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桥梁检测飞行爬壁机器人的设计与研究

桥梁检测飞行爬壁机器人的设计与研究

作者：闫振重庆交通大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：桥梁检测飞行爬壁机器人推力吸附螺旋桨设计轨迹跟踪

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桥梁检测飞行爬壁机器人结构设计及研究

桥梁检测飞行爬壁机器人结构设计及研究

作者：王勇重庆交通大学

学位级别：硕士

随着国家对交通强国战略的重视程度持续加深,我国现今拥有超过一百万座在役桥梁,其中新建桥梁数量不断增长。然而,桥梁安全问题日益凸显,桥梁安全事故令人担忧。桥梁存在壁面裂缝、脱落、构件变形和结构位置偏移等问题,定期巡检桥梁,了... 详细信息

随着国家对交通强国战略的重视程度持续加深,我国现今拥有超过一百万座在役桥梁,其中新建桥梁数量不断增长。然而,桥梁安全问题日益凸显,桥梁安全事故令人担忧。桥梁存在壁面裂缝、脱落、构件变形和结构位置偏移等问题,定期巡检桥梁,了解其健康状况和病害情况,并有针对性地采取修复加固措施,可以有效地预防桥梁断裂、坍塌等安全事故的发生。目前面对桥梁检测机器人,爬壁机器人虽然续航时间较长,但存在越障能力差、移动速度慢等缺点。飞行机器人虽然运动速度快、运动范围广,但存在无法近距离接近桥体,导致检测受限。针对上述问题,本文将提出一种飞行爬壁机器人用于桥梁检测。本文主要包括以下内容:(1)分析桥梁检测机器人工作特点、对飞行爬壁机器人的功能特点及工作机理进行梳理,本文提出了一种分体式的机械结构,前后两部分通过倾转机构连接,通过改变机器人姿态,使机器人兼具飞行、爬壁功能。确定了飞行爬壁机器人总体结构设计方案,确立飞行方式、吸附方式、行走方式,驱动方式,并对机器人主要零部件做出了初步的计算及选型。(2)通过分析飞行爬壁机器人的运动状态,基于XFLR软件计算结果,选择旋翼的基础翼型,基于旋翼最小能量设计理论,计算了旋翼各个截面的弦长与实际迎角,完成了旋翼的三维建模,利用CFD技术对单旋翼进行了仿真分析,结果表明旋翼满足机器人飞行升力需求。(3)进行了对机器人飞行和爬壁状态时的气动性分析,验证了机器人结构设计和气动布局的合理性。进行了壁面与旋翼不同距离时的仿真分析,得出当距离大于80mm左右时,旋翼气动特性几乎不受壁面影响;根据机器人爬壁状态机身压力云图,对机器人机架结构进行优化,将板梁结构改为行架结构,优化后机器人爬壁状态时,旋翼作用在机器人的推力增大了11%。(4)分析飞行爬壁机器人爬壁状态稳定吸附条件,建立机器人爬壁运动学模型,使用ADAMS软件对飞行爬壁机器人进行爬壁工况仿真,设定了口字形路径爬升工况,在爬壁仿真添加横向倾覆力矩模拟了机器人工作真实环境,分析了机器人两种环境下的位移、速度、受力情况,结果说明机器人在爬壁状态能够抵抗4N?m侧倾干扰。

关键词：桥梁检测飞行爬壁机器人气动分析动力学仿真

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桥梁检测飞行爬壁机器人的运动控制研究

桥梁检测飞行爬壁机器人的运动控制研究

作者：李杰重庆交通大学

学位级别：硕士

本文结合重庆智能机器人研究生联合培养基地项目(JDLHPYJD2021007),面向经济发展需要,针对复杂的桥梁环境,设计开发了兼顾飞行和爬壁的一种检测机器人。分析了机器人在不同工况下的姿态变换,建立了机器人的动力学模型,设计了机器人轨迹... 详细信息

