本發(fā)明涉及工業(yè)自動化噴涂控制，具體為一種鋼套鋼保溫管防腐噴涂智能控制執(zhí)行系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
1、鋼套鋼保溫管作為一種高性能的預(yù)制直埋保溫管，因其優(yōu)異的保溫性能和結(jié)構(gòu)強度，被廣泛應(yīng)用于城鎮(zhèn)集中供熱、石油及化工領(lǐng)域的介質(zhì)輸送。其外管為鋼管，內(nèi)管為工作鋼管，兩層之間填充有保溫層。為確保其在埋地環(huán)境下的長期使用壽命，防止外管壁因土壤、地下水及雜散電流等因素發(fā)生腐蝕，必須在鋼管外壁涂覆高性能的防腐蝕涂層。然而，由于鋼套鋼保溫管通常單根長度較長、管徑規(guī)格多樣，且施工現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，對其外壁進行高效、高質(zhì)量的自動化防腐噴涂作業(yè)，一直是本領(lǐng)域的技術(shù)難點。
2、與此同時，盡管現(xiàn)有技術(shù)中已存在針對鋼管內(nèi)壁噴涂的智能控制方案，例如公開號為“cn121115503a”的“基于多傳感器融合的防腐鋼管內(nèi)噴涂軌跡自適應(yīng)控制系統(tǒng)”，其通過構(gòu)建前饋預(yù)測與反饋擾動抑制的雙回路架構(gòu)，實現(xiàn)了對管內(nèi)復(fù)雜工況的高精度自適應(yīng)控制。然而，該技術(shù)方案主要聚焦于鋼管內(nèi)壁的噴涂軌跡控制，其傳感器部署、控制邏輯及執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計均圍繞有限封閉空間內(nèi)的作業(yè)展開。對于鋼套鋼保溫管外壁的防腐噴涂而言，作業(yè)環(huán)境為開放或半開放空間，面臨的是不同的物理挑戰(zhàn)，如環(huán)境風擾、吊裝振動、地面不平導(dǎo)致的車體姿態(tài)變化，以及對外管壁橢圓度和直線度的大尺度變化的自適應(yīng)要求。因此，直接將針對內(nèi)壁噴涂的控制系統(tǒng)移植于外壁作業(yè)，無法有效解決由移動載體姿態(tài)變化、野外環(huán)境干擾等因素引發(fā)的軌跡偏差問題，在移動執(zhí)行系統(tǒng)的全局穩(wěn)定性與抗環(huán)境擾動方面仍存在技術(shù)空白。
3、為此，提出一種專用于鋼套鋼保溫管外壁防腐噴涂的智能控制執(zhí)行系統(tǒng)，以解決移動式作業(yè)場景下，因載體姿態(tài)變化、環(huán)境擾動及管體不規(guī)則帶來的軌跡跟蹤精度低和涂層質(zhì)量控制難的問題。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本發(fā)明目的在于提供一種鋼套鋼保溫管防腐噴涂智能控制執(zhí)行系統(tǒng)，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。
2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種鋼套鋼保溫管防腐噴涂智能控制執(zhí)行系統(tǒng)，包括：
3、多源異構(gòu)傳感器組，部署于移動載體及噴涂機械臂末端，用于采集噴涂作業(yè)現(xiàn)場的實時感知數(shù)據(jù)；
4、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊，連接所述多源異構(gòu)傳感器組，用于對所述實時感知數(shù)據(jù)進行時空同步與坐標標定，并執(zhí)行三級數(shù)據(jù)校驗機制后輸出可信狀態(tài)向量，其中所述三級數(shù)據(jù)校驗機制包括第一級的噪聲濾除、第二級的冗余一致性檢驗以及第三級的物理模型殘差校驗；
