本發(fā)明涉及高?；瘜W(xué)品儲存罐焊縫檢測領(lǐng)域，特別是一種爬壁機(jī)器人圓柱罐空間面焊縫路徑規(guī)劃方法。

背景技術(shù)：

1、在石油化工、天然氣、電力等行業(yè)中，圓柱罐和立式儲罐作為關(guān)鍵的存儲設(shè)備，廣泛應(yīng)用于存儲液化天然氣、液烴、液氨等高?；瘜W(xué)品。這些特種設(shè)備的安全性直接關(guān)系到生產(chǎn)的穩(wěn)定性和人員的安全，因此，定期進(jìn)行焊縫檢測和維護(hù)顯得尤為重要。然而，這些設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊縫分布繁雜，使得焊縫的遍歷和檢測工作面臨極大的挑戰(zhàn)。

2、傳統(tǒng)的人工操作檢測方法常常因?yàn)槠湫实?、?zhǔn)確性差而不盡如人意。在圓柱罐內(nèi)部，由于空間狹小且焊縫復(fù)雜，人工操作不僅需要大量的時(shí)間和精力，還容易因人為因素導(dǎo)致漏檢或誤檢。此外，人工操作還面臨著工作環(huán)境惡劣的問題，如高溫、腐蝕性氣體等，這使得手動操作更加困難和危險(xiǎn)。

3、隨著機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，自動化檢測逐漸成為主流解決方案。機(jī)器人不僅可以在復(fù)雜環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行，還能進(jìn)行高效、準(zhǔn)確的檢測。然而，即便如此，機(jī)器人在圓柱罐內(nèi)部的路徑規(guī)劃仍然是一個極具挑戰(zhàn)性的難題。圓柱罐內(nèi)部焊縫的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如焊縫交叉點(diǎn)的存在，使得路徑規(guī)劃變得更加復(fù)雜。如何在這些復(fù)雜的焊縫結(jié)構(gòu)中找到最短路徑，以實(shí)現(xiàn)全面的遍歷，已成為提升機(jī)器人檢測效率和精確度的關(guān)鍵。

4、目前，雖然已有一些路徑規(guī)劃算法被提出，但這些算法在處理圓柱罐焊縫的復(fù)雜路徑時(shí)往往效果不佳?，F(xiàn)有方法無法有效處理焊縫交叉點(diǎn)的遍歷問題，導(dǎo)致路徑規(guī)劃的復(fù)雜度和難度增加。因此，亟需一種新的路徑規(guī)劃方法，能夠處理復(fù)雜的焊縫交叉點(diǎn)，并提供最短的遍歷路徑。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種爬壁機(jī)器人圓柱罐空間面焊縫路徑規(guī)劃方法，該爬壁機(jī)器人圓柱罐空間面焊縫路徑規(guī)劃方法通過將圓柱罐的2d地圖轉(zhuǎn)化為無向連通圖，并通過添加虛擬邊法將無向連通圖轉(zhuǎn)化為歐拉回路，最終通過改進(jìn)的fluery算法獲取能夠遍歷歐拉回路所有路徑的最短路徑。這種方法不僅能夠顯著提高焊縫檢測的效率，還為自動化設(shè)備的巡線控制和焊縫質(zhì)量評估提供了基礎(chǔ)依據(jù)，對保障圓柱罐等特種設(shè)備的安全運(yùn)行具有重要意義。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

3、一種爬壁機(jī)器人圓柱罐空間面焊縫路徑規(guī)劃方法，包括如下步驟。

4、步驟1、構(gòu)建2d地圖：將三維圓柱罐中的所有焊縫和所有焊縫交叉點(diǎn)，均映射到2d平圖面內(nèi)，形成2d地圖。

5、步驟2、構(gòu)建焊縫無向連通圖：先將2d地圖中包含的所有焊縫交叉點(diǎn)組成焊縫交叉點(diǎn)集v，再將2d地圖中包含的所有焊縫組成焊縫邊集e，構(gòu)建焊縫無向連通圖g＝[v,e,wt()]；其中，wt()為焊縫邊權(quán)重集，根據(jù)對應(yīng)焊縫的路徑長度進(jìn)行設(shè)置，且每個焊縫邊權(quán)重均不小于0。

