一種大型罐體巡檢機器人的軌跡自規劃系統和方法與流程

2023-08-11 15:23:59 2

1.本發明涉及巡檢機器人技術領域，具體是一種大型罐體巡檢機器人的軌跡自規劃系統和方法。


背景技術：

2.大型罐體容器和管道在工業上應用廣泛，在化工、管道運輸、冶煉等領域中都是重要角色。在長時間的使用下，罐體難免會出現損傷，例如，對於冶煉失重稱量罐體、大型壓力容器、腐蝕性物料容器等，在罐體經歷較大壓力、腐蝕性液體和氣體作用時，由於某處缺陷未被檢測修復，極易引發爆炸、有毒物質洩露等重大安全事故。
3.罐體的發展將會越來越大型化，人工檢測不僅勞動強度過大，工作環境惡劣，而且檢測的精確度也不能保證，對於狹小或者過高的空間工人無法完成工作，應用無損檢測，配合巡檢機器人可以使立式罐體檢測智能化。目前，對於軌跡規劃的巡檢機器人，大多需要對檢測環境進行掃描或者預設，然後生成的二維地圖進行軌跡規劃，不僅控制複雜而且定位精度存在一定誤差，在定位出現誤差的情況下，則會導致到機器人無法繼續導航，故應避免通過定位來進行軌跡規劃。


技術實現要素：

4.本發明的目的在於提供一種大型罐體巡檢機器人的軌跡自規劃系統和方法，以解決上述背景技術中提出的問題。
5.為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：
6.一種大型罐體巡檢機器人的軌跡自規劃系統，所述系統包括大型罐體巡檢機器人，所述大型罐體巡檢機器人包括：
7.主體裝置；
8.從體裝置；
9.電磁吸附裝置，所述電磁吸附裝置安裝於所述主體裝置和從體裝置底部；
10.連接裝置，所述連接裝置位於主體裝置和從體裝置之間，用於連接主體裝置和從體裝置；
11.所述系統還包括：
12.驅動模塊，所述驅動模塊採用差速轉向，安裝在所述主體裝置和從體裝置兩側；
13.圖像採集模塊，所述圖像採集模塊安裝在所述主體裝置的前部，用於採集焊縫圖像；
14.檢測模塊，所述檢測模塊安裝在所述從體裝置後端頂部，搭載渦流傳感器和超聲波傳感器，用於檢測焊縫缺陷和罐體缺陷；
15.控制模塊，所述控制模塊安裝在所述主體裝置內部，用於接收、處理各個模塊的信息並控制機器人運動。
16.作為本發明進一步的方案：所述電磁吸附裝置包括若干電磁吸附單元，所述電磁
吸附單元通過螺栓固定連接在主體裝置或從體裝置上，所述電磁吸附單元中的磁體採用電磁體，所述電磁吸附單元包括一個吸引線圈和鐵芯，通電後吸引線圈產生磁場。
17.作為本發明進一步的方案：所述連接裝置包括第一構件、第二構件、被動關節一、被動關節二和被動關節三，所述第二構件通過被動關節三與所述從體裝置連接，所述第一構件與第二構件通過被動關節二連接，所述第一構件通過被動關節一與主體裝置連接，所述被動關節一可以在x-y平面轉動，所述被動關節二可以在x-z平面轉動，所述被動關節三可以在y-z平面轉動。
18.作為本發明進一步的方案：所述驅動模塊為輪式移動機構，內部裝有編碼器，所述驅動模塊共八個，主體裝置和從體裝置兩側分別安裝有四個，主體裝置後兩輪和從體裝置後兩輪為驅動輪，驅動模塊與主體裝置和從體裝置通過被動關節相連接可以在y-z平面轉動。
19.作為本發明進一步的方案：所述圖像採集模塊包括兩個線性雷射發射器和一個ccd相機，採用直射－斜接收式安裝在圖像採集模塊內部。
20.作為本發明進一步的方案：所述控制模塊包括主體控制模塊和從體控制模塊，主體控制模塊處理傳感器反饋的信息，並向從體控制模塊發送延遲信號，主體控制模塊控制主體驅動模塊，從體控制模塊根據延遲信號控制從體驅動模塊。
21.本發明實施例的另一目的在於提供一種大型罐體巡檢機器人的軌跡自規劃方法，包括以下步驟：