5、數(shù)字孿生建模模塊，連接所述數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊，用于接收所述可信狀態(tài)向量并構(gòu)建包含移動平臺、噴涂機械臂及待噴涂鋼管的虛擬數(shù)字孿生模型，通過狀態(tài)估計算法對未直接測量的狀態(tài)進行估計，并利用實時點云數(shù)據(jù)更新鋼管的三維幾何模型，同時通過滾動時域優(yōu)化預(yù)測系統(tǒng)在未來短時域內(nèi)的演化趨勢，生成前饋預(yù)測軌跡及對應(yīng)的理想控制力；
6、自適應(yīng)軌跡規(guī)劃模塊，連接所述數(shù)字孿生建模模塊，用于根據(jù)所述虛擬數(shù)字孿生模型提供的管道幾何特征和移動載體位姿，采用雙層智能規(guī)劃架構(gòu)生成期望噴涂軌跡，并在生成過程中引入規(guī)劃二次校驗循環(huán)，對初步生成的局部軌跡進行動力學(xué)可行性校驗和工藝約束校驗，若未通過則迭代優(yōu)化直至滿足約束，再將通過校驗的局部軌跡送入所述虛擬數(shù)字孿生模型進行虛擬執(zhí)行并預(yù)測噴涂效果，若預(yù)測結(jié)果與期望目標偏差超過閾值則觸發(fā)重規(guī)劃，最終輸出期望軌跡；
7、復(fù)合控制模塊，連接所述自適應(yīng)軌跡規(guī)劃模塊和所述數(shù)字孿生建模模塊，用于根據(jù)所述期望軌跡和前饋預(yù)測軌跡生成前饋控制量，并采用擾動觀測器實時估計系統(tǒng)總擾動后生成反饋補償量，將前饋控制量與反饋補償量進行頻域解耦融合生成初步復(fù)合控制指令，再將所述初步復(fù)合控制指令輸入所述虛擬數(shù)字孿生模型進行短期仿真，預(yù)測機械臂末端的實際運動軌跡，若預(yù)測軌跡與期望軌跡的偏差超出預(yù)設(shè)精度范圍則調(diào)整觀測器參數(shù)或前饋系數(shù)后重新生成指令，直至仿真偏差收斂后輸出最終復(fù)合控制指令至執(zhí)行機構(gòu)。
8、優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊包括：
9、卡爾曼濾波單元，用于對所述實時感知數(shù)據(jù)進行初步融合與平滑處理，濾除隨機噪聲后獲得基礎(chǔ)狀態(tài)估計值；
10、冗余校驗單元，連接所述卡爾曼濾波單元，用于利用多個同源或異源傳感器的觀測值構(gòu)建冗余觀測方程，通過統(tǒng)計假設(shè)檢驗識別并剔除異常測量值；
11、物理模型校驗單元，連接所述冗余校驗單元，用于將剔除異常后的狀態(tài)估計值輸入預(yù)設(shè)的移動平臺-機械臂動力學(xué)簡化模型，計算模型預(yù)測值與實際測量值的殘差，當所述殘差超過動態(tài)閾值時觸發(fā)數(shù)據(jù)重采或采用歷史趨勢外推進行數(shù)據(jù)插補，最終輸出由多個校驗環(huán)節(jié)確認后的所述可信狀態(tài)向量。
12、優(yōu)選的，所述自適應(yīng)軌跡規(guī)劃模塊包括：
13、上層全局規(guī)劃單元，采用深度強化學(xué)習網(wǎng)絡(luò)，以涂層厚度均勻性、噴涂效率及能耗為綜合獎勵函數(shù)，根據(jù)所述管道幾何特征和移動載體位姿生成稀疏的關(guān)鍵路徑錨點，所述關(guān)鍵路徑錨點包括噴槍的空間位置、姿態(tài)角及對應(yīng)的噴涂工藝參數(shù)；
14、下層局部軌跡生成單元，連接所述上層全局規(guī)劃單元，采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對相鄰所述關(guān)鍵路徑錨點之間進行平滑插值，根據(jù)實時位姿誤差和噴涂工藝參數(shù)動態(tài)調(diào)整插值過程中的速度曲線和加速度曲線，生成所述局部軌跡；
15、第一校驗單元，連接所述下層局部軌跡生成單元，用于對所述局部軌跡進行動力學(xué)可行性校驗和工藝約束校驗，若校驗未通過則向所述模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反饋偏差信號以調(diào)整模糊規(guī)則參數(shù)后重新生成局部軌跡，直至滿足約束條件后輸出通過校驗的局部軌跡。
