一种工业水库水下清洗机器人
摘要 - 水下机器人可用于清洁工业水库底部没有排水数千吨水。 本文描述了一项持续的努力，水下清洗机器人，PuHang学院PIRO-U3智能机器人。
I.导言
在管理一定量水量的设施中，例如家庭，游乐园和水族馆中的游泳池和桑拿浴室，水质的维护不仅需要在水本身上工作，还需要清洁地板和设施的墙壁。储存水。为了清洁设施，水通常完全排干，然后清洁工用水喷射器或刷子进入。然而，存在难以排水的各种情况。在这种情况下，清洁的唯一方法是在水中工作。为此，通常使用水下清洁器和清洁机器人。
到目前为止，分布最广泛的水下清洁器和清洁机器人是为游泳池开发的设备，它们在数十立方米的水下工作。它们通常被引入相对清洁的水中，消除了沉淀在水中的异物通过吸入这些物质和池的底部通过内部过滤器收集它们。设备不是非常复杂，它们的位置可以很容易地在视觉上确定从水外面，它们可以放入或取出水没有困难。商用清洁机器人游泳池的价格可能在1到3千万韩元之间根据他们的清洁能力而变化很大功能。
图1.目前常用的游泳池清洁机器人
II. 工业水下清洁机器人
不同类型的工业设施也使用大型由于各种原因，他们配备了大量的水，有水库水箱和水质管理设备。特别是钢铁制造和炼油公司使用工业用水达到数万吨。
水有专门的单位，预算很大只关注管理工业用水。产业水下清洁机器人是指过去常用清洁储存工业用水的大型水库的机器人，它们通常建造成每小时加工数十吨
水下污染物（通常是污泥）。工业之前开发了水下清洁机器人，一个水库坦克通过先排出数千吨水来清洁并且，为了尽快清洁，有几十个工人们进入水箱，将污染物聚集在一个地方使用喷水器，用高压真空收集它们泵，然后将它们移动到后处理设施或焚烧它们。这种方法可能需要几个月的时间，这是昂贵的，它有无法解决的问题就是在清洁期间提供工业用水。因此，公司必须要有额外的水库同样大小的水箱，以维持正常的工厂操作，或者在最坏的情况下，停止工厂运营期间
清洗。
工业水下清洁机器人是设备是为了从根本上解决问题而开发的不得不排水和再补给水的问题传统的手工清洁水设施的方法使其可以进行水下清洁污染物。 例如，PIRO-U系列工业浦项研究所开发的水下清洁机器人智能机器人的目标是清理工业水库坦克，需要大约50名劳动者工作四个周。 机器人仅在两周内就完成了任务两个机器人操作员，同时允许工业用水在此期间使用。
图2.水下机器人的分类
图2显示了众多机器人在开发水下机器人领域的分类，根据他们的工作环境，如水深和污染水平。 通常是工业水下清洁机器人在污染程度高和水比较浅薄的地方使用。
III. 在韩国和国外的外观状态
水下工业的情况并不多。在韩国和国外开发的清洁机器人。特别是因为各种不同类型的水库正在使用结构和水管理方法，根据所涉及的程序的特点相关业务领域或由公司实施，他们自己而不是一个标准化的水库工业用结构，专业工业水下清洁机器人通常是专门开发的对于某些水库。 这限制了它们的使用范围和阻碍了他们的整体发展。
A.URAKAMIrsquo;s V-Rob
但是，有几个值得注意的工业案例水下清洁机器人正在开发中。 其中之一是V-Robo，由日本URAKAMI开发。 这个机器人是为清除钢厂的水库化粪池内的污泥而建造的，据说能够清洁有底部的沉积物，还有附着的污染物墙壁。机器虽然没有自己的清洁泵但是它有吸盘，可以粘住并移动在地板和墙面周围。 它可以执行通过移动吸水孔进行水下清洁吸尘表面上的污染物。 清洁泵它本身安装在水外，机器人在水中由操作员远程控制。 虽然它有优势能够清洁墙面，它也有缺点因为整体速度太慢而且难以深入操作水或在能见度差的黑暗水箱中。
- WEDArsquo;s VR600
瑞典的WEDA - 以清洁游泳池机器人而闻 名- 也开发了专用水下清洁机器人。 它的机器人，如VR600，在欧洲的许多地方使用。 最值得注意的WEDA的特点是它们配备了内置功能潜水相机和灯，使操作员能够在工作时目视确认水下条件，和它们是一体化驾驶和泵送系统。 这些机器人然而，也有问题，因为它们变得明显在严重污染的工业水库中流动性较差而且，当潜水相机未能提供足够的时候可见性，操作员很难确定机器人的位置。
图3. URAKAMI的V-Robo和WEDA的VR600
IV. 工业水下清洁机器人，PIRO-U3
