（控制科学与工程专业论文）智能桥梁检测车工作臂定位与避障控制的研究.pdf

t h er e s e a r c ho fl o c a l i z a t i o na n do b s t a c l e a v o i d a n c ec o n t r o lf o r i n t e l l i g e n tb r i d g e - d e t e c t i o nv e h i c l e w o r k i n ga r m b y x u a n 缪臼 b e ( h u n a nn o r m a lu n i v e r s i t y ) 2 0 0 4 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g c o n t r o ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g i nt h e 帅9ijji_舢550m 9iiim y 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期：如l1 年岁月( 矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名： 导师签名： 日期：) ，o 年。，月f 孑日 日期：20f7 年f 月26 日 摘要 随着社会经济的迅速发展，交通运输量的不断上升，桥梁负荷量迅速增大， 桥梁坍塌事故有增多的趋势。实践表明，桥梁的大部分缺陷产生在桥梁的底面， 目前，普遍采用的桥底缺陷探测方法是：采用传统桥梁检测车工作臂将检查人员 送至桥底进行检测作业，该方法效率低，检测质量差且不安全；因此，最近国内 外学者开始进行了智能桥梁检测车的研究，试图实现自主检测桥底缺陷，以促进 桥梁检测技术的发展。 本文在现有研究成果的基础上，重点研究了桥梁检测车工作臂的定位与避障。 这是实现自动检测作业的关键技术j 工作臂在精确地自身定位的同时，承载摄像 机沿桥底进行仿形运动，有效地回避桥底结构障碍、并始终和桥梁底面保持一定 的距离，本文的研究有利于解决桥底检测难的问题，本文主要有以下内容： 首先，从总体上设计了工作臂定位与避障系统，阐述了其工作原理，并说明 了工作臂的运动过程。 其次，在对多种传感器分类和归纳的基础上，设计了有探测外部环境和工作 臂自身定位功能的感知子系统，采用最小值法实现信息融合，提高其精确性和处 理速度。 再次，研究了桥梁检测车的定位和工作臂的定位。根据能否接收g p s 定位信 号，分别为车辆定位建立了两种不同的参考坐标系，车辆定位子系统采用了基于 模糊自适应扩展卡尔曼滤波的g p s d r 组合定位方式，在m a t l a b 中进行了仿真试 验，试验结果表明该方法是有效的。然后，分析了机械臂的坐标转换关系，研究 了工作臂的位姿定位问题，该定位系统的设计为自动检测桥底提供了重要的前提 条件。 最后，根据工作臂的特征，提出了探测式的仿形避障方案；采用基于神经网 络的电液避障方法，并结合桥梁底面结构来开展仿形运动，通过仿真试验，证明 了该方法的可行性和优越性。 关键词： 桥梁底面检测；避障；定位；电液神经元网络 i i 硕士学位论文 a bs t r a c t a st h er a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，t h ec o n t i n u o u sr i s ei nt r a f f i cl o a do fb r i d g e a u g m e n tr a p i d l y , a n db r i d g ec o l l a p s e a c c i d e n c e si sa l s oi n c r e a s i n g p r a c t i c eh a s p r o v e dt h a tm o s to fb r i d g ed e f e c t sa p p e a r e di nt h eb r i d g e b o t t o m a tp r e s e n t ，t h e t r a d i t i o n a lm e t h o di ss e n d i n gi n s p e c t o r st ot h eb r i d g eb o t t o mb yw o r k i n ga r mt oc a r r y o nm a n u a lt e s to p e r a t i o n s t h em