适用于圆形管道的巡检机器人姿态纠偏控制方法及系统与流程

所属的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。下面参考图7，其示出了用于实现本技术方法、系统、设备实施例的服务器的计算机系统的结构示意图。图7示出的服务器仅仅是一个示例，不应对本技术实施例的功能和使用范围带来任何限制。如图7所示，计算机系统包括中央处理单元(cpu，central processing unit)601，其可以根据存储在只读存储器(rom，read only memory)602中的程序或者从存储部分608加载到随机访问存储器(ram，random access memory)603中的程序而执行各种适当的动作和处理。在ram 603中，还存储有系统操作所需的各种程序和数据。cpu 601、rom 602以及ram 603通过总线604彼此相连。输入/输出(i/o，input/output)接口605也连接至总线604。以下部件连接至i/o接口605：包括键盘、鼠标等的输入部分606；包括诸如阴极射线管(crt，cathode ray tube)、液晶显示器(lcd，liquid crystal display)等以及扬声器等的输出部分607；包括硬盘等的存储部分608；以及包括诸如lan(局域网，local areanetwork)卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分609。通信部分609经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器610也根据需要连接至i/o接口605。可拆卸介质611，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器610上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分608。特别地，根据本公开的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分609从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质611被安装。在该计算机程序被中央处理单元(cpu)601执行时，执行本技术的方法中限定的上述功能。需要说明的是，本技术上述的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(cd-rom)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本技术中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本技术中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、rf等等，或者上述的任意合适的组合。可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本技术的操作的计算机程序代码，上述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如java、smalltalk、c++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“c”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(lan)或广域网(wan)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。附图中的流程图和框图，图示了按照本技术各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

背景技术：

1、目前机器人姿态纠偏系统多数应用于平面或水下环境，针对圆形管道内机器人姿态纠偏控制或行走纠偏控制研究较少。另外，管道机器人纠偏控制方法大多考虑在单一方向实现控制，在多方向纠偏控制中并不适用，并且多数机器人纠偏控制方法需要建立机器人的动态模型，由于动态模型在理想条件下建立，无法满足实际生产使用需求。

2、因此现有技术中很难实现对机器人的多方向控制。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中的上述问题，即现有技术中很难实现对机器人的多方向控制的问题，本发明提供了一种适用于圆形管道的巡检机器人姿态纠偏控制方法，所述方法包括：

2、获取巡检机器人的运动参数；所述运动参数包括航向角、横滚角、左侧轮毂线速度、右侧轮毂线速度、中心线速度；基于所述航向角和目标航向角计算航向角偏差；基于所述横滚角和目标横滚角计算横滚角偏差；

3、基于所述左侧轮毂线速度、所述右侧轮毂线速度和轮毂半径计算所述巡检机器人的左侧轮毂角速度和右侧轮毂角速度；基于所述巡检机器人的两侧驱动轮距离、轮毂半径、中心线速度和当前行走管道半径构建自适应函数；

4、将第一参数集合中的参数输入到模糊关系矩阵控制系统，所述模糊关系矩阵控制系统分别对所述第一参数集合中的各参数定义模糊集，并对各模糊集分别进行模糊集运算得到各模糊集的运算结果；所述第一参数集合中的参数包括所述左侧轮毂线速度、所述右侧轮毂线速度、所述航向角偏差、所述横滚角偏差；

5、基于各模糊集的运算结果构建模糊if-then规则；结合所述模糊if-then规则，所述模糊关系矩阵控制系统使用最大最小模糊推理机和中心平均解模糊器处理所述各模糊集的运算结果，然后输出变量；

6、基于所述输出变量与所述自适应函数，建立自适应模糊控制体系结构，所述模糊关系矩阵控制系统基于所述自适应模糊控制体系结构对所述巡检机器人进行控制。

7、计算所述航向角偏差和所述横滚角偏差的方法为：

8、

9、δθ(t)＝θ(t)-θ0；

10、其中，为当前时刻航向角偏差，δθ(t)为当前时刻横滚角偏差，为当前时刻巡检机器人的航向角，θ(t)为当前时刻巡检机器人的横滚角，为目标航向角，θ0为目标横滚角。

