申请日2018.03.09
公开(公告)日2018.06.22
IPC分类号B25J9/16
摘要
本发明涉及一种污水管线检测机器人系统，包括机器人本体、通信系统及地面控制系统;地面控制系统通过通信系统与机器人本体相连;通过地面控制系统下发控制指令到机器人本体，机器人本体将监控数据及自身状态数据传回地面控制系统，本发明的机器人检测之前不需要排干管道内部的水，因此可以在任意时间进行检测，大大提升效率。
权利要求书
1.一种污水管线检测机器人系统，其特征在于：包括机器人本体、通信系统及地面控制系统;地面控制系统通过通信系统与机器人本体相连;通过地面控制系统下发控制指令到机器人本体，机器人本体将监控数据及自身状态数据传回地面控制系统;机器人本体包括水面载体、动力模块、定位模块、自主控制模块和数据采集模块;动力模块、定位模块、自主控制模块和数据采集模块均安装于水面载体;动力模块用于水面载体行进，定位模块用于水面载体在管线中的横向定位和空间定位，数据采集模块用于采集管线内部情况并形成采集信号;自主控制模块用于接收和处理数据采集模块采集到的信号，并转化为控制指令。
2.根据权利要求1所述的一种污水管线检测机器人系统，其特征在于：所述水面载体为船型或皮筏型;所述动力模块为水下螺旋桨或喷气式推进器。
3.根据权利要求1所述的一种污水管线检测机器人系统，其特征在于：所述定位模块通过超声、红外测距模块或激光雷达进行横向定位;通过脐带线缆或无线基站进行空间定位。
4.根据权利要求1所述的一种污水管线检测机器人系统，其特征在于：所述自主控制模块包括微型计算机和控制板卡。
5.根据权利要求1所述的一种污水管线检测机器人系统，其特征在于所述数据采集模块包括光学图像模块、声纳模块、气体检测传感器、液体检测传感器的任一或组合;所述光学图像模块为工业相机或CCTV监控系统，用于采集水面以上管线表观情况;声纳模块用于采集水面以下管线情况。
6.根据权利要求1所述的一种污水 管线检测机器人系统，其特征在于所述地面控制系统包括计算机、监控显示器及控制软件。
7.根据权利要求1所述的一种污水管线检测机器人系统，其特征在于所述自主控制模块包括数据核心控制模块、信息交互模块、避障模块;所述数据核心控制模块分别与信息交互模块，定位模块，避障模块及数据采集模块连接。
8.根据权利要求1所述的一种污水管线检测机器人系统，其特征在于：还包括电源系统;所述电源系统是锂电池、燃料电池、蓄电池或通过脐带电缆连接外部电源的任一种。
9. 根据权利要求1所述的一种污水管线检测机器人系统，其特征在于：所述自主控制模块通过特定算法处理数据;所述特定算法包括：
状态方程 X(k|k-1)=A﹒X(k-1)+B﹒U(K)+W(k)
观测方程 Z(k)=H﹒X(k)+V(k)
X=[s v]T，U=[0 a]T，Z=[s 0]T
其中s为机器人本体位置，v为机器人本体速度，a为惯性传感器输出的加速度;根据具体的机械结构即可列出矩阵A、B、H，通过实验得到状态方程的噪声W和测量系统的噪声V;
通过状态方程可以计算出预测值X(k|k-1)，通过机器人本体定位模块可以获取测量值Z(k)，然后通过以下公式得到最优化估算值，该值即为机器人当前的位置;
X(k|k)= X(k|k-1)+Kg﹒(Z(k)-H﹒X(k|k-1))
其中Kg为卡尔曼增益，通过以下公式计算：
上式中，R为测量系统的协方差矩阵,
为状态方程的协方差矩阵;
P(k|k-1)=A﹒P(k-1|k-1) AT+Q
上式中Q为状态方程的协方差矩阵;最终得到了k状态下最优的估算值X(k|k);
同时更新k状态下X(k|k)的协方差矩阵：P(k|k)=(I-Kg﹒H)P(k|k-1)。
10.根据权利要求1所述的一种污水管线检测机器人系统，其特征在于：所述自主控制模块通过自主避障算法实现机器人本体避障功能;所述自主避障算法包括：机器人运动过程中通过定位模块获取周围障碍物的距离信息，当机器人本体前进方向存在障碍物且距离小于某一个阈值时，调整机器人的前进方向以绕过障碍物。
11.根据权利要求3所述的一种污水管线检测机器人系统，其特征在于：所述激光雷达横向定位的方法是：
求取机器人本体距离管线两个侧壁的垂直距离，以及相对管线中心的航向角;
激光雷达以固定频率获取周围的数据，管道侧壁的雷达数据表现为两条直线，从雷达数据中搜索这两条直线数据，搜索采用随机采样一致性算法，并拟合出两条直线的方程，分别为：
其中A1、B1、C1和A2、B2、C2是方程的系数;
机器人本体距离两侧壁的距离为：
机器人本体的航向角为：。
说明书
一种污水管线检测机器人系统
技术领域
本发明涉及一种检测系统，具体说是一种污水管线检测机器人系统。