22.s1、系統初始化選擇軌跡自規劃巡檢模式；
23.s2、選擇巡檢模式一，軌跡自規劃步驟如下：
24.a1、圖像採集，圖像採集模塊採集機器人運動前方的焊縫圖像，並將圖像傳輸至控制模塊；
25.a2、圖像預處理，控制模塊將接收到的焊縫圖像進行預處理；
26.a3、中心線提取，使用八鄰域模板檢測預處理後圖像中所有像素點，若檢測到的像素點為8simple，且此點不孤立，若此點為邊界點則刪除該點，以此進行多次迭代，最終得到中心線；
27.a4、特徵點提取，將中心線圖像平面中所有的有效像素點都轉換到參數平面，確定霍夫擬合直線中的直線參數，根據圖像中的點坐標，聯合直線參數可以在參數平面內擬合出兩條直線，通過兩條直線的直線方程可得兩直線交點，即為特徵點；
28.a5、規劃運動軌跡，將多幀圖像所得的特徵點坐標轉換為世界坐標系，並使用最小二乘法擬合實現焊縫軌跡規劃。
29.a6、巡檢運動，控制模塊根據軌跡控制電機運動，利用編碼器定位和調整機器人位姿；
30.a7、上傳缺陷信息，巡檢運動的過程中，渦流傳感器持續工作，在檢測到缺陷時，控制模塊通過編碼器來獲取定位信息，並將定位信息傳給上位機；
31.s3、選擇巡檢模式二，軌跡自規劃步驟如下：
32.a1、指定起始點位置坐標，調整機器人側面與水平面夾角為零度；
33.a2、直線運動，機器人吸附在罐上直線運動，通過編碼器調整位姿和保持勻速；
34.機器人繞罐底直線運動定位的方法如下：
35.計算驅動輪運動距離δd
l
、δdr，計算在一個採樣之間周期內左右兩輪的脈衝數n
l
、nr，並以此計算在一個採樣周期內兩輪的運動距離；
36.δd
l
＝2πrn
l1
；
37.δdr＝2πrn
r1
；
38.式中，r表示輪子半徑，δd
l
運動距離，δd
l
運動距離
39.計算機器人運動距離和偏移角度δd和δθ，
40.δd＝(δd
l
+δdr)/2；
41.δθ＝(δd
l-δdr)/α；
42.式中，α表示兩輪間距；
43.通過機器人行走的距離δd，可知機器人相對初始位置的位置；
44.a3、靜止轉向，控制模塊通過編碼器得知機器人已經繞罐底一周，停止運動，進行原地旋轉使機器人側面與水平面夾角為
45.機器人得到繞罐底一周信號方法如下：
46.當δd＝罐底周長s時，機器人完成繞罐底一周運動；
47.得到旋轉度方法如下：
48.建立旋轉角計算方法：
[0049][0050]
式中，p表示同一平面內兩條相鄰軌跡的軸向距離；
[0051]
輸入機器人寬l和罐體直徑d，計算可得可得機器人旋轉角度和兩條相鄰軌跡的軸向距離p；
[0052]
a4、螺旋運動，控制模塊通過角度傳感器得知機器人完成旋轉，此時機器人側面與水平面有夾角開始繞罐體的螺旋運動；
[0053]
機器人繞罐體螺旋運動的定位方法如下:
[0054]
通過下列方程可以計算出完成螺旋一周運動的時間t和運行一周所行走的距離d
[0055][0056]
式中，d表示機器人完成螺旋一周運動的行走距離，v表示機器人勻速移動的速度；
[0057]
通過計算機器人運行時間t與完成螺旋一周運動時間t的比值來確定機器人在某時刻的具體位置：
[0058][0059]
式中，n為整數表示t和t相除的商，m表示t和t相除的餘數；
[0060]
若t和t相除沒有餘數，則機器人在初始位置軸向距離np位置處；
[0061]
若t和t相除有餘數，將餘數m代入中的時間t，可以得到機器人在距離初始位置軸向距離np+h的圓周β某處；
[0062]
將餘數m代入中的t，可以的得到機器人在距離初始位置橫向距離為l的直線a上；
[0063]
則機器人的具體位置就在直線a和圓周β的交點處；