本文结合重庆智能机器人研究生联合培养基地项目(JDLHPYJD2021007),面向经济发展需要,针对复杂的桥梁环境,设计开发了兼顾飞行和爬壁的一种检测机器人。分析了机器人在不同工况下的姿态变换,建立了机器人的动力学模型,设计了机器人轨迹跟踪控制系统,进行了满足设计准则的机器人总体设计方案设计,并设计了融合滤波算法进行桥梁裂纹检测实验研究。首先对国内外桥梁检测和爬壁机器人的发展现状进行文献综述,分析了爬壁机器人现阶段在桥梁检测方面面临的问题和挑战。根据飞行爬壁机器人的结构特点和运动特性,分析了机器人的姿态变换过程,建立了机器人包含移动机构和吸附机构的动力学模型。为提高飞行爬壁机器人的工作效率,设计了机器人轨迹跟踪控制系统,使机器人在满足安全吸附条件下稳定跟踪预设轨迹。通过机器人感知层的传感器获取机器人坐标、速度、航向角和吸附力加上预设参考轨迹作为控制器输入,两侧驱动轮以及吸附装置的旋翼转速作为控制器输出,控制机器人沿预设轨迹行驶。根据机器人的实际坐标、速度、航向角与预设轨迹之间的偏差,通过模糊控制器计算运动机构的输入量。为验证所设计的控制器效果,针对直线预设轨迹和圆形预设轨迹进行MATLAB/Simulink仿真分析。结果表明本文设计的轨迹跟踪控制系统能够快速地进行吸附力反馈调整并准确地进行轨迹跟踪。针对飞行爬壁机器人的结构特点和运动特性进行总体设计,设计包括主控模块、吸附模块、运动模块、环境感知模块。对各模块的硬件进行选型,并设计相应电路及软件控制方案。针对充满复杂噪声的桥梁图像,提出一种基于自适应加权均值滤波算法的桥梁裂缝图像滤波方法。该方法结合了灰度拉伸和自适应加权均值滤波的特点,利用灰度拉伸方法均衡化图像阴影和光照,并采用改进的均值滤波方法去除复杂噪声。同时,采用Otsu法和基于连通域滤波的二值化技术去除孤立噪声点,并结合裂缝骨架图进行裂缝面积、长度和宽度的定量分析。实验结果表明,所设计的融合滤波算法能有效去除噪声,提高裂缝检测精度。综上所述,本文建立了飞行爬壁机器人的动力学模型,研究了飞行爬壁机器人的轨迹跟踪控制方法,进行了机器人的总体方案设计,并针对桥梁图像的复杂特性提出了融合滤波算法。论文的研究工作为机器人的方案设计、运动控制研究和图像检测系统设计提供了参考。

关键词：飞行爬壁机器人姿态分析轨迹跟踪控制桥梁图像检测

爪刺式飞行爬壁机器人仿生接触动力学的理论与实验研究

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爪刺式飞行爬壁机器人仿生接触动力学的理论与实验研究

作者：周锦程南京理工大学

学位级别：硕士

由于能源容量的限制,飞行机器人的任务生命周期短,作业形式单一,给予飞行器着陆栖息和爬行功能是解决此问题极为重要的方法之一。为了使飞行爬壁机器人能应用于外星探索或者混凝土、花岗岩等城市人造粗糙壁面,要求着陆栖息和爬行机构可... 详细信息

由于能源容量的限制,飞行机器人的任务生命周期短,作业形式单一,给予飞行器着陆栖息和爬行功能是解决此问题极为重要的方法之一。为了使飞行爬壁机器人能应用于外星探索或者混凝土、花岗岩等城市人造粗糙壁面,要求着陆栖息和爬行机构可适应多颗粒、多粉尘和粗糙的非结构化自然表面。然而,目前已有的真空、磁力和粘液等附着方式均无法适用于非结构化表面,爪刺附着方式也仅限于笨重的纯爬壁机器。研究爪刺式飞行爬壁机器人着陆栖息带来的接触-碰撞仿生接触动力学行为一直是该领域内前沿课题。本文针对该问题,综合采用自锁理论、有限元数值计算以及实验方法,研究了飞行爬壁机器人的接触-碰撞动力学机理和爬行步态控制算法,自行设计和制造了爪刺式飞行爬壁机器人样机,实验验证了理论结果。具体研究内容和创新点如下:(1)基于昆虫和鸟类的爪足结构,利用动态摩擦自锁理论研究了仿生力学模型的抓附机理,获得了爬行机构设计标准。设计了飞行系统、爬壁系统和爪刺等小型机械结构,给出新型传动方式、迈步方式和着陆方式以实现飞行、着陆和爬壁的功能。(2)编制了爬行过程中的步态控制算法。采用C语言书写飞行与爬行的控制算法的代码并同时写入微处理器,实现集成控制。采用python语言编译机器人上位机控制软件,通过遥控器和调参的控制方式控制机器人行为。针对爬行过程中可能出现的脱落情况,通过对加速度传感器数据的处理与反馈,设计爬行防脱落算法。(3)提出柔性多体系统接触碰撞动力学模型,研究着陆栖息时的动力学行为。基于该模型,模拟计算了着陆时的运动学、接触力和结构应力等动态响应。通过对机器人着陆前不同速度和飞行姿态模拟结果的分析,确定了着陆栖息前的可行初始状态,即水平速度在200-400mm/s之间并保持加速。提出降低机器人产生不良接触碰撞响应的方法,并进行结构优化。(4)实现了国内首个轻质量、低能耗和长工时的爪刺式飞行爬壁机器人样机,开展了爪刺的静力学实验、机器人的飞行-着陆实验和爬行实验。通过对陀螺仪和加速度传感器监测机器人运动并加以优化控制。通过实验数据的统计,得到最佳迈步速率和最佳着陆前初始状态,并验证理论与仿真结果的准确性。此机器人重43g,最大爬行速率为6.3cm/s,是目前爪刺式爬壁机器人中相对轻盈与快速的。

