，因此研制爬壁机器人对管道内焊缝进行远程无损检测有着迫切需求。针对管道 检测任务中的特殊环境条件，市面上已经出现多种爬壁机器人样机。目前，国际上 对爬壁机器人的研究主要集中在本体的吸附方式、运动机构、控制策略等方面，在 爬壁机器人整机系统研发、管道空间定位和轨迹跟踪方法等关键技术上已有一定的 研究成果。总结如下：
[0003]1、针对爬壁机器人整机系统开发，公开号为CN111412342A的专利技术公开了一 种管道检测机器人及管道检测方法，所述爬壁机器人包括车体、驱动机构和摄像设 备，通过获取多个摄像设备的图像并进行图像拼接，实现了对管道空间全方位的摄 像检测；文献“球罐外部焊缝检测机器人系统的设计”(黄逢.东南大学，2019.) 设计了一种能够在球罐外壁爬行的轮式爬壁机器人，并结合工作环境设计了适用的 硬件控制系统，验证了爬壁机器人罐壁探伤的合理性。
[0004]2、为解决爬壁机器人在管道空间的定位问题，公开号为CN104007664A的发 明公开了种核电站爬壁机器人三维视景仿真模拟运动方法，提出融合加速度传感器、 测距传感器、陀螺仪、电机编码器和摄像机数据的方式来实现爬壁机器人在核电站 蒸汽发生器二次侧筒体内壁上定位的方法，提高了爬壁机器人在管道空间中的定位 精度。
[0005]3、为实现移动机器人轨迹跟踪功能，文献“爬壁机器人设计及路径跟踪方法 研究”(孟祥禹.哈尔滨工程大学，2013.)建立了差速轮和全向轮小车的运动学模型， 以陀螺仪加被动编码器的方式实现定位，并基于PID控制方式实现了平面上直线 和圆弧轨迹的导航算法；公开号为CN113467496A的专利技术公开了一种基于信息融 合的两轮小车平衡轨迹与跟踪控制器的设计方法以及控制系统，其中使用动态观测 器对变量信息进行扩维并实现了对特定频谱扰动的抑扰滤波，同时结合LQR与PID 算法设计了小车轨迹跟踪控制器。
[0006]综合看来，上述的爬壁机器人系统及定位和跟踪相关的关键技术方法可以较好 地辅助现场工作人员完成简单场景下的管道检测任务。但在管道空间内进行爬壁机 器人的半自主甚至全自主控制，还存在一些问题有待研究和优化。首先，从爬壁机 器人整机系统的研发来看，上述方法着重在工作人员手动控制的操作模式下提高检 测效率，并未考虑引入自主控制方式；其次，从机器人定位与轨迹跟踪等技术的应 用情况来看，上述定位方法已经能够满足爬壁机器人在管道空间中的定位要求，但 是并未针对管道空间中运行的爬壁机器人提出有效的轨迹跟踪方法。
[0007]通过在已知圆柱体管道空间建模参数，且能够给定缺陷点或其他类型目标点的 管道内空间位置的情况下，研究目标轨迹规划和机器人的自主运行控制方式具有重 要意义。爬壁机器人的自主控制方式不仅能够大大减少工作人员的操作次数，提高 工作效率，还能为电力企业带来显著的经济效益和社会效益。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在并未针对管道空间中运行的爬 壁机器人提出有效的轨迹跟踪方法的缺陷而提供一种爬壁机器人在管道运维中的 轨迹规划和跟踪方法。
[0009]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0010]一种爬壁机器人在管道运维中的轨迹规划和跟踪方法，包括以下步骤：
