管道勘探机器人路径模拟方法与流程

1.本发明涉及管道勘探领域领域，特别涉及管道勘探机器人路径模拟方法。


背景技术：

2.由于电缆排管施工周期长，需要等管道敷设完成方可进行后续电缆敷设工作，现阶段的中低压地下电缆管道多采用hdpe(高密度聚乙烯)、涂塑钢管、pvc、mpp等材质，整体结构容易因为地表坍塌或者其他外力导致管壁破裂、变形等，同时部分段落管道搁置时间久，在此期间内易出现堵塞、错位等异常现象，更需要进行直观图像检测探明原因。此外，施工过程中带入的沙土、野生动物带入的树枝、雨水冲刷带入的碎石等杂物，都增加了线路在敷设过程中磨损的可能性，对线路运行造成了极大的安全隐患。为此在进行地下线路设计时需要提前对空的电缆管道进行实地勘测，以便电缆能够顺利穿放。而在勘测过程中，一旦发现管道堵塞等情况，通常需要对管道的位置清洁，但由于管道较长且管道内的环境较为复杂，采用常规的传感器识别发生堵塞等状况的位置精度偏差较大，导致需要耗费大量的人力物力去开凿地面，效率低下，因此继续相关的优化设计。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
4.本发明提供管道勘探机器人路径模拟方法，包括如下步骤：
5.s1):将机器人置入管道内，机器人上安装有ubw测距模块、编码器、图像传感模块；
6.其中ubw测距模块包括发射器和接收器，发射器或接收器其中之一安装在管道的入口、另一安装在机器人上，机器人置入管道之后所述发射器正对所述接收器；
7.编码器用于获取机器人上行进轮的转动圈数；
8.图像传感模块用于获取管道内图像数据；
9.s2):机器人在管道内从a点移动到b点，获取ubw测距模块所反馈的a点与b点的测距数据得到距离变化数据为x米；
10.获取编码器在a点和b点的路程数据的得到行程数据为y米；
11.图像传感器获取a点和b点的图像，并通过算法得到出a点与b点点之间的距离数据得到移动路径为p方向，移动z米；
12.s3):将s2中的测距数据、路程数据、飞行时间差、距离数据通过蚁群算法进行优化得到实际距离；
13.s4):程序将蚁群算法计算得到的结果成像在显示的画面中给出机器人的模拟路径。
14.本发明的有益效果：本公开的管道勘探机器人路径模拟方法用于模拟机器人在管道内所行驶过的路径，在进行模拟时借助ubw测距模块、编码器以及图像传感器三个种方式获取机器人的行进距离，并通过蚁群算法对数据作出优化，能够得到精度较高的模拟路径。
15.作为上述技术方案的一些子方案，所述机器人的行进轮分为主动轮和从动轮，编
码器用于获取从动轮上的转动圈数。
16.作为上述技术方案的一些子方案，步骤s2)中通过获取a点与b点的圈数并计算出圈数差从而得到路程数据。
17.作为上述技术方案的一些子方案，步骤s2)中通过获取在a点、在b点分别的无线信号飞行时间并计算出飞行时间差从而得到距离数据。
18.作为上述技术方案的一些子方案，步骤s2)中通过图像传感器通过互相关算法得到距离数据。
19.作为上述技术方案的一些子方案，步骤s3)中在运行蚁群算法时还包括将数据与给定的标准值进行比较的步骤。
20.作为上述技术方案的一些子方案，所述标准值通过实地模拟人工挑选数据得到。
21.其中，机器人包括车架、行进组件、驱动组件、摄像组件；
22.所述行进组件包括第一行进环带和第二行进环带，所述第一行进环带和所述第二行进环带分别设在所述车架的左右两侧，所述第一行进环带的外表面为第一弧面，所述第一弧面自背离所述车架的中部的一侧向所述车架的中部的一侧延伸的过程中向下弯折，
23.所述驱动组件设在所述车架上，所述驱动组件用于带动所述第一行进环带和所述第二行进环带循环转动；
24.所述摄像组件包括摄像头，所述摄像头设在所述车架上。
