多倾角工况下预紧力自适应钢箱梁巡检机器人及控制方法与流程

本发明涉及轨道巡检机器人，具体涉及一种多倾角工况下预紧力自适应钢箱梁巡检机器人及控制方法。

背景技术：

1、城市轨道桥钢箱梁结构具有密闭性、狭窄、视野昏暗以及内部结构复杂等特点，传统人工巡检方式难以对其内部缺陷、螺栓松动等问题进行全面细致的检测，同时还存在安全性难以保障、效率低下、错检漏检率高等问题，城市轨道交通的日常巡检对效率有较高要求，不仅作业时间短，并且巡检工作量大，一般仅在夜间进行，导致城市轨道桥钢箱梁结构的日常巡检工作开展难度极大，会消耗大量人力、财力。因此，目前通常采用轨道巡检机器人对钢箱梁内部进行巡检。

2、按照巡检机器人在轨道上的运行方式，可以分为悬挂式和跨座式两种。目前国内外轨道巡检机器人多数采用悬挂式运行方式，悬挂式具有路线弯曲度不受限制、行驶速度快，不易发生打滑等优点，但缺点同样十分明显，承重能力有限、机体容易产生晃动等。而跨座式巡检机器人具有承载能力强、空间占用小、不易产生晃动、运行稳定性好的优点，其缺点是爬坡能力差、容易打滑，导向轮存在磨损、维护保养较为繁琐。针对狭窄轨道桥钢箱梁，由于其内部空间结构复杂、存在部分障碍物，导致巡检机器人采用悬挂式会产生碰撞的风险，而采用跨座式能够在有限空间内避免碰撞风险，但遇到一定坡度的轨道桥，则容易产生打滑现象，并且导向轮存在磨损，需要定时更换，维护较为繁琐。

3、针对于跨座式巡检机器人，中国专利cn118478364a公开了一种具有预紧力自适应性的轨道桥巡检机器人及控制方法，能够根据轨道的平缓或坡度，相对于轨道放松或收紧，通过不同轨道段的自适应调整，既改善了跨座式巡检机器人的防打滑效果，又降低了导向轮的磨损。但在实际轨道桥钢箱梁巡检作业中，轨道除了上下俯仰坡度外，还普遍存在侧倾工况，该专利方案仅公开了在纯直线的平直或俯仰轨道的单一简单工况下的自适应调节，而在面对包含侧倾的多倾角复杂工况时，无法根据横向倾斜状态进行机身姿态调节，导致机器人单侧轮组容易长期过压或空载，因此仍然存在抱紧失效导致打滑、部分轮组磨损严重的问题，不仅导致机器人的使用寿命大幅缩短，还影响了运行安全。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明提出一种多倾角工况下预紧力自适应钢箱梁巡检机器人及控制方法，能够改善现有跨座式巡检机器人在包含侧倾复杂工况时存在抱紧失效、部分轮组磨损严重的问题。

2、为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种多倾角工况下预紧力自适应钢箱梁巡检机器人，包括外壳、动力系统和控制系统；

3、所述外壳包括壳体、底板、侧板和伸缩驱动件，两个所述底板位于壳体下方，两个所述侧板分别位于壳体内的两侧，所述底板和侧板均分别通过伸缩驱动件与壳体连接；

4、所述动力系统包括驱动轮、底板从动轮和侧板从动轮，所述驱动轮可转动地设置在壳体内，并连接有动力源，所述底板从动轮可转动地设置在底板上，所述驱动轮和底板从动轮分别位于轨道的上下侧，且两个所述底板的底板从动轮分别位于轨道的两侧，所述侧板从动轮可转动地设置在侧板上，两个所述侧板的侧板从动轮分别位于轨道的两侧；

5、所述控制系统包括imu惯导模块，所述imu惯导模块设置在壳体上，能够采集的俯仰角数据和侧倾角数据。

6、进一步地，所述控制系统组件还包括ap网桥、通讯天线和激光测距模块，所述ap网桥设置在壳体内，所述通讯天线和激光测距模块设置在壳体的外壁上，所述ap网桥通过网口与主板连接，并通过通讯天线与外部电脑无线连接，所述激光测距模块与主板连接。