e t h o dh a v es e v e r a ld i s a d v a n t a g e st h a ta r el o w e f f i c i e n c y , t h a ta r el o we f f i e n c y ，p o o rd e t e c t i o nq u a l i t ya n du n s a f e t y t h e r e f o r e ，t o s t u d ya n dd e s i g n ak i n do fi n t e l l i g e n tb r i d g e d e t e c t i o nv e h i c l e t od e t e c tt h e b r i d g e b o t t o m d e f e c t s i n d e p e n d e n t l y , t o m a k e p r o g r e s s i n b r i d g e d e t e c t i o n t e c h n o l o g y b a s e do nt h ee x i s t e df r u i t s ，t h er e s e a r c hi nl o c a l i z a t i o na n do b s t a c l e a v o i d a n c e c o n t r o lo ft h eb r i d g e d e t e c t i o nv e h i c l e w o r k i n ga r mi sc a r r i e di nt h i sp a p e r t h i si sa k e yt e c h n o l o g yf o ra c h i e v i n gt h ea u t o m a t i cd e t e c t i o nf u t i o n t h ew o r k i n ga r md o e s s e l f - l o c a l i z a t i o na c c u r a t e l y , w h i l ec a r r y i n gt h ec a m e r al o a di nt h ew o r k i n ga r ma l o n g t h e b r i d g e b o t t o mt od oi m i t a t i v em o v e m e n t t oe f f e c t i v e l ya v o i d i n gs t r u c t u r a l o b s t a c l e so ft h eb r i d g e - b o t t o m ，t h ew o r k i n ga r m sa l w a y sk e e pac e r t a i nd i s t a n c e a w a y f r o mt h eb r i d g e b o t t o m ，t h a ti st o s a y , t h ed i f f i c u l tp r o b l e mo ft h eb r i d g e b o t t o m d e t e c t i o ni ss o l v e d f i r s t l y , t h ew o r k i n ga r m l o c a l i z a t i o na n dt h eo b s t a c l e a v o i d a n c ec o n t r o ls y s t e m i s d e s i g n e d f o r o v e r a l l ，t h e i rs y s t e mw o r k i n gp r i n c i p l e s a r ee l a b o r a t ea n dt h e m o v e m e n tp r o c e s so fw o r k i n ga r mi sd e s c r i b e di nd e t a i l s e c o n d l y , b a s e do nt h ec l a s s i f i c a t i o na n di n d u c t i o no fv a r i e t i e so fs e n s o r s ，a s u b d e t e c t i o ns y s t e mw i t ht h er u c t i o n o fd e t e c t i n