25.作为上述技术方案的一些子方案，所述摄像组件还包括舵机云台，所述舵机云台设在所述车架上，所述摄像头设在所述舵机云台上。
26.作为上述技术方案的一些子方案，所述第二行进环带的外表面为第二弧面，所述第二弧面的弯折方向与所述第一弧面的弯折方向左右对称。
27.作为上述技术方案的一些子方案，所述驱动组件包括第一驱动器、驱动轴、第一支撑轮和第二支撑轮，所述第一驱动器设在所述车架上，所述第一驱动器带动所述驱动轴转动，所述第一支撑轮和所述第二支撑轮均可转动地设在所述车架上，以所述第一支撑轮和所述第二支撑轮的组合为支撑轮组，所述支撑轮组的数量为两组，两组所述支撑轮组分别与所述第一行进环带和所述第二行进环带传动连接。
28.作为上述技术方案的一些子方案，所述第一驱动器为直流有刷电机。
29.作为上述技术方案的一些子方案，所述驱动组件还包括第二驱动器，所述第二驱动器设在所述车架上，所述第二驱动器与所述第一驱动器同时与所述驱动轴驱动连接。
30.作为上述技术方案的一些子方案，所述驱动轴的中部设有螺旋传动齿，所述驱动组件还包括齿轮，所述第二驱动器与所述齿轮驱动连接，所述齿轮与所述螺旋传动齿传动连接。
31.作为上述技术方案的一些子方案，还包括主板组件，所述主板组件包括控制板，所述控制板设在所述车架上，所述驱动组件以及所述摄像组件均与所述控制板信号连接，所述控制板上设有总线接头，所述总线接头上设有连接线，所述连接线与所述总线接头紧接。
32.作为上述技术方案的一些子方案，所述第一行进环带为履带。
33.作为上述技术方案的一些子方案，所述第二行进环带为履带。
34.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
35.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
36.图1为管道勘探机器人路径模拟方法的实施例的示意图；
37.图2为图像采集器的逻辑图；
38.图3为一种勘探机器人行进机构的实施例的结构示意图；
39.图4为第一行进环带的截面结构示意图；
40.图5为驱动轴的连接结构示意图；
41.图6为驱动轴的结构示意图。
42.附图中：100-车架；110-挡板；210-第一支撑轮；220-第二支撑轮；221-从动轮；230-驱动轴；240-第一驱动器；250-第二驱动器；260-齿轮；310-第一行进环带；320-第二行进环带；311-第一弧面；321-第二弧面；410-总线接头。
具体实施方式
43.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
44.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
45.在本发明的描述中，若干的含义是不定量，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。全文中出现的和/或，表示三个并列方案，例如，a和/或b表示a满足的方案、b满足的方案或者a和b同时满足的方案。
46.本发明的描述中，如有含有多个并列特征的短句，其中的定语所限定的是最接近的一个特征，例如：设置在a上的b、c、与d连接的e，所表示的是b设置在a上，e与d连接，对c并不构成限定；但对于表示特征之间关系的定语，如“间隔设置”、“环形排布”等，不属于此类。定语前带有“均”字的，则表示是对该短句中所有特征的限定，如均设置在a上的b、c、d，则表示b、c和d均设置在a上。省略了主语的语句，所省略的主语为前一语句的主语，即a上设有b，包括c，表示a上设有b，a包括c。
47.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
