[发明专利]一种缆索检测机器人的二自由度运动控制方法

说明书

本发明公开了一种缆索检测机器人的二自由度运动控制方法，具体包括步骤为：步骤1、建立坐标系；步骤2、建立转速模型；步骤3、求解转速；步骤4、建立控制效率模型；步骤5、建立姿态模型；步骤6、求解姿态角速度；步骤7、坐标转换；步骤8、二自由度控制。本发明能实现在缆索的轴向和周向的二自由度的任意控制，能针对不同倾斜角度缆索、索体直径均匀变化的同一缆索进行有效检测，检测范围覆盖光滑长直缆索和螺旋线缆索类型，即能以沿着缆索轴向方向不变的姿态和螺旋上升姿态对缆索进行检测。

技术领域

本发明涉及缆索检测技术领域，特别是一种缆索检测机器人的二自由度运动控制方法。

背景技术

由于现在工业建筑设计对美观性、实用性和经济性的需求，缆索的使用越来越广泛，例如斜拉桥、悬索桥和缆车等均需要使用缆索来实现整体结构的稳定。缆索在使用过程中，承载很大的力，在使用过程中受到各种外界力的影响，且斜拉桥、悬索桥和缆车等对安全性能的要求十分严格，一旦发生断裂将产生十分严重的后果，甚至危及到人的生命，所以对缆索的质量验收、维护以及故障检测显得尤为重要。

斜拉桥被也称斜张桥或斜拉吊桥，主要是一种用缆索将主梁拉在桥塔上的受力体系桥梁，是近几十年来的新兴桥型，具有优良的经济性能及抗震性能。

缆索是斜拉桥的关键传力构件，其设计寿命一般为25-30年，然而已有多座斜拉桥因缆索的锈蚀损坏进行提前换索。例如，美国P-K桥是一座现代斜拉桥，原估计桥梁可用寿命为25年，实际却只用了5年就全部进行换索；中国济南黄河公路大桥使用13年、广州市海印大桥仅使用6.5年就全部换索。根据国内已换索桥梁统计，斜拉桥缆索的实际寿命平均不足15年，其中广东淇澳大桥的缆索仅从2001-2007使用了6年就进行了更换，远远达不到设计寿命。为保障大型基础设施结构的运营安全和人们的生命财产安全，对缆索的检测非常重要。

目前斜拉桥缆索检测以外观检测和索力测定为主，并且主要以人工检测法为主要测量方法。使用卷扬机拖动吊篮小车搭载人工及检测传感器进行测量，该方法危险性高并且测量过程中重达百公斤的人工和检测设备会对缆索造成损伤。

随着斜拉桥的跨度越来越大，缆索受风振、雨振的影也响越来越大，由于螺旋线缆索及压痕凹坑缆索能有效的抑制缆索风雨激振现象，现已被新建桥梁普遍采用，同时也会带来一系列新的问题，由于螺旋线缆索表面有直径6－10mm的圆形凸起，且凸起的螺旋线与缆索PE保护层材料相同，承受不住较大外力，故卷扬机拖动吊篮小车和现研究的轮式检测机器人方案无法在保护缆索表面螺旋线的情况下对其进行有效检测，故在螺旋上升状态下对缆索进行检测具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种缆索检测机器人的二自由度运动控制方法，该缆索检测机器人的二自由度运动控制方法能针对不同直径缆索、索体直径均匀变化的同一缆索进行有效检测，检测范围覆盖光滑长直缆索和螺旋线缆索类型，也即能以沿着缆索轴向方向不变的姿态或螺旋上升姿态对缆索进行检测。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种缆索检测机器人的二自由度运动控制方法，包括如下步骤。

步骤1、建立坐标系：缆索检测机器人为四旋翼检测机器人，具有四个旋翼；坐标系包括地球坐标系E(X,Y,Z)和检测机器人坐标系e(x,y,z)；其中，地球坐标系E(X,Y,Z)的原点O为地心，X轴为过地心的水平方向，Y轴为过地心且垂直于X轴的水平方向，Z轴为过地心的竖直方向；检测机器人坐标系e(x,y,z)中的原点o为缆索检测机器人的对称中心，z轴为过原点o且与缆索轴向相平行的轴，x-y平面平行于四个旋翼所在平面。

步骤2、建立转速模型：在检测机器人坐标系中，对每个旋翼电机均建立一个转速模型，转速模型为旋翼电机转速与输入电流之间的函数方程，具体表达式为：