7、进一步地，所述控制系统还包括摄像头和补光灯，所述摄像头和补光灯设置在壳体的外壁上，所述摄像头通过交换机与ap网桥连接。

8、进一步地，所述动力源包括动力电池和步进电机，所述动力电池设置在壳体内，并与步进电机和伸缩驱动件连接，所述步进电机通过转向器和联轴器与驱动轮连接。

9、上述一种多倾角工况下预紧力自适应钢箱梁巡检机器人的有益效果是：通过imu惯导模块采集，以及独立设置的两侧底板和两侧侧板，能够根据巡检机器人在轨道上的实际工况进行自适应调整，在平缓或直线轨道时各从动轮与轨道之间呈最小接触状态，以减小磨损；在有坡度或有弯度的轨道，根据俯仰和侧倾状况，将对应的从动轮抱紧轨道，以防止巡检机器人在行驶时打滑。从而既保证了行驶中自适应复杂工况以防止打滑，又能够将磨损降到最低。

10、一种多倾角工况下预紧力自适应钢箱梁巡检机器人的控制方法，imu惯导模块获取俯仰角参数和侧倾角参数，通过俯仰角和侧倾角变化量的波动值与设定阈值比较，通过俯仰角判定当前行驶在平缓轨道段或具有坡度的轨道段，通过侧倾角判定当前行驶在直线轨道段或具有弯度的轨道段；

11、若行驶在平缓的直线轨道段，各伸缩驱动件保持底板从动轮和侧板从动轮与轨道的最小接触状态；

12、若行驶在平缓、具有弯度的轨道段，伸缩驱动件控制靠近转弯一侧的底板从动轮压紧轨道底面，远离靠近转弯一侧的侧板从动轮压紧轨道侧面；

13、若行驶在具有坡度的直线轨道段，伸缩驱动件带动两侧的底板从动轮压紧轨道底面；

14、若行驶在具有坡度、具有弯度的轨道段，伸缩驱动件带动两侧的底板从动轮压紧轨道底面，远离靠近转弯一侧的侧板从动轮压紧轨道侧面。

15、进一步地，imu惯导模块获取俯仰角参数，设秒内俯仰角的采样点数为，imu惯导模块的采样时间间隔为，即秒内俯仰角有序集如下：

16、

17、

18、计算巡检机器人在任意平缓轨道段俯仰角均值，设为任意平缓轨道段俯仰角的采样点数，平缓轨道段俯仰角均值如下：

19、

20、计算规定时间内的俯仰角变化量，设为在时间内俯仰角最大值与其余所有值均值之差的绝对值，为规定时间内俯仰角的采样点数，如下：

21、

22、

23、计算俯仰角变化量的波动值，设定阈值表示为倍imu惯导模块采集俯仰角的精度值，即，如下：

24、

25、将波动值与设定阈值进行比较，若，巡检机器人的俯仰角波动值超过设定阈值，则巡检机器人行驶在具有坡度的轨道段；若，巡检机器人的俯仰角波动值未超过阈值，则巡检机器人行驶在平缓轨道段。

26、进一步地，若，巡检机器人的俯仰角波动值超过设定阈值，则巡检机器人行驶在具有坡度的轨道段，对时间内的俯仰角有序集按照时间块进行划分，设为秒内时间块的个数，表示第个时间块内的俯仰角均值，时间内俯仰角均值的有序集如下：

27、

28、

29、若，则巡检机器人俯仰角持续增大，控制伸缩驱动件增大收缩行程，增大巡检机器人预紧力；

30、若，则巡检机器人俯仰角持续减小，控制伸缩驱动件减小收缩行程，减小巡检机器人预紧力；

31、若，则巡检机器人俯仰角大小不变，保持伸缩驱动件的收缩行程不变，维持巡检机器人预紧力大小不变；

32、若，巡检机器人的俯仰角波动值未超过阈值，则巡检机器人行驶在平缓轨道段，伸缩驱动件保持底板从动轮与轨道的最小接触状态。

33、进一步地，imu惯导模块获取侧倾角参数，通过侧倾角的正负判定巡检机器人的倾斜方向，设秒内侧倾角的采样点数为，imu惯导模块的采样时间间隔为，即秒内侧倾角有序集如下：

