一种缆索检测机器人的二自由度运动控制方法与流程

技术特征：
1.一种缆索检测机器人的二自由度运动控制方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1、建立坐标系：缆索检测机器人为四旋翼检测机器人，具有四个旋翼；坐标系包括地球坐标系e(x,y,z)和检测机器人坐标系e(x,y,z)；其中，地球坐标系e(x,y,z)的原点o为地心，x轴为过地心的水平方向，y轴为过地心且垂直于x轴的水平方向，z轴为过地心的竖直方向；检测机器人坐标系e(x,y,z)中的原点o为缆索检测机器人的对称中心，z轴为过原点o且与缆索轴向相平行的轴，x
‑
y平面平行于四个旋翼所在平面；步骤2、建立转速模型：在检测机器人坐标系中，对每个旋翼电机均建立一个转速模型，转速模型为旋翼电机转速与输入电流之间的函数方程，具体表达式为：转速模型为旋翼电机转速与输入电流之间的函数方程，具体表达式为：式中，t
m
为电机响应时间常数；为当前t时刻时的旋翼电机转速；σ(t)为当前t时刻时的输入电流大小；为稳态转速；σ
c
为稳态转速时的输入电流值；c
r
为与σ
c
的比值；为偏移系数，反映电流零输入条件下电机的偏移转速；步骤3、求解转速：将四个旋翼所对应的电机输入电流分别代入公式(1)中，从而得到四个旋翼的转速，分别为和步骤4、建立控制效率模型：在检测机器人坐标系中，根据步骤2建立的转速模型，对缆索检测机器人建立控制效率模型；控制效率模型包括升力模型、以及x、y和z轴上的力矩模型，具体表示为：式中，f为旋翼升力；c
t
、c
m
表征了电机转速和各轴上力矩的关系，在具体实验环境下测得；t
x
、t
y
和t
z
分别为缆索检测机器人在x、y和z轴上的旋转力矩；d为旋翼电机与缆索中心轴间的距离；步骤5、建立姿态模型：在检测机器人坐标系中，根据欧拉方程，对缆索检测机器人建立力矩与角速度的姿态模型为：式(3)中，j
xx
、j
yy
和j
zz
分别为缆索检测机器人在x、y和z轴上的转动惯量；ω
x
、ω
y
和ω
z
分别为缆索检测机器人分别在x、y和z轴上的姿态角速度；为ω
x
的一阶导数；为ω
y
的
一阶导数；为ω
z
的一阶导数；步骤6、求解姿态角速度：将步骤3求解的四个旋翼的转速，代入公式(2)中，求解得到t
x
、t
y
和t
z
，再将得到的t
x
、t
y
和t
z
代入公式(3)中，进行求解，从而得到ω
x
、ω
y
和ω
z
；步骤7、坐标转换：将步骤4求解得到的ω
x
、ω
y
和ω
z
，分别转换至地球坐标系，得到地球坐标系下对应的姿态角速度ω
x
′
、ω
y
′
和ω
z
′
；步骤8、二自由度控制：通过控制四个旋翼电机的转速，实现缆索检测机器人在地球坐标系下姿态角速度ω
x
′
、ω
y
′
和ω
z
′
的调整，进而实现缆索检测机器人在缆索轴向和周向上二自由度的控制。2.根据权利要求1所述的缆索检测机器人的二自由度运动控制方法，其特征在于：缆索为光滑缆索或螺旋线缆索。3.根据权利要求1所述的缆索检测机器人的二自由度运动控制方法，其特征在于：步骤7中，坐标转换公式为：式中，θ为检测机器人坐标系下缆索检测机器人的俯仰角；φ为检测机器人坐标系下缆索检测机器人的横滚角。4.根据权利要求3所述的缆索检测机器人的二自由度运动控制方法，其特征在于：θ和φ的计算公式分别为：θ＝90
°‑
α；φ＝90
°
，α为缆索倾斜角度。5.根据权利要求1所述的缆索检测机器人的二自由度运动控制方法，其特征在于：步骤8中，在二自由度控制时，针对不同倾斜角度α的缆索，只需通过控制四个旋翼电机的转速，即能使缆索检测机器人以相同的z轴旋转角速度ω
z
′
绕缆索稳速上升。6.根据权利要求1所述的缆索检测机器人的二自由度运动控制方法，其特征在于：步骤8中，在二自由度控制时，针对均匀变直径的缆索，通过在缆索检测机器人的柔性轮上设置压力传感器，通过调整柔性轮与缆索之间的压力值，使得柔性轮与缆索之间的压力保持在设置压力范围内，从而实现缆索检测机器人的稳定爬升。7.根据权利要求6所述的缆索检测机器人的二自由度运动控制方法，其特征在于：柔性轮的数量和位置需根据缆索螺旋线的螺距和缆索直径进行设置。8.根据权利要求1所述的缆索检测机器人的二自由度运动控制方法，其特征在于：c
t
＝1.201
×
10
‑5n/(rad/s)2,c
m
＝1.574
×
10
‑7n
·
m/(rad/s)2。9.根据权利要求1所述的缆索检测机器人的二自由度运动控制方法，其特征在于：步骤8中，在二自由度控制时，当旋翼旋转时，空气会给旋翼施加阻力，所述阻力形成施加在缆索检测机器人上的反扭力矩；当四个旋翼转速相等，且1、3号旋翼逆时针转，2、4号旋翼顺时针转时，作用在旋翼上的反扭力矩将相互抵消，缆索检测机器人达到一个平衡状态；然后，通过改变各旋翼的转速，实现对缆索检测机器人运动状态的控制。10.根据权利要求9所述的缆索检测机器人的二自由度运动控制方法，其特征在于：当总升力大于或小于缆索检测机器人在z轴上的重量分力时，缆索检测机器人将沿缆索上升
或下降；保持1、3号旋翼转速相同，2、4号旋翼转速相同，1、3号旋翼转速大于或小于2、4号旋翼转速时，缆检测机器人将顺时针或逆时针旋转，缆索检测机器人呈螺旋上升的运动状态；当总升力等于缆索检测机器人在z轴上的重量分力时，缆索检测机器人将在空中悬停。

技术总结
本发明公开了一种缆索检测机器人的二自由度运动控制方法，具体包括步骤为：步骤1、建立坐标系；步骤2、建立转速模型；步骤3、求解转速；步骤4、建立控制效率模型；步骤5、建立姿态模型；步骤6、求解姿态角速度；步骤7、坐标转换；步骤8、二自由度控制。本发明能实现在缆索的轴向和周向的二自由度的任意控制，能针对不同倾斜角度缆索、索体直径均匀变化的同一缆索进行有效检测，检测范围覆盖光滑长直缆索和螺旋线缆索类型，即能以沿着缆索轴向方向不变的姿态和螺旋上升姿态对缆索进行检测。和螺旋上升姿态对缆索进行检测。和螺旋上升姿态对缆索进行检测。


技术研发人员：何皓明 周金粮 高煜超 李筱萌
受保护的技术使用者：周金粮 高煜超 李筱萌
技术研发日：2021.06.03
技术公布日：2021/12/13