隧洞检测机器人三维悬停控制方法、装置、设备和介质与流程

1.本技术涉及机器人控制技术领域，尤其是涉及一种隧洞检测机器人三维悬停控制方法、装置、设备和介质。


背景技术：

2.随着国民经济的迅速发展和基本建设的迅速发展，公路、水利等工程的建设日益增多，而在跨地区的引水工程、水库等项目中，导流隧洞是其中的一个重要环节。由于海底环境的险恶和人类潜入深度的限制，隧洞检测机器人的发展迅速，对隧洞检测机器人的可靠性和安全性要求较高。


技术实现要素：

3.针对上述现有技术的不足，本发明提供一种隧洞检测机器人三维悬停控制方法、装置、设备及介质。
4.一种隧洞检测机器人三维悬停控制方法，所述方法包括：
5.获取隧洞检测机器人在隧洞中的实时运行参数和环境阻力；
6.根据所述实时运行参数和环境阻力，得到所述隧洞检测机器人的输出控制参数；
7.根据所述输出控制参数，控制所述隧洞检测机器人悬停。
8.在本发明一个实施例中，获取隧洞检测机器人在隧洞中的实时运行参数和环境阻力，包括：
9.获取所述隧洞检测机器人所在位置的水阻力参数和重力参数；
10.根据所述水阻力参数和重力参数，得到所述隧洞检测机器人的环境阻力。
11.在本发明一个实施例中，获取隧洞检测机器人在隧洞中的实时运行参数和环境阻力，包括：
12.获取所述隧洞检测机器人所在位置的水阻力参数和重力参数；
13.根据所述水阻力参数和重力参数，得到所述隧洞检测机器人的环境阻力。
14.在本发明的一个实施例中，通过如下公式获取所述水阻力参数：
[0015][0016]
其中，gd为无因次阻力系数，对于大多数隧洞检测机器人gd＝0.8～1.0，h
x
,hy,hz为隧洞检测机器人分别垂直于x,y,z轴的横断面面积，(y,v,d)
t
为隧洞检测机器人的速度，ρ为水的密度；
[0017]
以及通过如下公式获取所述重力参数：
[0018]fj
＝[0,0,j]
t
[0019]
fb＝[0,0,b]
t
[0020]
其中，j为隧洞检测机器人重量，b为隧洞检测机器人的浮力，fj为所述隧洞检测机
器人的重力；fb为所述隧洞检测机器人的浮力。
[0021]
在本发明一个实施例中，所述获取隧洞检测机器人在隧洞中的实时运行参数和环境阻力，包括：
[0022]
通过深度传感器和姿态传感器采集所述隧洞检测机器人的运行参数，得到所述隧洞检测机器人的实时运行参数。
[0023]
在本发明一个实施例中，所述通过深度传感器和姿态传感器采集所述隧洞检测机器人的运行参数，得到所述隧洞检测机器人的实时运行参数，包括：
[0024]
根据所述运行参数，得到所述隧洞检测机器人的惯性参考坐标系、载体坐标系和缆绳坐标系；
[0025]
根据所述惯性参考坐标系、载体坐标系和缆绳坐标系，得到所述隧洞检测机器人的实时运行参数。
[0026]
在本发明一个实施例中，所述根据所述实时运行参数和环境阻力，得到所述隧洞检测机器人的输出控制参数，包括：
[0027]
根据所述实时运行参数和隧洞检测机器人的推进器功率，得到所述隧洞检测机器人的推进器推力；
[0028]
根据所述环境阻力和所述推进器推力，得到所述隧洞检测机器人在当前工况下的输出控制参数。
[0029]
在本发明一个实施例中，所述根据所述环境阻力和所述推进器推力，得到所述隧洞检测机器人的输出控制参数，包括：
[0030]
根据预先设置的推进器功率、环境阻力和输出控制参数之间的对应关系，确定所述环境阻力和所述推进器推力对应的所述输出控制参数。
[0031]
一种隧洞检测机器人三维悬停控制装置，所述装置包括：
[0032]
运行参数获取单元，用于获取隧洞检测机器人在隧洞中的实时运行参数和环境阻力；
[0033]
控制参数获取单元，根据所述实时运行参数和环境阻力，得到所述隧洞检测机器人的输出控制参数；
[0034]
控制单元，用于根据所述输出控制参数，控制所述隧洞检测机器人悬停。
[0035]
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法实施例的步骤。
[0036]
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法实施例的步骤。
[0037]
本发明通过获取隧洞检测机器人的实时运行参数和环境阻力，得到该隧洞检测机器人的输出控制参数，实现对隧洞检测机器人的悬停控制。在隧洞复杂环境中，在充分考虑环境阻力的情况下，实现对隧洞检测机器人的实时监检测和实时调整控制以实现悬停，提高了隧洞检测中悬停控制的可靠性和安全性。
附图说明
[0038]