[0011]S1：在管道上建立管道圆柱面坐标系，并作为世界坐标系；在爬壁机器人车 体上建立小车坐标系，在爬壁机器人运行过程中实时通过传感器数据计算爬壁机器 人在管道内壁中的位姿状态，并根据爬壁机器人与管道壁面的接触位置，确定任一 时刻小车坐标系相对世界坐标系的位置关系；
[0012]S2：建立爬壁机器人在管道圆柱面内壁上的运动学模型；
[0013]S3：对管道圆柱面坐标系进行圆柱面展开，得到平面坐标系；根据小车坐标 系相对世界坐标系的位置关系确定爬壁机器人当前位姿，将预先给定的目标位姿和 爬壁机器人当前位姿由世界坐标系转换为所述平面坐标系中，获取最短路径，并转 换到世界坐标系下表示，得到目标路径；
[0014]S4：根据步骤S3获取的所述目标路径，结合步骤S2获取的运动学模型，构 建轨迹跟踪控制器，实现爬壁机器人对管道面上目标轨迹的跟踪运行。
[0015]进一步地，所述管道圆柱面坐标系的建立过程具体为：以管道一端的圆周上的 一点为原点，以该点指向圆周的圆心方向为Y轴，以该点垂直于圆周的方向为Z 轴，并确定X轴，从而得到管道圆柱面坐标系。
[0016]进一步地，所述小车坐标系的建立过程具体为：获取爬壁机器人与管道的四个 接触点，以四个接触点构成的平面中心作为小车坐标系的原点，以垂直于该平面朝 向小车顶部的方向作为X轴方向，根据该平面建立相互垂直的Y轴方向和Z轴方 向，得到小车坐标系。
[0017]进一步地，所述爬壁机器人包括车体和四个车轮，四个车轮包括两个驱动轮和 两个从动轮，所述驱动轮上设有电机编码器和陀螺仪；
[0018]步骤S1中的传感器数据包括陀螺仪数据和电机编码器的编码器数据，通过在 每个控制周期中根据小车轮半径和轮距信息，结合陀螺仪数据和编码器数据来实时 更新每个控制周期后爬壁机器人运动达到的最新位姿状态。
[0019]进一步地，所述小车坐标系相对于世界坐标系的位置关系包括平移和旋转关系， 所述旋转关系由旋转矩阵表示，该旋转矩阵的计算过程包括：
[0020]设世界坐标系下沿各轴的单位正交基构成矩阵：
[0021]小车坐标系下沿各轴的单位正交基构成矩阵：其中，
[0022][0023](A
1f
,A
2f
,A
3f
,A
4f
)为爬壁机器人的四个车轮与管道曲面的接触点在世界坐标系 下的位置坐标；
[0024]小车坐标系到世界坐标系的旋转矩阵R计算可得：
[0025][0026]进一步地，所述爬壁机器人在管道圆柱面内壁上的运动学模型的建立过程包括：
[0027]已知轮式差速移动机器人在曲面上的运动学模型为：
[0028][0029]其中(u,v)构成了曲面上的一个半测地坐标网，u方向为曲面上一条测地线的方 向，而v方向与u方向正交；(u1,ω)分别表示线速度和角速度输入；θ表示车头方 向与u正方向的夹角；G由公式计算得到，为v方向的单位向量；(
·
)
u
表 示对u求偏导；
[0030]在管道圆柱面上建立半测地坐标网，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种爬壁机器人在管道运维中的轨迹规划和跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：在管道上建立管道圆柱面坐标系，并作为世界坐标系；在爬壁机器人车体上建立小车坐标系，在爬壁机器人运行过程中实时通过传感器数据计算爬壁机器人在管道内壁中的位姿状态，并根据爬壁机器人与管道壁面的接触位置，确定任一时刻小车坐标系相对世界坐标系的位置关系；S2：建立爬壁机器人在管道圆柱面内壁上的运动学模型；S3：对管道圆柱面坐标系进行圆柱面展开，得到平面坐标系；根据小车坐标系相对世界坐标系的位置关系确定爬壁机器人当前位姿，将预先给定的目标位姿和爬壁机器人当前位姿由世界坐标系转换为所述平面坐标系中，获取最短路径，并转换到世界坐标系下表示，得到目标路径；S4：根据步骤S3获取的所述目标路径，结合步骤S2获取的运动学模型，构建轨迹跟踪控制器，实现爬壁机器人对管道面上目标轨迹的跟踪运行。