基于圆形结构光的水库涵管检测机器人避障技术及试验研究

摘要

水库涵管作为上下游的输水通道，对下游农田灌溉起到非常重要的作用。水库涵管一般位于大坝底部，埋藏较深，大型水库涵管的口径一般较大，检测管道内部情况时可人为观察，但中小型水库涵管一般口径较小，直径为500mm左右，人员无法进入内部检测，只能凭经验判断，倘若遇到输水情况异常，检测人员往往束手无策。采用管道机器人检测水库涵管内部将明显提升检测人员的抢险实力，对进一步降低下游安全隐患具有重大意义。
　　目前存在多种类型的管道检测机器人，都在特定的管道检测中扮演着重要的角色;但是这些管道机器人检测对象主要是管道内壁的异常，诸如管道裂缝这种细微异常，而这种异常对检测机器人在管道内部作业并无影响，因此检测机器人在管道内部无需进行避障;而对于水库涵管这种特殊型管道，其内部存在多种异常类型，不仅仅是管壁上的细窄裂缝，还有管道内部的障碍，主要体现在内壁上大的凹坑以及壁上的阻挡物，这些都阻碍检测机器人在水库涵管持续作业;因此管道机器人不仅要检测出管道内部的障碍信息，还要进行后续的避障动作，实现检测机器人在水库涵管内部可靠持续作业。
　　因此，本文水库涵管检测机器人避障技术进行试验和研究;主要研究内容如下:
　　1)水库涵管检测机器人的视觉避障系统研究;研究介绍了检测机器人机械结构并进行运动特性分析;障碍的二维特征信息提取，根据障碍特征信息二维坐标计算障碍特征信息的三维坐标;对现有检测机器人的避障策略进行分析并构建其避障运动学模型。
　　2)对视觉避障系统进行标定。对圆形结构光标定方法进行研究，提出一种简便的圆形结构光标定方法:圆形结构光标定与摄像机标定同步进行，其中采用了RANSAC算法对椭圆形光条纹轮廓进行拟合，获取椭圆光条纹对应的椭圆方程，并根据该椭圆方程获取椭圆上一系列角度等分图像点，利用上述方法求取该系列图像点对应的空间三维坐标;最后利用该系列三维点拟合结构光曲面方程并做拟合误差分析。
　　3)对水库涵管内部出现的障碍进行图像识别，分离出障碍的特征信息;获取了代表障碍位置的特征点图像坐标，利用前面标定好的圆结构光曲面方程得到图像坐标对应在世界坐标系下的三维坐标，获取障碍在管道内部的位置信息，并且对障碍的类型做出了判别，包括阻挡物和凹坑。
　　4)设计检测机器人视觉避障的控制系统，编写上位PC机监控程序、下位单片机控制程序以及制定它们之间通讯协议。
　　5)进行检测机器人视觉避障的试验研究，对内壁凹坑及壁上阻挡物分别进行避障试验，获取相关的避障所需数据，对比其试验值和实际值，分析识别障碍的尺寸边界条件:障碍周向宽度大于13mm、障碍径向厚度范围为30mm～200mm，满足此边界条件可实现避障。同时将障碍与激光镭射器光心距离L、行走轮偏转角度β的试验值与其实际值进行对比，分析影响避障效果的因素。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题主要研究意义

1．2 管道检测机器人国内外研究现状

1．2．1 管道检测机器人的机械结构研究现状

1．2．2 管道内部障碍检测方式研究现状

1．3 圆形结构光视觉检测系统标定方法研究现状

1．3．1 摄像机标定

1．3．2 圆形结构光曲面标定方法研究现状

1．4 课题主要研究内容

第二章 水库涵管检测机器人视觉避障系统

2．1 水库涵管检测机器人

2．1．1 检测机器人机械结构

2．1．2 检测机器人障碍检测系统

2．2 检测机器人障碍定位原理研究

2．2．1 检测机器人障碍二维特征信息获取方法

2．2．2 管道内部障碍三维坐标获取方法

2．3 检测机器人避障方法研究

2．3．1 检测机器人姿态调整策略分析

2．3．2 检测机器人避障运动学模型构建

2．4 本章小结

第三章 检测机器人视觉避障系统的标定研究

3．1 工业相机标定

3．1．1 相机标定原理

3．1．2 工业相机标定实现

3．2 圆形结构光曲面参数标定方法研究

3．2．1 圆形结构光曲面参数标定过程

3．2．1 椭圆光条纹轮廓拟合原理介绍

3．2．2 圆形结构光曲面拟合点三维坐标获取方法研究

3．2．3 圆形结构光曲面模型构建

3．3 圆结构光曲面标定结果与误差分析

3．3．1 圆形结构光曲面标定结果

3．3．2 圆形结构光曲面拟合误差分析

3．4 本章小结

第四章 水库涵管内部障碍的图像识别

4．1．1 障碍特征分离提取原理

4．1．2 障碍特征点获取数学模型

4．2 异常结构光条纹轮廓拟合过程

4．3 水库涵管内部障碍特征信息提取

4．4 水库涵管内部障碍类型判别

4．4．1 管道内部障碍类型判别方法

4．4．2 壁上阻挡物判别

4．4．3 内壁凹坑判别

4．5 本章小结

第五章 检测机器人避障控制系统设计及试验研究

5．1 水库涵管检测机器人避障控制系统简介

5．1．1 串口通信协议的制定

5．1．2 PC机监控程序设计

5．1．3 下位单片机控制程序设计

5．2 检测机器人视觉避障试验

5．3 避障试验数据采集及结果分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果