一种原水管道液压清淤机器人及其自适应控制方法与流程

本发明涉及管道清淤，具体涉及一种原水管道液压清淤机器人及其自适应控制方法。

背景技术：

1、原水管道作为城市供水系统的重要基础设施，其内部淤泥沉积会严重影响输水能力与水质，因此需定期进行清理维护。目前，通常采用液压清淤机器人代替人工作业，以此提高清淤效率与作业安全性，对该类机器人的主流控制方法多采用基于预设程序或简单反馈的控制策略，即依据管道地图预先规划机械臂运动轨迹与喷嘴参数，或在作业过程中通过传感器检测淤泥厚度等单一信息进行固定规则的调整。

2、然而，由于原水管道内部环境复杂，淤泥在管道不同位置往往呈现非均匀、时变性分布，现有控制方法因缺乏对清淤头与淤泥交互状态的感知与建模能力，其固定的控制逻辑或参数难以实时适配这种复杂多变的作业对象，导致单一的控制指令无法在变化的环境下始终保持最优的清淤效能，常出现局部清淤不足或能量浪费的问题，制约了清淤作业整体效率与自适应性的提升。

技术实现思路

1、为了解决现有对液压清淤机器人的控制存在清淤作业效率低和自适应性低的技术问题，本技术提供一种原水管道液压清淤机器人及其自适应控制方法。

2、本技术提供的一种原水管道液压清淤机器人及其自适应控制方法采用如下的技术方案：

3、一种原水管道液压清淤机器人，包括移动平台、控制系统以及搭载于移动平台上的多关节机械臂，多关节机械臂的末端设有清淤头，清淤头包括喷嘴和触感传感器；

4、其中，触感传感器用于感知与淤泥的交互。

5、本技术还提供了一种原水管道液压清淤机器人的自适应控制方法，该原水管道液压清淤机器人的自适应控制方法应用于如上的原水管道液压清淤机器人，包括移动平台、控制系统以及搭载于移动平台上的多关节机械臂，多关节机械臂的末端设有清淤头，清淤头包括喷嘴和触感传感器，该自适应控制方法包括：

6、通过触感传感器采集清淤头与淤泥交互时的实时触觉信息后，在控制系统中基于实时触觉信息与当前控制指令，对预设触觉数字孪生模型的内部参数进行更新；

7、通过更新后的预设触觉数字孪生模型，得到多种候选控制指令分别在未来时段上的预测控制结果；

8、从多种预测控制结果中，选取符合预设控制结果的预测控制结果所对应的候选控制指令作为目标控制指令；

9、根据目标控制指令，控制多关节机械臂和喷嘴的清淤动作。

10、进一步的，控制系统上储存有清淤水射流控制信号、多关节机械臂的实时运动状态信息、原水管道的管道结构和液压清淤机器人的实时位姿，通过触感传感器采集清淤头与淤泥交互时的实时触觉信息的步骤包括：

11、通过触感传感器采集清淤头与淤泥交互时的初始触觉信号，并基于清淤水射流控制信号，对初始触觉信号进行补偿滤波处理，得到第一触觉信息；

12、依据实时运动状态信息对第一触觉信息进行运动解耦处理，得到第二触觉信息；

13、根据管道结构和实时位姿，将第二触觉信息映射到管道空间坐标系中，得到实时触觉信息。

14、进一步的，根据管道结构和实时位姿，将第二触觉信息映射到管道空间坐标系中，得到实时触觉信息的步骤包括：

15、通过液压清淤机器人的空间位置和姿态测量单元，获取实时位姿；

16、基于实时位姿，计算触觉传感器在管道结构下的标称位置和法向向量；

17、依据标称位置和法向向量，建立传感器坐标系与管道空间坐标系之间的刚性变换关系；

18、根据刚性变换关系，对第二触觉信息进行坐标变换和向量分解，将第二触觉信息映射到管道空间坐标系中，得到清淤头在沿管道结构的轴向、径向和周向上分别所受的交互作用力；

19、其中，实时触觉信息为清淤头在沿管道结构的轴向、径向和周向上分别所受的交互作用力。

20、进一步的，在控制系统中基于实时触觉信息与当前控制指令，对预设触觉数字孪生模型的内部参数进行更新的步骤包括：

21、将当前控制指令输入预设触觉数字孪生模型，得到模型预测触觉信息；

22、对比模型预测触觉信息和实时触觉信息，得到触觉残差向量；

23、基于触觉残差向量，对预设触觉数字孪生模型中的参数进行敏感度分析，筛选出待更新的内部参数；

24、根据待更新的内部参数和各待更新的内部参数分别对应的敏感度，并结合预设调整补偿和预设遗忘因子，对待更新的内部参数进行更新，以得到更新后的预设触觉数字孪生模型。

