基于多傳感器融合的爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)研究

丁杰月，張延兵，談英姿

(1.東南大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇 南京 210096)(2.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院南通分院，江蘇 南通 226000)

進(jìn)入21世紀(jì)后機(jī)器人產(chǎn)業(yè)得到迅速發(fā)展，機(jī)器人種類繁多，表現(xiàn)形式各種各樣。其中爬壁機(jī)器人在各行各業(yè)也開始大放異彩。爬壁機(jī)器人的研制在國內(nèi)起步較晚，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所是國內(nèi)最早研制爬壁機(jī)器人的科研機(jī)構(gòu)，其代表性爬壁機(jī)器人是多功能履帶式罐壁噴涂檢測磁吸附爬壁機(jī)器人[1]。此外國內(nèi)其他高校如清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、東南大學(xué)、大連海事大學(xué)及寧波大學(xué)等都在研發(fā)爬壁機(jī)器人，但各自應(yīng)用場景不同[2]。

機(jī)器人包括機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩部分，本文研究的爬壁機(jī)器人主要應(yīng)用于罐體檢測，采用永磁吸附、雙電機(jī)驅(qū)動，因此其機(jī)械結(jié)構(gòu)部分復(fù)雜度較小，研究的重點(diǎn)在控制系統(tǒng)部分，主要的難點(diǎn)在控制系統(tǒng)的魯棒性和通用性[3]。永磁吸附爬壁機(jī)器人屬于移動機(jī)器人的一種，其控制系統(tǒng)應(yīng)該具有一定的決策能力，通過獲取環(huán)境變量可以實(shí)現(xiàn)與用戶的實(shí)時(shí)交互，搭載檢測傳感器完成檢測任務(wù)。本文主要介紹了機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成和軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。以工控機(jī)、視覺傳感器、姿態(tài)傳感器和高精度里程計(jì)為硬件基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)行和空間定位功能，并基于Qt5.0和Android3.0設(shè)計(jì)了多平臺的操控端。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

檢測要求：機(jī)器人能夠在垂直壁面穩(wěn)定移動，能夠檢測壁面溫度、壁面障礙物和機(jī)器人本體的姿態(tài)。

定位要求：在不改變現(xiàn)場環(huán)境的情況下，機(jī)器人要能夠?qū)崿F(xiàn)本體的空間定位，且定位精度在厘米級別。

通信要求：服務(wù)器和操作端能夠同時(shí)互相傳輸圖像和控制指令，且圖像傳輸時(shí)延應(yīng)在0.3s之內(nèi)。服務(wù)器端和傳感器之間的通信誤碼率應(yīng)低于0.1%。

交互需求：操作人員能夠遠(yuǎn)程遙控機(jī)器人，包括設(shè)定機(jī)器人的運(yùn)動模式、設(shè)定機(jī)器人的運(yùn)動速度、設(shè)定機(jī)器人的檢測任務(wù)等，通過設(shè)計(jì)的操作端能夠監(jiān)測機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)。

安全需求：機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)電池電量自檢測及電量過低報(bào)警、溫度監(jiān)控異常報(bào)警等。

1.2 總體架構(gòu)

控制系統(tǒng)由服務(wù)器端、傳感器網(wǎng)絡(luò)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、通信模塊、操作端組成。其中服務(wù)器端、傳感器網(wǎng)絡(luò)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)之間通過RS-485總線進(jìn)行通信。服務(wù)器端和操作端之間通過TCP/IP、UDP協(xié)議進(jìn)行通信。系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。

2 爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)

機(jī)器人本體硬件系統(tǒng)是機(jī)器人運(yùn)動的基礎(chǔ)平臺，一個好的硬件系統(tǒng)可以極大地提升機(jī)器人控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本文中控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方式[4]。系統(tǒng)硬件主要包括電源模塊、控制器模塊、傳感器模塊、通訊模塊、運(yùn)動模塊等。硬件系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

