一种墙面施工机器人贴边运动控制方法

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体是一种墙面施工机器人贴边运动控制方法。

背景技术

建筑工程中墙面施工的步骤通常包括以下几个主要环节：铲除墙面、墙面找平、批刮腻子、砂纸打磨、涂刷底漆。传统的墙面施工通常由人工进行，存在工作效率低、劳动强度大、精度不高等问题。随着自动化技术的发展和应用需求的提升，墙面施工机器人作为一种自动化设备，逐渐得到了广泛的关注和应用。墙面施工机器人能够实现自动化抹光喷涂等作业，提高工作效率、节省人力成本，同时还能够保证墙面施工质量，提升施工精度和装饰效果。

传统的墙面喷涂机器人仍然存在一些技术挑战和局限性，例如由于墙面形状和材质的多样性，墙面喷涂机器人在应对不同墙体情况时往往需要人工干预和调整，导致工作效率和灵活性不高。因此，提出一种墙面施工机器人底盘贴边运动控制方法，使机器人控制与墙面的距离和角度，以克服现有技术的局限性，提高墙面施工作业的效率、精度和适应性，满足不同场景的需求。

贴边运动是指机器人沿着墙壁边缘移动的过程，对于墙面施工机器人则是保证墙面施工质量与实现避障和路径规划的重要技术手段。

目前针对贴边运动的自适应控制方法仍存在一些问题，如在复杂环境下控制精度不高、稳定性差等。因此，有必要提出一种新颖的贴边运动控制方法，以克服现有技术的局限性，提高机器人贴边运动的控制效果和性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种墙面施工机器人贴边运动控制方法，使机器人能够在不同的运动场景中实现高效、稳定和精准的贴边运动。

为了解决所述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种墙面施工机器人贴边运动控制方法，包括以下步骤：

S01）、距离信息采集，在机器人上布置测距传感器，测距传感器检测机器人多个方向到周围墙壁的距离信息

S02）、根据实时监测到的环境变化、机器人状态和距离信息，自适应地改变各个距离的权重，距离权重自适应调节策略为：机器人对哪个墙面进行施工则增大该方向上的权重，降低剩余方向上的权重；

S03）、距离和角度信息加权求和，将距离信息

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其中

S04）、多模式PID控制设计，设计横向移动模式和前向移动模式的PID控制器，横向移动模式采用横向阿克曼模型，使机器人贴近墙壁，纵向移动模式采用前向阿克曼模型，使机器人保持固定距离沿墙移动；

S05）、按照多模式PID控制公式计算机器人的线速度和角速度：

，

其中

分别是速度和角速度的比例、积分和微分增益；

S06)、机器人按照步骤S05）得出的线速度和角速度移动。

进一步的，根据机器人当前距离信息自适应地选择运动控制策略，当机器人与墙壁距离大于设定阈值时，切换到横向移动模式，即线速度中的x轴分量V

进一步的，距离传感器采样机器人前后左右四个方向到周围墙壁的距离信息，每个方向采样三个距离信息，三个距离信息为该方向的两个边界及中间位置距离其面临墙面的距离。

进一步的，所述测距传感器为单线激光雷达。

进一步的，机器人与墙壁的距离阈值为0.2m。

本发明还公开一种墙面施工机器人贴边运动控制系统，包括：

距离信息采集模块，包括布置在机器人上测距传感器，测距传感器检测机器人多个方向到周围墙壁的距离信息

距离权重自适应调节模块，用于实时监测到的环境变化、机器人状态和距离信息，自适应地改变各个距离的权重，距离权重自适应调节策略为：机器人对哪个墙面进行施工则增大该方向上的权重，降低剩余方向上的权重；

距离和角度信息加权求和模块，用于将距离信息

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其中

多模式PID控制设计模块，用于设计横向移动模式和前向移动模式的PID控制器，横向移动模式采用横向阿克曼模型，使机器人贴近墙壁，纵向移动模式采用前向阿克曼模型，使机器人保持固定距离沿墙移动；

计算模块，用于按照多模式PID控制公式计算机器人的线速度和角速度：

，

其中

分别是速度和角速度的比例、积分和微分增益；

墙面施工机器人，用于按照计算模块计算的线速度和角速度移动。

进一步的，还包括运动控制策略切换模块，用于根据机器人当前距离信息自适应地选择运动控制策略，当机器人与墙壁距离大于设定阈值时，切换到横向移动模式，即线速度中的x轴分量V

进一步的，机器人与墙壁的距离阈值为0.2m。

一种存储介质，包括存储有程序指令，所述程序指令在运行时，执行上述的墙面施工机器人贴边运动控制方法。

本发明的有益效果：

本发明的创新性主要体现在以下几个方面：

1. 多模式PID控制：引入多模式PID控制，根据机器人的运动状态、环境特征和距离自适应地选择合适的控制模式，使机器人能够在不同的运动场景中实现高效、稳定和精准的贴边运动。

2. 横向阿克曼模型和前向阿克曼模型：结合机器人全向运动的特点，设计了横向阿克曼模型和纵向阿克曼模型，分别用于横向移动和纵向移动模式的控制，提高了机器人的运动灵活性和适应性。