[0064]
a5、靜止轉向，控制模塊通過定位得知，機器人距離起點的軸向距離等於罐體高度h減去車身長l時，則停止運動，並進行原地旋轉使機器人側面與水平面夾角為零；
[0065]
a6、直線運動，機器人吸附在罐體上直線運動，進行實時定位，繞罐頂一周後停止運動；
[0066]
a7、上傳缺陷信息，巡檢運動的過程中，超聲波傳感器持續工作，在檢測到缺陷時，控制模塊將定位信息傳給上位機。
[0067]
作為本發明進一步的方案：所述巡檢模式一中控制模塊將接收到的焊縫圖像進行預處理的步驟包括：圖像灰度化，把圖像中各點的rgb分量對應提取出來，通過平均值法r＝g＝b＝1/3(r+g+b)，對三個分量進行操作就可以實現圖像灰度化；圖像濾波，使用根據高斯正態分布曲線統計鄰域內各像素點的灰度值，並分配相應的權值係數建立的高斯濾波模板，對圖像進行濾波處理；圖像分割，設原灰度圖像為f(x,y)，通過某種規則選擇一個值t作為分割閾值，比較各像素點灰度值與t的大小關係把灰度值圖像f(x,y)變成一幅二值圖像g(x,y)。
[0068]
作為本發明進一步的方案：所述巡檢模式一中特徵點坐標(x，y)轉換為世界坐標系(x，y，z)，變換關係s如下：
[0069][0070]
式中，m為ccd相機的內參矩陣，r為ccd相機的旋轉矩陣，t為平移向量。
[0071]
作為本發明進一步的方案：所述巡檢模式一和巡檢模式二中通過編碼器調整位姿，過輪式編碼器測量左右輪速度vr和v
l
，基於差速運動模型得出運動狀態模型為：
[0072][0073]
對於機器人的運動狀態量進行積分可得機器人位姿信息模型：
[0074][0075]
式中，θ為航向角，ω為旋轉軸角速度，l為左右兩車輪之間的寬度，vr為右車輪轉速，v
l
為左車輪轉速。
[0076]
作為本發明進一步的方案：所述巡檢模式二中，機器人靜止調整角度的方法如下：通過角度傳感器得出機器人角度值和指令角度值的誤差，將角度值誤差值和角度誤差值的變化率作為輸入，通過模糊pid來控制繼機器人轉向，其運算過程如下：
[0077][0078]
式中，u(t)表示輸出的控制量，θ(t)表示角度誤差值。
[0079]
與現有技術相比，本發明的有益效果是：本發明能夠使機器人靈活的在不同半徑的曲面上進行工作，八個驅動機構可以實現不同角度的旋轉，能夠實現在螺旋上升運動中曲面的自適應，相比於單體巡檢機器人，適應曲面半徑範圍更大，吸附能力更大，適應性更強，靈活性更好，負載能力更強，續航時間更長；
[0080]
本發明實現的一種罐體巡檢機器人軌跡自規劃方法包括兩種巡檢模式，一種利用雷射傳感器檢測焊縫，通過控制模塊生成運動軌跡，完成焊縫跟蹤巡檢，通過編碼器的裡程來進行定位；另一種是對於罐體進行螺旋運動巡檢，利用編碼器反饋給控制模塊機器人運動的時間、距離和初始位置來進行定位，通過輸入罐體的直徑和機器人的寬度，控制模塊可以計算得出開始螺旋運動時機器人的旋轉角度，完成巡檢和定位工作；相比於需要對檢測環境進行掃描或者預設，然後生成的二維地圖進行軌跡規劃的方法，本發明不需要進行地圖預設，同時利用編碼器反饋的時間和距離加上本發明的計算公式提高了定位精度，杜絕了定位影響機器人無法導航的現象，減少了工作量，降低了控制難度，提高了工作效率。
附圖說明
[0081]
圖1為本發明的一種大型罐體巡檢機器人的立體結構示意圖。
[0082]
圖2為本發明的一種大型罐體巡檢機器人的仰視圖。
[0083]
圖3為本發明的一種大型罐體巡檢機器人的軌跡自規劃方法流程圖。
[0084]
圖4為本發明的一種大型罐體巡檢機器人的軌跡自規劃方法模式一流程圖。
[0085]
