轨道式间冷塔清洗机器人的控制系统及方法与流程

本发明涉及清洗机器人运动控制，尤其是涉及一种轨道式间冷塔清洗机器人的控制系统及方法。

背景技术：

1、间接空冷塔作为火电、垃圾焚烧发电及大型工业循环冷却系统的重要换热设备，其散热性能直接影响机组运行效率和能源利用水平。间冷塔长期运行过程中，空气中的粉尘、柳絮、昆虫残留物及盐雾等污染物容易附着于换热翅片表面，造成翅片堵塞和换热能力下降，严重时会导致机组背压升高、能耗增加，甚至影响设备安全运行。因此，需要定期对间冷塔换热器进行清洗维护，以保证良好的换热效果。

2、目前，间冷塔清洗主要采用人工高空清洗或轨道式清洗机器人进行作业。其中，轨道式清洗机器人能够降低人工劳动强度，提高作业效率，已逐渐成为间冷塔智能运维的发展方向。然而，现有轨道式清洗机器人普遍采用拖链方式同时输送供电电缆和高压供水软管，机器人运行过程中需要长距离拖曳电缆和水管，不仅增加了机器人运行阻力，而且容易出现电缆缠绕、软管磨损、拖链疲劳及维护成本高等问题。当机器人运行距离较长或轨道存在热胀冷缩变形时，拖链受力进一步增加，容易影响机器人运动稳定性。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种轨道式间冷塔清洗机器人的控制系统及方法，以解决背景技术中提到的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种轨道式间冷塔清洗机器人的控制系统，包括机器人运动控制模块、环境感知模块、无线能源与介质管理模块、清洗执行控制模块、智能决策模块和远程集控管理模块；

3、机器人运动控制模块，用于完成轨道式间冷塔清洗机器人的运动控制；

4、无线能源与介质管理模块，用于统一管理机器人运行过程中的能源补给和清洗介质补给；

5、环境感知模块，用于实时获取机器人运行环境信息，并向机器人运动控制模块和智能决策模块提供环境数据；

6、清洗执行控制模块，用于控制机器人完成间冷塔换热器表面的清洗作业；

7、智能决策模块，用于统一管理机器人运行任务、能源补给任务、清洗任务及安全保护任务，并协调各功能模块按照既定顺序完成自主作业；

8、远程集控管理模块，用于完成集中管理、远程监控、运行数据存储、设备状态诊断及维护管理。

9、优选的，机器人运动控制模块包括上驱同步控制单元、下驱同步控制单元、柔性轨道补偿单元、姿态协调单元和速度规划单元；

10、上驱同步控制单元，用于控制机器人顶部驱动机构沿上轨道移动；

11、下驱同步控制单元，用于控制机器人底部驱动机构沿下轨道移动；

12、柔性轨道补偿单元，用于补偿轨道因冷热变化产生的位置偏移；

13、姿态协调单元，用于协调上下驱动机构同步运行；

14、速度规划单元，用于根据机器人当前位置、目标位置以及轨道状态生成速度规划曲线；

15、上驱同步控制单元包括驱动控制器一、伺服驱动器一、绝对值编码器一及驱动状态采集电路一；机器人开始运行后，驱动控制器一首先接收中央控制器发送的目标速度和目标位置；伺服驱动器一驱动上驱电机按照目标速度运行；绝对值编码器一实时检测上驱机构的位置，并将当前位置反馈给驱动控制器一；驱动控制器一将当前位置与目标位置进行比较；当二者存在偏差时，驱动控制器一重新计算输出频率，并调整伺服驱动器一输出，使上驱机构接近目标位置；

16、下驱同步控制单元包括伺服驱动器二、驱动控制器二、绝对值编码器二及驱动状态采集电路二；机器人运行过程中，下驱同步控制单元实时采集底部驱动机构的位置和速度，并将采集结果发送至姿态协调单元；当机器人经过轨道局部变形区域时，下驱同步控制单元根据姿态协调单元发送的补偿指令自动调整驱动转矩，使机器人能够平稳通过轨道变形区域。

