（机械电子工程专业论文）智能视频桥梁检测车工作臂避障系统的研究.pdf

摘要 桥梁在人类生活中占有重要的位置，连接着五湖四海，承载着交通运输。随着社会经济 的日益发展，交通运输量极大增加，桥梁负荷量成倍上升，桥梁坍塌事件时有发生，使得桥 梁维护和检测越来越受到重视，安全运行越来越受到关注，因此，确保桥梁健康已经成为保 障人民生命和财产安全的重要方面，桥梁健康诊断技术已经成为重要的研究领域。 当前桥梁表面缺陷检测技术比较成熟，操作比较容易实现，而桥梁底面缺陷探测较为复 杂，探测方式一直以来停留在人工定期探身桥底的检测方式，这种方式存在着效率低、设备 通用性差等诸多不足之处。为此，开发智能视频桥梁检测车、实现桥梁底面缺陷自动检测成 为解决人工检测方式缺点的一个良好发展方向，将极大地推动桥梁探测技术的发展。 本文着重研究智能视频桥梁检测车伸臂机构工作臂的避障系统，控制工作臂承载检测仪 器如摄像机等沿桥梁底面展开仿形运动，在检测过程中不断的躲避桥梁底面结构障碍、保持 与桥底表面的距离恒定以及全区域测覆盖桥梁底面，从而实现桥梁底面缺陷的自动检测，提 高检测效率和设备通用性等。通过研究国内外智能机械避障控制方法和系统，针对桥梁底面 特定对象以及自动检测特定方式，设计出工作臂避障系统。提出以自主式避障系统为主、结 合半自主式避障系统的方式，实现桥梁底面检测的全区域覆盖；在对探测系统进行归纳性的 分类基础上，设计基于露天工作环境，以超声波传感器为“视觉”、红外线传感器为“接近觉” 以及光电编码器和行程开关为自身状态信息“感觉”的工作臂探测子系统，运用最小值判定 法对多传感器数据进行融合，保证探测子系统检测信息的有效性和及时陛；通过分析工作臂 的运动特点，提出探索式的仿形避障控制方法，有效地实现桥梁底面仿形运动地控制，并提 出基于神经网络的避障电液控制方法，解决探索式方法存在的拐角处仿形误差大的缺点，运 用仿真技术验证了电液神经元网络避障控制方法的有效性；通过建立模拟实验系统，对前述 研究进行验证，实验结果表明工作臂避障系统有效，能够为桥梁底面缺陷自动检测作业服务。 关键词：桥梁检测，避障控制，机械手，神经网络，超声波传感器 ! 查三些奎耋堡圭兰堡兰圣 a b s t r a c t b r i d g ep l a y sav e r yi m p o n a n t r 0 1 ei n j o i i i i r 培d i f f e r e n tp l a c e sa n dc 砌n g t l l e 仃a 邶p o r t a 矗o ni nh u m a nl i i s t o r y w h i l e ，埘t l lt l l ei n c r e 嬲i n gd e v e l o p m e mo fs o c i e t y 趾dc c 衄o m y ，t h ec a p i t yo f 订a 珊p o f t a h o n 舭dt l i el o a do f 硪电eg ou pg r e a n y ，a i i dt h ea c c i d c e s0 fb r i d g ec o l l a p s eo c m o r et l l a nw e r w h i c hm i k ct i i cd 咖嘶o i l ， m a i l i t e n 姐c e 柚ds e c 证t y0 fb r i d g eb e c o m em o r e 锄dm o r ea n 碰v c t h c r e f ( 鹏，t h eg i l 盯a i l 钯eo f 矾d g e sh e a h h h 鼬扯a d yb e e nas 疵g u a r do f l i f ba l l d 啪a l t l l p e o p l e 趾dt h es t u d y0 fd e t e 嘶v et c c l l l l o l o 盱h 嬲b e c o m e 姐 i m p o n 肌td o m a i n n o w a d a y s ，t l l ed e t e c d o no f b r i d g e ss u r f h c ea r ev e r yp o p l l l 盯缸de a s yt op 豇f b m o nt l l e0 t h 盯h 趾i d ，d u et o 也ec o m p l e 耐t yo fb r i d g e sb o t t o m ，o r l l y 锄em e t l l o dw h i c hi sm a 肌a lp 盯i o d i c a l 岫c c d o ni nt h ew a yo fe n 拉姐c e t ot h eb a t t o mi sp o p l i l 札t h em e t l l o dh 船a1 0 t0 fs h o n c o m i n g s 饥c h 嬲1 0 we 塌c i 钮c y 矾dn a n u w a d a 呻撕o n ， w h i c hm a k e sna9 0 0 dw a yt od e v e l o pi n t e l l 噜e n t - v i d e ob r i d g