16、優(yōu)選的，所述自適應(yīng)軌跡規(guī)劃模塊還包括：
17、第二校驗單元，連接所述第一校驗單元和所述虛擬數(shù)字孿生模型，用于將通過校驗的所述局部軌跡輸入所述虛擬數(shù)字孿生模型進行虛擬噴涂仿真，預(yù)測待噴涂區(qū)域的涂層厚度分布，將預(yù)測的涂層厚度分布與預(yù)設(shè)期望厚度分布進行比較，若兩者偏差超出預(yù)設(shè)閾值，則觸發(fā)所述上層全局規(guī)劃單元重新生成所述關(guān)鍵路徑錨點或調(diào)整深度強化學(xué)習網(wǎng)絡(luò)的獎勵權(quán)重，形成“規(guī)劃-校驗-重規(guī)劃”的閉環(huán)優(yōu)化循環(huán)后輸出所述期望軌跡。
18、優(yōu)選的，所述復(fù)合控制模塊包括：
19、前饋控制單元，連接所述數(shù)字孿生建模模塊，用于根據(jù)所述期望軌跡調(diào)用所述虛擬數(shù)字孿生模型中的逆動力學(xué)模型，計算驅(qū)動噴涂機械臂運動所需的標稱驅(qū)動力矩，作為所述前饋控制量；
20、擾動觀測單元，采用滑模擾動觀測器，連接所述執(zhí)行機構(gòu)的反饋信號和所述前饋控制量，用于實時估計作用于系統(tǒng)的總擾動，所述總擾動包括風阻力矩、地面不平引起的附加力矩以及未建模摩擦力，并根據(jù)估計值生成大小相等方向相反的所述反饋補償量；
21、頻域解耦融合單元，連接所述前饋控制單元和所述擾動觀測單元，包括低通濾波器和高通濾波器，所述前饋控制量經(jīng)所述低通濾波器濾除高頻噪聲后獲得低頻基準指令，所述反饋補償量經(jīng)所述高通濾波器濾除低頻分量后獲得高頻校正指令，將所述低頻基準指令與所述高頻校正指令疊加后生成所述初步復(fù)合控制指令。
22、優(yōu)選的，所述復(fù)合控制模塊還包括：
23、輸出校驗單元，連接所述頻域解耦融合單元和所述虛擬數(shù)字孿生模型，用于將所述初步復(fù)合控制指令輸入所述虛擬數(shù)字孿生模型進行短期動態(tài)仿真，預(yù)測在所述初步復(fù)合控制指令驅(qū)動下噴涂機械臂末端的實際運動軌跡，計算所述實際運動軌跡與所述期望軌跡之間的跟蹤偏差，當所述跟蹤偏差超出預(yù)設(shè)精度閾值時，根據(jù)偏差方向在線調(diào)整所述滑模擾動觀測器的增益系數(shù)或調(diào)整所述前饋控制單元的補償系數(shù)，重新生成修正后的復(fù)合控制指令，并再次輸入所述虛擬數(shù)字孿生模型進行仿真驗證，直至仿真得到的跟蹤偏差收斂于所述預(yù)設(shè)精度閾值范圍內(nèi)，輸出所述最終復(fù)合控制指令。
24、優(yōu)選的，所述多源異構(gòu)傳感器組包括：
25、激光雷達傳感器，安裝于移動載體前端，用于獲取待噴涂鋼管的表面三維點云數(shù)據(jù)，提取鋼管外壁的橢圓度、局部曲率和焊縫位置；
26、雙目視覺相機，安裝于噴涂機械臂末端，用于實時采集噴涂區(qū)域的圖像信息，識別已噴涂涂層的表面狀態(tài)和缺陷；
27、慣性測量單元，安裝于移動載體和噴涂機械臂的關(guān)鍵關(guān)節(jié)處，用于采集移動載體的姿態(tài)角、加速度以及機械臂各關(guān)節(jié)的角速度和角加速度；
28、編碼器組，安裝于移動載體的行走輪和機械臂各驅(qū)動關(guān)節(jié)，用于采集移動載體的行走距離和機械臂各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度；
29、風速儀，安裝于移動載體頂部，用于實時采集作業(yè)環(huán)境的風速和風向數(shù)據(jù)；
30、噴涂工藝傳感器，安裝于噴槍管路，用于采集涂料的實時流量、噴涂壓力和噴涂后的濕膜厚度。