图1为本发明一个实施例中提供的隧洞检测机器人三维悬停控制方法的流程示意图；
[0039]
图2为本发明一个实施例中提供的隧洞检测机器人三维悬停控制装置的结构框图；
[0040]
图3为本发明一个实施例中提供的计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
[0041]
为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例。
[0042]
在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
[0043]
本技术的隧洞检测机器人可以用在水库、海底或者其他下工程的隧洞中，是水下检测的重要手段。由于设备的安全要求，导流隧洞中不允许有任何物体掉落。因此，隧洞检测机器人必须具有很高的安全性。悬停指的是隧洞检测机器人在一些检测位置时，需要进行悬停以执行检测任务。水下悬停的外部环境较为复杂。
[0044]
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种隧洞检测机器人三维悬停控制方法，以该方法应用于服务器为例进行说明，应当理解，该方法可以应用在终端。该方法包括以下步骤：
[0045]
s110，获取隧洞检测机器人在隧洞中的实时运行参数和环境阻力。
[0046]
其中，实时运行参数，指的是隧洞检测机器人在隧洞中运动状态和位置状态。环境阻力，指的是隧洞检测机器人在水下环境时的的阻力，例如重力、水流冲击等。
[0047]
隧洞检测机器人在隧洞的水下环境中，面临自身重力、水力的冲击，水下环境多变，为了使得隧洞检测机器人悬停在特定位置执行检测任务，需要实时获取数据以调整对机器人的控制。
[0048]
具体实现中，隧洞检测机器人中可以配置多个传感器，用于采集到相应的数据发送给服务器，以得到实时运行参数。
[0049]
s120，根据所述实时运行参数和环境阻力，得到所述隧洞检测机器人的输出控制参数。
[0050]
其中，输出控制参数指的是，为了使得隧洞检测机器人在隧洞中对抗环境阻力，调整实时运行参数以实现悬停，而需要提供对应硬件控制参数，例如控制各个螺旋桨的参数、控制转轴的参数、动力参数、转向参数等等。
[0051]
具体实现中，服务器可以根据隧洞检测机器人的实时运行参数和环境阻力，实时计算得到该输出控制参数，根据预先配置的运行参数、环境阻力和控制参数之间的对应关系，得到该实时运行参数和环境阻力对应的输出控制参数。
[0052]
s120，根据所述输出控制参数，控制所述隧洞检测机器人悬停。
[0053]
具体实现中，服务器可以根据该输出控制参数，生成控制指令，发送给隧洞检测机器人，隧洞检测机器人执行该指令，控制相应的硬件修改参数，实现在隧洞中悬停。
[0054]
上述隧洞检测机器人三维悬停控制方法中，通过获取隧洞检测机器人的实时运行
参数和环境阻力，得到该隧洞检测机器人的输出控制参数，实现对隧洞检测机器人的悬停控制。在隧洞复杂环境中，在充分考虑环境阻力的情况下，实现对隧洞检测机器人的实时监检测和实时调整控制以实现悬停，提高了隧洞检测中悬停控制的可靠性和安全性。
[0055]
在一个实施例中，s110中确定获取隧洞检测机器人在隧洞中的实时运行参数和环境阻力的步骤包括：
[0056]
获取所述隧洞检测机器人所在位置的水阻力参数和重力参数；根据所述水阻力参数和重力参数，得到所述隧洞检测机器人的环境阻力。
[0057]
本实施例中，当隧洞检测机器人在水中运动时，隧洞检测机器人本体、推进器及其他设备等工作时会带动隧洞检测机器人周边的水产生相应的运动。
[0058]
具体地，根据牛顿定律，水也会对隧洞检测机器人产生一个大小相等、方向相反的作用力。隧洞检测机器人的工作原理是在静水中进行的，因而能够观察到水下运动的值。通过如下公式获取所述水阻力参数：
[0059][0060]
其中，gd为无因次阻力系数，对于大多数隧洞检测机器人gd＝0.8～1.0，h
x
,hy,hz为隧洞检测机器人分别垂直于x,y,z轴的横断面面积，(y,v,d)
t
为隧洞检测机器人的速度，ρ为水的密度。
[0061]
具体地，隧洞检测机器人在水下环境中作业，除了受到水动力以外，还会受到其他的力或力矩的影响。重力和浮力，是隧洞检测机器人都不可避免要讨论的问题。隧洞检测机器人的重心与浮心均为一条垂直线，其重力与浮力为：
[0062]fj
＝[0,0,j]
t
[0063]
fb＝[0,0,b]
t
[0064]