e d e 钯砸o nv e h i d e ( b d v ) t 0 碍a l i z e 加t o n o m o u s d e 妣t i o nw i l i c hw ma v e r c 砌et h ef h h0 f m 删a lm e 州锄dl e a dt op m l 辨s si nt e c h d q 科o f 砸d g ed e 眦t i i nt l i i sp a p e r ，t l i ee m p h 鼬i si sp i 科e do nt l i es t i l d yo ft l i eo b s t a d e - a v o i d a es y s t e m ( 0 a 占) 0 fp e r | 研m a l l c e a m ( p a ) o f b d v w l l i c hc o n t r o l s 粕dc a m e sd c t e 甜v ed 鲥c es u c h 鲴c 锄盱a a 1 0 n gt l l eb 矾o m o fm d g ea ta c 0 i i s t 硼毗d i s t 锄c ei naw a yo fa u t d n o m o u sm o t i 叩t oa v o i d 蚰m 曲】r a l0 b s t a c l e s 皿dc o v e ra l m te v 吖w h 盯e b y r e f e r c n c et 0f b r d g na r l dd o m e s t i c 如血i n0 am e i h o d 锄d s ”t e m ，锄o a so ff i ai sp u tf b m a r d t oc o n c e m r a l 君o n 血es p e c i a l t yo f t h eb o t t o m0 f b r i d g e 衄dt h ea u t o i l o m o u sd c t c c 虹v em c 也o dc o m b i l i i n gt l l ea m o n o m o u so a s w i m n o i l l i o l o n o m i co a s ；b a s e do ni n d u 砸v ec l 嘏s m c 觚o no fd e t e “o ns y s t e m ，ad 咖曲v es u b s ”t e mi s d e s i g 鹏dt o m e e tw i t ht h en dt ow m ki n 也eo p e na i ru s i i l g1 l l 订蠲o i i i cs e 珊0 r s 鹊“曲e 删v i s i o n ，i i i 丘a r e ds e n s o r s 驰 “e x l 锄a lt c h ”髓de n c o d e ds e n s o 船鄙“i n _ t e r n a lf e e l i n g ”，锄da l s oam i i i i m u ma s g e s s m e n t ( m a ) m e t h o di s u s e dt oi l l f h s ed a h 衄o fm u n i p l es e 邶。糟t og l l 盯锄t e et l i ed e t e c 虹0 n 印晰i v c l y 姐dr e a l - 在m e ；ag r o p i n gp r o m e m o d e l i n gc o l i 缸_ 0 lm e t h o d 姐d 肌e l e c - h y d r a u l i cn e u r a ln e tb 船e dc o n 仃o im e t l i o da r ep s e n t e dt or e a l i z e0 a c o m 0 1 ；a tl 舶t ，as i m u l 如de x p 耐m e ms y s t 锄i ss 吐u pt 0v a l i d 出圮瑚e 础i na b o v e 、v i t l l t i cc 皿c l 邺i 衄 p r o v 岫t l l eo a so f p a e 如曲ea n d1 l s e f i l ii l l 舭a u t 呲叮1 0 u s - d e i c 撕0 nf i e l do f b o n o mo f b r i d g e k e y w o r d ：b r i d g ed c t e c t i o n ，o b s t a c l e _ a ：v o i d a n ( 0 a ) ，蛐，n e l l r a u ln e t ，1 1 1 舔砌cs e n s o r s 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 交通运输是一个国家的经济命脉和重要基础设施，而作为交通枢纽的桥梁则起着至关 重要的作用【1 】【”。桥梁的使用期一般为8 0 1 2 0 年，随着其服役时间的增加，桥梁结构难免 会出现各种各样的疲劳和损伤【3 】。这些损伤都将导致混凝土的分层与破裂，引发坍塌等恶性 事故，造成巨大的经济损失和人员伤亡。