ge x t e r n a le n v i r o n m e n ta n d s e l f - l o c a l i z a t i o no ft h ew o r k i n ga r mi sd e s i g n e d t h em e t h o do ft h em i n i m u mn u m e r i c t oa c h i v et h ea i mo fi n f o r m a t i o n f u s i o ni nt h i sp a p e r ，t oi m p r o v et h e i ra c c u r a c ya n d p r o c e s s i n gs p e e d t h i r d l y , t h e l o c a l i z a t i o no ft h eb r i d g e d e t e c t i o nv e h i c l ea n dt h ew o r k i n g a r m a c c o r d i n g t or e c e i v i n gg p sl o c a t i o n a ls i g n a l so rn o t ，t w od i f f e r e n tr e f e r e n c e c o o r d i n a t e s y s t e m a r e e s t a b l i s h e d i n t e g r a t e d l o c a l i z a t i o ng ps d rb a s e do n f u z z y - a d a p t e dk a l m a nf i l t e r i n gi su s e di nt h ev e h i c l el o c a l i z a t i o ns u b s y s t e m ，a n dal o t o fs i m u l a t i o ni nm a t l a ba r et e s t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o di se f f e c t i v e t h e n ， t h er e l a t i o no ft h em e c h a n i c a la r m s c o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o ni sa n a l y z e d ，t h ep o s t u r e i l l 智能桥梁检测车工作臂的定位与避障控制的研究 i i ii ii l l e | ! = 自1 2 = = = 自! e ! ! = ! = = = = e ! ! ! ! ! ! ! = = ! ! = = j ! ! e ! = e = = = 目 = = l l o c a l i z a t i o no ft h ew o r k i n ga r mi se x p l o r e d t h ed e s i g no fw h o l el o c a l i z a t i o ns y s t e m p r o v i d ei m p o r t a n tp r e - c o n d i t i o nf o rt h ea u t o m a t i c a ld e t e c t i o n o ft h eb r i d g e - b o t t o m d e f e c t s f i n a l l y ，a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ew o r k i n ga r m ，at r a c i n ga n d i m i t a t i v em o v e m e n tp l a no fo b s t a c l e a v o i d a n c ei sd e s i g n e d a n di m i t a t i v em o v e m e n t i sc a r r i e do nw h i c hc o m b i n e dw i t ht h eb r i d g e b o t t o m s t r u c t u r e a l s o ，am e t h o do ft h e e l e c t r o n h y d r a u l i cc o n t r o lb a s