光传输管道清洗机器人控制系统设计与研究.pdf
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1、1 l 0 机 械 设 计 与制 造 M a c h i n e r y De s i g n&Ma n u f a c t u r e 第 2期 2 0 1 6年 2月 光传输管道清洗机器人控制 系统设计与研究 刘 雷, 赵吉宾, 陈月玲, 刘殿海 ( 中国科学院 沈阳自动化研究所, 辽宁 沈阳l 1 0 0 1 6 ) 摘要: 在对光传输管道的结构特点进行调研分析基础上, 对用于清洗此类管道的机器人控制系统进行了研究。设计了 包括视觉系统和机器人行走控制两部分的运动控制 系统。视觉系统负责采集数据并对数据进行处理后计算机器人的偏 移量和偏移角度;机器人行走控制主要由纠偏控制与舵角控制两部分
2、构成,形成一个以舵角为被控对象的闭环控制系 统, 基于视觉系统实时获取的偏差信息, 通过控制算法进行在线实时纠偏, 不断消除位姿偏差达到机器人跟随管道 中心 线的目的。该机器人运动过程匀速、 平稳, 结构简单, 控制灵活, 系统工作稳定, 在直线行走过程 中, 行走 1 0 m后机器人距 离中心偏差l c m, 其为进一步对光传输管道的污染控制进行研究提供了平台。 关键词: 光传输; 管道清洗机器人; 控制系统 中图分 类号 : T H1 6 ; T P 2 7 3 文献标识 码 : A 文章编号 : 1 0 0 1 3 9 9 7 ( 2 0 1 6 ) 0 2 0 1 1 0 0 3 Re
3、 s e a r c h a n d De s i g n o f Op t i c a l Tr a n s mi s s i o n Pi p e l i n e Cl e a n i n g Ro b o t Co n t r o l S y s t e m L I U L e i ,Z HAO J i - b i n ,CHE N Y u e - l i n g ,L I U Di a n - h a i ( S h e n y a n g I n s t i t u t e o f A u t o ma t i o n , C h i n e s e A c a d e m y o
4、f S c i e n c e s , L i a o n i n g S h e n y a n g 1 1 0 0 1 6 , C h i n a ) A b s t r a c t : B a s e d o n t h e a n a l y s i s o f o p t i c a l t r ans m i s s i o n p i p e l i n e s s t r u c t u r e i t d e v e l o p e d a s p e c ifi c al c l e a n i n g r o b o t f o r t h e p i p e l i n
5、 e I t ma i n l y i n t r o d u c e d t h e c l e a n i n g r o b o t c o n t r o l s t r a t e g y a n d h a r d wa r e d e s i g Th i s s y s t e m i s d i v i d e d i n t o v i s u al s y s t e m a n d r o b o t c o n t r o L V i s u al s y s t e m i s r e s p o n s i b l e f o r c o l l e c t i
6、n g d at a and d e al i n g w i t h d at a c o l l e c t e d q f t e r c al c u l ati n g t h e o f f s e t oft h e r o b o t ; w al k i n g c o n t r o l i s m a i n l y c o m p o s e d o f d e v i a t i o n a n d r u d d e r c o n t r o l , f o r mi n g a r u d d e r a n g l e a 3 t h e c o n t r
7、o l l e d o b j e c t of c l o s e d l o o p c o n t r o l s t e m b ase d o n v is u al s y s t e m, t h e d e v i a t i o n of r e a l - t i m e a c c e s s t o i n f o r m ati o n t h r o u g h o n - l i n e r e al- t i m e c o r r e c t i o n c o n t r o l a l g o r i t h m, t o e l i mi n ate c
8、 o n s t a n t l y p o s i t i o n d e v i ati o n t o f o l l o w t h e c e n t e r l i n e I n t h e p r o c e s s ofw a l k s t r a i g h t , e r t h e r o b o t w al k i n g 1 0 m,d e v i a t i o n f r o m t h e c e n t e r l i n e i s l c m o r l e s s T h e r o b o t h a s s i m p l e s t r u