34、

35、

36、计算巡检机器人在任意直线轨道段侧倾角均值，设为任意直线轨道段侧倾角的采样点数，直线轨道段侧倾角均值如下：

37、

38、计算规定时间内的侧倾角变化量，设为在时间内侧倾角最大值与其余所有值均值之差的绝对值，为规定时间内侧倾角的采样点数，如下：

39、

40、

41、计算侧倾角变化量的波动值，设定阈值表示为倍imu惯导模块采集侧倾角的精度值，即，如下：

42、

43、将波动值与设定阈值进行比较，若，巡检机器人的侧倾角波动值超过设定阈值，则巡检机器人行驶在具有弯度的轨道段；若，巡检机器人的侧倾角波动值未超过阈值，则巡检机器人行驶在直线轨道段。

44、进一步地，若，巡检机器人的侧倾角波动值超过设定阈值，则巡检机器人行驶在具有弯度的轨道段，对时间内的侧倾角有序集按照时间块进行划分，设为秒内时间块的个数，表示第个时间块内的侧倾角均值，时间内侧倾角均值的有序集如下：

45、

46、

47、若，则巡检机器人侧倾角持续增大，控制伸缩驱动件增大收缩行程，增大巡检机器人预紧力；

48、若，则巡检机器人侧倾角持续减小，控制伸缩驱动件减小收缩行程，减小巡检机器人预紧力；

49、若，则巡检机器人侧倾角大小不变，保持伸缩驱动件的收缩行程不变，维持巡检机器人预紧力大小不变；

50、若，巡检机器人的侧倾角波动值未超过阈值，则巡检机器人行驶在直线轨道段，伸缩驱动件保持底板从动轮和侧板从动轮与轨道的最小接触状态。

51、进一步地，根据俯仰波动值和侧倾波动值的判定，同步控制底板和侧板的伸缩驱动件，设底板从动轮的基础收缩行程为，补偿收缩行程为，侧板从动轮的收缩行程为；

52、当、时，行驶在平缓的直线轨道段，、和均为0，即伸缩驱动件保持底板从动轮和侧板从动轮与轨道的最小接触状态；

53、当、时，行驶在平缓、具有弯度的轨道段，为0，伸缩驱动件控制靠近转弯一侧的底板从动轮收缩行程，随侧倾角的变化而减小、变大或不变，远离靠近转弯一侧的侧板从动轮收缩行程，随侧倾角的变化而减小、变大或不变；

54、当、时，行驶在具有坡度的直线轨道段，伸缩驱动件控制两侧底板从动轮收缩行程，随俯仰角的变化而减小、变大或不变，和均为0；

55、当、时，行驶在具有坡度、具有弯度的轨道段，伸缩驱动件控制靠近转弯一侧的底板从动轮收缩行程，随俯仰角的变化而减小、变大或不变，随侧倾角的变化而减小、变大或不变；远离转弯一侧的底板从动轮收缩行程，随俯仰角的变化而减小、变大或不变，远离转弯一侧的侧板从动轮收缩行程，随侧倾角的变化而减小、变大或不变。

56、上述一种多倾角工况下预紧力自适应钢箱梁巡检机器人的控制方法的有益效果是：

57、1、在不同复杂工况下的轨道行驶时，能够根据轨道的坡度、弯度进行判定，并自适应地收缩调节对应从动轮，以抱紧轨道防止巡检机器人打滑，并且也能够在普通工况下降低对从动轮的磨损。

58、2、在具有坡度和弯度的轨道行驶时，能够根据坡度、弯度的变化调节从动轮的抱紧程度，在坡度越大或弯度越大时，能够提升预紧力，提升抱紧防打滑的效果，在坡度越小或弯度越小时，能够降低预紧力，以防止过度磨损，进一步提升了防打滑和防磨损的效果。

59、3、能够根据不同的工况，自适应地独立调节单侧从动轮的收缩行程，从而进一步提升了防打滑和防磨损的效果。