CN115635487B - 一种基于多传感器融合的爬塔机器人避障控制***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多传感器融合的爬塔机器人避障控制***及方法，以实现电力爬塔机器人的可靠攀爬。***包括多传感器感知单元、信号转换传输单元以及控制单元；所述多传感器感知单元包括横梁检测传感器、脚钉检测传感器和接近限位传感器；所述信号转换传输单元，用于将横梁检测传感器、脚钉检测传感器和接近限位传感器的感知数据进行转换后传输给所述控制单元；本发明提出利用电感接近传感器实现爬塔机器人两夹爪之间的有效行程限位，其中爬塔机器人单步有效行程不小于两横梁间距；利用超声波传感器实现横梁障碍的有效识别；提出利用超声波传感器实现脚钉障碍的有效识别，采用二次折弯板折射的方式实现脚钉的有效避障，效果较好。
Description
技术领域
本发明涉及机器人避障控制技术领域，尤其涉及一种基于多传感器融合的爬塔机器人避障控制***及方法。
背景技术
随着国家对电力行业施工的安全性要求不断提高，电力爬塔机器人的研制成为实现高空作业机械化、自动化的重点方向。爬塔机器人进行有效作业的前提是必须保证攀爬的可靠性，然而高压铁塔结构复杂、横梁错综且脚钉遍布，要想实现有效攀爬不仅需要可靠的攀爬单元，同时需要开发可行的避障控制***和方法。目前，对于电力爬塔机器人的研究多集中于攀爬单元的结构设计方面，对于如何有效的实现障碍物识别和越障研究较少。
综上所述，为使电力爬塔机器人能够真正替代人员进行高空作业，亟待开发一套实际可行的避障控制***和方法。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种基于多传感器融合的爬塔机器人避障控制***及方法，以实现电力爬塔机器人的可靠攀爬。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
第一方面
本申请提供的一种基于多传感器融合的爬塔机器人避障控制***，包括多传感器感知单元、信号转换传输单元以及控制单元；
所述多传感器感知单元包括横梁检测传感器、脚钉检测传感器和接近限位传感器；其中，所述横梁检测传感器位于爬塔机器人机身头部和尾部，用于检测横梁障碍；所述脚钉检测传感器位于爬塔机器人夹爪组件的夹臂上，用于检测脚钉障碍；所述接近限位传感器位于爬塔机器人机身下表面丝杠行程范围内的前端和后端，用于限制活动夹爪的行程范围；
所述信号转换传输单元，用于将横梁检测传感器、脚钉检测传感器和接近限位传感器的感知数据进行转换后传输给所述控制单元；
所述控制单元，用于根据所述信号转换传输单元传输来的感知数据对爬塔机器人周围横梁障碍、脚钉障碍的判断和对爬塔机器人活动夹爪前后极限位置的判断，并根据判断结果综合决策爬塔机器人的夹持运动策略。
第二方面
本申请提供的一种基于多传感器融合的爬塔机器人避障控制方法，所述方法利用上述的基于多传感器融合的爬塔机器人避障控制***执行，包括以下步骤：
步骤一：将固定于铁塔上的爬塔机器人与上位机进行初始化连接；
步骤二：固定夹爪打开并随机身开始运动，控制单元实时接收超声波传感器检测的横梁障碍信息，判断超声波传感器是否检测到横梁障碍，若否，则固定夹爪随机身持续运动；若是，则固定夹爪随机身停止运动；控制单元实时接收固定夹爪夹臂上超声波传感器检测固定夹爪停止处脚钉障碍信息，判断运行停止位固定夹爪夹臂上超声波传感器是否检测到脚钉障碍，若否，直接进行夹持；若是，则固定夹爪随机身自主下移或自助上移预设距离并进行夹持；
步骤三：活动夹爪打开并开始运动，控制单元实时接收接近限位传感器提示两夹爪位置已至限制位信息，判断接近限位传感器是否提示两夹爪位置已至限制位；若否，则活动夹爪持续运动，若是，则活动夹爪停止运动；控制单元实时接收活动夹爪夹臂上超声波传感器检测活动夹爪停止处脚钉障碍信息，判断运行停止位活动夹爪夹臂上超声波传感器是否检测到脚钉障碍；若否，直接进行夹持，若是，则固定夹爪随机身自主下移或自助上移预设距离并进行夹持；
步骤四：重复步骤二和步骤三进行下一步爬行循环。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