其中，j为隧洞检测机器人重量，b为隧洞检测机器人的浮力，fj为重力；fb为浮力。
[0065]
在一些实施例中，服务器可以根据水阻力参数和重力参数进行加权处理，得到隧洞检测机器人的环境阻力。
[0066]
上述实施例的方案，通过隧洞检测机器人本体和重力等因素，确定隧洞检测的环境阻力，将悬停主要影响因素考虑在内，有利于提高悬停控制的有效性。
[0067]
在一个实施例中，s110中确定获取隧洞检测机器人在隧洞中的实时运行参数和环境阻力的步骤包括：
[0068]
通过深度传感器和姿态传感器采集所述隧洞检测机器人的运行参数，得到所述隧洞检测机器人的实时运行参数。
[0069]
本实施例中，隧洞检测机器人上安装有深度传感器和姿态传感器，例如可以在隧洞检测机器人的中心轴线上设置姿态和深度传感器。
[0070]
其中，深度传感器可以利用深度传感器实时反馈隧洞检测机器人在姿态发生变化时，在外载影响或强耦合作用下带动隧洞检测机器人在轴上的变化，这样，就可以为后续隧洞检测机器人的定位提供轴向变化的变化。姿态传感器通过内置的计算程序，可以实时地显示出三维姿态和方位，并将四元数、欧拉角等多种形态的姿态和方位信息进行实时显示。
[0071]
具体地，服务器可以采集深度传感器和姿态传感器的实时数据，处理后得到隧洞检测机器人的实时运行参数。
[0072]
在一些实施例中，实时运行参数可以是隧洞检测机器人的三维坐标系，用来确定隧洞检测机器人在运行过程中的具体姿态和位置。
[0073]
具体地，服务器可以根据运行参数得到隧洞检测机器人的惯性参考坐标系、载体坐标系和缆绳坐标系。进而根据所述惯性参考坐标系、载体坐标系和缆绳坐标系，得到所述隧洞检测机器人的实时运行参数。输出控制参数可以用于实现对实时运行参数的调整。
[0074]
其中，惯性参考坐标系，指的是隧洞检测机器人的静止的地面坐标系统，坐标原点θ是地球上的一个点，而轴是在水平面上，隧洞检测机器人的行进方向是正确的。用右手规则把顺时针旋转90度。轴线与平面垂直，并对着地球的中心。
[0075]
载体坐标系坐标原点取在隧洞检测机器人的重心处，因此，在隧洞检测机器人中，轴为惯性轴，便于对其进行力矩的描述。轴线与隧洞检测机器人的基线平行，并指向前方；横轴与底部平面平行，并指向隧洞检测机器人的右边；轴是对着船底的。
[0076]
缆绳坐标系(ω-ijk)，i与缆索的切线方向是从隧洞检测机器人拖拽点开始，沿ω-xy面的弧长增大。在惯性参考坐标系上进行三次转动：首先，z轴向ψ方向逆时针方向转动，使x轴向ω-ij方向运动；然后，将“x轴”逆时针转动90度，将z轴转向k轴；最后，k轴顺时针ι方向转动，使“x轴和y轴”分别旋转至i和j方向。
[0077]
服务器可以定义隧洞检测机器人运动的6个自由度如表1所示。
[0078]
表1隧洞检测机器人运动的6个自由度
[0079][0080]
隧洞检测机器人在水中的位置和姿态的描述，可用载体坐标系的原点在惯性参考坐标系中隧洞检测机器人在水下的位置改变是由三个坐标分量来表达的。利用载体坐标系与惯性参考坐标系的三个位姿角度(τ,υ,ζ)，可以表达位姿角度的改变。τ是斜度，而右斜度是正数；υ是垂直倾角，抬头是正向的；ζ是船首的角度，而右舵是正确的。当进行隧洞检测机器人三维悬停控制时，可以调整机器人各个轴向的推力，以在环境阻力中达到相对平衡，实现悬停。
[0081]
上述实施例的方案，通过运行参数得到实时运行参数，将运行参数进行拆解为三维坐标系数，有利于提高运行参数控制和调整的精确性，提升了悬停控制的准确性。
[0082]
在一个实施例中，步骤s120中根据所述实时运行参数和环境阻力，得到所述隧洞检测机器人的输出控制参数的步骤包括：
[0083]
根据所述实时运行参数和隧洞检测机器人的推进器功率，得到所述隧洞检测机器人的推进器推力；根据所述环境阻力和所述推进器推力，得到所述隧洞检测机器人在当前工况下的输出控制参数。
[0084]
本实施例中，隧洞检测机器人的推进器，用于为隧洞检测机器人提供运行的动力。隧洞检测机器人推进器安装位置与坐标系统的直线方向一致并与y轴平行，并与机器人的重心等高，将推力维持在中心位置，保证了隧洞检测机器人的受力。纵向和x轴的垂直角度和y轴线的角度为102度，用于隧洞检测机器人的平衡调整。
[0085]
假定第i(i＝1,2,...,7)级推进器的速度是vi，推进器的直径是ri，推进器的推力是εi，水的密度是ρ，那么第i级推进器所产生的推力可以用以下方式表达：
[0086][0087]
隧洞检测机器人受到的推力由坐标系表达如下：
[0088][0089]