48.下面结合图1至图6对本发明的实施例作出说明。
49.参照图1，本实施例涉及管道勘探机器人路径模拟方法，包括如下步骤：
50.s1):将机器人置入管道内，机器人上安装有ubw测距模块、编码器、图像传感模块；
51.其中ubw测距模块包括发射器和接收器，发射器或接收器其中之一安装在管道的
入口、另一安装在机器人上，机器人置入管道之后所述发射器正对所述接收器；
52.编码器用于获取机器人上行进轮的转动圈数；
53.图像传感模块用于获取管道内图像数据；
54.s2):机器人在管道内从a点移动到b点，获取ubw测距模块所反馈的a点与b点的测距数据得到距离变化数据为x米；
55.获取编码器在a点和b点的路程数据的得到行程数据为y米；
56.图像传感器获取a点和b点的图像，并通过算法得到出a点与b点点之间的距离数据得到移动路径为p方向，移动z米；
57.s3):将s2中的测距数据、路程数据、飞行时间差、距离数据通过蚁群算法进行优化得到实际距离；
58.s4):程序将蚁群算法计算得到的结果成像在显示的画面中给出机器人的模拟路径。
59.本公开的管道勘探机器人路径模拟方法用于模拟机器人在管道内所行驶过的路径，在进行模拟时借助ubw测距模块、编码器以及图像传感器三个种方式获取机器人的行进距离，并通过蚁群算法对数据作出优化，能够得到精度较高的模拟路径。
60.可以理解的，机器人在管道内进行运动时反复执行s2至s4的步骤，即能够得到机器人在管道内前进的连续的模拟路径。
61.本实施例中，设置ubw测距模块的目的在于通过时间戳以及飞行时间差确定机器人的第一个移动数据。ubw测距模块为现有技术中常用的测距模块，其通过飞行时间差确定所移动过的距离。具体的，发射器在a点发送信号同时记录第一发送时间戳,接收器接收到之后记录第一接收时间戳，延时t
x
后到达了b点,发射器在b点发送信号同时记录第二发送时间戳，接收器接收到之后记录接收第二时间戳，从而得到两个时间差速度，即第一次发送的时间差t1以及第二次发生的时间差t2，得到无线信号飞行的时间差t
2-t1，结合无线信号的飞行速度，即可得出a点与b点之间的距离，ubw测距模块以此方式确定两点之间的距离。
62.编码器通过获取a点与b点的圈数并计算出圈数差从而得到路程数据。获得圈数差之后，结合行进轮的外径即可得到路程数据，获知机器人行进y米。本实施例中的机器人为履带式机器人，其通过行进轮转动传递至履带而进行运动。由于管道内的环境较为复杂，管道内可能混入砂石、树枝等物品，导致在管道内行驶时可能出现履带卡紧导致驱动轮(主动轮)与从动轮221发生打滑的情况。因此，将所述机器人的行进轮分为主动轮和从动轮221，并使编码器用于获取从动轮221上的转动圈数。从而避免编码器获取在驱动轮发生打滑时同样地录入数据，造成数据误读的问题，降低数据优化的难度，提升数据的有效率。
63.步骤s2)中通过图像传感器通过互相关算法得到距离数据。图像传感器在本实施例中安装在机器人的底部。互相关算法为现有技术中成熟的图像分析算法，比如光电式鼠标识别移动方向及距离所采用的即是互相关算法，通过互相关算法可便捷地得到行程数据以及方向的数据。
64.从ubw测距模块、编码器以及图像传感器采集到的三个移动数据，分别为x米、y米、z米和p方向，通过蚁群算法进行优化。蚁群算法是一种仿生学算法，是由自然界中蚂蚁觅食的行为而启发的。在自然界中，蚂蚁觅食过程中，蚁群总能够按照寻找到一条从蚁巢和食物源的最优路径，在本发明中，由于采集的数据多样且由于环境复杂导致误差放大，单一的数
据采集和普通的数据合成方法无法满足需求，需要采用蚁群算法针对一组数据重复求解比较从而得出误差值更小的结果。
