基于水下机器人的输水管道内壁检测系统研制

作     者：支祥瑞 

作者单位：齐鲁工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曹茂永

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0815[工学-水利工程] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：水下机器人 线结构光 输水管道检测 Webots 

摘      要：输水管道在使用过程中,管道内壁可能发生断裂破损等情况,因此需要对输水管道内部进行定期巡检。传统管道内壁检测方法是由人工携带检测设备进入管道内部进行检查,但人工检测数据存在主观性,且检测时间较长容易发生危险。本课题提出了一种基于水下机器人的管道内壁检测方法,以Webots操作系统作为仿真实验平台,通过在水下机器人上搭建检测设备来代替人工对输水管道内部待检测区域进行检测,实现对待检测区域的三维重建,以方便后续管道检修工作。本文主要工作如下: (1)根据输水管道内壁检测的任务需求,提出了一种水下机器人和线结构光相结合的检测方法,针对管道内部的复杂环境设计了一种新的线结构光三维重建方法,简化提取中心线过程和标定过程,提高三维重建效率。实验结果表明,本文提出的三维重建方法可以在复杂的水下管道场景中高效、准确的对管道内壁进行重建,完成检测任务,具有鲁棒性强、适用性高的技术优势。该算法可以为后续输水管道内壁检测提供技术支持。 (2)为了满足水下机器人在输水管道内部中进行巡检工作的任务需求,设计了模糊自适应PID控制器实现水下机器人的定深和定速巡航。基于PID控制效果差的问题,本研究采用模糊自适应PID控制算法。并通过Simulink软件进行水下机器人建模仿真,对PID控制算法和模糊自适应PID控制算法的进行各性能比较。实验结果表明,模糊自适应PID控制器具有较强的稳定性,且抗干扰能力更突出,能够满足水下机器人在输水管道内部环境中的精准控制需求。 (3)基于Webots仿真软件,模拟设计水下管道虚拟环境以及搭建水下机器人,研制水下机器人检测系统软件,软件主要由三部分组成,分别完成对水下机器人的移动控制和输水管道内壁三维信息的采集以及待检测区域的三维重构。在Webots的仿真环境下对检测系统进行仿真测试,验证了基于水下机器人的输水管道内壁检测系统的可靠性和可行性。实验结果表明,该输水管道内壁检测系统可以对输水管道内壁进行精准三维重建,具有很好的检测效果。 综上所述,本文所提出的基于水下机器人的输水管道内壁检测系统可以达到预期的检测效果,对于水下机器人在管道检测的应用发展具有一定的现实意义。