圖5本發明的一種大型罐體巡檢機器人的軌跡自規劃方法模式二流程圖。
[0086]
圖6本發明的一種大型罐體巡檢機器人的螺旋軌跡定位示意圖。
[0087]
附圖標記注釋：1-主體裝置；2-從體裝置；3-檢測模塊；4-被動關節三；5-第二構件；6-連接裝置；7-被動關節二；8-第一構件；9-被動關節一；10-驅動模塊；11-採集模塊；12-被動關節；13-電磁吸附裝置。
具體實施方式
[0088]
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例的附圖，對本發明實施例的技術方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。
[0089]
在本發明的描述中，需要理解的是，術語「底」、「前」、「頂」、「後」、「中」、「內」、等指示方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的組件或元件必須具有特定的方位，以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
[0090]
實施例1。
[0091]
如圖1和2所示，示出了本實施例的大型罐體巡檢機器人的軌跡自規劃系統，所述系統包括大型罐體巡檢機器人，所述大型罐體巡檢機器人包括：包括主體裝置1、從體裝置2、電磁吸附裝置13、連接裝置6、所述系統還包括：驅動模塊10、圖像採集模塊11、檢測模塊3、控制模塊，所述控制模塊在附圖中未示出，電磁吸附裝置13安裝於所述主體裝置1和從體裝置2底部；連接裝置6位於主體裝置1和從體裝置2之間，用於連接主體裝置1和從體裝置2；驅動模塊10採用差速轉向，安裝在所述主體裝置1和從體裝置2兩側；圖像採集模塊11安裝在所述主體裝置1的前部，用於採集焊縫圖像；檢測模塊3安裝在所述從體裝置2後端頂部，搭載渦流傳感器和超聲波傳感器，用於檢測焊縫缺陷和罐體缺陷；控制模塊安裝在所述主體裝置1內部，用於接收、處理各個模塊的信息並控制機器人運動；
[0092]
電磁吸附裝置13包括若干電磁吸附單元，電磁吸附單元通過螺栓固定連接在主體裝置1或從體裝置2上，電磁吸附單元中的磁體採用電磁體，電磁吸附單元包括一個吸引線圈和鐵芯，通電後吸引線圈產生磁場，使機器人在罐體上運動時不會滑移和掉落。
[0093]
連接裝置6包括第一構件8、第二構件5、被動關節一9、被動關節二7和被動關節三4，第二構件5通過被動關節三4與從體機架2連接，第一構件8與第二構件5通過被動關節二連接，第一構件8通過被動關節一與主體裝置1連接，被動關節一可以在x-y平面轉動，被動關節二7可以在x-z平面轉動，被動關節三4可以在y-z平面轉動，使機器人可以在x-y平面、x-z平面、y-z平面自由轉動，能夠適應一定範圍的曲面罐體且能夠自由轉向。
[0094]
驅動模塊10為輪式移動機構，內部裝有編碼器，驅動模塊10共八個，主體裝置1和從體裝置2兩側分別安裝有四個，主體裝置1後兩輪和從體裝置2後兩輪為驅動輪，驅動模塊與主體裝置和從體裝置通過被動關節12相連接可以在y-z平面轉動，使機器人兩側接觸的罐體半徑不同或螺旋運動時，能夠更好適應曲面，保證與曲面的貼合度，提高機器人的吸附能力和摩擦力。
[0095]
圖像採集模塊11包括兩個線性雷射發射器和一個ccd相機，採用直射－斜接收式安裝在圖像採集模塊11內部。通過圖像採集模塊採集的圖像信息，在控制模塊中擬合運動軌跡。
[0096]
檢測模塊3上面可以搭載渦流傳感器和超聲波傳感器，在機器人進行巡檢過程中，傳感器始終工作在檢測到缺陷時會反饋給控制模塊，控制模塊將定位傳輸給上位機。
