智能爬壁機器人檢測技術及其系統(tǒng)的研究

智能爬壁機器人檢測技術及其系統(tǒng)的研究

1油罐自動檢測系統(tǒng)水質要求油罐是巖石公司中最常見的儲存設備。由于壓力的作用、雨水和油藏的侵蝕，罐壁可能存在凹洞、裂縫和內部孔等缺陷。這些缺陷不僅導致石油泄漏，還可能導致火災。因此，應定期檢測。目前，油罐的檢測是手動進行的，需要安裝框架和框架。效率低，風險高。隨著石化工業(yè)的快速發(fā)展，公司對檢測技術的要求也越來越高。基于油罐檢測任務的特殊性，自動檢測系統(tǒng)應重點解決以下關鍵技術。(1)研制可靠的運動載體,能夠按照預先設定的路徑攜帶檢測探頭遍歷整個油罐內表面,并保證一定的精度;(2)系統(tǒng)體積小、安裝調試方便、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油罐壁造成損傷,且適合于對金屬平面作高速自動掃查.清華大學機器人與自動化實驗室研制的大型油罐自動檢測系統(tǒng)TH-ClimberⅠ以磁吸附爬壁機器人為載體,將渦流檢測技術應用于油罐檢測,很好地解決了這一問題.與常規(guī)的無損檢測設備相比,該系統(tǒng)引入了配有多傳感器系統(tǒng)的智能機器人,在檢測靈活性和可靠性上有不可比擬的優(yōu)勢;此外,采用渦流檢測技術能夠在檢測探頭不與油罐壁面直接接觸的情況下,對表面或近表面缺陷進行探測,從而為探頭的高速運動提供了可靠保障.現場實驗表明,該系統(tǒng)智能化程度高,運動穩(wěn)定可靠,大大提高了油罐檢測的效率.2一般結構和重要因素一般因素和關鍵因素2.1機器人方案設計為了對大型油罐的整個內壁進行自動檢測,油罐檢測爬壁機器人應具備3個方面的基本功能,即無損檢測、吸附和運動.常用的無損檢測技術有磁粉檢測、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構和成像底片、探頭和壁面不需接觸,因而尤其適用于對平直壁面進行連續(xù)快速掃查.爬壁機器人的吸附方式可以采用真空吸附、電磁吸附、永磁吸附、推動力吸附等.相對于其它吸附方式,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.油罐壁為鋼制材料,表面多有銹跡和油污,且高度很大,因而非常適合于應用永磁吸附.爬壁機器人通常采用的運動方式有車輪式、履帶式、足腳式、框架式等.其中履帶式爬壁機器人吸附力強、結構簡單、控制方便、運動速度較快,優(yōu)點比較明顯,應用最為廣泛.綜合分析油罐檢測任務的實際需要和現場條件,采用履帶式永磁吸附爬壁機器人,并配以渦流檢測方式是最為實際和可靠的方案.依據此總體方案所設計的機器人本體結構如圖1所示.本體左右側各有前后兩個帶輪,分別與裝有永磁體塊的履帶嚙合,構成運動部件.機器人采用后驅動方式,也即以兩個后輪(圖中為上方兩個輪)為主驅動輪,它們分別由一臺直流伺服電機通過諧波減速器驅動.在本體正對壁面一側,裝有渦流檢測組件,該組件通過直流小電機和同步帶機構帶動渦流探頭在垂直于機器人運動路線的方向上往復移動,換向動作靠繼電器和行程開關實現.此外,為完成自動檢測任務,爬壁機器人必須具備一定的智能,這包括自動糾正運動路徑的偏差、自動識別本體所處的位置(主要是判斷本體是否運動至罐頂或罐底)等.為了實現這些功能,機器人需要安裝多種傳感器,如表1所示.2.2抗傾覆機構的抗傾覆力機器人在側壁運動時,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.為了避免這種現象,在機器人兩側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.這套機構即為抗傾覆機構,其作用可以通過圖2來分析.