3. 距离权重自适应调节： 通过自适应调节距离权重，使机器人能够根据实时环境变化、机器人状态和距离信息进行参数优化，提高了贴边运动控制的稳定性和精度。

4. 距离信息加权求和：引入距离信息的加权求和，综合考虑了机器人与墙壁或障碍物的多个距离信息，提高了贴边运动控制的精度和适应性。

本发明的实施效果主要体现在以下几个方面：

1. 提高了机器人贴边运动的控制精度和稳定性，能够适应各种复杂环境和工作场景。

2. 降低了机器人贴边运动过程中的能耗和碰撞风险，提高了系统的安全性和可靠性。

3. 提高了机器人的自主导航能力和智能化水平，为机器人在实际应用中的推广和应用提供了技术支持和保障。

附图说明

图1为机器人到墙壁距离示意图；1a是测距传感器检测的距离示意图，1b是距离信息期望值的示意图；

图2为前向阿克曼模型和横向阿克曼模型的示意图；2a是前向阿克曼模型的示意图；2b是横向阿克曼模型的示意图。

具体实施方式

下面将对本发明的实施方式及步骤进行说明,旨在使本领域技术人员能够充分理解本发明的技术方案。但需要说明的是,所描述的实施例仅仅是本发明的一种实施方式,并非对本发明的限制。基于所描述的内容,本领域普通技术人员完全可以对这些实施例作出各种修改或变更,而不会脱离本发明的精神和范畴。为了叙述简洁,对于本领域已知的通用技术细节,在下面的描述中将不作赘述。

实施例1

本实施例公开一种墙面施工机器人贴边运动控制方法，墙面施工机器人由全向移动机器人底盘和底盘上方的末端执行器组成，全向移动机器人底盘四个轮子可绕轴线旋转，底盘搭载单线激光雷达，主要通过控制机器人底盘与墙面始终保持一定的距离和角度保证末端执行器完成墙面喷涂、墙面抹平等任务。本方法包括以下步骤：

S01）、距离信息采集，在机器人上布置测距传感器，测距传感器检测机器人多个方向到周围墙壁的距离信息

如图1所示，距离传感器采样机器人前后左右四个方向到周围墙壁的距离信息，每个方向采样三个距离信息，三个距离信息为该方向的两个边界及中间位置距离其面临墙面的距离。如图1a所示，本实施例中机器人的前后左右四个方向均采集3个距离，即每个方向到其临近墙面的距离，共采集12个距离信息，表示为d

本实施例中，距离传感器采用单线激光雷达，单线激光雷达能得到360度的距离信息，这个距离是激光雷达中心点到障碍物的距离，本实施例用的距离是机器人边界到障碍物的距离，是通过激光雷达到障碍物的距离，激光雷达的安装位置和机器人的尺寸计算出来的。

S02）、根据实时监测到的环境变化、机器人状态和距离信息，自适应地改变各个距离的权重，距离权重自适应调节策略为：机器人对哪个墙面进行施工则增大该方向上的权重，降低剩余方向上的权重。如图1所示，如果对左侧即纵轴所在的墙面进行施工，则增大左侧

S03）、距离和角度信息加权求和，将距离信息

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，

其中

S04）、多模式PID控制设计，如图2所示，设计横向移动模式和前向移动模式的PID控制器，横向移动模式采用横向阿克曼模型，使机器人贴近墙壁，纵向移动模式采用前向阿克曼模型，使机器人保持固定距离沿墙移动。

S05）、按照多模式PID控制公式计算机器人的线速度和角速度：

，

其中

分别是速度和角速度的比例、积分和微分增益；

S06)、机器人按照步骤S05）得出的线速度和角速度移动。

本实施例中，根据机器人当前距离信息自适应地选择运动控制策略，当机器人与墙壁距离大于设定阈值0.2m时，切换到横向移动模式，即线速度中的x轴分量V

上述当前距离是指机器人与施工墙面的平均距离，以机器人对左侧即纵轴所在墙面进行施工为例，机器人应当向左侧方向墙壁贴边，则当前距离信息就是指左侧的d

实施例2

本发明还公开一种墙面施工机器人贴边运动控制系统，包括：

距离信息采集模块，包括1个布置在机器人上测距传感器，测距传感器检测机器人多个方向到周围墙壁的距离信息

距离权重自适应调节模块，用于实时监测到的环境变化、机器人状态和距离信息，自适应地改变各个距离的权重，距离权重自适应调节策略为：机器人对哪个墙面进行施工则增大该方向上的权重，降低剩余方向上的权重；

距离和角度信息加权求和模块，用于将距离信息

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，

其中

多模式PID控制设计模块，用于设计横向移动模式和前向移动模式的PID控制器，横向移动模式采用横向阿克曼模型，使机器人贴近墙壁，纵向移动模式采用前向阿克曼模型，使机器人保持固定距离沿墙移动；

计算模块，用于按照多模式PID控制公式计算机器人的线速度和角速度：

，

其中

分别是速度和角速度的比例、积分和微分增益；

墙面施工机器人，用于按照计算模块计算的线速度和角速度移动。

本实施所述系统还包括运动控制策略切换模块，用于根据机器人当前距离信息自适应地选择运动控制策略，当机器人与墙壁距离大于设定阈值时，切换到横向移动模式，即线速度中的x轴分量V

本实施例中，机器人与墙壁的距离阈值为0.2m。

实施例3

本实施例公开一种存储介质，包括存储有程序指令，所述程序指令在运行时，执行上述的墙面施工机器人贴边运动控制方法。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。