城市地下煤气管网检测机器人队列协作与控制研究

In city, the urban gas pipelines often cross each other underground in wide area where there are intensive buildings and inhabitants above. The gas leakage always causes explosion easily, which leads to serious hazard to public security. The in-pipe inspection robot is one of important research directions for pipe inspection. But current existing pipe inspection robot normally consists of one robot unit. This will face some serious problems of complex motion mechanism, simple inspection task, short detection distance, and low inspection efficiency, while the inspection robot running in enormous urban gas pipelines. Based on multi-robot system with the advantages of spatial distribution, function distribution, time distribution, information distribution, and resource distribution, this item will conduct research on theories of multi-robot cooperation and control in gas pipelines. The high efficient architecture and best communication mechanism for multi-robot inspection system will be established. The optimization method of behavioral strategy and navigation strategy for multi-robot cooperation in gas pipelines will be obtained. The research achievements will be helpful to solve the difficulties of complex motion mechanism, simple inspection task, short detection distance, and low inspection efficiency in existing gas pipeline inspection robot. This will promote and push the development of technology and application of gas automatic detection, and expands the application field of multi-robot. It has obvious significances both in academic research and practice.

城市煤气管道网络在地下纵横交错、覆盖面宽，其上城市建筑、设施及人员密集，一旦发生泄漏容易引发爆炸，对城市公共安全造成严重危害。采用机器人介入式检测是管道安全检测技术的一个重要研究方向。然而，当前管道检测机器人普遍使用单个检测机器人，面对城市庞大的地下煤气管网，存在运动机构复杂、检测任务单一、检测距离短、检测时期长效率低等问题。本项目利用多机器人系统具有空间分布、功能分布、时间分布、信息分布、资源分布等特点，开展煤气管道环境下由多机器人单元构成的检测机器人队列协作与控制理论研究，建立适合煤气管道环境的检测机器人队列高效体系结构及通信机制，获取多机器人管道内协作的行为策略优化及运动导航方法。研究成果有助于解决现有煤气管道检测机器人运动机构复杂、检测任务单一、检测距离短、检测时期长效率低等问题，将进一步促进和推动管道自动检测技术的发展和应用，拓展多机器人系统的应用领域，具有理论价值和实践意义。

城市煤气管道网络在地下纵横交错、覆盖面宽，其上城市建筑、设施及人员密集，一旦发生泄漏容易引发爆炸，对城市公共安全造成严重危害。采用机器人介入式检测是管道安全检测技术的一个重要研究方向。然而，面对城市庞大的地下煤气管网，使用单个检测机器人存在运动机构复杂、检测任务单一、检测距离短、检测时期长效率低等问题。为解决这些问题，本项目利用多机器人系统具有空间分布、功能分布、时间分布、信息分布、资源分布等特点，提出了以多机器人协作的方式进行燃气管道检测的新思路。针对复杂城市地下煤气管网环境，提出了一种多层分布式的检测机器人队列群体体系结构以及包括感知执行层、行为规划层、任务决策层和通信层的单个检测机器人分层控制体系结构，并针对管道环境下对体积、功耗、功能集成度等方面的特殊需要，基于智能移动设备及Android软件平台设计了机器人分层控制结构的具体方案。开展适应煤气管道环境的机器人队列通信机制研究，基于Ad Hoc移动自组织网络构建了多机器人检测队列的通信网络，并对Ad Hoc路由协议进行了分析对比，针对其存在的问题提出了一种改进的AODVH路由协议。通过实际埋地管道无线网络信号强度及GPS定位信号检测试验，定量地获得了这些信号在管道内的衰减变化规律。利用惯性导航建立了检测机器人管道内定位方法，并结合四元数解算和互补滤波算法，设计了改进的机器人惯性导航定位姿态解算方法。针对管道环境地图构建，提出了利用辅助激光点成像的管道内环境参数视觉感知方法。分析并建立了检测机器人队列的协作任务模型，进行了检测机器人队列协作的行为设计，构建了行为库。针对管道环境下机器人队形控制的特殊性，提出了基于二叉树的检测机器人队列基本队形，建立了检测机器人队列队形的形成、演变及控制的方法。基于红外热成像原理，建立了对管道内壁缺陷形状、大小、相对位置及缺陷深度等信息进行定量分析的技术方法。项目研究取得的成果为解决使用单个检测机器人进行管道检测存在的问题提供了新的理论方法和技术手段，将进一步促进管道自动检测技术的发展和应用。