65.蚁群算法在本发明的机器人的应用中，是进行数据优化的模型。因为地下电缆管道工况的复杂，单一的数据获取手段均有可能因为管道内未知的问题而失效或误差变大，从而造成错判，例如驱动轮打滑的情况。而简单直接的判断则容易造成误差的人为放大，因此，数据优化是必要的步骤，如何确保机器人计算的结果更加的准确，是最主要的问题。因此，本发明给的方案是“标准值”。标准值并非固定的值，而是一个优化结果。标准值的产生是由“初始标准值”优化而得到的。“初始标准值”通过大量的实地模拟实验给定的。给出初始标准值后，机器人在后续的实地使用中，会通过实地使用的情况，人为进行数据的校准挑选，自动进行初始值的优化，从而得到一个更加准确的标准值。在机器人的后台，一次工作过程中可能会产生若干条程序认为正确，但无法通过标准值比对的“模拟路径”，此时，工作人员可以根据现场实地的管道情况，对某些位置的参数进行修改，从而促使程序自动完成标准值的优化。而每次机器人呈现出的结果，均是通过标准值比对得出的较为准确的结果。标准值的作用是用于判断数据优化结果是否符合现实。
66.在使用中，机器人会随时将设定的单位时间内得到的数据导入蚁群算法中，进行反复计算比对，比如，uwb得到的机器人位移为1米，而此时编码器反馈则是机器人无动作，此时如果轻易判断机器人遇到下坡发生滑行则可能会造成巨大的失误，如果此时图像识别没有检测到机器人运动，则表示某些干扰影响了uwb检测的结果，此时，uwb给出的结果不可信，此时可以保证数据准确，但下个单位时间内uwb给出的结果是否可信，此时，就需要蚁群算法模型进行模拟，通过下一个单位时间内不同信号源给出的不同结果，再进行综合的比对运算，得到结果后，与标准值进行比对，当误差值小于设定值时，则可以采用数据，当误差值过大时，则表示此时有某个信号源给的结果不可信，后续的计算则需要通过排除其中某个信号源的方式进行比对计算，再与标准值进行比对运算。
67.参照图3至图6，本公开中的机器人包括车架100、驱动组件、摄像组件和行进组件，图像传感器设置在车架100的底部并朝向下方；
68.所述行进组件包括第一行进环带310和第二行进环带320，所述第一行进环带310和所述第二行进环带320分别设在所述车架100的左右两侧，所述第一行进环带310的外表面为第一弧面311，所述第一弧面311自背离所述车架100的中部的一侧向所述车架100的中部的一侧延伸的过程中向下弯折，
69.所述驱动组件设在所述车架100上，所述驱动组件用于带动所述第一行进环带310和所述第二行进环带320循环转动；
70.所述摄像组件包括摄像头，所述摄像头设在所述车架100上。
71.本公开的一种机器人配置行进组件、驱动组件以及摄像组件进行管道勘探，其中包括的第一行进环带310、第二行进环带320以及驱动组件实现行进的功能，第一行进环带310的外表面配置为自外向内向下弯折的第一弧面311，该行进组件在管道内使用时，第一弧面311与管道的内壁贴合度更好，与管道的内壁接触面积更大，有利于提高第一机器人与管道内壁之间的摩擦力，移动能力较强。
72.使用该机器人时，首先将该机器人放入管道内，然后启动驱动组件，驱动组件带动行进组件的第一行进环带310和第二行进环带320进行转动，从而带动机器人在管道内进行
移动，并通过摄像组件所包括的摄像头获取管道内的状况从而实现对管道勘探。由于管道内环境通常不具备良好光源，可以理解的该机器人所采用的可以为红外摄像仪，或者为摄像头另外配置光源，以获取较好重量的图像，以便观察管道内的障碍状况。本实施例中，摄像头所采用的是红外夜视的图像采集模块。图像采集模块的工作远离如图2所示，摄像头采集到图像数据之后，进行滤波和放大处理
