智能爬壁機(jī)器人檢測技術(shù)及其系統(tǒng)的研究

智能爬壁機(jī)器人檢測技術(shù)及其系統(tǒng)的研究

1油罐自動(dòng)檢測系統(tǒng)水質(zhì)要求油罐是巖石公司中最常見的儲(chǔ)存設(shè)備。由于壓力的作用、雨水和油藏的侵蝕，罐壁可能存在凹洞、裂縫和內(nèi)部孔等缺陷。這些缺陷不僅導(dǎo)致石油泄漏，還可能導(dǎo)致火災(zāi)。因此，應(yīng)定期檢測。目前，油罐的檢測是手動(dòng)進(jìn)行的，需要安裝框架和框架。效率低，風(fēng)險(xiǎn)高。隨著石化工業(yè)的快速發(fā)展，公司對(duì)檢測技術(shù)的要求也越來越高?；谟凸迿z測任務(wù)的特殊性，自動(dòng)檢測系統(tǒng)應(yīng)重點(diǎn)解決以下關(guān)鍵技術(shù)。(1)研制可靠的運(yùn)動(dòng)載體,能夠按照預(yù)先設(shè)定的路徑攜帶檢測探頭遍歷整個(gè)油罐內(nèi)表面,并保證一定的精度;(2)系統(tǒng)體積小、安裝調(diào)試方便、易于操縱、檢測效率高、定位精度高;(3)采用的檢測方法不能對(duì)油罐壁造成損傷,且適合于對(duì)金屬平面作高速自動(dòng)掃查.清華大學(xué)機(jī)器人與自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室研制的大型油罐自動(dòng)檢測系統(tǒng)TH-ClimberⅠ以磁吸附爬壁機(jī)器人為載體,將渦流檢測技術(shù)應(yīng)用于油罐檢測,很好地解決了這一問題.與常規(guī)的無損檢測設(shè)備相比,該系統(tǒng)引入了配有多傳感器系統(tǒng)的智能機(jī)器人,在檢測靈活性和可靠性上有不可比擬的優(yōu)勢;此外,采用渦流檢測技術(shù)能夠在檢測探頭不與油罐壁面直接接觸的情況下,對(duì)表面或近表面缺陷進(jìn)行探測,從而為探頭的高速運(yùn)動(dòng)提供了可靠保障.現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)表明,該系統(tǒng)智能化程度高,運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定可靠,大大提高了油罐檢測的效率.2一般結(jié)構(gòu)和重要因素一般因素和關(guān)鍵因素2.1機(jī)器人方案設(shè)計(jì)為了對(duì)大型油罐的整個(gè)內(nèi)壁進(jìn)行自動(dòng)檢測,油罐檢測爬壁機(jī)器人應(yīng)具備3個(gè)方面的基本功能,即無損檢測、吸附和運(yùn)動(dòng).常用的無損檢測技術(shù)有磁粉檢測、射線檢測、超聲波檢測、渦流檢測等.在這些檢測方法中,渦流檢測不需要附加機(jī)構(gòu)和成像底片、探頭和壁面不需接觸,因而尤其適用于對(duì)平直壁面進(jìn)行連續(xù)快速掃查.爬壁機(jī)器人的吸附方式可以采用真空吸附、電磁吸附、永磁吸附、推動(dòng)力吸附等.相對(duì)于其它吸附方式,永磁吸附具有吸附力大、受表面狀況影響小、系統(tǒng)意外斷電不影響吸附力等優(yōu)點(diǎn).油罐壁為鋼制材料,表面多有銹跡和油污,且高度很大,因而非常適合于應(yīng)用永磁吸附.爬壁機(jī)器人通常采用的運(yùn)動(dòng)方式有車輪式、履帶式、足腳式、框架式等.其中履帶式爬壁機(jī)器人吸附力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、運(yùn)動(dòng)速度較快,優(yōu)點(diǎn)比較明顯,應(yīng)用最為廣泛.綜合分析油罐檢測任務(wù)的實(shí)際需要和現(xiàn)場條件,采用履帶式永磁吸附爬壁機(jī)器人,并配以渦流檢測方式是最為實(shí)際和可靠的方案.依據(jù)此總體方案所設(shè)計(jì)的機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)如圖1所示.本體左右側(cè)各有前后兩個(gè)帶輪,分別與裝有永磁體塊的履帶嚙合,構(gòu)成運(yùn)動(dòng)部件.機(jī)器人采用后驅(qū)動(dòng)方式,也即以兩個(gè)后輪(圖中為上方兩個(gè)輪)為主驅(qū)動(dòng)輪,它們分別由一臺(tái)直流伺服電機(jī)通過諧波減速器驅(qū)動(dòng).