11、在一种优选的实施方式中，计算所述巡检机器人的左侧轮毂角速度和右侧轮毂角速度的方法为：

12、

13、

14、其中，ωl(t)为当前时刻巡检机器人的左侧轮毂角速度，ωr(t)为当前时刻巡检机器人的右侧轮毂角速度；vl(t)为当前时刻巡检机器人的左侧轮毂线速度，vr(t)为当前时刻巡检机器人的右侧轮毂线速度，rw为巡检机器人的轮毂半径。

15、在一种优选的实施方式中，，所述自适应函数包括左自适应函数和右自适应函数；

16、计算所述左自适应函数的方法为：

17、

18、计算所述右自适应函数的方法为：

19、

20、

21、其中，为左自适应函数，为右自适应函数，ωc(t)为巡检机器人几何中心角速度的时变函数；rw为巡检机器人轮毂半径，vc(t)为巡检机器人几何中心线速度；dwb为巡检机器人两侧驱动轮距离；rp为当前行走管道半径。

22、在一种优选的实施方式中，对各模糊集进行模糊集运算得到各模糊集的运算结果包括：

23、对所述巡检机器人的任意时刻的航向角偏差定义n1个模糊集：

24、对所述航向角偏差的n1个模糊集进行模糊化计算：

25、

26、其中，航向角偏差的模糊集计算结果，分别为航向角偏差对应的第1个、第2个和第n1个线性隶属度函数值；

27、对所述巡检机器人的任意时刻的横滚角偏差δθ定义n2个模糊集：

28、对所述横滚角偏差的n2个模糊集进行模糊化计算：

29、

30、其中，为横滚角偏差的模糊集计算结果，分别为横滚角偏差对应的第1个、第2个和第n2个线性隶属度函数值；

31、对所述巡检机器人在任意时刻的左侧轮毂角速度ωl定义n3个模糊集：

32、对所述左侧轮毂角速度ωl的n3个模糊集进行模糊化计算：

33、

34、对所述巡检机器人在任意时刻的右侧轮毂角速度ωr(t)定义n4个模糊集：

35、其中，为左侧轮毂角速度的模糊集计算结果，和分别为左侧轮毂角速度对应的第1个、第2个和第n3个线性隶属度函数值；

36、对所述右侧轮毂角速度ωr的n4个模糊集进行模糊化计算：

37、

38、其中，为右侧轮毂角速度的模糊集计算结果，和分别为左侧轮毂角速度对应的第1个、第2个和第n4个线性隶属度函数值。

39、在一种优选的实施方式中，构建模糊if-then规则为：

40、为且δθ为则ωl为且ωr为

41、为任意时刻的航向角偏差，δθ为任意时刻的横滚角偏差，ωl为所述巡检机器人在任意时刻的左侧轮毂角速度，ωr为所述巡检机器人在任意时刻的右侧轮毂角速度；为在其n1模糊集中的第i个模糊集；为δθ在其n2模糊集中的第i个模糊集，为ωl在其n3个模糊集中的第i个模糊集；为ωr在其n4个模糊集中的第i个模糊集。

42、在一种优选的实施方式中，所述输出变量包括第一左侧轮毂角速度和第一右侧轮毂角速度；

43、所述输出变量为

44、

45、所述第一左侧轮毂角速度为：

46、

47、所述第一右侧轮毂角速度：

48、

49、其中，为半张量积计算符号，分别表示航向角偏差的n1个模糊集中的第1个模糊集的中心、第2个模糊集得中心、第n1的模糊集的中心；分别表示横滚角偏差的n3个模糊集中的第1个模糊集的中心、第2个模糊集得中心、第n2的模糊集的中心，表示当巡检机器人航向角为时，左侧轮毂角速度ωl对应的第i个线性隶属度函数值；表示当巡检机器人横滚角为θ(t)时，左侧轮毂角速度ωl对应的第j个线性隶属度函数值；表示巡检机器人航向角为时，右侧轮毂角速度ωr对应的第i个线性隶属度函数值；表示当巡检机器人横滚角为θ(t)时，右侧轮毂角速度ωr对应的第j个线性隶属度函数值。