例如：1 9 9 9 年1 月4 日重庆市綦江县人行彩虹桥的 垮塌【4 】；2 0 0 0 年8 月台湾境内连接高雄与屏东的高屏大桥的倒塌。类似的大桥坍塌事故还有 很多。由于桥梁早期破坏造成的灾难不断发生，对桥梁结构进行经常性的检查和健康诊断 已受到了广泛重视，已成为国内外学术界、工程界的研究热点之一；对桥梁的结构损伤采 取有效手段进行监测、预测和控制，对确保交通枢纽的安全和正常运行是十分重要的【卅【6 】。 据不完全统计，混凝土桥梁的损坏有9 0 以上是由裂缝引起的。因此，对桥梁裂缝进行长期 的监测和寿命评估是十分重要的。由于大多数桥梁的结构裂缝主要产生在桥梁底部，检测 起来很困难，与此同时桥梁结构形式日趋发展向大型化和新颖化，使这个问题更加难于解 决。由此，桥梁健康诊断技术已经成为一个亟待探索的研究领域阴。 当前国内外对于桥梁底部缺陷的诊断方法，普遍采用人工定期检测的方法。具体实现是 利用桥梁检测车将检测人员送到桥梁的底部，然后通过伸臂机构沿着桥底运动输送检测人员 到达指定的地方，利用肉眼或者检测工具进行缺陷检测。这种方法存在的不足之处有：设备 庞大，价格昂贵，灵活性差；人工检测，劳动强度大，存在安全隐患：检测效率低，结果具 有一定的主观性毕，；结构迥异的桥梁导致设备不易到达的地方难以检测，复杂结构桥梁无 法检测。 为了克服以上桥梁检测方式存在的问题，广东工业大学和广东省佛山市公路局公路车船 修配厂提出设计一种基于智能控制和图像检测技术的智能视频桥梁检测车 ( i n t e l l i g e n t v i d e ob r i d g e d e t e c t i o nv e h i c l e ，简称i v b d v ) ，其结构示意图见图卜1 。该 种桥梁检测车通过轻型液压伸臂机构，将检测装置( 摄像机或者超声波探测器等) 承载到桥 梁底面任意位置的有效探测距离内，采集、辨认或检测桥梁底部缺陷，利用图像检测和处理 技术实现桥梁底部缺陷( 如结构性裂缝等) 的自动检测。这种桥梁底部缺陷的自动检测方式， 具有效率高，安全性好，适应性强、功率消耗低等优点，并且可用于环境险恶不适合人工检 测的场合。 厂东工业大学硕士学位论文 桥梁检测车要求具备的技术参数如下：伸臂机构的桥底伸长跨度1 8 m ，桥侧下沉深度 5 m ，桥面展开长度2 m 。为满足以上技术参数要求，实现自动检测作业，智能视频桥梁 检测车亟需解决的关键技术及难点之一是如何灵活、安全、高效地实现多关节、多自由度、 超大跨度的伸臂机构的避障运动和全方位运动的轨迹规划控制。伸臂机构由起吊臂、竖直臂 图1 1 智能视频桥梁检测车示意图 ( f i g1 一ls k e t c hm 印0 f i n t e l l i g e n i - v i d e ob r i d g e - d e 把甜o v e h i c k ( i v b d v ) ) 和工作臂组成，其中工作臂由大臂和小臂组成，通过大臂x 向，小臂y 向联合运动完成避障运 动和全区域轨迹运动，本文着重研究伸臂机构工作臂的避障运动和全区域轨迹规划控制。 研究伸臂机构工作臂避障控制及轨迹规划将产生下述显著作用： ( 1 )开发出桥梁检测车伸臂机构工作臂的智能控制器，实现自动控制，无需人工探 身桥底，改进桥梁底面探测的方式，实现安全、可靠、便捷、高效的桥梁底部缺陷自动检测 作业，； ( 2 ) 研究先进的控制理论，融合智能控制、避障控制、信息处理和现代传感等技术， 促进桥梁检测技术和实时避障控制技术的发展； ( 3 ) 研究多关节超大跨度机械臂的避障控制和轨迹规划，推动工业机器人、无人探 测及危险物处理等领域的技术和装备的发展。 2 第一章绪论 目前全国已有公路桥梁2 8 4 万座，1 0 6 5 万延米。据桥梁普查统计三四类桥梁及危桥共有 3 6 9 2 1 座，共1 1 8 万延米的桥梁需要大维修和加固，至少需要资金1 5 0 亿人民币。广东省内共 有国道、省道和县道桥梁1 0 8 8 2 座，共6 8 9 3 万延米。其中特大桥2 2 7 座，2 6 3 5 万延米；大 桥共有7 8 3 座，1 7 1 3 万延米。我省存在不少承载力不足桥及窄桥、危桥需要改造。目前在 公路干线上，荷载标准在汽一1 0 以下的低标准桥梁有2 0 8 0 座( 约占2 0 ) ；桥面宽度在6 米以 下的窄桥有1 2 4 0 座( 约占1 1 ) 。目前还存在三、四类桥梁1 1 0 0 座，占总量1 0 。计划五年 内加固、改造桥梁2 4 2 0 座，需要资金1 5 亿元。其中资金的5 即7 5 0 0 万元是用于桥梁底部缺 陷检测0 3 。因此，智能视频桥梁检测车具有良好的应用前景。 本文的研究成果将直接应用于桥梁检测装备上，为桥梁健康检测事业提供服务，有效 提高桥梁的寿命和减少其营运期间的安全隐患。它将推动桥梁底部缺陷检测技术的发展， 对提高底部缺陷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 国内外研究现状 轨迹规划是为实现既定目标而进行的整体规划，是一种全局路径规划。避障控制是在全 局区域运动中局部遇到障碍物后如何避开障碍物并且回复到原定路径或目标的运动轨迹控 制，是一种局部路径规划，属于轨迹规划控制。