[0097]
控制模塊包括主體控制模塊和從體控制模塊，主體控制模塊處理傳感器和編碼器反饋的信息，並向上位機傳輸定位信息。在直線運動時主體控制模塊和從體控制模塊同步控制主體驅動模塊和從體驅動模塊，在轉向時主體控制模塊控制主體驅動模塊先完成轉向，在將轉向信號發送給從體控制模塊，從而控制從體驅動模塊轉向。
[0098]
實施例2
[0099]
如圖3-5所示，示出了本實施例的大型罐體巡檢機器人的軌跡自規劃方法，具體步驟如下：
[0100]
s1、系統初始化選擇軌跡自規劃巡檢模式；
[0101]
s2、選擇巡檢模式一，軌跡自規劃步驟如下:
[0102]
a1、圖像採集，圖像採集模塊採集機器人運動前方的焊縫圖像，並將圖像傳輸至控制模塊；
[0103]
a2、圖像預處理，控制模塊將接收到的焊縫圖像進行預處理，圖像預處理的步驟包括：圖像灰度化，把圖像中各點的rgb分量對應提取出來，通過平均值法r＝g＝b＝1/3(r+g+b)，對三個分量進行操作就可以實現圖像灰度化；圖像濾波，使用根據高斯正態分布曲線統計鄰域內各像素點的灰度值，並分配相應的權值係數建立的高斯濾波模板，對圖像進行濾波處理；圖像分割，設原灰度圖像為f(x,y)，通過某種規則選擇一個值t作為分割閾值，比較各像素點灰度值與t的大小關係把灰度值圖像f(x,y)變成一幅二值圖像g(x,y)。
[0104]
a3、中心線提取，使用八鄰域模板檢測預處理後圖像中所有像素點，若檢測到的像素點為8simple，且此點不孤立，若此點為邊界點則刪除該點，以此進行多次迭代，最終得到中心線；
[0105]
a4、特徵點提取，將中心線圖像平面中所有的有效像素點都轉換到參數平面，確定霍夫擬合直線中的直線參數，根據圖像中的點坐標，聯合直線參數可以在參數平面內擬合出兩條直線，通過兩條直線的直線方程可得兩直線交點，即為特徵點；
[0106]
a5、規劃運動軌跡，將多幀圖像所得的特徵點坐標轉換為世界坐標系，所述巡檢模式一中特徵點坐標(x，y)轉換為世界坐標系(x，y，z)，變換關係s如下：
[0107][0108]
式中，m為ccd相機的內參矩陣，r為ccd相機的旋轉矩陣，t為平移向量。
[0109]
並使用最小二乘法擬合實現焊縫軌跡規劃。
[0110]
a6、巡檢運動，控制模塊根據軌跡控制電機運動，利用編碼器定位和調整機器人位姿輪式編碼器測量左右輪速度vr和v
l
，基於差速運動模型得出運動狀態模型為：
[0111][0112]
對於機器人的運動狀態量進行積分可得機器人位姿信息模型：
[0113][0114]
式中，θ為航向角，ω為旋轉軸角速度，l為左右兩車輪之間的寬度，vr為右車輪轉速，v
l
為左車輪轉速；
[0115]
a7、上傳缺陷信息，巡檢運動的過程中，渦流傳感器持續工作，在檢測到缺陷時，控制模塊通過編碼器來獲取定位信息，並將定位信息傳給上位機；
[0116]
s3、選擇巡檢模式二，軌跡自規劃步驟如下:
[0117]
a1、指定起始點位置坐標，調整機器人側面與水平面夾角為零度；
[0118]
a2、直線運動，機器人吸附在罐上直線運動，通過編碼器調整位姿和保持勻速；
[0119]
機器人繞罐底直線運動定位的方法如下：
[0120]
計算驅動輪運動距離δd
l
、δdr，計算在一個採樣之間周期內左右兩輪的脈衝數n
l
、nr，並以此計算在一個採樣周期內兩輪的運動距離；
[0121]
δd
l
＝2πrn
l1
；
[0122]
δdr＝2πrn
r1
；
[0123]
式中，r表示輪子半徑，δd
l
運動距離，δd
l
運動距離
[0124]
計算機器人運動距離和偏移角度δd和δθ，