50、在一种优选的实施方式中，所述自适应模糊控制体系结构基于所述输出变量与所述自适应函数计算第二左侧轮毂角速度和第二右侧轮毂角速度来建立自适应模糊控制体系结构，然后对所述巡检机器人的左侧轮毂角速度、右侧轮毂角速度进行控制；

51、所述第二左侧轮毂角速度为：

52、所述第二右侧轮毂角速度为：

53、在一种优选的实施方式中，对所述巡检机器人进行控制的方法具体包括：

54、控制所述巡检机器人的左侧轮毂角速度为第二左侧轮毂角速度ω′l，控制所述巡检机器人的右侧轮毂角速度为第二右侧轮毂角速度ω′r；

55、判断当前时刻的航向角偏差和横滚角偏差是否满足控制要求；所述控制要求为：且|θ(t)|≤|δθ|；

56、若不满足所述控制要求，获取所述巡检机器人下一时刻的航向角横滚角θ(t+1)作为输入变量代入包括模糊关系矩阵的控制系统进行计算；

57、若满足所述控制要求，则所述控制系统暂停决策，并实时监测巡检机器人航向角和横滚角；

58、其中，δθ分别代表巡检机器人航向角和横滚角的最大允许误差；为当前时刻的巡检机器人的航向角，θ(t)为当前时刻的巡检机器人的横滚角；为目标航向角、θ0为目标横滚角。

59、本发明的第二方面，提出了一种适用于圆形管道的巡检机器人姿态纠偏控制系统，所述系统包括：

60、参数获取模块，用于获取巡检机器人的运动参数；所述运动参数包括航向角、横滚角、左侧轮毂线速度、右侧轮毂线速度、中心线速度；基于所述航向角和目标航向角计算航向角偏差；基于所述横滚角和目标横滚角计算横滚角偏差；

61、函数构建模块，用于基于所述左侧轮毂线速度、所述右侧轮毂线速度和轮毂半径计算所述巡检机器人的左侧轮毂角速度和右侧轮毂角速度；基于所述巡检机器人的两侧驱动轮距离、轮毂半径、中心线速度和当前行走管道半径构建自适应函数；

62、模糊集运算模块，用于将第一参数集合中的参数输入到模糊关系矩阵控制系统，所述模糊关系矩阵控制系统分别对所述第一参数集合中的各参数定义模糊集，并对各模糊集分别进行模糊集运算得到各模糊集的运算结果；所述第一参数集合中的参数包括所述左侧轮毂线速度、所述右侧轮毂线速度、所述航向角偏差、所述横滚角偏差；

63、变量输出模块，用于基于各模糊集的运算结果构建模糊if-then规则；结合所述模糊if-then规则，所述模糊关系矩阵控制系统使用最大最小模糊推理机和中心平均解模糊器处理所述各模糊集的运算结果，然后输出变量；

64、机器人控制模块，用于基于所述输出变量与所述自适应函数，建立自适应模糊控制体系结构，所述模糊关系矩阵控制系统基于所述自适应模糊控制体系结构对所述巡检机器人进行控制。

65、本发明的第三方面，提出了一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述的适用于圆形管道的巡检机器人姿态纠偏控制方法。

66、本发明的第四方面，提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现上述的适用于圆形管道的巡检机器人姿态纠偏控制方法。

67、本发明的有益效果：

68、(1)本发明实现机器人在运动过程中车体中心线与圆形管道中心线保持高度重合性，即实现机器人在缺乏道路信息的圆形管道中沿管道行走。

69、(2)本发明使用用自适应模糊控制技术，在机器人动态模型未知的条件下实现多方向的机器人姿态纠偏控制，具有较强的鲁棒性和较快的响应速度；

70、(3)本发明满足实际生产使用需求，在单一方向的机器人姿态纠偏控制中同样适用。