用于隧道检测的地质雷达测线选取与随动控制方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种用于隧道检测的地质雷达测线选取与随动控制方法及系统，涉及无损检测技术领域，方法包括：设定扫描路径，基于扫描路径，获取隧道测距信息；根据隧道测距信息构建隧道横断面内轮廓模型，并通过移动平台对隧道横断面内轮廓模型进行修正；选取目标测线位置，根据修正后的隧道横断面内轮廓模型进行机械臂调节余量评估，获得最优目标测线位置；基于最优目标测线位置与当前位置信息进行轨迹规划，完成地质雷达的自动贴合，并实时获取地质雷达与隧道衬砌间的相对位姿，基于相对位姿进行实时调控，进行检测。本发明专利技术能够实现移动平台不同移动速度下，地质雷达均能够及时稳定的随动贴合于隧道内壁，保证地质雷达采集数据的质量。的质量。的质量。

【技术实现步骤摘要】
用于隧道检测的地质雷达测线选取与随动控制方法及系统


[0001]本专利技术涉及无损检测
，特别是涉及一种用于隧道检测的地质雷达测线选取与随动控制方法及系统。

技术介绍

[0002]我国大量隧道已建成并投入使用，随着使用时间的增长，其结构健康服役的重要性日渐突显，隧道结构理论设计寿命可达百年，然而在其长期服役过程中，长期环境侵蚀、结构劣化、受工程扰动、等因素共同作用，隧道运营期结构会出现管片错台、脱空、剥落、裂缝、等病害，导致隧道结构性能退化，造成隧道寿命折减，甚至引起运营事故，严重威胁结构运营安全。
[0003]针对隧道结构内部检测，目前主流的检测方式是通过人工手持地质雷达、或伸缩杆托举地质雷达的方法对基础设施结构进行巡检探测，这种方式既费时又费力，随着信息技术与自动化技术的发展，巡检机器人以其高效、智能等特点，近年来逐渐应用于隧道结构检测。然而巡检机器人在应用过程中仍然存在诸多弊端，难以满足自动化巡检的需求。
[0004]已有的隧道巡检机器人多采用各种伸缩装置搭载地质雷达进行隧道结构检测，存在以下问题：1)地质雷达依赖人工选择测线，难以自动选择目标测线位置，并无法由初始位置自动贴合到目标测线位置；2)现有地质雷达贴合方法抖动性强，尤其对于复杂表面，地质雷达难以在移动过程中以固定距离实时稳定的贴合于在隧道内壁。