73.进一步的，所述摄像组件还包括舵机云台，所述舵机云台设在所述车架100上，所述摄像头设在所述舵机云台上。通过配置舵机云台，借助该舵机云台能够改变摄像头的角度，使得摄像头具备较为灵活的观察能力，从而更好地观察管道内的障碍状况。更进一步的，该摄像组件作为机器人的图像采集传输系统一部分，该图像系统还包含图传采集模块与转向舵机控制模块、有线连接端口。通过搭载图像采集传输系统进入地下电缆管道中进行勘测任务，红外夜视摄像头在弱光环境下成像灵敏，图像清洗细腻，满足管道内的图像采集需求，可以清晰的拍摄管道内部的幽暗的场景，而且图传采集模块通过有线通讯方式将视频实时传输至后台可视化控制模块，减少延迟与干扰。操作人员可以通过后台可视化控制模块对舵机云台进行实时控制，操作后台可视化控制模块的方向摇杆，控制摄像头左右转向和焦距调整，摄像头的水平旋转角度可达到120
°
，完全满足地下电缆管道的勘测任务，考虑到地下电缆管道可能会出现积水或者有其他污染物等情况，其中舵机云台和红外夜视摄像头均选用具备防水设计的型号，从而在比较恶劣的地下环境中进行勘测工作的情况下减少故障率。
74.所述第二行进环带320的外表面为第二弧面321，所述第二弧面321的弯折方向与所述第一弧面311的弯折方向左右对称。第二行进环带320的外表面设置为第二弧面321，第二行进环带320与管道的内壁之间接触面积更大，更进一步增大行进组件与管壁之间的接触力，提升行进组件的移动能力与越障能力。
75.所述驱动组件包括第一驱动器240、驱动轴230、第一支撑轮210和第二支撑轮220，所述第一驱动器240设在所述车架100上，所述第一驱动器240带动所述驱动轴230转动，所述第一支撑轮210和所述第二支撑轮220均可转动地设在所述车架100上，以所述第一支撑轮210和所述第二支撑轮220的组合为支撑轮组，所述支撑轮组的数量为两组，两组所述支撑轮组分别与所述第一机器人和所述第二机器人传动连接。以第一行进环带310为例，第一支撑轮210和第二支撑轮220均位于第一行进环带310的内侧空间，第一驱动器240与第一支撑轮210通过驱动轴230传动连接，从而第一驱动器240启动时即带动第一行进环带310进行转动，而驱动轴230还与第二行进环带320内侧的第一支撑轮210传动连接，从而第一行进环带310转动时第二行进环带320也同时进行转动，且本实施例中两个第一支撑轮210的外径相同，以此使得第一行进环带310和第二行进环带320的转动速度相同。而由于驱动组件通过支撑轮组同时与第一行进环带310和第二行进环带320传动连接，如此当管道内出现障碍物导致第一行进环带310的前后端的其中一端悬空时，第一行进环带310也能越过障碍，提升该行进组件的障碍克服能力。
76.为了进一步提高跨越障碍的能力，所述驱动组件还包括第二驱动器250，所述第二驱动器250设在所述车架100上，所述第二驱动器250与所述第一驱动器240同时与所述驱动轴230驱动连接。当行进组件遇障无法通过，同时启动第一驱动器240和第二驱动器250增大行进组件的动力助力越过障碍。该行进组件配置了第一驱动器240和第二驱动器250两个驱
动器，两个驱动器均与驱动轴230传动连接并可为驱动轴230提供动力，能够在需要时同时启动两个驱动器共同驱动驱动轴230，增强了行进组件的越障能力。第一驱动器240在本实施例中为直流有刷电机，第二驱动器250也同样为直流有刷电机。第一驱动器240选用伺服电机具有动作简单、配套完善的优点。第一驱动器240在本实施例中通过蜗轮蜗杆机构(图中未示出)带动驱动轴230进行转动，蜗轮蜗杆机构被封装在第一驱动器240内。在其他的实施例中，第一驱动器240和第二驱动器250也可以采用交流有刷电机或步进电机等。