e do nn e u t r a l n e ti s l o d g e d t h r o u g hs o m es i m u l a t i o n e x p e r i m e n t s ，t h em e t h o di sp r o v e dt h ef e a s i b i l i t ya n ds u p e r i o r i t y k e yw o r d s ：b r i d e g - b o t t o md e t e c t i o n ；o b s t a c l e - a v o i d a n c e ；l o c a l i z a t i o n ； e l e c t r o n h y d r a u l i cn e u t r a ln e t i v 硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论l 1 1 研究背景和意义一1 1 2 定位与避障技术的研究现状3 1 2 1 定位技术的研究现状3 1 2 1 1 基于自身传感的航迹推算3 1 2 1 2 基于环境感知的地图匹配定位4 1 2 1 3 其他定位技术4 1 2 2 避障技术的研究现状4 1 3 论文研究的主要内容及结构6 1 4 本章小结7 第2 章工作臂定位与避障系统的研究与设计8 2 1 桥梁结构与检测要求8 2 1 1 桥梁结构和桥梁底面的模型8 2 1 2 桥梁底面检测的基本要求9 2 2 工作臂定位与避障控制系统的总体设计1 0 2 3 工作臂的运动特征1 0 2 3 1 工作臂的运动方式1 0 2 3 2 工作臂的运动流程l l 2 4 本章小结13 第3 章感知子系统的研究与设计1 5 3 1 传感器的介绍与分类1 5 3 2 感知子系统的组成和工作原理1 5 3 2 1 感知子系统的组成1 5 3 2 2 感知子系统的传感器1 6 3 2 2 1外部环境感知模块的传感器1 6 3 2 2 2 人机交互式感知模块的传感器1 7 3 2 2 3 工作臂自身位姿感知模块的传感器1 7 3 2 3 外部环境感知模块的设计1 7 3 2 3 1 超声波传感器的测距原理1 7 v 智能桥梁检测车工作臂的定位与避障控制的研究 3 2 3 2 安全区域的划分1 8 3 3 感知子系统传感器的选型与布局1 9 ， 3 3 1 感知子系统传感器选型1 9 3 3 2 感知子系统传感器布局2 0 3 4多传感器信息的融合：2 1 3 4 1一组传感器信息的融合2 l 3 4 2 全部传感器信息的融合一2 l 3 5 本章小结2 2 第4 章定位子系统的研究与设计一2 3 4 1 定位子系统的工作原理2 3 4 1 1 定位子系统工作流程2 3 4 1 2 定位子系统工作原理j 2 4 4 2 桥检车车体定位的研究与设计2 5 4 2 1 参考坐标系的建立2 5 4 2 1 1基于空间绝对坐标系的参考坐标系2 5 4 2 1 2 基于桥梁的相对参考坐标系的建立2 6 4 2 2g p s 系统和d r 系统的工作原理：2 6 4 2 2 1 g p s 系统的工作原理2 6 4 2 2 2 航位推算系统的工作原理2 7 4 2 3车辆g p s d r 组合定位系统2 8 4 2 3 1 车辆g p s d r 组合定位系统的基本组成2 8 4 2 3 2 车辆的运动模型2 8 4 2 3 3 定位系统状态方程的建立。2 9 4 2 3 4 定位系统观测方程的建立2 9 4 2 4 模糊逻辑自适应扩展卡尔曼滤波的设计3 0 4 2 4 1扩展自适应卡尔曼滤波方程的建立3 0 4 2 4 2 模糊逻辑自适应控制器的设计3 1 4 3 工作臂定位模块的研究3 4 4 3 1 工作臂定位坐标系的建立3 4 4 3 2 桥梁底面缺陷点的定位原理3 5 4 4 本章小结3 5 第5 章避障子系统的研究与设计3 6 5 1 基于电液比例控制技术的避障子系统3 6 5 1 1 工作臂运动控制系统3 6 5 1 2 电液比例技术的原理和特点3 6 v l 硕士学位论文 5 1 3 避障子系统的工作原理3 7 5 1 4 控制系数的设定3 7 5 2 工作臂的运动分析3 7 5 2 1 工作臂运动模型的建立3 7 5 2 2 工作臂的运动学分析3 8 5 2 2 1 任意点在基系上的坐标3 8 5 2 2 2 小臂末端的运动坐标3 8 5 2 2 3 目标坐标系的变换3 9 5 2 2 4 工作臂各级臂的运动变换方程4 0 5 2 3 工作臂的微分运动方程4 0 5 3 仿形避障运动4 1 