两者研究的重点都是如何有效实现既定的运 动问题，因此国内外对智能机械的轨迹规划研究和避障控制研究通常是同时展开的，约束通 常为目标约束。 目前，避障控制和轨迹规划研究对象主要有自主驾驶车辆( a v s _ 一a u t o n o m o u sv e 舡c l e s ) 、 水下无人潜器( u u v s u - n m a l l n e du n d e r s e av e h i c l e s ) 、工业机器手( 讧s i n d u s 岫a l m a n i 口u l a t o f s ) 、无人驾驶飞机( u a v s u i l l l l a n n e d a e r i a iv e h i c l e s ) 和自主式行走机器人( a m r a u t o n o m o u 8m 0 b i i er 0 b o t ) 。其中，a v s 、u u v s 、u a 、，s 、a m r 的运动具有相似性，根据 参考文献【1 0 】至 1 7 】所述，可以简化成一个具有三轮( 两个驱动轮，一个方向轮) 的立方体 在空间或平面上运动，其轨迹运动可以通过控制方向轮的角度和中心点的坐标得以实现，而 避障控制则是一种基于主动感知行为即通过传感器对外界信息实时捕捉发现障碍物而进行 的躲避障碍物并完成既定目标运动的轨迹控制。对于这一类对象的研究开展较早、方法较多， 轨迹规划优化方法主要有标准的搜索算法a 木和改进的d 木算法【加】、基于动态规划t t e r b i 算法 的最小熵估计的局部规划1 1 1 等，避障控制方法主要有遗传算法路径规划方法1 2 】，人工神经 网络和模糊控制方法1 扪，改进势场法【1 4 1 ，电机神经元网络方法等，应用这些研究方法清 广东工业大学硕士学位论文 华大学开自主研制和开发出新一代的多功能t m 偶一v 轮式机器人实验平台系统，法国e c a 企业研制的自主型海底机器人“阿利斯塔尔”等。 工业机器手是属于另一种类型，由多自由度多关节组成，其运动范围受到自身结构的约 束，因此轨迹规划和避障控制相对较为复杂。主要的轨迹规划方法有笛卡儿路径轨迹规划法， 插值方法中的三次多项式插值法、高阶多项式插值法、用抛物线过渡的线性插值法等“】。 避障控制的研究多针对于关节型冗余机械手，方法主要有两种：一种是在高层进行路径规划， 使机械手末端通过离线路径规划来避开障碍物，这种方法能够保证全局优化，但是它不能实 现在线控制；另一种方法是通过机器人的控制器在线避障，算法主要有基于伪逆矩阵法， b a i l l i e u l 的e ) ( t e r d e dj a c o n 蛆技术方法，边界椭圆法等m ，以及人工势场法、自适应模糊控制 方法等。具体应用有焊接机器人、喷涂机器人等。 以上研究和成果为智能视频桥梁检测车伸臂机构工作臂的研发提供了丰富的参考和有 价值的借鉴。工作臂是一种特殊的机器手，有别于以上研究中的工业用机器手，具有如下特 点：收缩和展开的跨度比大( 约为2 0 m ：6 m ) ，由多节组成：传感器组多，布置空间跨度大； 工作臂末端轨迹要求能够覆盖桥底平面空间各点；运动轨迹的约束为目标约束和距离约束。 因此它的运动兼具以上两种研究对象的特点，避障控制和轨迹规划较为特殊。目前，国内外 文献均无这种类似机构的研究和报道。 总体而言，视频桥梁检测车伸臂机构工作臂避障控制及轨迹规划的研究属于新的应用 研究领域，有望在桥梁底部自动检测和机械臂避障控制方面取得重大突破。将其应用于智 能视频桥梁检测车，实现结构迥异的桥梁底部缺陷的自动检测，将具有重大的意义及社会 经济效益。 1 3 课题来源、研究内容及关键技术 本课题基于广东工业大学博士基金“全自动桥梁智能检测机械手的关键技术研究”，项目 批准号为0 5 3 0 0 3 ( 2 0 0 5 年1 月至2 0 0 6 年6 月) 以及与广东省佛山市公路局公路车船修 配厂合作项目“超长臂视频式桥梁检测智能机械手的研究”( 2 0 0 4 年1 月至2 0 0 6 年6 月) 。 研究内容包括： ( 1 )建立基于超声波传感器和红外线传感器组合的外部传感器及光电编码器组为主 的内部传感器的环境空间物体位姿信息及工作臂的实时探测系统； ( 2 )研究多传感器信息融合的优化技术，实现安全作业及准确定位； d 第一章绪论 ( 3 )研究基于电液比例技术的探索式仿形避障控制器； ( 4 )设计基于神经元网络的仿形避障运动电液控制算法及仿真； ( 5 )工作臂避障系统的模拟试验研究。 本课题拟解决的关键技术有： ( 1 )超长跨度的多自由度、多关节伸臂机构工作臂( 展开总长达1 8 米) 的多传感器 检测及信息融合技术： ( 2 ) 多自由度、多关节工作臂( 部分展开及全部展开) 空间运动的避障控制策略； ( 3 )基于障碍的全方位少遗漏( 或无遗漏) 区域性的轨迹运动控制算法研究。 1 4 本章小结 桥梁安全营运是关系到国计民生一个重要方面，本文针对目前桥梁底面缺陷人工探测方 式存在的缺点，结合实现自动探测方式的智能视频桥梁检测车的研发工作，着重研究工作臂 仿形避障运动控制，为首次实现桥梁底面的自动探测方式服务。 