17、优选的，柔性轨道补偿单元分别接收轨道状态检测单元发送的轨距变化量、机器人姿态角以及上下驱动位置，并计算轨道综合偏移量：

18、；

19、其中，表示轨道综合偏移量；表示轨道横向偏移；表示轨道纵向偏移；

20、当综合偏移量小于第一阈值时，机器人保持额定速度运行；

21、当综合偏移量大于第一阈值而小于第二阈值时，柔性轨道补偿单元降低机器人运行速度，同时调整上下驱同步速度；

22、当综合偏移量超过第二阈值时，机器人停止运行，并向中央控制器发送报警信息；

23、姿态协调单元实时读取上驱位置、下驱位置、上驱速度、下驱速度和倾角传感器数据，并计算上下驱同步误差：

24、；

25、其中，表示同步误差；表示上驱位置；表示下驱位置；

26、计算速度补偿量：

27、；

28、其中，表示比例系数；表示微分系数；表示速度补偿值；

29、姿态协调单元将补偿值分别发送至上驱同步控制单元和下驱同步控制单元，使两个驱动机构始终保持同步；

30、若机器人姿态角超过允许范围，姿态协调单元降低机器人整体运行速度，并重新建立同步控制。

31、优选的，环境感知模块包括红外测温单元、视觉识别单元、激光测距单元、姿态检测单元、轨道状态检测单元和数据融合单元；

32、红外测温单元，用于采集间冷塔翅片表面的温度分布；

33、视觉识别单元，用于识别轨道标识、补能站位置、高压供水接口位置以及机器人运行障碍物；

34、激光测距单元，用于获取机器人与目标接口之间的空间距离，具体为：机器人进入补给区域后，发射激光束测量机器人与供水接口之间的距离，并结合视觉识别结果建立三维空间坐标，为机械手生成自动对接轨迹提供精确的位置数据；

35、姿态检测单元，用于实时测量机器人俯仰角、横滚角和偏航角，并实时发送至机器人运动控制模块；当姿态角超过设定阈值时，机器人运动控制模块立即降低运行速度，并重新调整上下驱同步状态；

36、轨道状态检测单元，用于实时测量上下轨道之间的间距变化及轨道弯曲程度，并将检测结果发送至柔性轨道补偿单元，当检测到轨道局部变形时，机器人运动控制模块根据检测结果调整同步控制参数，使机器人能够平稳通过变形区域。

37、优选的，无线能源与介质管理模块包括无线供电管理单元、无线充电定位单元、机械手控制单元、无线高压水自动对接单元、密封检测单元和自动脱离控制单元；

38、无线供电管理单元，用于管理机器人无线补能过程；

39、机械手控制单元，用于控制机器人完成高压水接口自动连接及断开；

40、控制机器人完成高压水接口自动连接及断开，具体为：机械手控制单元接收视觉识别单元发送的接口坐标以及激光测距单元发送的空间位置；建立机械手末端执行器当前位置；采用五次多项式轨迹规划生成机械手运动轨迹，使机械手能够平稳接近供水接口；整个运动过程中，机械手控制器持续修正运动轨迹，保证末端始终朝向目标接口；当机械手距离接口进入设定范围后，机械手自动降低运行速度，并进入精确定位模式；

41、无线高压水自动对接单元，用于实现机器人高压供水自动连接；

42、机器人高压供水自动连接具体为：机器人移动至供水工位后，机械手控制单元控制机械手抓取机器人端快速供水接头；随后机械手根据视觉定位结果逐步接近固定供水接口；接口接近过程中，系统实时检测接口轴线偏差；当偏差满足允许范围时，机械手缓慢推进接口完成连接；连接完成后，系统首先开启低压供水；密封检测单元确认无泄漏以后，再逐步开启高压供水；机器人随后进入高压清洗状态;

43、密封检测单元，用于实时采集接口压力、流量变化和压力保持时间；

44、自动脱离控制单元，用于完成供水结束后的自动断开。

45、优选的，管理机器人无线补能过程具体为：通过机器人内置的电池管理系统周期性读取剩余电量，并计算电池荷电状态：

46、；

47、其中，表示剩余电量百分比；表示当前剩余容量；表示额定容量；

48、当soc高于第一设定值时，机器人继续执行清洗任务；

49、当soc低于第一设定值时，无线供电管理单元向智能决策模块发送补能申请；

50、智能决策模块结合机器人当前位置计算距离最近的无线供电站，并控制机器人自动前往对应位置；

51、机器人进入充电区域后，无线供电管理单元首先建立机器人与无线供电站之间的通信连接，随后控制无线接收端进入待充电状态；

52、当无线供电站检测到机器人身份认证通过后，开始输出高频交流电，经机器人接收端整流后为动力电池充电；

53、整个充电过程中，无线供电管理单元持续监测充电电流、电池温度及soc变化；

54、当soc达到设定值后，控制无线供电站停止输出，机器人自动退出补能区域；

55、无线充电定位单元，用于提高无线供电效率，具体为：

56、机器人进入充电区域以后，视觉识别单元识别无线供电站定位标识；

57、激光测距单元测量机器人与供电站之间的空间距离；

58、根据识别结果计算机器人当前位置与最佳充电位置之间的位置误差：

59、；

60、其中，表示定位误差；、表示机器人当前位置；、表示最佳充电位置；

61、若定位误差大于允许范围，则机器人运动控制模块继续进行调整定位；

62、定位完成后，无线供电管理单元启动无线充电过程。

63、优选的，清洗执行控制模块包括喷嘴控制单元、压力调节单元、喷雾控制单元、高压冲洗控制单元和流量控制单元；

64、喷嘴控制单元，用于控制喷射方向和喷射状态，具体为：机器人到达目标区域以后，根据机器人当前位置自动计算喷射覆盖范围，并控制喷嘴按照预设扫描路径完成区域覆盖；喷嘴完成当前区域清洗后自动切换至下一扫描区域；