在本體正對(duì)壁面一側(cè),裝有渦流檢測組件,該組件通過直流小電機(jī)和同步帶機(jī)構(gòu)帶動(dòng)渦流探頭在垂直于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路線的方向上往復(fù)移動(dòng),換向動(dòng)作靠繼電器和行程開關(guān)實(shí)現(xiàn).此外,為完成自動(dòng)檢測任務(wù),爬壁機(jī)器人必須具備一定的智能,這包括自動(dòng)糾正運(yùn)動(dòng)路徑的偏差、自動(dòng)識(shí)別本體所處的位置(主要是判斷本體是否運(yùn)動(dòng)至罐頂或罐底)等.為了實(shí)現(xiàn)這些功能,機(jī)器人需要安裝多種傳感器,如表1所示.2.2抗傾覆機(jī)構(gòu)的抗傾覆力機(jī)器人在側(cè)壁運(yùn)動(dòng)時(shí),要跨越焊縫和一些不規(guī)則的表面凸起,很容易在重力作用下剝離壁面.為了避免這種現(xiàn)象,在機(jī)器人兩側(cè)分別安裝了一條支撐桿,如圖2(b)所示.支撐桿的末端安裝有支撐輪.這套機(jī)構(gòu)即為抗傾覆機(jī)構(gòu),其作用可以通過圖2來分析.圖中,G為機(jī)器人及其負(fù)載的總重量,M為履帶接壁段吸附力的等效集中力,f為壁面對(duì)履帶接壁段摩擦力的等效集中力,N為沒有安裝抗傾覆機(jī)構(gòu)時(shí)壁面對(duì)履帶接壁段支持力的等效集中力,R1和R2分別為安裝抗傾覆機(jī)構(gòu)以后壁面對(duì)履帶接壁段和支撐輪支持力的等效集中力,L為前后帶輪的中心距,H為機(jī)器人重心與壁面間的距離,S為后帶輪與支撐輪的中心距.為了比較安裝抗傾覆機(jī)構(gòu)前后機(jī)器人所能提供的最大抗傾覆力矩,假設(shè)兩種情況均處于翻轉(zhuǎn)臨界狀態(tài),此時(shí)履帶接壁段所受壁面的支持力呈三角形分布.顯然,圖(a)可以提供的最大抗傾覆力矩為:ΤR1max=ΜL6(1)TR1max=ML6(1)而對(duì)于圖(b),抗傾覆力矩可以表達(dá)為:ΤR2=R1L6+R2(L2+S)=R1L6+(Μ-R1)(L2+S)TR2=R1L6+R2(L2+S)=R1L6+(M?R1)(L2+S)當(dāng)機(jī)器人翻轉(zhuǎn)趨勢加劇時(shí),上述R1將減小,同時(shí)R2增大.這時(shí),根據(jù)抗傾覆機(jī)構(gòu)支撐輪與輪軸的連接方式不同可以分兩種情況來討論.(1)最大抗傾覆力驗(yàn)算這種情況下,支撐輪可以自由旋轉(zhuǎn),無法為機(jī)器人本體提供阻動(dòng)摩擦力.因此R1不能小于G/μ,否則機(jī)器人將沿壁面下滑,其中μ為履帶表面與壁面的摩擦系數(shù).若設(shè)S=L/2,則最大抗傾覆力矩為:ΤR2max=(Μ-56Gμ)L=ΜL6+(Μ-Gμ)5L6(2)TR2max=(M?56Gμ)L=ML6+(M?Gμ)5L6(2)(2)支撐輪與輪軸固定連接這時(shí),支撐輪不能轉(zhuǎn)動(dòng),可以提供抵抗重力作用的摩擦力,假設(shè)支撐輪與壁面之間的摩擦系數(shù)也為μ,則無論R1、R2怎樣變化,總的摩擦力是恒定的,且總能保證機(jī)器人不下滑.當(dāng)R1=0時(shí),壁面的全部支持力都作用在支撐輪上,抗傾覆力矩最大,仍設(shè)S=L/2,有:ΤR2max=Μ(L2+S)=ΜL(3)是未加抗傾覆機(jī)構(gòu)時(shí)的6倍.此外,從上述兩種情況的對(duì)比我們還可以得出結(jié)論:抗傾覆機(jī)構(gòu)的支撐輪與輪軸固定連接時(shí),具有更好的抗傾覆能力.3路徑控制過程路徑規(guī)劃主要是指對(duì)機(jī)器人在圓柱形油罐側(cè)壁運(yùn)動(dòng)方式的規(guī)劃.可能的路徑方案有兩種:螺旋上升式和上下往復(fù)式.對(duì)兩種方案的分析表明:螺旋上升式運(yùn)動(dòng)具有連續(xù)的路徑、控制簡單、檢測效率高,但累積誤差比較嚴(yán)重、容易造成漏檢且不易對(duì)機(jī)器人本體和缺陷進(jìn)行定位;而上下往復(fù)式運(yùn)動(dòng)則恰好相反.應(yīng)用于油罐檢測時(shí),更重要的是能夠保證檢測和定位的精度,而不是速度,因此上下往復(fù)式相對(duì)較優(yōu).上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí),相鄰路徑線之間應(yīng)錯(cuò)開約一個(gè)車寬的距離,采用圖3所示的方式來實(shí)現(xiàn).圖中,初始狀態(tài)下機(jī)器人豎直向上運(yùn)動(dòng),到達(dá)罐頂時(shí),安裝在機(jī)器人頂部的光電開關(guān)感應(yīng)到罐頂,輸出高電平從而觸發(fā)自動(dòng)反向中斷,通過兩個(gè)連續(xù)的轉(zhuǎn)彎實(shí)現(xiàn)路徑線之間的橫向移動(dòng).