桥梁检测飞行爬壁机器人的设计与研究

作     者：闫振 

作者单位：重庆交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘朝涛

授予年度：2024年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：桥梁检测 飞行爬壁机器人 推力吸附 螺旋桨设计 轨迹跟踪 

摘      要：桥梁建设是一个国家科技水平和综合国力的重要体现,伴随着经济发展和技术水平的提高,中国的桥梁建设也早已享誉世界。随着桥梁数量的增加,桥梁的安全问题受到全社会的高度重视,目前我国桥梁老龄化问题日益突出,了解和掌握桥梁的健康状况和病害情况成为重要内容。传统的桥梁健康检测主要是通过人工借助望远镜或者桥梁检测车进行裸眼观测,不仅费时费力,还存在人身安全问题;随着科技的发展进步,无人机和爬壁机器人也加入了桥梁检测行列,但二者同样存在着一定的局限性;无人机在检测过程中不能近距离贴壁检测,并且存在稳定性差的问题,爬壁机器人则存在越障能力差的问题。因此,本文设计一种用于桥梁检测的飞行爬壁机器人,其具备在壁面近距离进行爬壁检测,在遇到障碍物时能够进行飞行越障,从而克服传统无人机和爬壁机器人存在的弊端。具体研究内容如下: 首先,针对飞行爬壁机器人的工作环境及设计目标,确定了机器人的总体设计方案;建立了飞行爬壁机器人的三维模型;确定了机器人飞行时采用“X字型四螺旋桨分布,爬壁时采用螺旋桨推力贴壁、轮式移动的设计方案;并基于机器人本体进行了竖直姿态下和任意姿态下的受力分析,确定了机器人在工作时不发生失效的吸附力大小。 其次,对机器人所用的螺旋桨进行优化设计,机器人在飞行和爬壁时所需的升力和推力均由螺旋桨提供,但螺旋桨在反转时所提供的推力不能满足机器人的设计要求。因此,对螺旋桨翼型进行了优化设计,建立了螺旋桨的三维模型;并利用CFD分析软件对螺旋桨的性能进行研究,通过压力云图、速度云图以及流线图的呈现,验证了螺旋桨优化设计的合理性;此外,还对螺旋桨进行了数值分析及计算,计算结果表明,优化后的螺旋桨满足飞行爬壁机器人的设计要求。 然后,在实现壁面稳定吸附的前提下,建立了飞行爬壁机器人轨迹跟踪控制系统;将设计的模糊自适应PID控制算法与传统PID控制算法相比较,通过轨迹跟踪仿真结果表明,模糊自适应PID控制相较于传统PID控制算法,有更快的响应速度,更高的控制精度;可以满足机器人的工作需求,提高机器人的工作效率。 最后,根据飞行爬壁机器人控制系统的总体设计要求,为机器人选择了合适的主控芯片STM32F103VET6,设计了主控芯片的外围电路;并对电源电路、电机驱动模块、传感器模块分别进行了设计工作;最后完成了机器人控制系统软件设计。