[0125]
δd＝(δd
l
+δdr)/2；
[0126]
δθ＝(δd
l-δdr)/α；
[0127]
式中，α表示兩輪間距；
[0128]
通過機器人行走的距離δd，可知機器人相對初始位置的位置；
[0129]
a3、靜止轉向，控制模塊通過編碼器得知機器人已經繞罐底一周，停止運動，進行原地旋轉使機器人側面與水平面夾角為
[0130]
機器人得到繞罐底一周信號方法如下：
[0131]
當δd＝罐底周長s時，機器人完成繞罐底一周運動；
[0132]
得到旋轉度方法如下：
[0133]
建立旋轉角計算方法：
[0134][0135]
式中，p表示同一平面內兩條相鄰軌跡的軸向距離；
[0136]
輸入機器人寬l和罐體直徑d，計算可得可得機器人旋轉角度和兩條相鄰軌跡的軸向距離p；
[0137]
a4、螺旋運動，控制模塊通過角度傳感器得知機器人完成旋轉，此時機器人側面與
水平面有夾角開始繞罐體的螺旋運動；
[0138]
如圖6所示，機器人繞罐體螺旋運動的定位方法如下:
[0139]
通過下列方程可以計算出完成螺旋一周運動的時間t和運行一周所行走的距離d
[0140][0141]
式中，d表示機器人完成螺旋一周運動的行走距離，v表示機器人勻速移動的速度；
[0142]
通過計算機器人運行時間t與完成螺旋一周運動時間t的比值來確定機器人在某時刻的具體位置：
[0143][0144]
式中，n為整數表示t和t相除的商，m表示t和t相除的餘數；
[0145]
若t和t相除沒有餘數，則機器人在初始位置軸向距離np位置處；
[0146]
若t和t相除有餘數，將餘數m代入中的時間t，可以得到機器人在距離初始位置軸向距離np+h的圓周β某處；
[0147]
將餘數m代入中的t，可以的得到機器人在距離初始位置橫向距離為l的直線a上；
[0148]
則機器人的具體位置就在直線a和圓周β的交點處；
[0149]
a5、靜止轉向，控制模塊通過定位得知，機器人距離起點的軸向距離等於罐體高度h減去車身長l時，則停止運動，並進行原地旋轉使機器人側面與水平面夾角為零；
[0150]
a6、直線運動，機器人吸附在罐體上直線運動，進行實時定位，繞罐頂一周後停止運動；
[0151]
a7、上傳缺陷信息，巡檢運動的過程中，超聲波傳感器持續工作，在檢測到缺陷時，控制模塊將定位信息傳給上位機。
[0152]
機器人靜止調整角度的方法如下：通過角度傳感器得出機器人角度值和指令角度值的誤差，將角度值誤差值和角度誤差值的變化率作為輸入，通過模糊pid來控制繼機器人轉向，其運算過程如下：
[0153][0154]
式中，u(t)表示輸出的控制量，θ(t)表示角度誤差值。
[0155]
對於本領域技術人員而言，顯然本發明不限於上述示範性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特徵的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示範性的，而且是非限制性的，本發明的範圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和範圍內的所有
變化囊括在本發明內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。
[0156]
此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但並非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。