在一些实施例中，服务器可以根据隧洞检测机器人的型号和参数，预先配置不同工况下的输出控制参数，在进行实时控制时，可以根据环境阻力和推进器推力查询才预先配置的关系，得到该场景下的输出控制参数，可以提高控制效率。
[0090]
在一些实施例中，如果从预先配置的推进器功率、环境阻力和输出控制参数之间的对应关系中，未找到匹配的情况，还可以即时根据推进器功率和环境阻力，计算得到该输出控制参数。
[0091]
上述实施例的方案，通过推进器推力和环境阻力得到输出控制参数，提升了控制的准确性。
[0092]
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明所必须的。
[0093]
在一个实施例中，如图2所示，提供了一种隧洞检测机器人三维悬停控制装置，该装置200包括：
[0094]
运行参数获取单元210，用于获取隧洞检测机器人在隧洞中的实时运行参数和环境阻力；
[0095]
控制参数获取单元220，根据所述实时运行参数和环境阻力，得到所述隧洞检测机器人的输出控制参数；
[0096]
控制单元230，用于根据所述输出控制参数，控制所述隧洞检测机器人悬停。
[0097]
关于隧洞检测机器人三维悬停控制装置的具体限定可以参见上文中对于隧洞检测机器人三维悬停控制方法的限定，在此不再赘述。上述隧洞检测机器人三维悬停控制装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
[0098]
本发明可以应用于计算机设备，如可以执行程序的智能手机、平板电脑、笔记本电脑、台式计算机、机架式服务器、刀片式服务器、塔式服务器或机柜式服务器(包括独立的服
务器，或者多个服务器所组成的服务器集群)等。本实施例的计算机设备至少包括但不限于：可通过系统总线相互通信连接的存储器、处理器，如图3所示。需要指出的是，图3仅示出了具有存储器、处理器组件的计算机设备，但是应理解的是，并不要求实施所有示出的组件，可以替代的实施更多或者更少的组件。存储器(即可读存储介质)包括闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器(例如，sd或dx存储器等)、随机访问存储器(ram)、静态随机访问存储器(sram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、可编程只读存储器(prom)、磁性存储器、磁盘、光盘等。在一些实施例中，存储器可以是计算机设备的内部存储单元，例如该计算机设备的硬盘或内存。在另一些实施例中，存储器也可以是计算机设备的外部存储设备，例如该计算机设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡(smart media card，smc)，安全数字(secure digital，sd)卡，闪存卡(flash card)等。当然，存储器还可以既包括计算机设备的内部存储单元也包括其外部存储设备。本实施例中，存储器通常用于存储安装于计算机设备的操作系统和各类应用软件，例如历史运行数据、设备参数等。此外，存储器还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的各类数据。处理器在一些实施例中可以是中央处理器(central processing unit，cpu)、控制器、微控制器、微处理器、或其他数据处理芯片。该处理器通常用于控制计算机设备的总体操作。本实施例中，处理器用于运行存储器中存储的程序代码或者处理数据，以实现一种隧洞检测机器人三维悬停控制方法。
[0099]
本领域技术人员可以理解，图3中示出的结构，仅仅是与本技术方案相关的部分结构的框图，并不构成对本技术方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
[0100]
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述各方法实施例中的步骤。
[0101]
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述各方法实施例中的步骤。
[0102]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。
[0103]
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。