5 3 1 仿形运动的工作原理：4 1 5 3 2 仿形避障运动4 1 5 3 2 1桥梁底面曲线的类型4 1 5 3 2 2 避障运动的系数设定4 2 5 3 2 3 仿形避障运动试探算法4 3 5 3 2 4 仿形控制算法4 4 5 4 基于神经网络的电液避障运动一4 4 5 4 1 电液神经元的基本组成4 5 5 4 2 电液神经元网络避障的工作原理4 5 5 4 2 1 电液神经元网络的结构4 6 5 4 2 2 误差逆传播算法( b p 算法) 4 7 5 4 2 3b p 网络的训练4 8 5 5 本章小结4 8 第6 章试验研究与结果分析4 9 6 1 感知子系统中超声波测距模块试验4 9 6 1 1 超声波测距电路的设计与实现4 9 6 1 2 测距工作流程5 0 6 1 3 超声波实验结果及其分析5 l 6 2 车辆定位子系统的仿真试验5 2 6 3 工作臂避障运动的仿真试验与结果5 4 6 3 1 电液神经元网络有效性的验证5 4 6 3 2 两种优化算法的比较5 5 6 3 3 电液神经元网络的避障仿真试验5 6 6 4 本章小结5 7 v i i 智能桥梁检测车工作臂的定位与避障控制的研究 结论5 8 参考文献6 0 致谢6 4 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录6 5 v i i i 硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 第1 章绪论 随着国家经济和社会的发展，对桥梁的需求越来越大，各种桥梁的数量也迅 速增加。然而，各种大型运输车和超载车日益增加，车辆行驶速度越来越快，多 种桥梁病害相继出现，许多桥梁的坍塌事件时有发生，因此，桥梁健康的诊断 和维护已经成为了一个非常重要的研究课题。 一般来说，桥梁的使用期限为8 0 1 2 0 年左右，桥梁的使用时间越长，其结构 就会出现不同程度的、各种各样的疲劳和损坏乜1 ，如钢筋生锈或腐蚀、冻融损坏 或碱骨料反应等。诸如此类的损伤都可能导致桥梁的混凝土分层或开裂，从而引 起坍塌等重大危害事件，造成重大的经济损失、大量的人员伤亡。因此，为了减 少这类事故的发生，将桥梁病害造成的损失降至最低，定期对桥梁进行检测和诊 断是必不可少的，该课题是目前国内外的研究重点之一口3 ；对桥梁的结构损伤采 用有效的方法进行监测和控制，更好地确保了交通枢纽的安全和正常运行。 桥梁检测的方法有许多种，比如采用x 射线检测、远红外热像检测、超声 波和声波发射检测等h 1 ，这些方法都是无损伤检测方法，主要通过获得桥梁结构 内部的信息、分析结构裂缝的特性，了解桥梁由于长期疲劳损伤和恶劣的外在环 境等因素造成的结构变化或损坏晦3 。据不完整的统计，混凝土桥梁的损伤中有 7 0 8 0 左右都是由裂缝引起的。因此，对桥梁裂缝进行定期的监控和测量、寿命 估计都是非常重要的。 桥梁的自身结构有其特殊之处，大部分的结构裂缝是产生在桥梁底部，而且 桥梁的结构形式多样，桥梁裂缝的检测是比较困难的。相对于桥梁表面的检测而 言，检测桥梁底部的缺陷既是桥梁检测的重点又是难点。 图1 1人工检测桥底作业图 智能桥梁检测车工作臂的定位与避障控制的研究 如图1 1 所示，当前国内外诊断桥梁底部缺陷的方式，大多数是人工定期检 测的方式。通过普通桥梁检测车工作臂将检测人员送至桥底，然后工作臂沿着桥 梁底部运动，检测人员到达指定地点，利用肉眼或其他工具完成检测作业。这种 传统的方式有其自身的不足，如设备成本高、灵活度低；人工检测，存在安全隐 患；效率低。另外，对于结构迥异的桥梁，工作臂难以到达检测目的地；特别是 对有些复杂机构的桥梁，更是无能为力。 最近几十年以来，桥梁往大跨度、宽桥面、公路铁路两用等方向发展，如最 长跨距：3 2 5 米，如浙江杭州湾跨海大桥，该桥总长度为3 6 公里，最长跨距为3 2 5 米，桥宽为3 5 米；湖南岳阳洞庭湖大桥，其桥梁全长1 0 公里，其中桥长5 7 4 7 8 2 m ， 桥宽3 0 m ；目前正在修建的港珠澳大桥全长为4 9 9 6 公里，大桥主体工程长3 5 5 7 8 公里，桥面宽度为4 0 米。可见，桥梁结构是变得更长、更宽、更复杂了，对桥梁 结构裂缝的检测手段要求是越来越高，检测难的问题更为突出，大跨度桥梁状况 诊断已经成为了一个急需探索解决的研究领域。因此，对桥梁的结构损伤采取有 效手段进行检测和维护，对于确保交通枢纽的安全和正常运行是非常重要的。 