位于韩国浦项市的浦项智能机器人研究所自2007年以来一直在开发工业水下清洁机器人。它共开发了四种设备，PIRO-U3是其最成功的商业化模型。例如，POSCO是一家钢铁制造公司，拥有两个工业水箱，每个水箱含有约5万吨水，并且需要大约一个月的时间才能对水箱进行年度清洁。由于公司无法承担清洁所需的一个月的生产过程，因此必须维持一个单独的备用水箱。要清理水库需要一周左右的排水，两周需要大约五十名工人清洁，然后再用一周时间补充水。通过使用PIRO-U3，现在消除了排水和再填充过程，罐中的工业用水被连续使用，并且工作时间表没有中断，因为机器人在水下清洁，只需要一个操作员和一个或两个助手。图4是手动清洁过程和机器人清洁过程之间的比较。可以看出，涉及机器人的过程在步骤数量方面明显更有效。
PIRO-U3开发用于在各种环境中进行水下清洁。其基本组成如图5所示。污泥进口位于机器人的前部。进气口内部是一个螺杆，可以控制旋转方向，以提高污泥的进入效率。远程机器人操作员也可以倾斜进气口以控制污泥的进入量。连接到机器人的潜水泵基本上可以每小时处理约30吨材料，但根据情况，可以安装和使用各种不同类型的泵;如果不使用，泵也可以拆卸。在机器人前部的上部，安装了一个潜水摄像机和两个潜水灯，以便操作员能够看到水下环境。机器人底部的驱动轮在形式上类似于作战坦克的驱动轮，以保持在不平坦表面上的移动性。车轮从研究所开发的两个潜水驱动电机获得动力。机器人的速度根据使用的减速器类型而变化，但其平均水下速度为每分钟10至15米，最大速度约为每分钟30米。
图4.手动清洁过程与机器人清洁过程
两个气囊连接到机器人的上部，一旦工作完成就可以很容易地返回到表面，中性浮力材料用于补充任何缺乏浮力。当不需要自浮动时，可以拆卸气囊和相关的模块部件。在机器人的背面连接有本地控制面板，该控制面板具有各种传感器以及用于电源转换的设备，并且多路复用操作员从水外发送的机器人控制信号。附带的传感器包括用于测量水深，温度和渗透的传感器。水深传感器用于防止机器人淹没太深并使其自动浮在水面上。水温传感器用于检测可以使机器人固定不动的高温，并且可以产生安全警告信号以警告操作员。如果水渗入机器人内部，水渗透传感器还可以通过自动关闭电源来防止事故。
图5.浦项智能研究所开发的PIRO-U3机器人
图6.附有DGPS的PIRO-U3
V.无人水下清洁技术
PIRO-U3可由操作员使用ROV（远程操作的水下航行器）方法从水外远程控制，并且一旦清洁区域被分配，它也可以自动清洁。 通过将DGPS（差分GPS）连接到其平台，机器人可以检测其自身位置并沿着自己指定的路径进行清洁。
无人水下清洁一般分为三个阶段。在第一阶段，设定要清洁的水下区域和清洁路径之间的距离。假设要清洁的区域是具有平坦表面的矩形结构。一旦用于PIRO-U3的DGPS设置设备用于测量四个边缘的DGPS值并分配给机器人的控制设备，则使用算法自动生成该区域的清洁路径。通过在此时改变清洁路径之间的距离，清洁可以“精细地”或“稀疏地”进行。如果距离被设置为“精细”，则可以精心地进行清洁但是将花费更长时间，并且取决于接收DGPS的质量，机器人有时可能误读了它的位置，因为它已经通过了一个检查点并最终绕过同一个地点。此外，还有其他考虑因素，例如要清洁的污染物的体积和粘度，需要为清洁路径设置适当的距离。如果清洁区域内有一个机器人不应该进入的区域，则该区域被指定为危险区域，并计算清洁路径以避免它。
图7显示了工业水库中具有高水平浊度的指定区域，其中PIRO-U3自动产生清洁路径并进行水下清洁。 在实际工作中，由于污染物或粘度太大，机器人有时难以继续沿路径移动并自行清洁。 在这种情况下，机器人系统的驱动电机可能会过载。 PIRO-U3被编程为在这种情况下自动停止清洁并进行运动以重新获得其清洁路径。 如果在重新获得路径的设定时间之后仍未达到目标，则执行算法以找到备用路径。 图8显示了如何在PIRO-U3中计算备用路径。
图7.水下清洁区域和清洁路径的示例
图8.生成备用水下清洁路径的自动计算
当无法从当前位置移动到检查点时，机器人使用它已经通过的位置以及它应该到达的位置来计算潜在的新路径。 通过绘制一个以两个位置作为直径的圆，获得半径ri，然后从该圆的中心获得带坐标的新潜在目标，并且可以计算沿着垂直于上述两个位置创建的直线的直线运行。 评估新的备用目标路径，以确定机器人是否可以向它们移动以及它们与现有路径上的另一个目标的距离，然后选择最终的备用路径