9、c t u r e , fle x i b l e c o n t r o l , s y s t e m s t a b i l i t y h p r o v i d e s a p l a tf o r mf o r f u r t h e r r e s e a r c h o fo p t i c al t r a n s mi s s i o n p ip e l i n e S p o l l u t i o n c o n t r o l K e y W o r d s : Op t i c a l Tr a n s mi s s i o n ; Pi p e l i n e
10、Cl e a n i n g Ro b o t ; Co n t r o l S y s t e m 1 引言 高功率激光装置中的大部分透镜和反射镜以及承载这些光 学元件的金属框架都暴露在光传输管道内。 尽管光传输管道内部 的光学元件都经过在百级环境中清洗、 装校和运行, 但经过打靶 后, 光传输管道内部的环境会出现恶化的情况。长期使用会导致 光学元件表面沉积大量的污染物 , 表面洁净度急剧劣化并导致光 学元件损伤fl l。笔者所在的课题组针对光传输管道安装完毕后很 难将其拆卸进行离线清洗的情况, 研制了一种新型光传输管道清 洗机器人, 用于对光传输管道进行在线洁净处理。这里重点介绍 这种新型
11、光传输管道清洗机器人的控制系统, 实验表明本控制系 统稳定性好,能够控制机器人较好的跟随管道中心线前进后退 , 具有较快的响应速度。 2光传输管道清洗机器人总体设计 光传输管道清洗机器人主要由移动平台、吸尘设备以及视 觉测量系统构成,为实现机器人在管道内保持高精度的直线行 走, 经过研究比较后, 选择车式移动方式。 这种方式驱动与转向机 构独立【2 _ , 有利于保证机器人在管道内沿管道中心线行走的精 度。 管道清洗机器人的控制与一般工业控制不同,由于其体积 受到管道直径限制, 且金属管道对无线电波有屏蔽作用 , 所以本 设计采用有线遥控方式, 机器人的运动载体拖带线缆深入管道进 行作业。为了
12、减少车体负重, 本设计中将电控系统分为车载电路 和控制箱两部分, 两者由多芯电缆相连, 机器人上只保留一个工 业相机和两个线结构光。 来稿 日期 : 2 0 1 5 0 8 0 4 作者简介: 刘 雷, ( 1 9 8 8 一 ) , 男, 黑 龙江大庆 人, 硕士研究 生, 研究实习 员, 主 要研究方向: 智能控制, 机器人学, 新型电 力菱换器 第 2 期 刘 雷等: 光传输管道清洗机器人控制系统设计与研究 1 1 1 管道清洗机器人的控制主要分为视觉系统和机器人行走控 制两部分。视觉系统负责采集数据, 对采集到的数据进行处理后 计算机器人的偏移量和偏移角度; 机器人行走控制主要由纠偏控
13、 制与舵角控制两部分构成, 形成一个以舵角为被控对象的闭环控 制系统, 基于视觉系统实时获取的偏差信息, 通过控制算法进行 在线实时纠偏 , 不断消除位姿偏差达到机器人跟随管道中心线的 目的。 3视觉系统设计 视觉传感装置, 如图 1 所示。 包括一个工业相机和两个线结 构光 , 视觉传感装置安装于车体一侧, 两个线结构光平行放置于 相机两侧 , 垂直于车体中轴。 视觉系统的设计主要分为三部分 : 视觉传感器的标定、 对采 集的图像进行处理以及计算车载机器人偏移量和偏移角度, 下面 详细说明视觉系统的工作流程。 图 1光传输管道清洗机器人样机 F i g 1 Th e P r o t o t
14、y p e o f Op t i c a l T r a n s mi s s i o n P i p e l i n e Cl e a n i n g Ro bo t 3 1视觉传感器标定 首先标定相机内参数, 通过建立柔性靶标, 令其中一个靶标 作为基准柔性立体靶标坐标系, 以子靶标之间位置关系不变为约 束条件, 将各子靶标特征点的局部坐标统一到柔性立体靶标坐标 系下, 建立以重投影误差为最小的目标函数 , 采用非线性优化方 法得到摄像机参数的最优解; 然后利用得到的相机内参数分别标 定两个线结构光平面, 多次移动共面靶标计算不同方向激光条纹 直线的消隐点, 并对其拟合直线得到光平面的消隐
15、线, 完成光平 面法向的标定。 根据交比不变原理计算共面靶标上标定点间的距 离, 并以其为约束来标定剩余参数。 最后定义优化目标函数, 以已 求得参数为初值进行非线性优化, 得到结构光平面参数。 3 - 2图像处理方法 利用上述标定的相机进行图像采集以及数字化存储,首先 对采集的图像进行高斯平滑处理, 减少图像噪声。 其中, 采用大小 为( 3 x 3 ) 的高斯滤波器模板, 高斯内核在 方向的标准偏差为 1 2 , 高斯内核在 y方向的标准偏差为 0 5 。 为了提高图像的清晰度 , 需要调整图像的对比度以增强管 道壁与结构光光条的对比度。由于结构光条纹相对较为明显, 使 用最大类问方差 O
16、 S T U方法_5 I 进行全局 自适应阈值分割, 使得前 景和背景两类的类间方差最大, 确定最优的灰度分割阈值, 提取 出感兴趣的前景光条纹区域。 对分割后的图像进行开运算,用来消除光条纹区域周围的 杂点, 分离出光条纹, 平滑光条。 为了避免管道中存在水迹、 光照、 管道表面反光性等干扰, 进而提取图像中的轮廓, 去除轮廓区域 面积较大和较小的区域。 令 P i ( x , y ) 是检测到的轮廓上的像素点 , 其中, i = 1 , 2 , 3 , 式中: w r _点数 素坐标值; 遍历所有的点, 如果 x w i d t h 2 , ; , 式中: d 一图像宽度; _ - 卡 目
