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CCTV管道机器人的原理
来源: | 作者:pro2c23ee | 发布时间: 2017-07-22 | 571 次浏览 | 分享到:
对于轮式排水管道机器人,除了从结构设计,材料选型需要下功夫之外,主要的科学问题在于建立轮式机器人在圆管中的运动学模型,并设计相应的控制算法,使机器人能够自主行驶作业
      70年代,石油、化工、天然气及核工业的发展及管道维护的需要刺激了管内机器人的研究。一般认为,法国的J. VR`ERTUT最早开展管内机器人理论与样机的研究,他于1978年提出了轮腿式管内行走机构模型IPRIVO 80年代日本的福田敏男、细贝英实、冈田德次、屈正幸、福田镜二等人充分利用法、美等国的研究成果和现代技术,开发了多种结构的管内机器人。韩国成均馆大学的Hyouk R. C.等人研制了天然气管道检测机器人MRINSPECT系列。我国管内机器人技术的研究己有20余年的历史,哈尔滨工业大学、中国科学院沈阳自动化研究所、上海交通大学、清华大学、浙江大学、北京石油化工学院、天津大学、太原理工大学、大庆石油管理局、胜利油田、中原油田等单位进行了这方面的研究工作。对于管道机器人的研究,以前对多轮支撑结构的研究较多,才研究传统轮式移动机器人直接用在圆形管道的检测和维护。空间多轮结构的管内机器人的轮子与壁面接触时,接触点与轮心的连线在柱面的半径方向上,并且轮子的行驶方向与柱面的母线平行,这是单个轮子在管道曲面上位姿的一种特殊情况。轮式移动机器人在管道中运行时,由于管道尺寸大小不、具有弯道和“T”型接头等,轮式移动机器人的每一个轮子在管道中的位姿是不可预测的产轮子的轴线方向可能不垂直于圆管的半径方向,所以有必要分析单个轮子在圆管曲面上任意位姿时满足纯滚动和无侧滑条件下的运动学特性。对于轮式管道机器人在实际应用过程沪遇到的问所譬如在弯管,和不规则管道时发生运动干涉,由于内耗造成的驱动力不足,由于壁面的变形万以及机器人本身的误差,导致机器人在管道中偏离正确的姿态,甚至侧翻和卡死这些问题。国内外的研究人员主要从结构上,如采用差速器、柔性联接等方面进行解决,但这会使结构更加复杂,增加成本。

      对于轮式管道机器人,精确的运动学模型是实现精确运动控制的基础。对单个轮子、轮式移动机器人在管道曲面上的运动学特性及控制理论方面分析很少,需要建立一套关于轮式管道机器人运动学的理论。
Campion等人在前人研究成果的基础上,对轮式移动机器人在水平平整路面上的运动学与动力学模型进行了分析,总结了四种状态空间模型:二位姿运动学模型,位形运动学模型,位姿动力学模型,位形动力学模型。Karl Iagnemma等人分析了轮子与地面不是刚性条件下,地面为不规则路面时,轮子与地面的各种接触情况,一建立不厂套基于轮子与地面接触特性的模型理论。但上述模型前提假设是轮子和地面是不可变形的,地面是规则的水平路面。当轮式移动机器人运行在圆管中时,由于圆管管内环境是三维的曲面环境,轮式移动机器人实际运行在一个空间曲面上,所以上述模型不能应用于圆管中的轮式移动机器人。

      由于轮式清污机器人在圆管中作业时运行在三维的空间中,其运动学模型和平面上轮式移动机器人的运动学模型完全不同,需要在考虑几何约束和速度约束的前提下,分析轮式移动机器人的控制输入与机器人位姿坐标变化之间的关系,建立其运动学模型。日前,国内外轮式管道机器人的研究热点主要是提高轮式管道机器人的可控性、通过性,机器人朝着自主行驶作业的方向发展。虽然很多学者从结构方面提高了机器人的性能,但对轮式移动机器人在圆管中的运动控制论方面还缺乏深入系统的分析。所以需要根据该运动学模型,设计相应的算法,使机器人在圆中实现稳定控制为满足工程应用的需要。

对于轮式排水管道机器人,除了从结构设计,材料选型需要下功夫之外,主要的科学问题在于建立轮式机器人在圆管中的运动学模型,并设计相应的控制算法,使机器人能够自主行驶作业,也能够根据姿态信息,手工操作控制其保持水平行驶作业,不出现侧翻、卡死、驱动力不足,有良好的可控性。

     为了建立轮式机器人在圆管中的运动学模型,解决以下4个问题,并设计相应的运动控制算法从理论上需要解决:
(1) 单个轮子在管道曲面上的任意位姿时轮心的瞬时速度,轮心的轨迹单个轮子在管道中运动学特性的科学问题在于对其位姿的描述卜以及其在满足纯滚动和无侧滑条件下轮心的速度。
(2) 分析轮式移动机器人在管道曲面的几何约束,推导出6个位姿坐标之间的关系
轮式机器人在管道中运行在三维的柱面环境中,其位姿坐标从平面上的3维变成了空间的6维。但由于机器人在管道中运行时,具有特定的几何约束tY这6个位姿坐标并不是互相独立的,所以有必要推导出这6个位姿坐标之间的关系。
(3) 建立轮式移动机器人在圆管曲面上的运动学模型,推导运动学模型的难点在于如何建立控制输天与位姿坐标变化率之间的关系。机器人的控制输入直接影响轮心的速度,而轮心确定了机器人刚体的速度,所以需要分析机器人刚体与轮心速度之间的关系。这一问题的实质在于推导机器人瞬时螺旋运动参数和控制输入的关系,导机器人的位姿变化率与控制输入之间的关系。
(4) 根据运动学模型和作业要求卜设计相应的控制率,使机器人在管道中能够保持水平行驶,根据已经建立的运动学模型,把姿态角作为状态变量,通过姿态传感器的反馈,设计相应的控制率,控制机器人在管道中按照要求的姿态行驶。运动学模型主要用来设计控制率和运用李雅普诺夫(Lyapunov)函数对其进行稳定性分析。