除銹爬壁機(jī)器人壁面行走控制技術(shù)研究.pdf

1、爬壁機(jī)器人由于其作業(yè)環(huán)境的特殊性，已經(jīng)成為機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一。而除銹爬壁機(jī)器人以其綠色環(huán)保、除銹效果好等優(yōu)點(diǎn)，在船舶壁面除銹等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。一般來說，除銹爬壁機(jī)器人工作量很大，自動(dòng)化改進(jìn)需求迫切，但在壁面定位、路徑規(guī)劃、自動(dòng)控制等方面的研究還不滿足應(yīng)用要求。除銹爬壁機(jī)器人工作過程中的變負(fù)載特性，給其運(yùn)動(dòng)控制帶來了困難。不同船型壁面的障礙物形式和分布不同，如何在各種環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自定位和障礙物定位，以及規(guī)劃運(yùn)動(dòng)路徑等都是需要解

2、決的問題。因此，本文針對(duì)除銹爬壁機(jī)器人的定位、路徑規(guī)劃、控制系統(tǒng)及控制算法等方面的關(guān)鍵性技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。
　　論文提出了一種爬壁機(jī)器人定位信息融合模型，模型采用兩級(jí)融合算法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人定位。第一級(jí)融合實(shí)現(xiàn)了爬壁機(jī)器人在壁面的自定位;第二級(jí)融合實(shí)現(xiàn)了障礙物的定位。融合算法提高了爬壁機(jī)器人的定位精度，解決了爬壁機(jī)器人的自主定位和障礙物定位問題。提出了一種基于障礙物檢測傳感器的生物激勵(lì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃方法。建立了障礙物檢測傳感器

3、的檢測數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)學(xué)模型動(dòng)態(tài)局部地建立環(huán)境信息，實(shí)時(shí)規(guī)劃出爬壁機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑，解決了環(huán)境模型建模不準(zhǔn)或未知情況下的動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃問題。提出一種運(yùn)動(dòng)情況模板搜索和匹配的路徑規(guī)劃方法，首次將爬壁機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)受限問題引入到路徑規(guī)劃算法中，實(shí)現(xiàn)在路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)上判斷爬壁機(jī)器人下一點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的方向和角度，拓展了路徑規(guī)劃在條件受限的移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用。
　　論文主要結(jié)構(gòu)如下:
　　第一章，提出了論文研究的背景和意義，對(duì)國內(nèi)船用壁面

4、清洗類機(jī)器人的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，綜述了目前機(jī)器人定位和路徑規(guī)劃的研究現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上提出了本文的主要研究內(nèi)容。
　　第二章，建立除銹爬壁機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，通過仿真分析確定除銹爬壁機(jī)器人的磁吸附力和驅(qū)動(dòng)力。在此基礎(chǔ)上，分析除銹爬壁機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，最終通過試驗(yàn)驗(yàn)證了除銹爬壁機(jī)器人的負(fù)載能力，為后面的研究提供理論基礎(chǔ)。
　　第三章，根據(jù)除銹爬壁機(jī)器人在船舶壁面除銹的定位要求，選取了除銹爬壁機(jī)器人相對(duì)位置

5、和障礙物位置檢測傳感器，建立了除銹爬壁機(jī)器人的定位模型和各個(gè)傳感器觀測模型，為融合過程的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。融合模型采用兩級(jí)融合方式，融合模型數(shù)據(jù)處理分別采用擴(kuò)展kalman濾波算法和加權(quán)平均值法，并仿真分析了融合定位精度。
　　第四章，針對(duì)從一塊已除銹完的區(qū)域運(yùn)動(dòng)到下一塊要除銹區(qū)域的路徑規(guī)劃問題，提出利用生物激勵(lì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法作為點(diǎn)到點(diǎn)路徑規(guī)劃算法。在算法中引入障礙物檢測傳感器，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)路徑。提出了基于運(yùn)動(dòng)情況模板搜索和匹

6、配的生物激勵(lì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)路徑規(guī)劃方法。最后通過仿真和試驗(yàn)證明，改進(jìn)算法能很好地解決管路限制的問題，滿足實(shí)際的路徑規(guī)劃需求。
　　第五章，針對(duì)區(qū)域除銹的完全遍歷路徑規(guī)劃問題進(jìn)行研究。通過在完全遍歷路徑規(guī)劃總規(guī)劃方式的基礎(chǔ)上，集成啟發(fā)式搜索算法和模板法完成了路徑搜索;通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)完全遍歷路徑規(guī)劃的覆蓋效率不高，因此提出了基于動(dòng)力學(xué)反演控制方法，從軌跡跟蹤控制的角度考慮提高遍歷清洗的覆蓋率，仿真結(jié)果表明，利用此方法可以提高遍歷清洗的覆蓋率。