论文共分为5 章，主要内容如下： ( 1 )第一章讲述课题的背景、国内外研究现状和来源： ( 2 )第二章总体设计工作臂的避障系统： ( 3 )第三章重点研究探测子系统的设计； ( 4 )第四章研究工作臂避障控制子系统； ( 5 )第五章着重避障控制系统的实验研究。 最后，总结论文的主要研究内容，并针对不足之处提出未来的研究方向和内容。 广东工业大学硕士学位论文 第二章工作臂避障系统的设计 智能视频桥梁检测车为桥梁底面自动检测作业服务，检测直接对象是桥梁底面，因此工 作臂结构应满足能够达到桥梁底面任意位置的需要，而其避障系统的设计应满足能够实时探 知桥梁底面的状况、主动躲避结构障碍、保持与桥梁底面稳定检测距离的要求。为此，本章 主要阐述内容有：桥梁底面横截面模型及检测基本要求：工作臂的结构及运动特点；工作臂 避障系统的类型及组成。 2 1 桥梁底面横截面模型及检测基本要求 2 1 1 桥梁结构简介 我国是一个桥梁历史悠久的国家，英国著名科学家李约瑟曾评价说：“没有一座中国桥是 欠美的，并且有很多是特出的美。”【”】 在古代，桥梁以木、石为主要材料，其中隋代李春建筑的赵州安济桥是我国古代桥梁的 杰出代表，1 9 9 1 年被美国土木工程学会评为与巴黎铁塔、伦敦塔桥等建筑齐名的国际土木工 程里程碑建筑。 到了近代，桥梁是以应用钢、水泥、钢筋混凝土及预应力混凝土等人工材料为标志。虽 然，我国近代桥梁建设起步较晚( 起始于2 0 世纪5 0 年代) ，但随着社会和经济发展，桥梁建 设水平提高极大，到现在为止已经和世界桥梁建设同步发展向着大跨度、宽桥面、公铁两层 桥、结构新颖等迈进。 在近年来建设的大量桥梁中，广东省的番禺大桥横跨珠江，主桥桥面宽度为3 7 7 米，通 航净高3 4 米，是一种主桥为1 6 1 米+ 3 8 0 米+ 1 6 1 米三跨连续双塔空间双索面漂浮体系超宽斜 拉桥1 9 】；丫髻沙大桥横跨珠江，是一种主桥为7 6 米+ 3 6 0 米+ 7 6 米三跨连续自锚中承式钢 管混凝土拱桥，桥面侧向总宽度3 2 4 m 【2 0 l ；汕头海湾大桥，跨越汕头海湾，桥面总宽3 05 米， 主桥主跨5 1 8 米，通航净高3 8 米【2 1 】；正在筹建的港珠澳大桥横跨珠江口，全长2 9 公里【2 ”。 桥梁美观、实用，提升了交通便利，促进了经济发展。为了保证它的安全和性能，其维 护监测以及健康诊断至为关键。然而桥梁的特殊性和结构多样性给桥梁检测带来了技术难题。 首先，桥梁处于悬空状态中，上不着天，下不着地。其次，桥梁的结构形式多样，按照 受力特点可分为五大类：索式桥、拱式桥、悬索桥、斜拉桥和钢构桥，其主要区别在于桥梁 第二章工作臂避障系统的设计 支承形式不同( 吊、拉、挂、分体支承、同体支承等方式) 、桥梁的桥墩之间跨距也各不相同： 按照跨障不同可分为城市立交桥、人行天桥、跨江桥、跨谷桥、跨海桥等，这些桥梁主要区 另h 在于桥梁总长度、桥面宽度、桥底悬空高度以及桥底介质各不相同。 2 。1 。2 桥梁底面横截面模型 尽管桥梁的结构形式多样，但桥梁表面和桥梁底面形式基本相同。为了增强刚度和结构 强度，桥梁底面通常有序的布置了结构加强筋，这些结构加强筋主要为平面和斜面形式，间 距及宽度各有不同，广州市五座大桥的底面如图2 一l 所示。 ( a ) 江湾大桥 r c ) 海珠桥 ( b ) 海印桥 锄解放桥 广东工业大学硕士学位论文 ( e ) 人民桥( 东桥)人民桥( 西桥) 图2 1 桥梁底面实图 ( f i g2 - lp i 咖r e so f 血eb 嘣0 mo f 断e 吼电e s i ng u 衄g 吐0 u ) 根据现有桥梁的资料，建立桥梁底面横截面模型如图2 2 所示。桥梁底面由斜面、平面 和竖直面组成，表现在横截面上为斜线、水平线和竖直线，桥梁底面的各轴方向如图所示。 横截 图2 2 桥梁底面横截面模型 ( 盹2 2m o d e lp i 咖o f c r o s ss e 曲o f b o n o f b r i d g e ) 2 1 3 桥梁底面检测的基本操作和检测的基本要求 桥梁表面和侧面的检查较容易施行，通常采用人工操控检测设备在桥面上完成。桥梁底 面缺陷的检查则较为困难，又由于桥梁跨越的障碍不同，许多桥底为荒地、江河湖海、山谷， 因此无法采用通用的升降设备将人提升到桥下进行检测，一直以来只能采取从桥面上将人承 第二章工作臂避障系统的设计 载到桥下进行检测。这种人工检测桥底缺陷的方式存在了诸多不足点，因此需要改进，采用 智能视频桥梁检测车具备解决以上问题的优点( 参考绪论1 1 ) 。考虑桥梁结构的多样性及桥 梁跨度的各异性，伸臂机构的展开由人遥控完成，而工作臂承载摄像机进行检测则采取自动 方式，展开完全自主式运动行为。 应用智能视频桥梁检测车( 参考图卜1 ) 进行桥梁底面自动检测的基本操作如下：视频 摄像机运动到桥梁底面检测的初始点一工作臂承载摄像机在桥梁横截面x 方向上沿着底面轮 廓前进运动一在避障系统控制下实现沿y 方向升降运动躲避结构障碍并与桥梁底面轮廓保持 预定检测距离一检测运动到达x 正方向终点一摄像机停止前进一工作臂整体沿桥梁z 向移动 一个摄像机有效检测宽度的距离一摄像机沿x 负向回退重复前进的相似动作一如此做“s ”形 反复运动完成整个桥梁底面的探测。 