技术实现思路

[0005]为了解决上述现有技术中存在的问题，本专利技术提供了用于隧道检测的地质雷达测线选取与随动控制方法及系统，能够快速完成隧道横断面内轮廓建模，并根据所建模型完成机械臂最优可调节余量的测线自动选取策略，提高了自动化程度，还能够在地质雷达随动贴合过程中减少抖动，保证地质雷达数据质量。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：用于隧道检测的地质雷达测线选取与随动控制方法，包括：设定扫描路径，基于所述扫描路径，获取隧道测距信息；根据所述隧道测距信息构建隧道横断面内轮廓模型，并通过移动平台对所述隧道横断面内轮廓模型进行修正；选取目标测线位置，根据修正后的所述隧道横断面内轮廓模型进行机械臂调节余量评估，获得最优目标测线位置；基于所述最优目标测线位置与当前位置信息进行轨迹规划，完成地质雷达的自动贴合，并根据机械臂末端传感器，实时获取地质雷达与隧道衬砌间的相对位姿，基于所述相对位姿进行实时调控，进行检测。
[0007]优选地，设定所述扫描路径，包括：根据隧道形状，以机械臂基坐标原点为中心，于所述隧道横断面所在平面设定机
械臂末端运动路径，获得所述扫描路径；其中，所述机械臂末端运动路径包括弧形、矩形路径；所述机械臂末端法兰的法线位于所述隧道横断面所在平面内，且垂直于所述设定路径。
[0008]优选地，根据所述隧道测距信息构建隧道横断面内轮廓模型，包括：通过距离检测单元获取所述隧道测距信息，并以机械臂基坐标进行建模；其中，所述隧道横断面内轮廓模型与机械臂运动于同一坐标系内；根据所述隧道横断面大小将所述路径划分为若干段，机械臂末端沿已规划的路径每移动一段采集n次隧道测距数据，并对所述隧道测距数据取平均值，同时获取此时所述机械臂各关节角的角度信息；根据传感器在机械臂末端的安装位置、机械臂参数以及传感器距离信息，建立变参数D
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H模型；根据所述D
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H模型进行正运动学求解，获得机械臂测量点坐标；将所有所述测量点坐标在同一坐标系下显示，获得所述隧道横断面内轮廓模型。
[0009]优选地，对所述隧道横断面内轮廓模型进行修正，包括：获取所述移动平台位于不同位置时前后两端距离隧道内壁的水平距离，计算所述移动平台相对于所述隧道内壁的距离和偏航角度，构建坐标变换矩阵，通过所述坐标变换矩阵对已建的所述隧道横断面内轮廓模型的测量点坐标进行坐标变换，完成对所述隧道横断面内轮廓模型的修正。
[0010]优选地，根据修正后的所述隧道横断面内轮廓模型进行机械臂调节余量评估，包括：S1.1、根据所述目标测线位置的相邻测点的坐标信息，计算得到所述目标测线位置的斜率，基于所述斜率获得目标位姿信息；S1.2、设定机械臂各关节角调节余量的上限值与下限值，并根据所述上限值和所述下限值设置评估函数和用于测线选取的评估函数参考值，根据所述目标位姿信息逆向求解，获得机械臂各关节角度，将所述机械臂各关节角度作为评估函数的输入，将输出结果与所述评估函数参考值进行比较；若所述输出结果小于等于所述评估函数参考值，则选取所述目标测线位置；若所述输出结果大于所述评估函数参考值，则选取相邻测线位置并进行评估，重复所述S1.1
‑
S1.2，直至选取到所述最优目标测线位置。
[0011]优选地，完成所述地质雷达的自动贴合，包括：根据所述最优目标测线位置的位姿信息与所述机械臂当前位姿信息进行若干次多项式轨迹规划，同时加入约束条件使所述机械臂在所建隧道横断面模型内部运动，避免与隧道内壁产生碰撞，使所述地质雷达贴合于隧道内壁。
[0012]优选地，基于所述相对位姿进行实时调控，包括：采用单闭环负反馈控制策略，将卡尔曼滤波与PID控制算法相串联，控制所述机械臂搭载所述地质雷达以固定距离随动贴合于所述隧道内壁。
[0013]优选地，控制所述机械臂搭载所述地质雷达以固定距离随动贴合于所述隧道内壁，包括：
通过距离检测单元获得地质雷达与隧道内壁间的距离x、机械臂末端工具坐标系X轴偏转角α和Y轴偏转角β；以固定时间间隔获取若干组x、α、β值，计算x、α、β值的变换速度v和加速度a；将所述x、α、β、v、a作为地质雷达状态变量，根据所述地质雷达运动状态，采用卡尔曼滤波对所述地质雷达运动状态进行预测；根据x、α、β的设定值与卡尔曼滤波后状态变量的偏差进行求解，获得所述机械臂各关节角的角度偏差，引入经典PID控制，并将所述移动平台运行速度作为参数调节的依据，根据各关节的角度偏差和移动平台运行速度控制机械臂各关节的调节速度，保证地质雷达随动贴合的稳定性与及时性。