圖2 硬件系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊

電源模塊在整個控制系統(tǒng)中的作用非常重要,它直接決定整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。機(jī)器人硬件系統(tǒng)使用24V鋰電池供電，雖然大容量且小體積的鋰電池成本高，但其輸出電壓穩(wěn)定，自放電小，沒有記憶效應(yīng)，工作溫度范圍寬，可快速充放電，使用壽命長、污染小[5]。電源模塊采用多級降壓方式，通過直流降壓模塊將24V電壓轉(zhuǎn)換成12V、6～7V、5V、3V多種輸出電壓。其中12V轉(zhuǎn)換模塊額定功率為80W，主要給控制器模塊、視覺模塊、路由器、運(yùn)動模塊中的驅(qū)動器模塊供電；6～7V電源模塊額定功率為40W，主要給機(jī)器人二次運(yùn)動模塊中的舵機(jī)供電；5V、3V電源模塊主要給傳感器網(wǎng)絡(luò)提供電源。由于電源系統(tǒng)采用多級降壓穩(wěn)壓,前級電源產(chǎn)生的干擾信號很有可能對下級電源模塊產(chǎn)生干擾，為保證各級電源可靠工作,必須強(qiáng)化各級電源的前、后濾波,使干擾降到最小[6]，因此在前、后級電源模塊之間增加了濾波電容。

2.2 控制器模塊

機(jī)器人本體控制器采用ADVANTECH2236-j1900控制器。該款控制器有豐富的外設(shè)接口如SATA、mSATA、RJ45、USB、RS-485、VGA、HDMI、HD Audio等?？刂破骺梢源钶dUbuntu16.04操作系統(tǒng)，配合多線程機(jī)制可以輕松實(shí)現(xiàn)圖像處理、控制運(yùn)算和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽幚砥餍阅芡耆軡M足控制要求。

2.3 傳感器模塊

傳感器模塊分為兩個部分。第一部分與感知、運(yùn)動有關(guān)，主要包括四通道超聲波傳感器、非接觸式測溫傳感器、紅外測距傳感器、6軸姿態(tài)儀、網(wǎng)絡(luò)攝像頭、高精度編碼器、接近開關(guān)等；第二部分與罐體壁面檢測有關(guān)，該部分主要包括測厚儀、焊縫檢測儀、探傷儀等。

2.4 運(yùn)動模塊

運(yùn)動模塊由兩個直流電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動器組成。電機(jī)的最大輸出功率是實(shí)際負(fù)載的1.5倍，設(shè)計(jì)時(shí)選用了體型較小的MAXON電機(jī)，驅(qū)動器選擇Motec HIPPO驅(qū)動器，最大輸出功率可達(dá)500W，具有一定的余量。

2.5 通信模塊

控制器、傳感器、運(yùn)動機(jī)構(gòu)之間使用RS-485總線通信。使用RS-485總線可以將多個傳感器構(gòu)成一個傳感器網(wǎng)絡(luò)，節(jié)約外設(shè)接口資源。綜合考慮傳輸質(zhì)量、距離和抗干擾性能及數(shù)據(jù)量，RS-485總線使用9 600波特率[7]。機(jī)器人本體控制器和操作端之間使用TCP/IP和UDP協(xié)議通信。在網(wǎng)絡(luò)連接正常情況下，TCP/IP協(xié)議傳輸質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)的高于UDP協(xié)議，而UDP的傳輸速率卻遠(yuǎn)高于TCPSocket，所以控制指令使用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行傳輸，圖像傳輸則使用UDP協(xié)議。

3 爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)包括本體控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)使用C/S架構(gòu)、MVC設(shè)計(jì)模式。機(jī)器人本體控制系統(tǒng)作為服務(wù)器端，可實(shí)現(xiàn)多操作端同時(shí)登錄、同時(shí)操控。在MVC模式中，M為數(shù)據(jù)層(model)，主要包括傳感器數(shù)據(jù)和機(jī)器人狀態(tài)信息；C 為控制層(controller)，主要負(fù)責(zé)控制算法的實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、實(shí)時(shí)報(bào)警、操作端管理等[8]；V為View層，該層負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)與用戶的交互、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)圖像顯示。MVC各層的功能如圖3所示。

爬壁機(jī)器人作為移動平臺，除了搭載其他設(shè)備還要能夠按照指定的路徑移動，且能夠?qū)崿F(xiàn)空間定位。為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)定位的缺陷，本研究通過融合姿態(tài)儀和里程計(jì)的方式實(shí)現(xiàn)了空間定位。