17、 机右侧结构光发射到管道 壁 上的点; 如果 , x d - ( P 1 + 1 P 1 1 t a n 0 J ) c o s 0 I - L P 1 式中: 、 车的偏转角; P 1 、 P 1 一相机右侧线结构光平均 和 坐标值; P 2 、 P 2 相机左侧线结构光平均 和 坐标值 ; d 一相机光心位置处距基准位置的偏移量, 0 = 1 8 D ; 卜 车体在管道中心线基准位置处相机光心离管道壁的距离。 实验中以车体前端的舵机中心点为转动控制点,因此需要 将上述计算得到的0 和 d转换到舵机的中心点位置处, 转换关系 如式( 2 ) 计算: o 2 =o 1 d z = d + m
18、s i n 0 2 + n ( c o s 0 一 1 ) ( 2 ) 式 中: 0 2 一以舵机中心点为参考点的车体偏移角度; d , 一以舵机 中心点为参考点的偏移量。 4机器人管道行走控制设计与分析 本设计要求机器人在管道中运行时,能够按理想的速度沿 管道中心线精确行走, 以避免与管道内壁发生接触, 刮伤管道内 壁, 所以可将机器人管道的控制视为车式移动机器人的路径跟随 问题, 管道中心线即是所要跟随的路径。 其控制流程如下: 首先进行车身的状态检测, 通过视觉系统 获得该时N( i e 为第 i 次) 的偏差信息为 、 , 通过驱动电机的 反馈信息及内存的存储信息获得此时的速度信息与舵
19、角信息 西 , 然后将以上信息作为纠偏控制的输入量, 经过纠偏控制算法 分析后, 得出消除该时刻的偏差, 舵机在下一时刻转过的角度, 即 下一时刻的目标舵角大小 获得下一时刻的目标舵角后, 通过 控制舵机达到该 目标值即完成了一次控制流程。 通过在线实时闭 环控制, 不断消除偏差, 使机器人精确跟踪管道中心线。 根据 A c k e r m a n 理论, 四轮车式移动机器人的运动学模型可 1 1 2 机 械 设计 与 制 造 No 2 F e b 2 0 1 6 以简化为二轮自行车模型6 -7 1 , 在 F r 6 n e t 坐标系下建立机器人的运 动学模型, 如图 2 所示 。 0:
20、x o y标系粕 n e t 标架; X Oy _ 惯 性坐标系。 Y 咎 0 图2 F r 6 n e t 坐标系下的二轮 自 行车模型 F i g 2 T wo Wh e e l B i k e Mo d e l i n Fr 6 n e t Co o r d i n a t e S y s t e m 机器人运动学模型表达式如下: = 1c o s O y = u 1 s i n O O = u l t a n b L ( 3 ) = 手 ) = 式中: 向轮转角; u 广冯 区 动轮轴中点的速度, 在某一瞬时为不 变量; L 前后轮轴距。 为转化为 f l Z2- ) 1 链 式 形
21、式 , 取 2- d e ,并 计 算 z 4- ta n + 3 1 * Z 4 l z3 - t a n 0 L c o s 得, 设 计 如 下比 例 反 馈 控 制 律: = 一 Iv lk 2 k 一 Iv 。 lk 【z = r , 得到闭环子系统: ( 4 ) 根据线性系统理论, 当参数 k 2 , k , 、 i 满足 H u r w i t z 稳定条件, 就能使系统在原点处渐进稳定, 从而有( , , ) 0 。 根据变量关 系可以求出转向轮转角在任一时刻的大小, 经过一定函数关系转 换为舵机的舵角后, 作为下一次舵角控制的目标控制量。 5实验结果分析 设定机器人前进速度
22、0 0 6 m s , 后退速度 0 0 1 m s , 根据清洗 工艺要求后退时机器人每后退 7 c m停止运行一段时间进行清洗 作业, 相机采样周期为 l O O m s , 舵机调整周期为 5 0 0 m s 。 行进距离 为 1 m和 2 m时计算得到的偏移量 也和偏移角度 , 纵坐标是计 算次数, 如图3所示。 显示在机器人前进过程 中 成下降趋势 , 如图 3 ( a ) 、 图 3 ( b ) 所示。在后退时机器人每隔 7 c m停一次, 局部上显示在后退 中也会在一定范围内波动, 如图3 ( c ) 、 图3 ( d ) 所示。但从整个过 程上看 仍成下降趋势 ; 分析图 3中
23、 和 的变化趋势 , 其基 本一致, 会在 变化率较大的地方波动; 图 3 ( e ) 和图3 ( d ) 显示 当 较小时 不变化; 前进时的偏移范围不大于 0 2 m m, 后退时 的偏移范围不大于4 m m。 从图 3中可以看出机器人的位置误差和偏角误差在前进过 程会从初始位置的较大值逐渐变小; 后退时由于每次行进距离较 小 , 位置误差和偏角误差在系统允许范围内时舵机不动作 , 超出 允许范围后进行微调。 ( a ) 前进 l m时的 和 ( b ) 前进 2 m时的也和 ( c ) 后退 l m时的 也和 ( d ) 后退 2 m时的 和 图3行进距离 1 m和 2 m时的 和 Fi
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- 关 键 词:
- 传输 管道 清洗 机器人 控制系统 设计 研究
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