关键词：飞行爬壁机器人爪刺仿生力学接触碰撞步态算法

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爪刺式飞行爬壁机器人的仿生机理与系统设计

爪刺式飞行爬壁机器人的仿生机理与系统设计

桥梁检测飞行爬壁机器人气动特性及姿态控制研究

第十八届全国非线性振动暨第十五届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议（NVND2021）

作者：毛晨曦沈煜年南京理工大学力学与工程科学系

在深入分析自然界生物在含粉尘非结构化表面上着陆栖息和爬行仿生原理的基础上,建立了爪刺式飞行爬壁机器人的爬行动力学模型和接触―碰撞动力学模型,研究了爬壁系统的爬行动力学和机器人整机的接触―碰撞动力学行为。利用柔性碳纤维杆... 详细信息

在深入分析自然界生物在含粉尘非结构化表面上着陆栖息和爬行仿生原理的基础上,建立了爪刺式飞行爬壁机器人的爬行动力学模型和接触―碰撞动力学模型,研究了爬壁系统的爬行动力学和机器人整机的接触―碰撞动力学行为。利用柔性碳纤维杆和柔性绳组合机构以及爪刺机构,实现爪刺对壁面的自适应抓附与脱离。完成了具有飞行和壁面爬行能力的爪刺式飞行爬壁机器人的优化设计,并开展了整机着陆栖息和爬行的实验。通过与计算结果的比较,验证了动力学模型的正确性和仿生设计的可行性。研究得到了理想爬行步态所需要的舵机驱动力曲线,且发现当尼龙绳预紧力为0.75 N时,对爬行过程中的抖振现象的减缓效果最佳。同时,还深入分析了着陆初速度、能量转换以及舵机升力对着陆栖息的影响,结果表明当着陆碰撞前速度约为0.9 m/s、俯仰角约为-10°时,机器人能正常着陆在粗糙壁面上,并且碳纤维杆的能量转换与升力的共同配合能扩大成功着陆所需的初始状态范围。

关键词：飞行爬壁机器人仿生控制爪刺碰撞着陆

来源： cnki会议评论

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桥梁检测飞行爬壁机器人气动特性及姿态控制研究

作者：王正杰重庆交通大学

学位级别：硕士

传统的桥梁检测方式依赖于人工,这种方式不仅效率低下,而且具有很高的危险性。机器人代替人工进行复杂环境作业已成为经济发展的需求和未来工业发展的趋势。本文聚焦于一种具备飞行和爬壁功能的飞行爬壁桥梁检测机器人的研究。针对机器... 详细信息

传统的桥梁检测方式依赖于人工,这种方式不仅效率低下,而且具有很高的危险性。机器人代替人工进行复杂环境作业已成为经济发展的需求和未来工业发展的趋势。本文聚焦于一种具备飞行和爬壁功能的飞行爬壁桥梁检测机器人的研究。针对机器人独特的纵列式旋翼布局方式,进行了纵列式旋翼的气动特性仿真分析,为旋翼布局与结构设计提供了依据。在结构设计的基础上,建立了飞行状态的动力学模型,对机器人的飞行运动特性进行研究。结合传统PID控制和滑模控制,设计了串级PID控制器和PID-滑模控制器。在此基础上,提出了一种改进的PID-滑模控制器,并进行了仿真验证。与未改进之前的控制器进行对比,改进后的PID-滑模控制器在控制能力和抗干扰能力上均有显著提升。本文研究内容如下:(1)本文针对飞行爬壁机器人的特殊纵列式旋翼布局进行了气动特性仿真分析。利用SolidWorks绘制了简化的旋翼模型,并将其导入ANSYS中,通过CFD(计算流体力学)技术,深入研究了旋翼间的气动特性。由于升力对飞行爬壁机器人影响最为关键,本文重点研究了旋翼间距对升力的影响。具体研究了不同横向和纵向间距下前后旋翼各自受到的升力影响。研究结果表明,在旋翼间距为2.3倍旋翼半径时,旋翼之间的相互作用有助于提供升力。(2)针对该机器人的飞行能力进行了深入的分析。通过对其飞行状态进行运动学和动力学研究,建立了对应的动力学模型,为后续的控制器设计提供了理论基础。(3)在控制器设计方面,参考常规四旋翼飞行器的内外环结构,即内环姿态控制,外环位置控制。基于PID控制原理,设计了串级PID控制器,并结合滑模控制原理,进一步设计了PID-滑模控制器。仿真结果表明,传统的串级PID控制器虽然能够在一定误差范围内完成基本控制任务,但在面对外部干扰时表现出较弱的抗干扰能力。相比之下,采用滑模控制的姿态控制方式显著提高了系统对外部干扰的抵抗能力。(4)为了进一步提升控制器的性能,本文在PID-滑模控制器的基础上引入了自抗扰控制的核心技术扩张状态观测器(ESO)。通过将其与滑模控制相结合并进行改进,得到了基于ESO的PID滑模姿态控制器。随后,将此控制器与位置控制器相结合,形成了改进的PID-滑模控制器。仿真结果显示,经过改进后的PID-滑模控制器在稳定性和抗干扰能力方面均得到了显著提升。

关键词：飞行爬壁机器人气动分析 PID控制滑模控制扩张状态观测器