圖3 MVC各層功能

3.1 爬壁機(jī)器人本體系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

機(jī)器人本體控制系統(tǒng)使用了多線程技術(shù)。系統(tǒng)包括1個主線程和5個子線程，通過使用共享內(nèi)存的方式在多個線程之間傳遞數(shù)據(jù)。此外系統(tǒng)中還使用了指令緩沖隊(duì)列的方法，即所有線程共享一個指令隊(duì)列，當(dāng)接收到控制指令時(shí)將指令存入到指令隊(duì)列中，當(dāng)執(zhí)行完成一條指令后將該指令從指令隊(duì)列中刪除[9]。如果指令隊(duì)列長時(shí)間為空狀態(tài)，則部分線程進(jìn)入休眠狀態(tài)，讓出系統(tǒng)CPU資源給其他線程。

主線程主要執(zhí)行全局對象的初始化、子線程的開啟和關(guān)閉、服務(wù)器端UI的維護(hù)、本體運(yùn)動控制以及檢測運(yùn)動控制。主線程程序流程圖如圖4所示。

圖4 本體控制系統(tǒng)主線程程序流程圖

第一個子線程為Socket線程，負(fù)責(zé)操作端的接入和退出、Socket通信、數(shù)據(jù)編解碼以及數(shù)據(jù)存儲。程序流程框圖如圖5所示。

第二個子線程為感知器數(shù)據(jù)采集線程，負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)采集和存儲。

第三個線程是圖像采集和傳輸線程，該線程主要負(fù)責(zé)攝像頭的登錄、退出及圖像的采集和轉(zhuǎn)發(fā)。

第四個線程是數(shù)據(jù)處理線程，該線程主要負(fù)責(zé)處理傳感器反饋的數(shù)據(jù)和圖像，對數(shù)據(jù)進(jìn)行矯正補(bǔ)償、姿態(tài)檢測、信號報(bào)警。如當(dāng)紅外測距傳感器所測得的距離超過設(shè)定的閾值時(shí)系統(tǒng)將會發(fā)送越界信號，當(dāng)里程計(jì)數(shù)值未發(fā)生變化而姿態(tài)儀中加速度計(jì)數(shù)值劇烈波動時(shí)系統(tǒng)將會發(fā)送墜落信號。

圖5 本體Sokcet線程程序流程圖

第五個線程是在焊縫識別技術(shù)的基礎(chǔ)上通過查詢罐體焊縫數(shù)據(jù)庫、融合姿態(tài)儀和里程計(jì)的方式實(shí)現(xiàn)機(jī)器人空間定位。傳統(tǒng)定位方式在罐體定位中無法正常工作，因?yàn)榛趥鹘y(tǒng)的超聲、紅外、WiFi等方式的定位原理要求信號收發(fā)器處于空間同一平面，且中間無遮擋物。因此在該線程中根據(jù)實(shí)際焊縫的特點(diǎn)通過融合姿態(tài)儀、里程計(jì)方式實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人基于焊縫編號的空間定位方式。實(shí)際罐體焊縫如圖6所示。定位過程主要分3步：焊縫編號確定、多傳感器位移計(jì)算、多傳感器位移融合。