6、步驟3、尋找歐拉回路：對焊縫無向連通圖g中每個焊縫交叉點(diǎn)連接的連接邊數(shù)的奇偶性進(jìn)行判定；當(dāng)每個焊縫交叉點(diǎn)的連接邊數(shù)均為偶數(shù)時(shí)，則認(rèn)為滿足歐拉回路，直接跳轉(zhuǎn)至步驟6；否則，進(jìn)入步驟4。

7、步驟4、添加虛擬邊：設(shè)置一個空集e'，并利用添加虛擬邊法，將每個焊縫交叉點(diǎn)的連接邊數(shù)均變?yōu)榕紨?shù)；接著，將添加的所有虛擬邊，均放置于空集e'中，形成虛擬邊集e'。

8、步驟5、獲得焊縫無向連通更新圖：將虛擬邊集e'添加至焊縫無向連通圖g中，并在wt()中增加虛擬邊集e'對應(yīng)焊縫邊權(quán)重，形成焊縫無向連通更新圖g'。

9、步驟6、焊接路徑規(guī)劃：求解得到焊縫無向連通更新圖g'中的歐拉回路，即為規(guī)劃得到的爬壁機(jī)器人圓柱罐空間面焊縫路徑。

10、步驟1中，2d地圖的構(gòu)建方法，包括如下步驟。

11、步驟1-1、展開三維圓柱罐側(cè)面：去除三維圓柱罐的上、下表面，并將剩余的三維圓柱罐側(cè)面沿周向進(jìn)行展開，形成2d圓柱罐側(cè)面。

12、步驟1-2、焊縫參數(shù)測量：對2d側(cè)圓柱罐側(cè)面中的焊縫參數(shù)進(jìn)行測量；焊縫參數(shù)包括每個焊縫交叉點(diǎn)的位置坐標(biāo)和各條焊縫長度值。

13、步驟1-3、焊縫參數(shù)縮放：設(shè)置縮放比例系數(shù)k，將步驟1-2中得到的每個焊縫參數(shù)，均進(jìn)行等比例縮放。

14、步驟1-4、繪制2d地圖：在2d平面內(nèi)根據(jù)縮放后的焊縫交叉點(diǎn)位置坐標(biāo)和焊縫長度，繪制圓柱罐焊縫的2d地圖。

15、步驟4中，虛擬邊的添加方法，包括如下步驟。

16、步驟4-1、尋找具有奇數(shù)連接邊的焊縫交叉點(diǎn)：從焊縫無向連通圖g中尋找僅具有奇數(shù)連接邊的焊縫交叉點(diǎn)，并將其保存至點(diǎn)集v”中。

17、步驟4-2、焊縫交叉點(diǎn)配對：針對點(diǎn)集v”中的任意一個焊接點(diǎn)v”m，從點(diǎn)集v”的剩余焊接點(diǎn)中，尋找出與焊接點(diǎn)v”m直線距離最近的焊接點(diǎn)v'n'，則焊接點(diǎn)v”m和v'n'為一組焊縫配對點(diǎn)。

18、步驟4-3、添加虛擬邊：在焊接點(diǎn)v”m和v'n'之間添加一條虛擬邊mn，并將虛擬邊mn添加至集合e'中；同時(shí)，在點(diǎn)集v”中刪除焊縫配對點(diǎn)v”m和v'n'。

19、步驟4-4、重復(fù)步驟4-2至步驟4-3，直至點(diǎn)集v”為空集。

20、步驟6中，采用改進(jìn)fluery算法求解焊縫無向連通更新圖g'中的歐拉回路。

21、步驟6中，改進(jìn)fluery算法求解焊縫無向連通更新圖g'中歐拉回路的方法，包括如下步驟：

22、步驟6-1、定義鄰接矩陣：定義一個呈n行n列排布的鄰接矩陣ev[n][n]；其中，n為焊縫無向連通更新圖g'中焊縫交叉點(diǎn)的數(shù)量；設(shè)ev[n][n]中任意一個元素為ev[i][j]，則表示焊縫交叉點(diǎn)vi和焊縫交叉點(diǎn)vj之間的連接邊數(shù)量；其中，1≤i≤n；1≤j≤n。