2.根据权利要求1所述的一种爬壁机器人在管道运维中的轨迹规划和跟踪方法，其特征在于，所述管道圆柱面坐标系的建立过程具体为：以管道一端的圆周上的一点为原点，以该点指向圆周的圆心方向为Y轴，以该点垂直于圆周的方向为Z轴，并确定X轴，从而得到管道圆柱面坐标系。3.根据权利要求1所述的一种爬壁机器人在管道运维中的轨迹规划和跟踪方法，其特征在于，所述小车坐标系的建立过程具体为：获取爬壁机器人与管道的四个接触点，以四个接触点构成的平面中心作为小车坐标系的原点，以垂直于该平面朝向小车顶部的方向作为X轴方向，根据该平面建立相互垂直的Y轴方向和Z轴方向，得到小车坐标系。4.根据权利要求1所述的一种爬壁机器人在管道运维中的轨迹规划和跟踪方法，其特征在于，所述爬壁机器人包括车体和四个车轮，四个车轮包括两个驱动轮和两个从动轮，所述驱动轮上设有电机编码器和陀螺仪；步骤S1中的传感器数据包括陀螺仪数据和电机编码器的编码器数据，通过在每个控制周期中根据小车轮半径和轮距信息，结合陀螺仪数据和编码器数据来实时更新每个控制周期后爬壁机器人运动达到的最新位姿状态。5.根据权利要求1所述的一种爬壁机器人在管道运维中的轨迹规划和跟踪方法，其特征在于，所述小车坐标系相对于世界坐标系的位置关系包括平移和旋转关系，所述旋转关系由旋转矩阵表示，该旋转矩阵的计算过程包括：设世界坐标系下沿各轴的单位正交基构成矩阵：小车坐标系下沿各轴的单位正交基构成矩阵：其中，(A
1f
,A
2f
,A
3f
,A
4f
)为爬壁机器人的四个车轮与管道曲面的接触点在世界坐标系下的位置坐标；
小车坐标系到世界坐标系的旋转矩阵R计算可得：6.根据权利要求1所述的一种爬壁机器人在管道运维中的轨迹规划和跟踪方法，其特征在于，所述爬壁机器人在管道圆柱面内壁上的运动学模型的建立过程包括：已知轮式差速移动机器人在曲面上的运动学模型为：其中(u,v)构成了曲面上的一个半测地坐标网，u方向为曲面上一条测地线的方向，而v方向与u方向正交；(u1,ω)分别表示线速度和角速度输入；θ表示车头方向与u正方向的夹角；G由公式计算得到，为v方向的单位向量；(
·
)
u
表示对u求偏导；在管道圆柱面上建立半测地坐标网，沿世界坐标系Z轴方向取得圆柱面上一条测地线的方向，将Z轴对应半测地坐标轴的u轴方向，然后在世界坐标系原点沿圆周方向可取得与测地线正交的v轴，构成管道圆柱面上的一个半测地坐标网；圆柱面中参数可得到爬壁机器人在管道圆柱面内壁上的运动学模型为：7.根据权利要求1所述的一种爬壁机器人在管道运维中的轨迹规划和跟踪方法，其特征在于，步骤S3中，所述目标路径的获取过程具体为：建立管道圆柱面坐标系和平面坐标系之间的对应关系：假设平面坐标系由管道圆柱面沿平面(YOZ)切开再展开得到，在平面上建立坐标系O
p
(X
...

【专利技术属性】
技术研发人员：冒建亮，梁鸿鹏，周嘉豪，张涵，张传林，夏飞，
申请(专利权)人：上海电力大学，
类型：发明
国别省市：