当进行自动检测时，应满足以下四个基本条件： 1 稳定性要求。由于工作臂持着摄像机运动，为了保证图像摄取的效果和质量，对工 作臂的运动速度进行限制，并且控制其稳定。 2 大跨度检测要求。通常，桥梁表面宽度通常为4 0 米以内，像番禺大桥桥面宽度3 7 7 米，丫髻沙大桥桥面侧向总宽度3 24 m ，因此工作臂运动长度至少要有桥面宽度的一半以上。 3 避障安全性。为了保证摄像机与桥底面的摄像距离保持一定，工作臂不断躲避障碍， 沿桥梁底面进行升降仿形运动。在仿形运动中，防止失控发生碰撞，损坏设备。 4 检测全面性。最大限度的检测桥梁底面任意部位，尤其是的结构易发生疲劳的重点 部位，因此结合仿形运动，进行设定目标情况下的避障控制及轨迹规划的设计。 为满足以上基本要求，工作臂设计的基本技术指标为：工作臂的总展开长度为2 0 米；常 规运动速度不大于3 0 c m s ；避障运动速度不大于1 0 c m s ；避障停止定位精度不小于l c m m ； 桥底运动有效覆盖面积9 0 。 2 2 工作臂的结构及运动特点 2 2 1 全区域覆盖的空间结构及基本方式 在三维空间领域中，一个运动的物体具有六个自由度，通过有效的组合其三个平移和三 个旋转运动可以实现全方位运动，到达任意指定点。图2 3 所示机械臂具有六个自由度，能 够实现机械臂末端的任意运动。实际检测工作中，摄像机要求能够实现一定范围内的全方位 运动即可，因此按照运动组合方式，承载摄像机的工作臂结构可分为三种：移动式、关节式 o 厂东工业大学硕士学位论文 及综合式。 移动式通过组合r ，黟，乃三个平移运动到达指定方位。关节式通过组合m ，母，恐 三个旋转运动到达指定方位。综合式通过组合平移运动和旋转运动到达指定方位。三种运动 结构灵活性不一样，其中综合式运动结构最复杂同时灵活性最好，移动式最简单但灵活性一 r 图2 3 六自由度机械臂空间运动图 ( f i g 2 - 3s p 撕a lm 胡伽m a po f 6 - d o f 蛐) 小臂太臂检测车 图2 4 移动式机械臂空间运动图 ( f i g 2 - 4s p 撕a l m o t i m 叩0 f n 0 撕l l g 皿) 般。 桥梁底面结构( 参考图2 2 ) 可以看成是平整的天花板上布置了规则形状的凸出梁，因此 桥梁底面的空间结构相对并不复杂，通过平移为主的运动实现覆盖全区域检测最为简便，也 最容易控制。 摄像机的全区域覆盖运动基本方式主要有以下两种：移动式和综合式。移动式通过x 、y 综合运动以及z 的间歇运动实现全区域的覆盖，综合式通过x 、y 综合运动以及绕y 轴的间歇 转动实现全区域的覆盖。本文采用移动式运动结构实现桥梁底面全区域的检测，运动结构简 图见图2 4 ，图中坐标系方向同桥梁底面横截面模型图2 2 的坐标方向( 以下未注明方向同桥 梁底面横截面模型坐标方向) 。 2 2 2 工作臂的基本结构和运动特点 摄像机的运动是通过工作臂的运动来实现的，其中z 向的运动是通过检测车的行走带动 工作臂整体运动来实现，而x 、y 方向运动是由工作臂的大臂和小臂组合运动实现。 工作臂( p e r f o r m a n c em m ，简称p a ) 基本结构如图2 5 所示，大臂沿x 方向运动，小臂 沿y 方向运动。考虑结构、空间展开性和强度等因素，大臂和小臂都由多节直臂组成。 1 0 - 第二章工作臂避障系统的设计 工作臂的工作流程为：小臂竖直向上运动到达桥梁检测起点一工作臂的大臂、和小臂综 图2 5 智能视频桥梁检测车工作臂结构示意简图 ( f i g 2 - 5 鼬1 l c t u ms k e t c h m 印o f p e r f o m n c ea | m0 f b d v ) 合运动、自动避障实现桥梁底面仿形运动一单向检查到终点一小臂竖直向下回退到初始点一 工作臂在桥梁检测车的带动下前移一个摄像机横向有效检测距离( 探澳4 距离桥墩危险时停止 移动) 一小臂竖直运动一到达桥梁检测起点一工作臂的大臂后退和小臂综合运动、自动避障 实现桥梁底面仿形运动检测一往复运动检测桥梁底面全过程。 工作臂的运动特点是：通过大臂及小臂的联合运动可实现直线、斜线和曲线的运动，而 且运动速度可调。运动模型见下式： 胁吲舭，性 水平线 竖直线 斜线 ( 2 1 ) 曲线 按照上述关系控制x 、y 方向的运动量可以形成不同的轨迹，通过控制x 、y 方向的运动 速度，可以形成不同速度的运动轨迹。 广东工业大学硕士学位论文 2 3 工作臂避障系统设计 2 3 1 避障运动分析 工作臂的空间运动分为常规运动和避障运动，常规运动由预设的轨迹来约束，当遇到障 碍物时进入避障运动控制状态，躲避障碍物的同时保持向预设轨迹运动，当回到预设轨迹状 态上后确定无障碍物时停止避障运动进入常规运动。避障运动和常规运动区别在于运动轨迹 是否可预先规划及轨迹路径上的空间信息是否确定，由此常规运动是一种程控运动，而避障 运动是一种实时规划运动。常规运动可以看作是避障运动的特例，当需要实时规划的轨迹成 为已知轨迹时，运动进入常规运动；当存在未知障碍时，需要实时检测障碍物的空间状态进 行运动轨迹规划时，运动进入避障运动。 工作臂运动( 见示意图2 6 ) 的初始运动为常规运动，按照预先设定的方式运动，例如( a ) 中采用的是竖直向上运动。