图1 2 智能桥检车简化图 为了克服以上桥梁检测方式存在的问题，文献 4 】综合运用了智能控制、传感 器、计算机、机电结合等技术，研究了一种带有视频检测功能的智能桥梁检测车 ( i n t e l l i g e n tb r i d g e - d e t e c t i o nv e h i c l e ，i b d v ，以下简称智能桥检车或桥检车) ，如 图1 2 为其简化模型图。这是一种基于智能控制和图像检测技术的智能检测车， 该车通过轻型液压伸缩机构，将检测装置( 如摄像机检测器仪) 承载到桥梁底面 任意的位置。 在智能桥梁检测车自主检测桥底缺陷时，工作臂只有准确地知道在作业环境 中障碍物的位置、形状及其自身的位置，然后有效地进行自主避障运动，才能完 成桥底全区域的探测任务。因此，本文主要研究了伸臂机构工作臂的定位和避障 2 硕士学位论文 问题。 研究伸臂机构工作臂的定位和避障将会有下列作用： 1 研究定位问题不仅为了更好的避障，更主要是为了确定结构缺陷在桥梁底 面的具体位置。其中定位系统包括车体定位和工作臂定位，研究车体定位问题主 要是为工作臂的定位提供精确的初始位置信息，研究该问题对机械臂的空间位姿 定位有重要意义。 2 研究先进控制理论和信息融合，如模糊控制、k a l m a n 滤波等先进技术， 推动桥梁检测技术和避障技术进步。 3 研究多关节工作臂的定位和避障。推动机械臂定位、自主桥低检测等领域 技术的发展。 为了克服以上桥梁检测方式存在的问题。使用智能桥检车可以自主地检测桥 底的缺陷，并具备安全，检测质量好，通用性强等优点，可应用于恶劣环境的检 测，本研究成果可广泛应用于桥梁检测装备上，为桥梁状况检测试验提供服务； 有效提高桥梁的寿命、减少其营运期间的安全隐患。将推动桥梁检测技术的发展， 对提高检测效率和安全性将发挥重要的作用，具有良好的社会和经济效益。 1 2 定位与避障技术的研究现状 1 2 1 定位技术的研究现状 移动机器人的定位最早源于2 0 世纪5 0 年代初期，采用有线导航带进行机器 人导航，至1 9 7 0 年代形成了位置跟踪的概念。最初是应用基于记录机器人运动的 内部传感器进行航位推算，到近期开始形成了外部和内部传感器结合的机器人定 位方法h 1 。 根据环境模型的有无，定位方法分为有环境地图和无环境地图定位，其中有 环境模型的定位依赖于感知信息与环境模型的匹配感知信息包括人为或自然环 境特征；按照初始位姿是否已知，基于环境模型的定位可分为位姿跟踪( 相对定位) 和全局定位方法( 绝对定位) 1 ，下面分别介绍几种常见定位方法及其现状。 1 2 1 1 基于自身传感的航迹推算 航迹推算( d e a dr e c k o n i n g ，简称d r ) 是一种相对定位方式，它是在给定初始 位姿信息后，通过自身传感器测量，推算出运动载体相对于初始位姿的距离和方 向，来确定运动载体的当前位姿。这是纯粹的自身内部定位，无需外界环境信息， 但其定位误差随时间不断累积。 随着光纤技术迅速发展，光纤陀螺仪( f i b e ro p t i cg y r o s ，简称f o g ) 被广泛应 用于移动载体导航定位中【9 】，文献 1 0 】中提出采用惯导系统可提高移动载体的定 位精度，文献 1 1 】提出了使用光纤陀螺和里程计结合的定位方法，基于运动学模 智能桥梁检测车工作臂的定位与避障控制的研究 型，利用模糊逻辑规贝u ( f u z z yl o g i ce x p e r t ) 算法融合传感器数据，推算出移动机 器人的航迹。 文献 1 2 使用了扩展卡尔曼滤波器融合多种传感器数据，应用于测量移动机 器人位姿，文献 1 3 采用了分布式信息最优滤波算法融合里程计与超声波测量信 息，使其误差减至最小并完成了移动机器人在穿越走廊时位姿状态的最优估计。 使用惯性设备如惯性测量单元( i n e r t i a lm e a s u r e m e n tu n i t s ，i m u ) n 钉进 行定位是当前的一个研究热点，其偏差和噪声积累使得定位误差增大。 1 2 1 2 基于环境感知的地图匹配定位 随着图像技术的发展，基于地图的定位方法在移动机器人定位中应用广泛， 其基本方法n 钓是机器人每运动一格距离，就构建一幅局部地图，利用小型局部地 图定位，多次重复该过程实现对未知环境的增量式建模与定位。 同步定位与地图创建( s i m u l t a n e o u sl o c a l i z a t i o na n dm a p p i n g ，简称s l a m ) n 引， 最早于2 0 世纪8 0 年代s m i t hr 提出的s t o c h a s t i cm a p p i n g 算法。