31、優(yōu)選的，所述數(shù)字孿生建模模塊采用無跡卡爾曼濾波算法對未直接測量的機械臂末端彈性變形量和移動載體與地面接觸力進行在線估計，并將估計結(jié)果實時更新至所述虛擬數(shù)字孿生模型，同時利用所述激光雷達傳感器實時獲取的點云數(shù)據(jù)對鋼管三維幾何模型進行動態(tài)修正，使所述虛擬數(shù)字孿生模型與物理實體的狀態(tài)保持同步。
32、優(yōu)選的，所述執(zhí)行機構(gòu)包括移動載體行走驅(qū)動單元和噴涂機械臂關(guān)節(jié)驅(qū)動單元，所述移動載體行走驅(qū)動單元根據(jù)所述最終復(fù)合控制指令中的行走速度指令調(diào)整行走輪的轉(zhuǎn)速，所述噴涂機械臂關(guān)節(jié)驅(qū)動單元根據(jù)所述最終復(fù)合控制指令中的關(guān)節(jié)力矩指令調(diào)整各關(guān)節(jié)伺服電機的輸出力矩，使噴槍沿所述期望軌跡運動并在鋼管外壁形成均勻的防腐涂層。
33、優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊輸出的可信狀態(tài)向量、所述自適應(yīng)軌跡規(guī)劃模塊生成的期望軌跡以及所述復(fù)合控制模塊輸出的最終復(fù)合控制指令均同步輸入所述虛擬數(shù)字孿生模型，形成從感知、規(guī)劃到控制的完整數(shù)據(jù)閉環(huán)，所述虛擬數(shù)字孿生模型對所述最終復(fù)合控制指令驅(qū)動下的噴涂過程進行全程鏡像仿真，并將仿真結(jié)果與所述多源異構(gòu)傳感器組采集的實時反饋數(shù)據(jù)進行比對，當偏差超過預(yù)設(shè)范圍時觸發(fā)系統(tǒng)參數(shù)的在線調(diào)整。
34、本發(fā)明提供了一種鋼套鋼保溫管防腐噴涂智能控制執(zhí)行系統(tǒng)。具備以下有益效果：
35、通過構(gòu)建多級數(shù)據(jù)校驗機制與數(shù)字孿生驅(qū)動的雙重預(yù)測循環(huán)，實現(xiàn)了從感知源頭到執(zhí)行末端的全鏈路閉環(huán)控制。數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊采用卡爾曼濾波、冗余一致性檢驗及物理模型殘差校驗三級遞進處理，有效濾除了傳感器噪聲并剔除異常測量值，確保了輸入狀態(tài)向量的準確性與可靠性。通過無跡卡爾曼濾波估計未直接測量的彈性變形與接觸力，并利用點云數(shù)據(jù)動態(tài)更新鋼管三維幾何模型，為控制決策提供了精確的虛擬映射環(huán)境。自適應(yīng)軌跡規(guī)劃模塊結(jié)合深度強化學(xué)習全局錨點生成與模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)局部插值，通過動力學(xué)可行性校驗與虛擬噴涂仿真雙重驗證，在規(guī)劃階段即排除不可行軌跡并迭代優(yōu)化涂層厚度分布，避免了實際噴涂過程中的反復(fù)試錯。
36、復(fù)合控制模塊將前饋逆動力學(xué)控制與滑模擾動觀測反饋補償通過頻域解耦融合，使低頻軌跡跟蹤與高頻擾動抑制各自工作在最佳頻段，再經(jīng)輸出校驗單元對初步指令進行短期動態(tài)仿真驗證，根據(jù)預(yù)測軌跡與期望軌跡的偏差在線調(diào)整控制器參數(shù)直至滿足精度要求，最終輸出的指令保證了執(zhí)行機構(gòu)在環(huán)境風擾、地面不平等復(fù)雜條件下的軌跡跟蹤精度。執(zhí)行機構(gòu)接收經(jīng)過多級校驗與仿真的控制指令后，移動載體行走驅(qū)動與機械臂關(guān)節(jié)驅(qū)動協(xié)同動作，使噴槍與管壁始終保持設(shè)定的距離與角度，實現(xiàn)焊縫等特殊部位的局部加強噴涂。
37、整個系統(tǒng)通過可信狀態(tài)向量、期望軌跡與控制指令在數(shù)字孿生模型中的雙向?qū)崟r交互，形成了感知、規(guī)劃、控制、反饋的閉環(huán)優(yōu)化機制，使系統(tǒng)在長期運行中具備在線自優(yōu)化能力，從而保障鋼套鋼保溫管外壁防腐涂層厚度均勻且連續(xù)完整。