為了保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),兩段轉(zhuǎn)彎路徑線應(yīng)該相切,一種簡單的方法是用兩段相切的圓弧路徑來實(shí)現(xiàn).其中,B為機(jī)器人寬度,R為轉(zhuǎn)彎半徑,Φ為兩個(gè)轉(zhuǎn)彎過程切換時(shí)的姿態(tài)角,VL、VR分別為左右輪質(zhì)心線速度,δX和δY分別為調(diào)整過程的橫向和縱向移動(dòng)量.整個(gè)換向動(dòng)作控制過程可以描述為:(1)機(jī)器人到達(dá)罐頂,光電開關(guān)輸出電平翻轉(zhuǎn),觸發(fā)中斷;(2)驅(qū)動(dòng)輪反向,并改變左右輪速度大小,走第一段圓弧路徑,直至偏角達(dá)到Φ;(3)改變兩輪速度,走第二段圓弧路徑,直到偏角為0,此時(shí)即已實(shí)現(xiàn)δX的移動(dòng)量;(4)驅(qū)動(dòng)輪反向,向上運(yùn)動(dòng)δY,補(bǔ)償上述過程中縱向移動(dòng)造成的漏檢;(5)驅(qū)動(dòng)輪再次反向,退出中斷子程,機(jī)器人向下運(yùn)動(dòng).若機(jī)器人到達(dá)罐底,控制過程與上述相似.從圖中幾何關(guān)系可以得到控制參數(shù):R+B/2R-B/2=n2n1=k?R=(1+2k-1)B2(4)δX2=R(1-cos?)??=arccos(1-δX2R)(5)δY2=√R2-(R-δX2)2?δY=√δX(4R-δX)(6)式中,n1、n2為兩輪轉(zhuǎn)速,k為二者之比.由以上3式,首先根據(jù)實(shí)驗(yàn)和理論分析確定轉(zhuǎn)彎半徑以及兩輪轉(zhuǎn)速,然后由δX的限定值計(jì)算出轉(zhuǎn)角Φ以及縱向移動(dòng)量δY,最后編程實(shí)現(xiàn)上述的控制過程.4系統(tǒng)的監(jiān)視器監(jiān)視器4.1rs232控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)為上下兩層體系結(jié)構(gòu),上位機(jī)采用工控機(jī),為主控計(jì)算機(jī),用于參數(shù)初始化、任務(wù)規(guī)劃和狀態(tài)監(jiān)控;下位機(jī)采用運(yùn)動(dòng)控制卡,負(fù)責(zé)底層的運(yùn)動(dòng)控制、信號(hào)采集和處理.二者通過RS232通訊,為了提高其傳輸距離,在傳輸線上配置RS232增強(qiáng)器,可以將RS232的傳輸距離提高至1km以上.所采用的運(yùn)動(dòng)控制卡具有CAN總線、RS232接口、DA、AD、步進(jìn)電機(jī)輸出、數(shù)字I/O、碼盤輸入等輸入輸出接口,為多傳感器系統(tǒng)融合的基體.系統(tǒng)的整體框圖如圖4所示.該系統(tǒng)從功能上可以分為運(yùn)動(dòng)控制單元、渦流檢測單元和攝像單元3個(gè)部分.4.2上位機(jī)程序設(shè)計(jì)下位機(jī)程序使用BALDOR公司開發(fā)的專用運(yùn)動(dòng)控制語言MintMT編寫,用于實(shí)現(xiàn)電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)和姿態(tài)環(huán)的底層運(yùn)動(dòng)控制.上位機(jī)程序是在VB6.0環(huán)境下開發(fā)的GUI界面,用于發(fā)送初始參數(shù)、控制下位機(jī)程序進(jìn)程、讀取和顯示狀態(tài).開發(fā)時(shí),將調(diào)試編譯好的MintMT程序下載到控制卡的存儲(chǔ)器內(nèi),由上位機(jī)程序控制其進(jìn)程;上位機(jī)程序通過MintMT的ActiveX控件與下位機(jī)程序接口,并調(diào)用預(yù)置于控制卡中的運(yùn)動(dòng)控制庫函數(shù).這一編程結(jié)構(gòu)可以用圖5來描述,它具有執(zhí)行速度快、資源利用率高等優(yōu)點(diǎn).圖6所示為系統(tǒng)的GUI界面.