至今有一些较成熟的 同步地图创建和定位方法，如文献 17 提出f a s t s l a m 算法；文献 1 8 提出粒子滤 波器和其它计算方法等，均被应用于机器人定位。 基于视觉技术的定位是当前的研究热点，文献 1 9 将图像检索与m o n t e c a r l o 定位方法结合，实现了移动机器人定位，精度较高，但计算量大；文献 2 0 建立了 基于视觉技术的全局地图，并应用于移动机器人定位，获得了较好的定位效果， 但实时性有待提高；文献 2 1 采用图像技术进行自然环境的学习且估计出了移动 机器人的位姿，其定位精度随学习时间的增加而提高，但其学习时间比较长。 1 2 1 3 其他定位技术 全球定位系统乜羽( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，简称g p s ) 是美国国防部研制的 卫星导航定位系统，在室外移动机器人、移动车辆等载体的定位中应用广泛。 基于路标的定位是一种广泛应用的定位技术，路标种类有人工路标、自然路 标、灯塔路标等；该方式是通过精确地识别路标，再推算出运动载体的位置。文 献 2 3 利用图形路标对移动机器人导航和定位。文献 2 4 采用了自主机器人全局 激光定位方法，通过激光主动扫描定位，利用已知的路标和定位系统识别出路标， 获得方位角推算机器人在参考坐标系中的位置；文献 2 5 使用一种新型人工路 标。由红色矩形框、背景和被识别的目标图形 坐标系投影直方图的辨识路标法。 1 2 2 避障技术的研究现状 移动机器人要实现真正意义上的自主，必 环境中完成局部在线避障。实现避障功能要解 4 硕士学位论文 空间环境的位置、方向；( 2 ) 已获取信息的分析和环境模型的建立；( 3 ) 安全避障的 策略。 国内外关于移动机器人的轨迹规划和避障研究一般是同时进行的，下面讨论 目前应用广泛的几种机器人自主避障算法： 1 栅格法( g r i d sm e t h o d ，g m ) 该算法w e h o w d e n 早在1 9 6 8 年提出了栅格法，并将该方法应用在机器人的 路径规划过程中，其工作原理是把所在工作环境分解成一系列网格单元，并用其 中的二值信息表示外部环境信息瞳引。； 文献 2 8 结合了栅格法与回归预测，提出了路径规划方法，可应用于具有静态 和动态障碍物的环境。它克服了一般栅格法中环境存储量大的问题，但该方法在 无障碍区按照栅格走折线路径，是一种次优路径。目前暂时无能够有效改进该缺 点的方法。 2 。遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，g a ) 该算法是由j h o l l a n d 在1 9 7 5 年提出的，它按照生物遗传学的原理，通过自然 选择、交叉和变异等仿生机制，构造了一类随机化搜索算法晗9 1 。 文献 3 0 提出了基于遗传模糊算法的移动机器人局部避障方法，综合了遗传 算法和模糊推理的优点，可用于复杂环境的情况，满足避障运动的实时性要求。 3 模糊逻辑算法( f u z z yl o g i ca l g o r i t h m ，f l a ) 该算法是总结驾驶员的驾驶思想规则，根据驾驶员的先验经验得到一系列的 控制规则，经模糊推理得到控制响应表，再通过查表得到路径规划信息，实现机 器人路径规划和避障。 文献 31 结合了模糊逻辑和行为控制算法，构建了一个给予模糊逻辑行为控 制的路径规划器，并验证了该方法有效性。 文献【3 2 】针对模糊逻辑法避障存在的死锁问题提出了一种模糊控制新方法， 有效避免了死锁现象的产生，为解决该问题提供了一种新思路。 4 神经网络算法( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ka l g o r i t h m ，a n n ) 该算法研究始于1 9 4 5 年，是在现代生物学研究人脑结构和功能成果上提出 的。它模拟了人的形象思维，且不依赖于系统精确的数学模型，有大规模并行协 同处理能力和较强的学习能力具有一些特点阳引；该算法应用广泛。 如文献 3 4 采用神经网络算法，按照检测障碍物的距离和方向，完成移动机 器人对障碍物和环境类型的识别和避障运动 除上述几种外，避障算法还有许多种，如蚁群算法、人工势场法等方法，这 些方法在避障技术中也有一些应用。 上述研究成果为智能桥检车工作臂的研究做出了重要贡献，工作臂类似于一 个特殊的机械臂，有其自身的特点：伸出和收缩的跨度大，由许多段构成，传感 5 智能桥梁检测车工作臂的定位与避障控制的研究 器多，布局空间大，而且工作臂末端运动轨迹要求覆盖桥梁底面空间；目标点的 约束和距离约束是主要的约束。