65、压力调节单元，用于根据污染等级自动设定目标压力，持续监测供水压力，并控制比例调压阀保持目标压力稳定；

66、喷雾控制单元，用于执行维护性清洗，具体为：机器人检测到翅片污染较轻时，仅开启喷雾模式；

67、高压冲洗控制单元，用于处理重污染区域，具体为：机器人根据污染等级自动开启高压模式；高压供水建立后，喷嘴按照规划轨迹连续扫描，实现深度清洗；

68、流量控制单元，用于控制单位时间供水量，具体为：根据机器人运行速度同步调整供水流量，使喷射覆盖宽度保持一致，提高整体清洗均匀性。

69、优选的，智能决策模块包括任务调度单元、污染评估单元、路径规划单元、能源调度单元和同步协调单元；

70、任务调度单元，用于根据间冷塔区域划分生成多个待清洗区域，并建立任务队列，机器人完成当前区域的任务后自动切换下一任务；

71、污染评估单元，用于根据红外温度分布、视觉图像特征及历史运行数据计算污染等级；

72、路径规划单元，用于根据机器人当前位置、目标区域及补给站位置生成最短运行路径，若机器人途中检测到轨道异常，则重新规划运行路线；

73、能源调度单元，用于综合电池荷电状态、任务长度及补给距离决定机器人是否需要提前补能，若预计剩余电量不足以完成当前任务，则机器人优先进入无线供电流程；

74、同步协调单元，用于统一协调机器人运动控制、无线供电、高压水自动对接及清洗执行四类任务。

75、优选的，远程集控管理模块包括中央控制器、边缘计算单元、历史数据库、三维可视化管理单元和远程监控单元；

76、中央控制器，用于接收各模块上传的数据后，生成机器人运行状态，并向各模块下发控制指令；当检测到机器人故障、通信异常或供能异常时，中央控制器进入安全控制模式，暂停机器人作业并记录故障信息；

77、边缘计算单元，用于对机器人上传的数据进行本地分析；

78、历史数据库，用于存储机器人全生命周期运行数据；

79、三维可视化管理单元，用于根据机器人实时位置、作业区域及环境感知数据，在三维界面中动态显示机器人运动状态、当前清洗区域、无线供电站位置、高压供水站位置及设备运行状态；同时管理人员直观查看机器人运行过程，并对作业进度进行实时监督；

80、远程监控单元，用于周期性接收中央控制器上传的运行状态，并支持远程下发启动、暂停、返航、补能及维护；当检测到异常报警时，远程监控单元自动推送报警信息，同时保存对应时间段的运行数据。

81、本发明还提供了一种轨道式间冷塔清洗机器人的控制方法，包括以下步骤：

82、s1、采集机器人运行环境及自身状态信息，并建立机器人运行初始状态数据；

83、s2、根据目标任务控制上下驱动机构同步运行，并实时修正双驱运动误差，使机器人沿轨道稳定移动至目标区域；

84、s3、机器人运动过程中实时检测轨道几何变化，并根据轨道偏移量动态调整运行姿态和驱动参数，以保证机器人在轨道变形情况下稳定运行；

85、s4、采集换热翅片污染信息，综合分析污染程度并确定对应的清洗模式和清洗参数；

86、s5、根据机器人剩余电量判断是否需要补能，并控制机器人自主完成无线充电定位和无线供电过程；

87、s6、机器人进入供水区域后，机械手自动完成高压水接口定位、连接、密封检测及高压供水建立，实现无线高压水自动对接；

88、s7、根据智能决策模块下发的清洗策略，协调喷射压力、流量及喷射轨迹，对目标区域实施精准清洗；

89、s8、机器人完成当前区域清洗后自动完成泄压、断开高压水接口，并根据任务调度结果切换至下一清洗区域或返回待机位置。

90、因此，本发明采用上述的轨道式间冷塔清洗机器人的控制系统及方法，具有以下有益效果：

91、（1）本发明建立了上下双驱柔性同步控制机制，并结合轨道柔性补偿控制策略，实现机器人上下驱动机构的实时协调运行，能够适应间冷塔轨道因热胀冷缩或局部变形产生的位置变化，提高机器人运行稳定性和轨道适应能力。

92、（2）本发明建立了无线供电管理机制，通过机器人自主定位无线供电站并完成无线补能，避免了传统拖链供电方式带来的电缆拖曳、磨损及维护成本较高的问题，提高了机器人连续运行能力。

93、（3）本发明建立了机械手自动高压水对接控制机制，机器人能够自主完成供水接口定位、自动连接、密封检测、高压供水建立及自动脱离，实现高压水补给全过程自动化，减少人工参与，提高供水连接的可靠性和安全性。

94、（4）本发明建立了环境感知、智能决策、运动控制、能源管理及清洗执行之间的协同控制机制，能够根据机器人运行状态、污染程度及能源状态自动调整运行策略，实现机器人自主补能、自主清洗、自主切换任务，提高间冷塔清洗作业效率和整体智能化水平。

95、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。