避障运动则不断的躲避结构障碍，与桥梁底面保持一定距离不变 的。 避障系统可分为自主式和半自主式两种，其中半自主式是由人作为控制器进行操作指导 工作全过程的避障运动，自主式则是从工作开始就由系统自主决策进行自动避障，无需人参 与。自主式避障系统要求能够实时探知自身位姿信息及周围环境信息，并且能够自主决策进 第二章工作臂避障系统的设计 行轨迹规划运动。工作臂的运动控制采用自主式避障系统，同时设计转换模式，可以切换进 入半自主式避障控制操作，适应特定位置、特殊结构或死角处的检测要求。 工作臂避障系统结构原理见图2 。7 ，避障系统由传感器、控制器和执行机构三部分组成， 其中控制器是避障系统的核心，接受工作任务控制执行机构常规运动，当接收到传感器检测 得到执行机构及周围环境的信息，分析判断后指导执行机构避障运动，在避免碰撞的前提下 图2 7 工作臂避障系统结构原理图 ( f 逸2 - 7 d i a g r m 0 fs t r u 咖b 趾d 呻i c i p l eo f o b s t a c l e a v o i d c cs y s t e m o f 队) 完成预定的任务：传感器是避障系统的眼睛和触觉，探测周围环境的信息及执行机构的状态 信息：执行机构是避障系统的实现部分，接受控制信息推动工作臂运动，完成既定的任务。 依据各部分的功能特点将避障系统分成三个子系统：探测子系统、避障控制子系统和执 行子系统。 2 4 本章小结 本章以桥梁底面缺陷探测为对象，以实现自动检测为前提。进行了智能桥梁视频检测车 的工作臂避障系统的分析和设计，主要完成内容包括： 1 1 厂东工业大学硕士学位论文 测。 ( 1 )分析桥梁底面的结构特点，建立桥梁底面的模型 ( 2 )分析工作臂的运动特点，建立工作臂的运动结构模型 ( 3 )设计自主式避障系统，并提出结合半自主式避障系统实现桥梁底面全区域的检 通过建立避障系统，控制工作臂避障运动，可以实现桥梁底面缺陷的自动探测。 第三章探测子系统的研究及设计 避障的前提是准确地探测自身和障碍物的信息。在未知空间领域中，把握自身的状态信 息，谓之知己，把握障碍物的状态信息，谓之知彼，知己知彼方能准确有效的躲避障碍，安 全运动。为此，本章主要阐述内容有：探测系统的组成及分类；工作臂探测子系统的设计； 多传感器数据信息的融合。 3 1 探测系统的组成及分类 3 1 1 探测信息的分类 桥梁检测作业中，探测信息按照探测量不同可分为：位移、角度、温度、力、转速、图 像等。按探测对象分为两类：自身状态信息和环境状态信息。这两种状态信息按设计需要可 包含不同的探测量。 对于未知空间领域中的避障运动，必须实时、准确地探测自身和环境两类状态信息。其 中，最主要确定的探测信息有各主要运动部分的位移、速度和各关键部分的位姿，以及确定 环境状态信息如障碍物的速度、障碍物的接近程度和阻碍程度等。这些都可以通过位移量的 测定来计算或分析得出，因此对于工作臂的运动探测主要通过测量位移量来实现。 3 1 2 用于探测系统的传感器 用于运动信息探测的传感器有很多种，按照仿生学的观点可以将各种传感器划分为感知 型和非感知型两大类【2 3 】。具体分类如图3 1 ： 感知型传感器可以通过自身的敏感元件获得环境辐射的信息( 如声、光、电、磁等) 或 向环境发射自身调制的辐射信号，并接受其返回信号以获取环境信息。对于环境状态信息， 因其属于未知领域的探测，通常采用感知型传感器，主动的获取环境信息。 对于自身状态信息的探测，可以直接通过检测运动部件的运动位移来获取，所以主要采 用非感知型传感器得以实现。 通常来说，感知型中的触觉传感器和接近觉传感器可以通称为“接近觉”传感器，视觉 传感器可以通称为“视觉”传感器，大量程接近觉传感器也可以做为“视觉”传感器a 广东工业大学硕士学位论文 传感器 f 触觉：行程开关、气压式触须传感器、关节式触须探针等 感知型 接近喾超声波传慧篙篱篆、激光测距仪等 i姿态：陀螺仪 f距离：光电编码器等 非感知型( 自身状态信息探测) 角度：陀螺、电动磁罗盘等 i空间定位：g j 附 图3 1 传感器分类图 3 1 3 探测系统的组成和分类 探测系统是由满足既定探测和监控要求的一种或多种传感器组成的系统。对于避障运动 控制，探测系统需要实现远、近障碍信息的探测，通过“远视”可以优化轨迹控制，通过“近 视”可以保证安全、避免碰撞发生。 目前应用于避障运动的探测系统主要有两大类：人机交互式探测系统和完全自主式探测 系统。 人机交互式探测系统通常是视觉传感器和其他探测传感器的组合，操作者通过观察视觉 传感器探测到的空间图像参与引导、操控传感器组进行定位探测。在这种系统中，视觉传感 器作为主要传感器探测环境信息，而其他传感器作为报警、局部探测或者特定用途传感器。 人机交互式探测系统适合于复杂领域的作业，人实时参与对探测系统的监控。 完全自主式探测系统由远距离( 以下简称“视觉”) 传感器和近距离( 以下简称“接近觉”) 传感器组成，如g p r s 定位系统和激光定位系统的组合，超声波测距系统和红外线测距系统 的组合等。探测远近位置信息和状态信息，自动实现探测作业。这种系统适合于智能避障控 制及自动控制系统，由控制器实时对传感器进行监控。 