25、进一步的，通过更新后的预设触觉数字孪生模型，得到多种候选控制指令分别在未来时段上的预测控制结果的步骤包括：

26、基于当前控制指令和历史控制指令，生成多种候选控制指令；

27、将每一候选控制指令依次输入至更新后的预设触觉数字孪生模型中，进行前向滚动仿真，得到在未来时段上，每一候选控制指令分别对应的触觉响应预测序列；

28、计算每一预测步长上，各触觉响应预测序列分别对应的不确定性度量；

29、对每一候选控制指令分别对应的触觉响应预测序列和不确定性度量进行整合，形成每一候选控制指令分别对应的预测控制结果。

30、进一步的，预设控制结果包括预设管道安全约束、预设运动状态约束和预设综合评价值，从多种预测控制结果中，选取符合预设控制结果的预测控制结果所对应的候选控制指令作为目标控制指令的步骤包括：

31、从各预测控制结果分别所包括的触觉响应预测序列中，解析得到触觉特征向量和预测清淤效能；

32、将触觉特征向量分别与预设管道安全约束和预设运动状态约束进行比较，筛选出符合预设管道安全约束和预设运动状态约束的触觉特征向量所对应的第一预设控制结果；

33、根据第一预设控制结果分别对应的预测清淤效能和不确定性度量，计算得到综合评价值；

34、将综合评价值大于预设综合评价值的第一预设控制结果所对应的候选控制指令，确定为目标控制指令。

35、进一步的，根据目标控制指令，控制多关节机械臂和喷嘴的清淤动作的步骤包括：

36、解析目标控制指令，得到多关节机械臂的期望末端轨迹和喷嘴的期望喷射参数；

37、将期望末端轨迹转换为多关节机械臂所包括的各关节的期望角度序列后，结合期望喷射参数，生成协同控制信号序列；

38、依据协同控制信号序列，驱动各关节的液压执行器和喷嘴的调节机构，执行清淤动作。

39、进一步的，执行清淤动作的步骤之后包括：

40、通过多关节机械臂的关节编码器和喷嘴的压力传感器，监测清淤动作的执行状态，得到状态反馈信息；

41、基于状态反馈信息和协同控制信号序列，计算当前控制周期的执行偏差，其中，执行偏差用于对下一控制周期的协同控制信号序列进行补偿修正。

42、所达到的有益效果：

43、本技术提供了一种原水管道液压清淤机器人的自适应控制方法，该原水管道液压清淤机器人包括移动平台、控制系统以及搭载于移动平台上的多关节机械臂，多关节机械臂的末端设有清淤头，清淤头包括喷嘴和触感传感器，该自适应控制方法包括：通过触感传感器采集清淤头与淤泥交互时的实时触觉信息后，在控制系统中基于实时触觉信息与当前控制指令，对预设触觉数字孪生模型的内部参数进行更新；通过更新后的预设触觉数字孪生模型，得到多种候选控制指令分别在未来时段上的预测控制结果；从多种预测控制结果中，选取符合预设控制结果的预测控制结果所对应的候选控制指令作为目标控制指令；根据目标控制指令，控制多关节机械臂和喷嘴的清淤动作。

44、即在本技术中，通过触感传感器获取的实时触觉信息建立了对淤泥状态的感知，并以此为核心构建了“感知-预测-优化-执行”的闭环自适应控制回路；具体而言，首先，基于实时触觉信息与当前控制指令对预设触觉数字孪生模型的内部参数进行在线更新，使得该预设触觉数字孪生模型能够反映当前清淤头与淤泥交互的状态，解决了因淤泥特性时变、非均匀而导致的固定模型或参数失配的问题，为自适应控制提供了真实可靠的交互基础；接着，通过更新后的预设触觉数字孪生模型，对未来时段上多种候选控制指令的预测控制结果进行预测仿真，从而提前辨识出在即将到来的时段内可能更高效或更安全的清淤动作方案，改变了现有仅依赖当前或过去信息进行即时反应的局限性；然后，从多种预测控制结果中选取最符合预设控制结果所对应的候选控制指令作为最终所要执行的目标控制指令，确保每次选择的控制动作都是当前认知环境下针对目标效能指标的最优或次优解，从而提升单次清淤作业的清淤效率；最后，根据目标控制指令驱动多关节机械臂和喷嘴进行清淤动作，形成一个完整的闭环，且由于下一周期的控制指令又将基于新的触觉信息和更新后的模型重新优化生成，因此整个系统能够持续地感知环境变化、更新内部认知模型、并实时调整控制策略，从而实现了对复杂多变淤泥环境的高效、自主、持续适应，从根本上提升了清淤作业的整体效率与控制系统的自适应性。