背景技术
城市排水管网是城市的重要基础设施之一，随着城市发展，排水管网的安全管理工作显得日益重要，对排水管网的管理要求也逐渐提高。内窥检测技术为城市排水管道的运行管理提供可靠的手段，通过内窥检测可以及时发现管道的腐蚀，破损，接口错位，淤积，结垢等不良状况，及时修复，从而提升管道的使用年限。目前市面上的管道检测机器人均为轮式结构，使用时需要把管道内的水抽干，但是管道排水涉及的工程量非常浩大，给检测工作带来了极大的不便。
发明内容
为克服现有技术存在的以上问题，本发明提供了一种污水管线检测机器人系统，该系统不仅检测效率高，检测结果的准确度高，而且降低了工作人员的劳动强度，可有效保障工作人员的人身安全。
本发明由以下技术方案实现：
一种污水管线检测机器人系统，包括机器人本体、通信系统及地面控制系统;地面控制系统通过通信系统与机器人本体相连;通过地面控制系统下发控制指令到机器人本体，机器人本体将监控数据及自身状态数据传回地面控制系统;机器人本体包括水面载体、动力模块、定位模块、自主控制模块和数据采集模块;动力模块、定位模块、自主控制模块和数据采集模块均安装于水面载体;动力模块用于水面载体行进，定位模块用于水面载体在管线中的横向定位和空间定位，数据采集模块用于采集管线内部情况并形成采集信号;自主控制模块用于接收和处理数据采集模块采集到的信号，并转化为控制指令。
进一步的，所述水面载体为船型或皮筏型;所述动力模块为水下螺旋桨或喷气式推进器。
进一步的，所述定位模块通过超声、红外测距模块或激光雷达进行横向定位;通过脐带线缆或无线基站进行空间定位。
进一步的，所述自主控制模块包括微型计算机和控制板卡。
进一步的，所述数据采集模块包括光学图像模块、声纳模块、气体检测传感器、液体检测传感器的任一或组合;所述光学图像模块为工业相机或CCTV监控系统，用于采集水面以上管线表观情况;声纳模块用于采集水面以下管线情况。
进一步的，所述地面控制系统包括计算机、监控显示器及控制软件。
进一步的，所述自主控制模块包括数据核心控制模块、信息交互模块、避障模块;所述数据核心控制模块分别与信息交互模块，定位模块，避障模块及数据采集模块连接。
进一步的，还包括电源系统;所述电源系统是锂电池、燃料电池、蓄电池或通过脐带电缆连接外部电源的任一种。
进一步的，所述自主控制模块通过特定算法处理数据;所述特定算法包括：
状态方程 X(k|k-1)=A﹒X(k-1)+B﹒U(K)+W(k)
观测方程 Z(k)=H﹒X(k)+V(k)
X=[s v]T，U=[0 a]T，Z=[s 0]T
其中s为机器人本体位置，v为机器人本体速度，a为惯性传感器输出的加速度;根据具体的机械结构即可列出矩阵A、B、H，通过实验得到状态方程的噪声W和测量系统的噪声V;
通过状态方程可以计算出预测值X(k|k-1)，通过机器人本体定位模块可以获取测量值Z(k)，然后通过以下公式得到最优化估算值，该值即为机器人当前的位置;
X(k|k)= X(k|k-1)+Kg﹒(Z(k)-H﹒X(k|k-1))
其中Kg为卡尔曼增益，通过以下公式计算：P(k|k-1)=A﹒P(k-1|k-1) AT+Q
上式中Q为状态方程的协方差矩阵;最终得到了k状态下最优的估算值X(k|k);
同时更新k状态下X(k|k)的协方差矩阵：P(k|k)=(I-Kg﹒H)P(k|k-1)。
进一步的，所述自主控制模块通过自主避障算法实现机器人本体避障功能;所述自主避障算法包括：机器人运动过程中通过定位模块获取周围障碍物的距离信息，当机器人本体前进方向存在障碍物且距离小于某一个阈值时，调整机器人的前进方向以绕过障碍物。
进一步的，所述激光雷达横向定位的方法是：
求取机器人本体距离管线两个侧壁的垂直距离，以及相对管线中心的航向角;
激光雷达以固定频率获取周围的数据，管道侧壁的雷达数据表现为两条直线，从雷达数据中搜索这两条直线数据，搜索采用随机采样一致性算法，并拟合出两条直线的方程，分别为：
其中A1、B1、C1和A2、B2、C2是方程的系数;
机器人本体距离两侧壁的距离为：
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
现有的管道机器人检测之前需要排干管道内部的水，但是排水是一项需要多部门配合的浩大工程，还可能影响居民正常用水。本发明的机器人检测之前不需要排干管道内部的水，因此可以在任意时间进行检测，大大提升效率。
本发明通过特定算法进行数据融合，进一步提高了机器人系统的定位精度，从而精准确定管线内部各种缺陷，可以进行高效、精准的自主无损检测，该机器人系统工作可靠，完全替代了通过人工检测的高强度工作和检测结果的不准确性。
