[發明專利]基于多傳感器融合的管道爬壁機器人航跡推算方法及系統

在審

• 申請號: 202211322414.7
• 申請日: 2022-10-27
• 公開（公告）號: CN115597606A
• 公開（公告）日: 2023-01-13
• 發明（設計）人: 李琳;魏振曄;張鐵
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20;G06F17/16
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 梁睦宇

本發明公開了一種基于多傳感器融合的管道爬壁機器人航跡推算方法及系統，其系統主要由性測量單元、機器人底部與壁面貼合的光學導航傳感器和上位機構成。而其方法在EKF的算法框架中將慣性測量單元和光學導航傳感器采集的數據進行融合，然后引入BPNN補償慣性測量單元由靜態漂移和動態響應差引起的誤差，再通過基于ANFIS的協方差匹配技術估計測量噪聲信息，從而可得到精確的管道爬壁機器人定位位置及運動狀態。本發明有效地提高了航跡推算的可靠性、魯棒性和定位精度。

技術領域

本發明涉及機器人技術，具體涉及一種基于多傳感器融合的管道爬壁機器人航跡推算方法及系統。

背景技術

人機交互技術越來越受人們的重視，空間定位與運動軌跡追蹤系統作為動作檢測與輸入設備被廣泛應用于虛擬現實人機交互領域。而利用傳感器獲取的數據感知環境是設備軌跡跟蹤的關鍵技術。

隨著移動機器人和各類傳感器的研究與發展，基于多傳感器數據融合技術的三維航跡推算系統越來越多地被開發、應用于管道移動機器人，以更加方便、高效、準確地實現管道內部的航跡推算。然而，由于多數工業管道采用封閉結構，內部環境復雜，移動機器人在管道內部的運動極其容易受影響從而偏離理論探測航跡，導致其無法準確定位。由此可見，如何精確地完成對管道移動機器人的三維航跡推算已成為人們迫切需要解決的問題。

發明內容

本發明的目的是為了克服以上現有技術存在的不足，提供了一種基于多傳感器融合的管道爬壁機器人航跡推算方法。此基于多傳感器融合的管道爬壁機器人航跡推算方法可精確地完成對管道爬壁機器人的運動狀態和軌跡進行推算。

同時，本發明的另一目的是提供了一種基于多傳感器融合的管道爬壁機器人航跡推算系統。

本發明的目的通過以下的技術方案實現：本基于多傳感器融合的管道爬壁機器人航跡推算方法，包括以下步驟：

S1、將用于檢測每一運動時刻加速度的慣性測量單元和用于檢測兩次運動時刻之間相對位移的光學導航傳感器設置于管道爬壁機器人，且慣性測量單元和光學導航傳感器的數據以相同頻率采集數據；

S2、在EKF的算法框架中將慣性測量單元和光學導航傳感器采集的數據進行融合；

S3、引入BPNN模型補償慣性測量單元由靜態漂移和動態響應差引起的誤差；

S4、再通過基于ANFIS的協方差匹配技術估計測量噪聲信息，減弱測量過程的不確定性給運動狀態估計帶來的噪聲干擾；

S5、以機器人起始點為坐標原點，設置三維絕對坐標系，并以原點在管道橫截面圓周的逆時針切線方向為X軸正方向，機器人沿管道運動方向為Y軸正方向，垂直向上方向為Z軸正向；將管道爬壁機器人在二維虛擬平面估計的運動狀態通過幾何關系與數學運算轉換成三維絕對坐標系當中的最優運動狀態，得到機器人在管道絕對坐標系中的真實位置p(k)、速度v(k)、加速度a(k)。

步驟S2中，數據進行融合的具體過程如下：

S2-1、將管道內壁面展開為二維虛擬平面，以管道爬壁機器人起始點為坐標原點，設置二維虛擬坐標系，并以機器人沿管道運動方向為Y軸正方向，沿管道圓周逆時針切線方向為X軸正方向；

S2-2、令K時刻慣性測量單元采集的到加速度向量為a_IMU(k)，光學導航傳感器采集到的相對位移向量為d_opt(k)，并基于加速度向量和相對位移向量建立運動，對管道爬壁機器人在管道中的運動狀態建立數學模型：

x(k)＝Ax(k-1)+w(k-1)，

z(k)＝Hx(k)+v(k)，

其中，w(k-1)為過程噪聲，v(k)為測量噪聲，A為上一狀態到當前狀態的轉換矩陣，H為當前狀態到測量向量的轉換矩陣，x(k)為狀態向量，z(k)為測量向量；