因为其特殊性，研究智能桥检车工作臂的定位避 障有比较重要的学术意义和社会经济效益。 1 3 论文研究的主要内容及结构 本论文在现有的智能桥梁检测车研究成果的基础上，重点研究了工作臂的自 主定位与避障问题，从感知子系统的设计、组合定位系统以及工作臂避障运动等 方面展开研究，为智能桥检车在未知桥底环境中完成自主检测任务提供了技术支 撑。本文的研究成果将为工作臂在未知环境中的定位和避障提供理论和现实指导。 本文组织结构如图1 3 所示，本文共分为6 章，主要研究内容及研究方法如下： 1 3 论文组织框架结构图 第一章阐述了本课题的相关研究背景和意义，简要地介绍相关技术的国内外 研究和发展现状； 第二章在研究了桥梁、工作臂的结构和特点后，提出了工作臂定位与避障系 统的总体设计方案和研究思路。 第三章本章对感知子系统传感器进行分类和选择，研究了工作臂的感知子系 统，该系统由外部环境探测模块和工作臂自身位姿定位模块构成，并简单研究了 传感器信息的融合问题。 第四章在本文中，定位系统的研究主要是为了在摄像机检测出桥梁底面缺陷 6 硕士学位论文 点时，能够迅速地确定结构缺陷在桥梁底面中的具体位置，以便于维修和加固。 定位系统主要包括智能桥梁检测车的车体定位和工作臂的定位两个部分的定位， 这类似于移动机器人的本体位姿定位和机械臂的位姿定位问题，根据本系统的特 点，借鉴了移动机器人的定位和机械臂的定位技术， 本章中研究了车辆定位问题，按照能否接收完整的g p s 信号，分别建立两个 不同的桥检车参考坐标系，提出了基于模糊自适应扩展卡尔曼滤波算法的车辆定 位方法，车辆定位为工作臂的空间位姿定位提供了精确的初始信息；最后研究了 工作臂及其小臂末端的定位问题。 第五章研究了工作臂避障运动，分析了工作臂运动学，结合桥底环境特征和 电液比例阀的特点，提出了仿形运动控制方法和基于电液神经元网络的避障算法。 第六章讨论了三个方面的试验研究和结果分析：超声波测距模块的试验、车 辆定位子系统和避障运动的仿真试验及其结果分析；。 试验结果表明，在本文中采用以超声波传感器为主的外部环境子系统可实时 地探测外部环境，可以满足避障运动时对环境感知的要求；通过定位试验表明基 于模糊自适应扩展卡尔曼滤波的g p s d r 组合定位系统可以精确定位车辆位置、 姿态；为工作臂的定位提供了准确的初始位姿信息，对解决机械臂高空定位难有 重要意义；通过工作臂的避障试验表明：采用基于b p 网络的电液神经元避障算 法可以控制工作臂在未知环境中有效地避开障碍物，使得工作臂承载摄像机实现 自主检测桥底的功能。 1 4 本章小结 本章主要阐述了课题研究背景和研究意义，分别介绍了各种定位技术和避障 技术的国内外研究和发展现状，。最后对全文的主要内容和研究结论进行了阐述， 7 智能桥梁检测车工作臂的定位与避障控制的研究 第2 章工作臂定位与避障系统的研究与设计 智能桥检车工作臂承载摄像机对桥梁底面进行非接触、定距离的检测。要求 检测桥梁底面每个位置点，在摄像机识别出桥底结构缺陷时能精确地确定该缺陷 点在桥梁底面的具体位置，工作臂能够在保持与桥梁底面恒定距离的条件下完成 避障运动，这是本文中定位与避障系统要实现的两个主要功能。 2 1 桥梁结构与检测要求 2 1 1 桥梁结构和桥梁底面的模型 有关我国桥梁的历史是非常悠久的，英国科学家李约瑟曾经说过钉：“没有 一座中国桥梁是欠美的，并且有许多是特别的美。 古代的桥梁以木、石为主要材料，近代以水泥、钢筋混凝土等材料为主，到 为止，桥梁建设主要往大跨度、宽桥面、新型结构等方向发展。 桥梁美观、实用，使得交通更加便利，促进了经济的发展。为了确保其安全 和性能，其维护、监控及状况诊断至为关键。然而桥梁的特殊性和结构多样性带 来了桥梁检测上的技术困难。首先，桥梁是处于悬空状态的。其次，桥梁的结构 有其多样性，根据其受力特点和桥梁支承形式不同有多种类别。 虽然桥梁结构各异，但多部分桥梁底面的结构基本相似，常见的桥梁底面如 图2 1 所示。 c a ) 海珠桥( b ) 洞庭湖大桥 图2 1常见桥梁示意图 根据常见的桥梁结构，建立一种比较典型的桥梁底面横侧面模型如图2 2 所 示，桥底主要由斜面、平面和竖直面组成，映射到横侧面上就是斜线、水平线和 8 硕士学位论文 竖直线。 桥梁横截面 图2 2 桥梁底面横截面模型 2 1 2 桥梁底面检测的基本要求 相对桥梁表面的检测而言，桥梁底面缺陷的检测难度更大。传统检测方式是 采用工作臂承载检测人员送至桥底开展检测作业，该检测方式有许多不足，如效 率低，安全性差、检测质量差等，采用智能桥检车的工作臂进行自主检测可以解 决上述问