针对高压铁塔结构复杂、横梁错综且脚钉遍布的情况，本发明提出利用电感接近传感器实现爬塔机器人两夹爪之间的有效行程限位，其中爬塔机器人单步有效行程不小于两横梁间距；利用超声波传感器实现横梁障碍的有效识别，超声波传感器的障碍信号决定了爬塔机器人两步之间的初始步长；提出利用超声波传感器实现脚钉障碍的有效识别，由于脚钉结构为直杆带弯头形式，靠近爬塔机器人侧只能检测到直杆，直接检测并不能实现避障，因此采用二次折弯板折射的方式实现脚钉的有效避障，效果较好。
附图说明
图1所示为本申请实施例中***连接结构示意图；
图2所示为本申请实施例中多传感器感知单元在爬塔机器人上的安装位置示意图；
图3所示为本申请实施例中方法流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-图2所示，本申请实施例提供了一种基于多传感器融合的爬塔机器人避障控制***，包括多传感器感知单元、信号转换传输单元以及控制单元；
所述多传感器感知单元包括横梁检测传感器1、脚钉检测传感器5和接近限位传感器2；
所述横梁检测传感器1位于爬塔机器人机身头部和尾部，用于检测横梁障碍；所述脚钉检测传感器5位于爬塔机器人夹爪组件的夹臂上，用于检测脚钉障碍；所述接近限位传感器2位于爬塔机器人机身下表面丝杠行程范围内的前端和后端，用于限制活动夹爪的行程范围；
具体地，如图2所示，所述横梁检测传感器1为超声波传感器，其于爬塔机器人头部和尾部各设置两个，均为垂直于横梁布置；所述脚钉检测传感器5为超声波传感器，其于爬塔机器人两个夹爪组件的八个夹臂上各设置一个，利用二次折弯板折射以检测脚钉障碍，其中第一次折弯45度，第二次折弯25度；所述接近限位传感器5为电感式传感器，其于爬塔机器人机身下表面丝杠行程范围内的前后两端各设置两个。
所述信号转换传输单元，用于将横梁检测传感器1、脚钉检测传感器5和接近限位传感器2的感知数据进行转换后传输给所述控制单元；信号转换传输单元，包括降压隔离模块和无线收发模块，降压隔离模块用于将多传感器感知单元输出的12V电压信号转换成控制单元可接收的3.3V电压；无线收发模块，用于信号转换传输单元与控制单元数据传输，还用于控制单元与上位机之间进行远距离传输，可采用LoRa无线数传电台，传输距离可达10km。
另外，无线收发模块还用于爬塔机器人电机与控制单元之间的交互信号传输。如图2所示，爬塔机器人电机为爬塔机器人的动力输出部件，包括第一电机、第二电机以及第三电机3、第四电机4。
所述控制单元，用于根据所述信号转换传输单元传输来的感知数据对爬塔机器人周围横梁障碍、脚钉障碍的判断和对爬塔机器人活动夹爪前后极限位置的判断，并根据判断结果综合决策爬塔机器人的夹持运动策略。
具体地，控制单元用于获取横梁检测传感器和脚钉检测传感器两者互补所感知的爬塔机器人前端和夹爪夹臂正下方是否存在障碍物的情况，以控制爬塔机器人步长和夹持位置。
其中，所述夹持运动策略包括步长和夹持位置。
如图3所示，本申请还提供了一种基于多传感器融合的爬塔机器人避障控制方法，该方法用上述的***执行，包括以下步骤：
步骤一：将固定于铁塔上的爬塔机器人与上位机进行初始化连接；
步骤二：固定夹爪打开并随机身开始运动，控制单元实时接收超声波传感器检测的横梁障碍信息，判断超声波传感器是否检测到横梁障碍，若否，则固定夹爪随机身持续运动；若是，则固定夹爪随机身停止运动；控制单元实时接收固定夹爪夹臂上超声波传感器检测固定夹爪停止处脚钉障碍信息，判断运行停止位固定夹爪夹臂上超声波传感器是否检测到脚钉障碍，若否，直接进行夹持；若是，则固定夹爪随机身自主下移或自助上移预设距离并进行夹持；
步骤三：活动夹爪打开并开始运动，控制单元实时接收接近限位传感器2提示两夹爪位置已至限制位信息，判断接近限位传感器2是否提示两夹爪位置已至限制位；若否，则活动夹爪持续运动，若是，则活动夹爪停止运动；控制单元实时接收活动夹爪夹臂上超声波传感器检测活动夹爪停止处脚钉障碍信息，判断运行停止位活动夹爪夹臂上超声波传感器是否检测到脚钉障碍；若否，直接进行夹持，若是，则固定夹爪随机身自主下移或自助上移预设距离并进行夹持；需要说明的是，预设距离为提前预设，可以选择10cm。