77.为了提高第二驱动器250的越障能力，进一步的，所述驱动轴230的中部设有螺旋传动齿，所述驱动组件还包括第二驱动器250和齿轮260，所述第二驱动器250设在所述车架100上，所述第二驱动器250与所述齿轮260驱动连接，所述齿轮260与所述螺旋传动齿传动连接。驱动轴230的中部配置有螺旋传动齿，第二驱动器250通过齿轮260与驱动轴230传动连接，即第二驱动器250与驱动轴230之间通过齿轮260的形式进行传动，齿轮260蜗杆形式进行传动具有传动效率高、运行稳定的特点，从而增强第二驱动器250的越障能力，增强行进机构的越障能力。可以理解的，第一驱动器240和第二驱动器250在本实施例中均采用具有自由轴的电机，从而保证在第一驱动器240和第二驱动器250分别独立地驱动时互不干涉。当然了，为了报纸第一驱动器240和第二驱动器250能够协同驱动驱动轴230，该行进机构还包括控制器，控制器用于平衡第一驱动器240和第二驱动器250的速度，保证第一驱动器240和第二驱动器250能够实现协同驱动增力的效果。
78.本实施例中，所述第一机器人、第二机器人均为履带。第一机器人和第二机器人均采用履带能够更好地适应管道内的复杂环境，增大与管道内壁之间的摩擦力，提高行进效率。
79.进一步的，该机器人还包括主板组件，所述主板组件包括控制板，所述控制板设在所述车架100上，所述驱动组件以及所述摄像组件均与所述控制板信号连接，所述控制板上设有总线接头410，所述总线接头410上设有连接线(图中未示出)，所述连接线与所述总线接头410紧接。配置控制板上集成各种控制的模块的控制功能，例如集成用于驱动第一驱动器240和第二驱动器250的控制模块、集成图像采集传输系统所包括的图传采集模块与转向舵机控制模块、有线连接端口等。转向舵机控制模块、图传采集模块在选用相应型号的云台舵机以及摄像头时，能够通过相应的使用手册或者与供应方的技术人员沟通而进行实现其相关的电路设置和程序设置。控制板上设置的总线接头410指的是信号线与供电线的总接头，即包含了用于传输图传采集模块、转向舵机控制模块、驱动模块等的信号线。供电线的作用则用于为各个模块进行供电，但在一些实施例中本公开的管道勘探机器人也能够配置电池进行供电，而此时供电线仅在必要的时候补电，从而提高该机器人的可靠性。本公开的管道勘探机器人采用了有线的通讯方式，机器人通过与外部连接的通讯线与远端进行通讯，进行数据传输和机器人控制，能够更好地确保信号传输的稳定性，此外在有必要的情况下，机器人可以由外部连接供电线进行补电，运行较为可靠。更进一步的，由于连接线与纵向接头紧接，当机器人在管道内无法前进或后退时，还能够通过牵拉连接线而将机器人拉出，避免机器人在管道内堵塞。
80.更进一步的，参照图1，在车架100上还安装有若干块挡板110，挡板110围合在车架100上形成一个封闭的安装腔，驱动组件所包括的第一驱动器240和第二驱动器250以及控制板等均安装在内，在挡板110对应的位置上开设有避让孔供用于支撑第一支撑轮210、第
二支撑轮220的连接轴伸出。通过形成该封闭的安装腔，更好较好地对第一驱动器240、第二驱动器250和控制板的构件进行保护，减少管道内泥沙的影响。可以理解的，使用图像传感器时需要确保图像传感器的下方不被遮挡，在车架100包括挡板110的情况下，挡板110上需要开设避让孔以保证图像传感器能够获取图像数据。第一支撑轮210和第二支撑轮220即为上述的行进轮。除了第一支撑轮210和第二支撑轮220外，在第一支撑轮210和第二支撑轮220之间还设置有从动轮221。编码器所获取的即为该从动轮221的数据。
81.以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出各种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本发明创造权利要求所限定的范围内。