圖6 實(shí)際焊縫樣圖

1)焊縫工程編號確定。

使用姿態(tài)儀和里程計(jì)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的空間定位，但是由于里程計(jì)和姿態(tài)儀都存在累計(jì)誤差，所以機(jī)器人運(yùn)行時(shí)間越長定位誤差越大。為了消除累積誤差，可以使用分段定位的方式，即運(yùn)行一定的距離后將傳感器重新置零。采用在罐體表面貼標(biāo)記實(shí)現(xiàn)分段定位的方式會增加檢測的人力成本。由于大型罐體是由多塊鋼板拼接而成的，其焊縫都是規(guī)則的直線段，因此充分利用罐體焊縫的已有特征，對焊縫上焊點(diǎn)的標(biāo)定采用分段標(biāo)定方式，其坐標(biāo)為(焊縫編號ID，距離焊縫起點(diǎn)距離Pos)，其中ID通過視覺傳感器確定。焊縫的起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)都是匯合點(diǎn)(多個焊縫的相交點(diǎn))，當(dāng)檢測到第一個匯合點(diǎn)時(shí)即為一條焊縫的起始點(diǎn)。機(jī)器人沿著某條焊縫移動，當(dāng)再次檢測到匯合點(diǎn)時(shí)，此匯合點(diǎn)即為此條焊縫的結(jié)束點(diǎn)。通過紋理檢測可以精確地識別焊縫的匯合點(diǎn)[10]，當(dāng)識別到匯合點(diǎn)之后查詢數(shù)據(jù)庫確定焊縫的工程編號。結(jié)合圖6將實(shí)際焊縫抽象成如圖7所示的焊縫示意圖，機(jī)器人沿0號焊縫箭頭方向駛?cè)雲(yún)R合點(diǎn)，當(dāng)機(jī)器人通過視覺傳感器識別出匯合點(diǎn)的同時(shí)識別出匯合點(diǎn)處所有的焊縫，對匯合點(diǎn)處的焊縫按順時(shí)針方向進(jìn)行編號，機(jī)器人根據(jù)決策規(guī)律駛?cè)胂乱粭l焊縫如2號焊縫，此時(shí)查詢數(shù)據(jù)庫可知該焊縫在數(shù)據(jù)庫中的工程編號為c，因此其焊點(diǎn)坐標(biāo)可表示為(c，Pos)，其中Pos根據(jù)2)、3)確定。

圖7 焊縫示意圖

2)位移計(jì)算。

里程計(jì)將轉(zhuǎn)動軸的角位移、角速度等機(jī)械量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖以數(shù)字量輸出。通過計(jì)算里程計(jì)信號差值可以得到轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動距離，因此可以求得機(jī)器人的實(shí)際位移。本文中使用的里程計(jì)為Maxon 1024高精度光電式編碼器，即電機(jī)軸每旋轉(zhuǎn)一圈編碼器產(chǎn)生1 024個脈沖信號。機(jī)器人電機(jī)轉(zhuǎn)速為w，減速比為a，輪徑為r，里程計(jì)初始值為S0，t時(shí)刻里程計(jì)的值為St，則機(jī)器人移動距離L1(t)(m/s)為：

本研究選用的姿態(tài)儀傳感器由三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀構(gòu)成，可以分別輸出x，y，z各軸的加速度、角速度、角度。對x，y，z三軸的加速度做兩次積分可以計(jì)算出機(jī)器人的位移。姿態(tài)儀的采樣頻率為200Hz，機(jī)器人工作時(shí)行走速度為0.2～0.5m/s，一個采樣周期內(nèi)機(jī)器人移動的距離為1.0～2.5mm，對此作積分計(jì)算求得的位移可以近似為機(jī)器人移動的距離。根據(jù)加速度計(jì)算得到的機(jī)器人移動距離L2(t)(m/s)為：

式中：*代表x,y,z；n為采樣周期；ax,ay,az分別為x,y,z軸向的線加速度；Vx,Vy,Vz分別為x,y,z軸向的線速度。

3)姿態(tài)儀和里程計(jì)定位融合。

機(jī)器人的實(shí)際移動路徑和規(guī)劃路徑存在偏差，因此里程計(jì)的定位位移始終大于實(shí)際位移。而姿態(tài)儀是通過近似、求和、積分的方法計(jì)算位移，其中存在計(jì)算模型誤差，導(dǎo)致所求的位移小于實(shí)際位移[11]。通過分析可知，機(jī)器人沿焊縫勻速行走時(shí)，其角度可能發(fā)生變化，但角加速度不會變化。基于此，采用自適應(yīng)權(quán)重方法將兩種位移算法融合在一起[12]，計(jì)算方式如下。其中L為融合后的位移，L1為里程計(jì)計(jì)算得到的位移即L1(t)，L2為姿態(tài)儀計(jì)算得到的位移即L2(t)。

L=k1L1+k2L2,k1+k2=ka，ka≤1

式中：k1為L1的權(quán)重；k2為L2的權(quán)重；ka可以通過自適應(yīng)算法確定，也可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值確定。k1，k2，ka的確定規(guī)則如下：①機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定，則ka=1，k1=k2=0.5;②機(jī)器人運(yùn)行不穩(wěn)定但角速度變化穩(wěn)定，則ka=1，k1+k2=1,k2>k1;③機(jī)器人運(yùn)行不穩(wěn)定且角速度變化不穩(wěn)定,則k1+k2=ka,k1=k2=ka/2。ka通過經(jīng)驗(yàn)值確定，將多次實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)存儲在表中，機(jī)器人運(yùn)行時(shí)根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)查表可得具體值。