該界面可以分為上中下3個(gè)部分,其中上部和中部為狀態(tài)顯示區(qū),所顯示的信息包括機(jī)器人的位置、姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)速度,油罐的高度和直徑,缺陷位置坐標(biāo)等;下部為控制區(qū),通過相應(yīng)操作可以在自動(dòng)和手動(dòng)兩個(gè)控制模式之間切換,調(diào)整機(jī)器人啟停狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)速度,啟動(dòng)渦流檢測程序和保存油罐缺陷分布圖.4.3pid控制器的改進(jìn)方法設(shè)本體兩輪質(zhì)心線速度分別為v1和v2,瞬時(shí)轉(zhuǎn)彎半徑為R,則本體的姿態(tài)角速度可以表達(dá)為:ω=.?=v1+v22R將⑷式代入上式,并考慮到v2=kv1,以及令k-1=Δk,得到:ω=Δkv1B(7)因此,本體角速度與Δk成正比.筆者設(shè)計(jì)的PID姿態(tài)控制器正是基于這一結(jié)論構(gòu)建的,圖7是其原理框圖.控制器參數(shù)初值由RobertsPD提出的歸一參數(shù)整定法得到,然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行調(diào)整.為了改善控制器的控制效果,筆者在控制器設(shè)計(jì)中采取了如下一些改進(jìn)方法.第一,采用變速積分算法.其思想是在計(jì)算PID算式的積分項(xiàng)時(shí),在誤差值E(k)前面加上一個(gè)系數(shù)c,c的取值滿足下式:c={1A|E(k)|+BA0|E(k)|≤BB＜|E(k)|≤A+B|E(k)|＞A+B(8)A和B可以根據(jù)實(shí)際的控制效果不斷調(diào)整,筆者優(yōu)化后的取值為A=1°、B=0.5°.這一算法實(shí)現(xiàn)了用比例作用消除大偏差,用積分作用消除小偏差的理想調(diào)節(jié)特性,可以很好地消除積分飽和現(xiàn)象,大大減小超調(diào)量.第二,設(shè)置死區(qū).也即當(dāng)誤差絕對(duì)值小于某一個(gè)很小的閾值時(shí),不再對(duì)姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整,直到誤差再次超出該范圍時(shí)再重新啟動(dòng)PID控制.筆者設(shè)計(jì)中所取閾值為0.05°.這一算法避免了過于頻繁的控制動(dòng)作,從而消除了頻繁動(dòng)作造成的振蕩.第三,設(shè)置控制量上限.PID控制器的輸出為Δk,即兩輪相對(duì)轉(zhuǎn)速差.當(dāng)誤差值較大時(shí),按照PID算式計(jì)算出的|Δk|也會(huì)較大,兩輪轉(zhuǎn)速相差較大.由于維持機(jī)器人吸附于壁面的吸附力很大,從而履帶接壁段與罐壁之間存在較大的靜摩擦力,車體很難靈活轉(zhuǎn)向,如果兩輪轉(zhuǎn)速差比較大,容易造成卡死.為了避免這種現(xiàn)象,可以為|Δk|設(shè)置一個(gè)上限值Δkmax:Δk={-ΔkmaxΔkΔkmaxΔk＜-Δkmax|Δk|≤ΔkmaxΔk＞Δkmax(9)5壁面缺陷檢測信號(hào)基于上述設(shè)計(jì)和研究,研制了爬壁機(jī)器人樣機(jī)TH_ClimberⅠ,并在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和油罐現(xiàn)場進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn).圖8顯示了樣機(jī)在油罐內(nèi)運(yùn)動(dòng)的情況.圖9中兩圖分別為自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和加入姿態(tài)調(diào)整后機(jī)器人姿態(tài)角隨時(shí)間變化的曲線.可以看到,在自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下,機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)誤差存在隨機(jī)性,對(duì)初始誤差沒有調(diào)整作用;加入姿態(tài)調(diào)整以后,機(jī)器人的初始誤差得到迅速調(diào)整,進(jìn)入穩(wěn)態(tài)以后,其姿態(tài)角只在給定角度(這里為0°)附近有微小變化.圖10則為現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)中典型缺陷的渦流檢測信號(hào)圖線.其中上側(cè)兩圖分別為表面裂紋的實(shí)物圖及其渦流檢測信號(hào),下側(cè)兩圖為孔洞的實(shí)物及其渦流檢測