步骤四：重复步骤二和步骤三进行下一步爬行循环。
其中，爬塔机器人固定夹爪与机身为刚性连接进行一体运动，活动夹爪能够单独***。
其中，爬塔机器人固定夹爪和活动夹爪检测到停止处存在脚钉需自主下移或自主上移取决于爬塔机器人的爬行状态，若向上爬行则需自主下移，若向下爬行则自主上移。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.一种基于多传感器融合的爬塔机器人避障控制***，其特征在于，包括多传感器感知单元、信号转换传输单元以及控制单元；
所述多传感器感知单元包括横梁检测传感器、脚钉检测传感器和接近限位传感器；其中，所述横梁检测传感器位于爬塔机器人机身头部和尾部，用于检测横梁障碍；所述脚钉检测传感器位于爬塔机器人夹爪组件的夹臂上，用于检测脚钉障碍；所述接近限位传感器位于爬塔机器人机身下表面丝杠行程范围内的前端和后端，用于限制活动夹爪的行程范围；
所述信号转换传输单元，用于将横梁检测传感器、脚钉检测传感器和接近限位传感器的感知数据进行转换后传输给所述控制单元；
所述控制单元，用于根据所述信号转换传输单元传输来的感知数据对爬塔机器人周围横梁障碍、脚钉障碍的判断和对爬塔机器人活动夹爪前后极限位置的判断，并根据判断结果综合决策爬塔机器人的夹持运动策略；
所述横梁检测传感器为超声波传感器，其于爬塔机器人机身头部和尾部分别设置两个，均垂直于横梁布置；
所述脚钉检测传感器为超声波传感器，其于爬塔机器人两个夹爪组件的八个夹臂上分别设置一个；所述脚钉检测传感器利用二次折弯板折射以检测脚钉障碍，其中第一次折弯45度，第二次折弯25度；
所述接近限位传感器为电感式传感器，其于爬塔机器人机身下表面丝杠行程范围内的前端和后端分别设置两个。
2.如权利要求1所述的基于多传感器融合的爬塔机器人避障控制***，其特征在于，所述信号转换传输单元包括降压隔离模块和无线收发模块；所述降压隔离模块，用于将多传感器感知单元输出的高电压信号转换成控制单元能够接收的低电压；所述无线收发模块，采用能够进行远距离传输的无线数传电台。
3.如权利要求1所述的基于多传感器融合的爬塔机器人避障控制***，其特征在于，所述夹持运动策略包括步长和夹持位置。
4.一种基于多传感器融合的爬塔机器人避障控制方法，其特征在于，所述方法利用如权利要求1-3中任一项所述的基于多传感器融合的爬塔机器人避障控制***执行，包括以下步骤：
步骤一：将固定于铁塔上的爬塔机器人与上位机进行初始化连接；
步骤二：固定夹爪打开并随机身开始运动，控制单元实时接收超声波传感器检测的横梁障碍信息，判断超声波传感器是否检测到横梁障碍，若否，则固定夹爪随机身持续运动；若是，则固定夹爪随机身停止运动；控制单元实时接收固定夹爪夹臂上超声波传感器检测固定夹爪停止处脚钉障碍信息，判断运行停止位固定夹爪夹臂上超声波传感器是否检测到脚钉障碍，若否，直接进行夹持；若是，则固定夹爪随机身自主下移或自助上移预设距离并进行夹持；
步骤三：活动夹爪打开并开始运动，控制单元实时接收接近限位传感器提示两夹爪位置已至限制位信息，判断接近限位传感器是否提示两夹爪位置已至限制位；若否，则活动夹爪持续运动，若是，则活动夹爪停止运动；控制单元实时接收活动夹爪夹臂上超声波传感器检测活动夹爪停止处脚钉障碍信息，判断运行停止位活动夹爪夹臂上超声波传感器是否检测到脚钉障碍；若否，直接进行夹持，若是，则固定夹爪随机身自主下移或自助上移预设距离并进行夹持；
步骤四：重复步骤二和步骤三进行下一步爬行循环。
5.如权利要求4所述的基于多传感器融合的爬塔机器人避障控制方法，其特征在于，爬塔机器人固定夹爪与机身为刚性连接进行一体运动，活动夹爪能够单独***。
6.如权利要求4所述的基于多传感器融合的爬塔机器人避障控制方法，其特征在于，爬塔机器人固定夹爪和活动夹爪检测到停止处存在脚钉需自主下移或自主上移取决于爬塔机器人的爬行状态，若向上爬行则需自主下移，若向下爬行则自主上移。
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