[0014]为了实现上述目的，本专利技术还提供了一种用于隧道检测的地质雷达测线选取与随动控制系统，包括：移动平台，用于搭载机械臂，作为移动机构实现对隧道的巡检；机械臂，用于调节地质雷达位姿；夹持装置，用于安装所述地质雷达；距离检测模块，用于获取距离信息；控制模块：用于完成隧道横断面内轮廓建模，并根据隧道横断面内轮廓模型完成机械臂最优可调节余量的测线自动选取策略，以及用于地质雷达的随动控制；其中，所述机械臂安装于所述移动平台顶部，所述夹持装置安装于所述机械臂末端，所述距离检测模块安装于所述夹持装置上；所述距离检测模块包括若干传感器，且所述若干传感器采用“#”形布设方式，且传感器测量方向平行于所述机械臂末端法兰的法线方向，所述控制模块与所述移动平台、所述机械臂和所述距离检测模块并行连接。
[0015]优选地，所述控制模块包括：扫描路径设定单元，用于根据隧道横断面的形状，设定机械臂进行隧道横断面建模的扫描路径；建模控制和模型数据处理单元，用于控制机械臂沿所述扫描路径运动，通过所述距离检测模块获本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于隧道检测的地质雷达测线选取与随动控制方法，其特征在于，包括：设定扫描路径，基于所述扫描路径，获取隧道测距信息；根据所述隧道测距信息构建隧道横断面内轮廓模型，并通过移动平台对所述隧道横断面内轮廓模型进行修正；选取目标测线位置，根据修正后的所述隧道横断面内轮廓模型进行机械臂调节余量评估，获得最优目标测线位置；基于所述最优目标测线位置与当前位置信息进行轨迹规划，完成地质雷达的自动贴合，并根据机械臂末端传感器，实时获取地质雷达与隧道衬砌间的相对位姿，基于所述相对位姿进行实时调控，进行检测。2.根据权利要求1所述的用于隧道检测的地质雷达测线选取与随动控制方法，其特征在于，设定所述扫描路径，包括：根据隧道形状，以机械臂基坐标原点为中心，于所述隧道横断面所在平面设定机械臂末端运动路径，获得所述扫描路径；其中，所述机械臂末端运动路径包括弧形、矩形路径；所述机械臂末端法兰的法线位于所述隧道横断面所在平面内，且垂直于设定路径。3.根据权利要求1所述的用于隧道检测的地质雷达测线选取与随动控制方法，其特征在于，根据所述隧道测距信息构建隧道横断面内轮廓模型，包括：通过距离检测单元获取所述隧道测距信息，并以机械臂基坐标进行建模；其中，所述隧道横断面内轮廓模型与机械臂运动于同一坐标系内；根据所述隧道横断面大小将所述路径划分为若干段，机械臂末端沿已规划的路径每移动一段采集n次隧道测距数据，并对所述隧道测距数据取平均值，同时获取此时所述机械臂各关节角的角度信息；根据传感器在机械臂末端的安装位置、机械臂参数以及传感器距离信息，建立变参数D
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H模型；根据所述D
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H模型进行正运动学求解，获得机械臂测量点坐标；将所有所述测量点坐标在同一坐标系下显示，获得所述隧道横断面内轮廓模型。4.根据权利要求1所述的用于隧道检测的地质雷达测线选取与随动控制方法，其特征在于，对所述隧道横断面内轮廓模型进行修正，包括：获取所述移动平台位于不同位置时前后两端距离隧道内壁的水平距离，计算所述移动平台相对于所述隧道内壁的距离和偏航角度，构建坐标变换矩阵，通过所述坐标变换矩阵对已建的所述隧道横断面内轮廓模型的测量点坐标进行坐标变换，完成对所述隧道横断面内轮廓模型的修正。5.根据权利要求1所述的用于隧道检测的地质雷达测线选取与随动控制方法，其特征在于，根据修正后的所述隧道横断面内轮廓模型进行机械臂调节余量评估，包括：S1.1、根据所述目标测线位置的相邻测点的坐标信息，计算得到所述目标测线位置的斜率，基于所述斜率获得目标位姿信息；S1.2、设定机械臂各关节角调节余量的上限值与下限值，并根据所述上限值和所述下限值设置评估函数和用于测线选取的评估函数参考值，根据所述目标位姿信息逆向求解，
获得机械臂各关节角度，将所述机械臂各关节角度作为评估函数的输入，将输出结果与所述评估函数参考值进行比较；若所述输出结果小于等于所述评估函数参考值，则选取所述目标测线位置；若所述输出结果大于所述评估函数参考值，则选取相邻测线位置并进行评估，重复所述S1.1
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S1.2，直至选取到所述最优目标测线位置。...

【专利技术属性】
技术研发人员：王正方，万玉壮，王静，隋青美，李振鹏，贾磊，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：