圖中,G為機器人及其負載的總重量,M為履帶接壁段吸附力的等效集中力,f為壁面對履帶接壁段摩擦力的等效集中力,N為沒有安裝抗傾覆機構時壁面對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構以后壁面對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構前后機器人所能提供的最大抗傾覆力矩,假設兩種情況均處于翻轉臨界狀態(tài),此時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)而對于圖(b),抗傾覆力矩可以表達為:ΤR2=R1L6+R2(L2+S)=R1L6+(Μ-R1)(L2+S)TR2=R1L6+R2(L2+S)=R1L6+(M?R1)(L2+S)當機器人翻轉趨勢加劇時,上述R1將減小,同時R2增大.這時,根據抗傾覆機構支撐輪與輪軸的連接方式不同可以分兩種情況來討論.(1)最大抗傾覆力驗算這種情況下,支撐輪可以自由旋轉,無法為機器人本體提供阻動摩擦力.因此R1不能小于G/μ,否則機器人將沿壁面下滑,其中μ為履帶表面與壁面的摩擦系數.若設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,支撐輪不能轉動,可以提供抵抗重力作用的摩擦力,假設支撐輪與壁面之間的摩擦系數也為μ,則無論R1、R2怎樣變化,總的摩擦力是恒定的,且總能保證機器人不下滑.當R1=0時,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S=L/2,有:ΤR2max=Μ(L2+S)=ΜL(3)是未加抗傾覆機構時的6倍.此外,從上述兩種情況的對比我們還可以得出結論:抗傾覆機構的支撐輪與輪軸固定連接時,具有更好的抗傾覆能力.3路徑控制過程路徑規(guī)劃主要是指對機器人在圓柱形油罐側壁運動方式的規(guī)劃.可能的路徑方案有兩種:螺旋上升式和上下往復式.對兩種方案的分析表明:螺旋上升式運動具有連續(xù)的路徑、控制簡單、檢測效率高,但累積誤差比較嚴重、容易造成漏檢且不易對機器人本體和缺陷進行定位;而上下往復式運動則恰好相反.應用于油罐檢測時,更重要的是能夠保證檢測和定位的精度,而不是速度,因此上下往復式相對較優(yōu).上下往復運動時,相鄰路徑線之間應錯開約一個車寬的距離,采用圖3所示的方式來實現.圖中,初始狀態(tài)下機器人豎直向上運動,到達罐頂時,安裝在機器人頂部的光電開關感應到罐頂,輸出高電平從而觸發(fā)自動反向中斷,通過兩個連續(xù)的轉彎實現路徑線之間的橫向移動.為了保證機器人運動平穩(wěn),兩段轉彎路徑線應該相切,一種簡單的方法是用兩段相切的圓弧路徑來實現.其中,B為機器人寬度,R為轉彎半徑,Φ為兩個轉彎過程切換時的姿態(tài)角,VL、VR分別為左右輪質心線速度,δX和δY分別為調整過程的橫向和縱向移動量.整個換向動作控制過程可以描述為:(1)機器人到達罐頂,光電開關輸出電平翻轉,觸發(fā)中斷;(2)驅動輪反向,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,此時即已實現δX的移動量;(4)驅動輪反向,向上運動δY,補償上述過程中縱向移動造成的漏檢;(5)驅動輪再次反向,退出中斷子程,機器人向下運動.若機器人到達罐底,控制過程與上述相似.從圖中幾何關系可以得到控制參數: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為兩輪轉速,k為二者之比.由以上3式,首先根據實驗和理論分析確定轉彎半徑以及兩輪轉速,然后由δX的限定值計算出轉角Φ以及縱向移動量δY,最后編程實現上述的控制過程.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)為上下兩層體系結構,上位機采用工控機,為主控計算機,用于參數初始化、任務規(guī)劃和狀態(tài)監(jiān)控;下位機采用運動控制卡,負責底層的運動控制、信號采集和處理.二者通過RS232通訊,為了提高其傳輸距離,在傳輸線上配置RS232增強器,可以將RS232的傳輸距離提高至1km以上.