3.2 操控端軟件設(shè)計(jì)

機(jī)器人操控端主要任務(wù)是完成控制系統(tǒng)與操作員的交互，因此需要有良好的用戶體驗(yàn)。為了支持多平臺操控，分別設(shè)計(jì)了PC版和Android版的操控端。

1)PC操控端設(shè)計(jì)。

Windows和Linux版本操控端的設(shè)計(jì)都是基于Qt 5.0完成的。Qt具有跨平臺性，即在一個平臺編寫好源代碼之后，在目標(biāo)平臺編譯即可運(yùn)行，無需重新編寫代碼。其設(shè)計(jì)思想依然以線程為對象，不同線程完成不同的任務(wù)。PC操控端設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 Windows、Linux版PC操控端

2)Android操控端設(shè)計(jì)。

Android操控端是基于Android studio3.0實(shí)現(xiàn)的，操控端可以運(yùn)行在Android 平板、Android 手機(jī)以及Android模擬器上。Android Studio設(shè)計(jì)的界面交互性比Windows的更貼近用戶使用習(xí)慣，更便于攜帶操作。Android操控端設(shè)計(jì)界面如圖9所示。

圖9 Android操控端

4 測試

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性和魯棒性，以SEU_CLIMB_ROB_I 型爬壁機(jī)器人為實(shí)現(xiàn)平臺，進(jìn)行多次實(shí)際操作測試，對系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。圖10為爬壁機(jī)器人在豎直壁面移動的測試圖。通過上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人的狀態(tài)信息和傳感器數(shù)據(jù)。圖11為傳感器采集的機(jī)器人的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息。通信方面采用無線和有線兩種傳輸方式，當(dāng)無線通訊干擾較強(qiáng)時(shí)，機(jī)器人可以選擇有線通信，實(shí)驗(yàn)中通信線路可以穩(wěn)定地傳輸數(shù)據(jù)。

在機(jī)器人穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)上對定位的可行性做了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，圖12為定位實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，圖13為根據(jù)定位數(shù)據(jù)繪制的曲線，通過融合姿態(tài)儀和里程計(jì)兩種定位方式，可以較好地實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人空間定位，從而克服傳統(tǒng)定位方法在空間有障礙情況下無法定位的缺點(diǎn)，圖12中相鄰定位點(diǎn)的距離均小于1cm，因此定位識別精度在厘米級別，滿足定位精度的需求。

圖10 機(jī)器人功能測試圖

圖11 傳感器數(shù)據(jù)

圖12 定位實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖13 定位曲線

5 結(jié)束語

本文針對應(yīng)用于罐體設(shè)備檢測的爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)了一套完整的控制系統(tǒng)，結(jié)合模塊化設(shè)計(jì)思想和MVC設(shè)計(jì)模式使得系統(tǒng)層次清晰。硬件系統(tǒng)由多個模塊組成，除電源模塊之外，各模塊可獨(dú)立工作，極大程度降低了硬件系統(tǒng)的耦合性，因此也降低了機(jī)器人宕機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。軟件采用C/S架構(gòu)，機(jī)器人本體為服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了對機(jī)器人的控制；操控端則作為客戶端，完成與用戶的交互、監(jiān)控等功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)可以穩(wěn)定地控制爬壁機(jī)器人的運(yùn)動。通過融合姿態(tài)儀和里程計(jì)的方式實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的空間定位，該方法定位精度能滿足實(shí)際要求。通過長時(shí)間的運(yùn)行和重復(fù)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性，能夠滿足罐體設(shè)備檢測的爬壁機(jī)器人控制需求。總體而言，該系統(tǒng)魯棒性強(qiáng)、耦合性低、功能擴(kuò)展性好。但該系統(tǒng)仍然有提升優(yōu)化的空間，如機(jī)器人內(nèi)部空間小導(dǎo)致機(jī)體內(nèi)部熱量難以散發(fā)、系統(tǒng)對設(shè)備的精度要求高導(dǎo)致設(shè)計(jì)成本偏高等問題。