一种用于供水系统的尺寸自适应管道内机器人的设计、表征与控制
机器人学
2021-08-30 v2 系统与控制
系统与控制
摘要
泄漏检测与水质监测是供水系统（WDS）中的需求且具有挑战性的任务。在线机器人正是为此目的而设计。在我们之前的工作中，我们设计了一款管道内机器人[1]。在本研究中，我们呈现中央处理器的设计，并基于管道内高压环境且存在高速流动的运行条件对机器人进行表征与控制。为此，利用计算流体动力学（CFD）模拟极端运行条件，并对弹簧机构进行表征以基于极端运行条件确保运行期间足够的稳定力。同时，为我们的机器人提出了一种端到端的功耗考量方法，可在极端运行条件下计算最小电池容量与运行持续时间。最后，我们基于系统辅助矩阵设计了一种新颖的LQR-PID控制器，使机器人在运行期间面对扰动与不确定性时能在管道内保持稳定性。机器人-控制器的ADAMS-MATLAB联合仿真显示，在系统跟踪管道内不同期望速度（即0.12m/s、0.17m/s和0.35m/s）时，绕x、y和z轴的旋转速度余量为-4度/秒和+3度/秒。此外，在14英寸直径PVC管道中四次迭代的实验结果表明，控制器将稳定状态的初始值归零并以其2度的余量振荡，且系统跟踪0.1m/s、0.2m/s、0.3m/s和0.35m/s的期望速度，这使机器人在运行期间不确定且高度扰动的管道环境中灵活自如。
引用
@article{arxiv.2012.15236,
title = {Design, Characterization, and Control of a Size Adaptable In-pipe Robot for Water Distribution Systems},
author = {Saber Kazeminasab and Ali Akbari and Roozbeh Jafari and M. Katherine Banks},
journal= {arXiv preprint arXiv:2012.15236},
year = {2021}
}