所采用的運動控制卡具有CAN總線、RS232接口、DA、AD、步進電機輸出、數字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動控制單元、渦流檢測單元和攝像單元3個部分.4.2上位機程序設計下位機程序使用BALDOR公司開發(fā)的專用運動控制語言MintMT編寫,用于實現電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)和姿態(tài)環(huán)的底層運動控制.上位機程序是在VB6.0環(huán)境下開發(fā)的GUI界面,用于發(fā)送初始參數、控制下位機程序進程、讀取和顯示狀態(tài).開發(fā)時,將調試編譯好的MintMT程序下載到控制卡的存儲器內,由上位機程序控制其進程;上位機程序通過MintMT的ActiveX控件與下位機程序接口,并調用預置于控制卡中的運動控制庫函數.這一編程結構可以用圖5來描述,它具有執(zhí)行速度快、資源利用率高等優(yōu)點.圖6所示為系統(tǒng)的GUI界面.該界面可以分為上中下3個部分,其中上部和中部為狀態(tài)顯示區(qū),所顯示的信息包括機器人的位置、姿態(tài)和運動速度,油罐的高度和直徑,缺陷位置坐標等;下部為控制區(qū),通過相應操作可以在自動和手動兩個控制模式之間切換,調整機器人啟停狀態(tài)和運動速度,啟動渦流檢測程序和保存油罐缺陷分布圖.4.3pid控制器的改進方法設本體兩輪質心線速度分別為v1和v2,瞬時轉彎半徑為R,則本體的姿態(tài)角速度可以表達為: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.筆者設計的PID姿態(tài)控制器正是基于這一結論構建的,圖7是其原理框圖.控制器參數初值由RobertsPD提出的歸一參數整定法得到,然后根據實驗效果進行調整.為了改善控制器的控制效果,筆者在控制器設計中采取了如下一些改進方法.第一,采用變速積分算法.其思想是在計算PID算式的積分項時,在誤差值E(k)前面加上一個系數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可以根據實際的控制效果不斷調整,筆者優(yōu)化后的取值為A=1°、B=0.5°.這一算法實現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節(jié)特性,可以很好地消除積分飽和現象,大大減小超調量.第二,設置死區(qū).也即當誤差絕對值小于某一個很小的閾值時,不再對姿態(tài)進行調整,直到誤差再次超出該范圍時再重新啟動PID控制.筆者設計中所取閾值為0.05°.這一算法避免了過于頻繁的控制動作,從而消除了頻繁動作造成的振蕩.第三,設置控制量上限.PID控制器的輸出為Δk,即兩輪相對轉速差.當誤差值較大時,按照PID算式計算出的|Δk|也會較大,兩輪轉速相差較大.由于維持機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,車體很難靈活轉向,如果兩輪轉速差比較大,容易造成卡死.為了避免這種現象,可以為|Δk|設置一個上限值Δkmax:Δk={-ΔkmaxΔkΔkmaxΔk＜-Δkmax|Δk|≤ΔkmaxΔk＞Δkmax(9)5壁面缺陷檢測信號基于上述設計和研究,研制了爬壁機器人樣機TH_ClimberⅠ,并在實驗平臺和油罐現場進行了大量的實驗.圖8顯示了樣機在油罐內運動的情況.圖9中兩圖分別為自由運動狀態(tài)和加入姿態(tài)調整后機器人姿態(tài)角隨時間變化的曲線.可以看到,在自由運動狀態(tài)下,機器人的運動誤差存在隨機性,對初始誤差沒有調整作用;加入姿態(tài)調整以后,機器人的初始誤差得到迅速調整,進入穩(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則為現場實驗中典型缺陷的渦流檢測信號圖線.其中上側兩圖分別為表面裂紋的實物圖及其渦流檢測信號,下側兩圖為孔洞的實物及其渦流檢測