3 2 工作臂探测子系统的设计 3 2 1 工作臂探测子系统的组成及工作原理 为了最大化的实现桥梁底面全区域缺陷的自动检测任务，全局探测采取完全自主式探测 方式，特殊局部应用人机交互式探测方式。因此，工作臂探测子系统包括三部分：自主式避 障控制探测、半自主人机交互式避障控制探测以及工作臂自身状态信息探测。 1 6 - 第三章探测子系统的研究及设计 自主式避障控制的探测应用完全自主式探测方式，可以实现桥梁底部绝大部分区域的探 测要求。 半自主式人机交互式避障控制是以摄像机作为缺陷的检测仪器的同时作为操作者控制工 作臂运动的全局信息探测传感器，应用人机交互式探测方式可以进行死角和特殊位置的探测。 工作臂自身状态信息探测属于完全自主式探测系统，实时检测出工作臂各控制部分或端 部的位置和速度等状态信息。 避障探测子系统的工作原理如图3 2 ：运用“视觉”( 含c c d ) 传感器和自身状态信息探 图3 2 工作臂探测子系统工作原理图 ( f 远3 - 2p r 砌p i ed i a f m0 f d e t e ( t i 叩g u b 哪t e m0 f p a ) 测传感器准确获取工作臂的环境状态和自身状态信息，实现全局探测，可以预先规划机械臂 的常规运动轨迹及避障运动轨迹，消除机械臂快速运动过程中的“短视”现象及优化运动路 径；运用“接近觉”传感器实现局部探测，可以及时地确定近距离或意外动态障碍物的状态 和行为，保障安全，防止碰撞。 3 2 2 工作臂探测子系统传感器的选择 为了实现探测子系统三部分工作的要求，选择传感器主要满足地要求为适用于露天工作 环境( 有风、有尘、湿气大等) 。 ，东工业大学硕士学位论文 3 2 2 1 自主式避障控制探测传感器的选择 主要采用感知型传感器，包括“视觉”传感器和“接近觉”传感器的选择。 1 “视觉“传感器“视觉”传感器通常有激光传感器、超声波传感器、红外线传感器以 及c c d 传感器。 c c d 传感器用来观察空间结构时非常有效，但是用来准确测定距离时则受到多种因素的 影响，其中环境光强的变化对测量精度影响非常大，而且其后续处理程序复杂、响应速度相 对较慢。 激光传感器响应速度快、不受温度影响，但是通常需要建立参考坐标物，当用于无参考 坐标物探测时受到检测物体表面的状况影响较大，不适合于混凝土凹凸不平的表面检测。 红外线传感器采用发射固定波长红外线并接受同一回波的主动方式，探测视角小，方向 性强，测量精度高、反应速度快。但其缺点是受环境影响较大，红外探测头稍被灰尘污染， 其测量精度就会大大下降，而且探测距离比较近，一般在l 米以内瞄4 1 。 超声波传感器利用声学振动原理进行探测工作，方向性差、易受温度影响，但其环境适 应能力强，不受光线、灰尘、烟雾等环境影响，应用不受限制，对于户外工作状况非常适用。 本文采用超声波传感器作为“视觉”传感器。 2 “接近觉“传感器通常“视觉”传感器中除c c d 传感器外都可以作为“接近觉”传 感器，而且触觉传感器中的行程开关、关节式触须探针的触觉传感器等也可以作为“接近觉” 传感器。 触觉传感器是基于传感器发生碰撞触动而产生输出，对于保证安全性方面处于一种被动 状况，只有碰撞后才能感知。 超声波传感器在近距离测量中有盲区，因此对于盲区内的测量无法实现。 红外线传感器可用于近距离测量，响应速度快，但是需要保证其工作面的清洁。 本文采用红外线传感器作为“接近觉”传感器。 3 2 2 2 半自主式避障控制探测传感器的选择 c c d 传感器探测到空间结构最为直接，直接获得外界空间结构信息，无霈进一步处理， 因此采用其作为主体探测传感器，采用红外线传感器作为距离及安全保障探测。 3 2 2 3 工作臂自身状态信息探测传感器的选择 工作臂大臂由四段组成，逐级展开，小臂由两段组成，也是逐级展开方式。因此，工作 臂的各级臂展开程度需进行实时探测。对于此类信息探测，主要采用直线位移传感器、压力 继电器和行程开关等。直线位移传感器有光栅、磁栅、差动变压器式电感传感器、电子尺、 第三章探测子系统的研究及设计 光电数码器等。 光栅采用光学莫尔原理，测量精度高、动态响应快；电子尺基于电阻式测量原理，分辨 率高，可以适应露天工作环境；差动变压器式电感式传感器基于电磁感应原理，受外界环境 影响小。以l ：二三种传感器都由动尺和定尺组成。对于大跨度测量，制造工艺性以及检测精度 成为难以解决的问题。 光电编码器是基于光学感测原理，将测得的角位移转换成脉冲形式的数字信号输出。当 测量位移时，采用齿轮齿条连接转换形式，将直线位移转换成光电编码器的角位移输出。由 于其传感器与转换机构可以分离，因此可以测量大跨度位移，而且可以采用密封形式避免环 境污染。 对于检测各臂运动达到行程极限可以采用压力继电器或行程开关。其中，行程开关可以 感知油缸初始伸出、油缸伸出到行程极限以及油缸回退到行程极限的动作。压力继电器则可 以在油路上感知油缸伸出到极限后压力增大值以及在行进过程中发生意外碰撞到障碍无法前 进后的压力升高信息。 工作臂的自身状态信息探测采用光电编码盘作为各段臂的直线位移检测传感器，采用行 程开关和压力继电器作为检测各段臂是否运动到达行程极限的传感器。 3 2 3 基于超声波传感器为主的探测子系统 外部空间环境信息的探测是探测予系统的核