无人水下清洁程序的总体流程图如图9所示。一旦指定了清洁区域，机器人就会产生它将遵循的清洁路径并切换到自动模式，机器人从DGPS读取其位置 传感器开始向清洁路径上的下一个检查点移动。 在运动过程中，机器人会检查它是否已到达检查点，如果没有，则检查控制面板是否有过载迹象。 如果存在过载并且需要绕行，则机器人将完成上述计算以生成备用路径，修改整个清洁路径信息，并沿新路径移动。 如果没有过载，它将进入检查点，然后移动到其他检查点，直到到达最后一个检查点，此时程序结束。
在POSCO的工业水箱中实际无人水下清洗工作期间，机器人即使在没有障碍物的情况下也经常停机，因为工业污泥比预期的多得多。 高粘度沉积物不易被吸收并成为阻碍机器人路径的因素，因为机器人有时将其视为障碍物。 因此，有时候由于污泥太多或者有障碍物而判断运动是否停止是有问题的。
图9.自动水下清洁的流程图
因此，一旦检查了过载状态并且发现负载低于某个水平，就会执行移动以重新获得图9所示的“安全路径”过程中的路径。机器人被反转了一下然后向左和向右转30度，慢慢分解沉积物并清除路径。在此操作过程中，持续检查过载状态，一旦它超过一定水平，机器人就会设置为产生一条备用路径并绕道而行，以免过度工作。
图10示出了将上述方法应用于实际系统和机器人行进的路径的结果。一旦操作员指定了清洁区域，机器人就会自动生成清洁路径并沿路径创建检查点（屏幕上的红点）。然后使用DGPS信号确认其位置并开始向检查点移动。沿着路径的白色区域是机器人实际覆盖的区域，它沿着与其略微偏离的路径，然后根据水箱底部的污泥量再次收敛到它。在系统监视器上，看起来清洁路径的各部分之间没有清洁区域，但机器人吸入的实际区域比屏幕上显示的区域宽。因此收集了大部分污泥。如果路径的各部分之间的距离设置得太宽并且没有彻底完成清洁，则可以在路径生产阶段改变距离，以使机器人更“精细”地清洁该区域。
图10.清洁路径和沿路径移动的结果
VI. 结语
因为工业水下清洁机器人生产成本高并且没有广泛使用，所以对它们的开发投入不多。 然而，预计对能够承担人类难以找到的基本工作的机器人的需求，例如在水下工作，将逐渐增加。 特别是，对于人类来说，在具有极高或极低pH值的高酸性或碱性环境中进行水下清洁几乎是不可能的。 机器人还可以在密封的地下环境中进行重要的水下清洁工作。
图11.韩国浦项Hyungsan河的PIRO-U3实验
双轮自主平衡机器人的设计与PID控制
摘要
本研究中，实际设计并实现了两轮自主平衡机器人。 已经创建了基于Qt-Creator的可视计算机界面。 由于计算机接口，可以很容易地在机器人上执行不同的控制算法，可以在线设置控制参数，可以尝试各种结构的滤波算法，并且可以观察到这些可变值对系统的反应。 一些控制器如比例（P），比例积分（PI），比例 - 积分 - 微分（PID）对已开发机器人的影响已经成功地被观察到。 卡尔曼滤波器已用于稳定控制系统，并且已经看到系统可以长时间平衡自身并获得最佳PID控制参数。
索引条款 - 两轮平衡机器人，PID控制器，卡尔曼滤波器，Qt Creator用户界面，反馈控制
- 导言
对于两轮倒立摆的研究，通常被称为自平衡机器人，在过去十年中在许多机器人实验室中获得了发展动力。这种系统的动力学非常复杂，因此其运动规划提出了挑战。众多研究人员提出了各种控制策略来控制两轮平衡机器人，使机器人能够自我平衡。因此，两轮平衡机器人需要一个好的控制器来控制自己的直立位置而无需外部的需要。如今，在两轮平衡机器人上实现了各种类型的控制器，例如线性二次调节器（LQR），极点配置控制器，模糊逻辑控制器（FLC），PID控制器。
这些能力有可能解决工业和社会中的许多挑战。例如，使用这种技术的机动轮椅将为操作员提供更大的机动性，从而可以进入大多数身体健全的人认为理所当然的地方。地面工作人员使用的两轮搬运车（Segway）一般可以在市场，停车场和机场看到。
在这项研究中，设计了一种两轮自主平衡机器人，它具有一个界面，通过该界面可以轻松地执行不同的控制算法。为了保持自己的直立位置，已经对机器人进行了各种控制器算法，并且已经研究了它们的有效性。第2节给出了设计平衡机器人机械和数学建模的细节;电子设备和接口软件在第3节中给出。研究结果和获得的结果在最后一节给出。
2.机械设计和数学建模
2.1. 机械设计
作为非线性系统，机器人的机械设计非常重要。 因此，非常光滑且耐用的材料已经优选用于机器人的机械设计并且已经产生了合适的重心。 平衡机器人具有由玻璃纤维材料制成的互连两块板。 如图1所示，底板包含直接驱动车轮的直流（DC
资料编号：[5777]
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