23、步驟6-2、定義棧s：定義一個空棧s，用于存放路徑的節(jié)點(diǎn)，并取k指向當(dāng)前棧s的棧頂，初始狀態(tài)下k＝0。

24、步驟6-3、選擇路徑起點(diǎn)：從焊縫交叉點(diǎn)集v中任意選擇一個焊縫交叉點(diǎn)v0作為路徑ε的起點(diǎn)；設(shè)vi表示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)，則vi＝v0；將節(jié)點(diǎn)vi入棧，則s[k]＝vi，此時(shí)，k＝0。

25、步驟6-4、判斷相連焊縫交叉點(diǎn)：通過判斷ev[i][j]或ev[j][i]是否為0，從而判斷是否存在其他焊縫交叉點(diǎn)vj與vi相連；若存在，進(jìn)入步驟6-5；否則，直接跳轉(zhuǎn)至步驟6-6。

26、步驟6-5、入棧，具體包括如下步驟。

27、步驟6-5a、vj入棧：對k進(jìn)行加1操作，將與當(dāng)前節(jié)點(diǎn)vi相鄰的其中一個焊縫交叉點(diǎn)vj入棧，s[k]＝vj。

28、步驟6-5b、鄰接矩陣更新：將棧中節(jié)點(diǎn)vi和vj之間的連接邊數(shù)量ev[i][j]和ev[j][i]均進(jìn)行減1操作，并更新至步驟6-1的鄰接矩陣中；即ev[i][j]＝ev[i][j]-1，

29、ev[j][i]＝ev[j][i]-1。

30、步驟6-5c、當(dāng)前節(jié)點(diǎn)更新：將當(dāng)前節(jié)點(diǎn)vi更新至vj，即vi＝vj。

31、步驟6-5d、重復(fù)步驟6-4至步驟6-5，完成與當(dāng)前節(jié)點(diǎn)vi相鄰的焊縫交叉點(diǎn)vj的入棧；

32、步驟6-6、輸出路徑終點(diǎn)：將步驟6-5結(jié)束時(shí)的當(dāng)前節(jié)點(diǎn)vi，作為路徑ε的終點(diǎn)進(jìn)行輸出：

33、步驟6-7、出棧，具體包括如下步驟。

34、步驟6-7a、棧頂出棧：將位于棧頂k的節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行出棧。

35、步驟6-7b、當(dāng)前節(jié)點(diǎn)更新：將當(dāng)前節(jié)點(diǎn)vi更新為步驟6-7a出棧的節(jié)點(diǎn)，即vi＝s[k]。

36、步驟6-7c、中間路徑輸出：將步驟6-7b更新后的當(dāng)前節(jié)點(diǎn)，作為路徑ε的中間路徑節(jié)點(diǎn)進(jìn)行輸出。

37、步驟6-7d、棧頂更新：對k進(jìn)行減1操作，即k＝k-1，實(shí)現(xiàn)棧頂更新。

38、步驟6-7e、棧元素判斷：判斷棧s是否為空，若非空，則重復(fù)步驟6-7a至步驟6-7d；否則，跳轉(zhuǎn)至步驟6-8。

39、步驟6-8、獲取最短遍歷路徑ε：按照出棧時(shí)間的相反順序，進(jìn)行排序，得到最短遍歷路徑ε。

40、步驟6-5a中，焊縫交叉點(diǎn)vj的尋找方法，包括如下步驟：

41、步驟6-5a1、尋找相鄰點(diǎn)：尋找與當(dāng)前節(jié)點(diǎn)vi相鄰且具有至少一條焊接邊的所有焊縫交叉點(diǎn)。

42、步驟6-5a2、尋找橋點(diǎn)：當(dāng)步驟6-5a1尋找的某個焊縫交叉點(diǎn)a與當(dāng)前節(jié)點(diǎn)vi形成的焊接邊為橋邊時(shí)，則將焊縫交叉點(diǎn)a稱為橋點(diǎn)。

43、步驟6-5a3、尋找焊縫交叉點(diǎn)vj：將步驟6-5a2尋找的橋點(diǎn)，從步驟6-5a1尋找的所有焊縫交叉點(diǎn)中剔除，再從尋找的剩余任意一個焊縫交叉點(diǎn)中選擇一個，作為焊縫交叉點(diǎn)vj。

44、本發(fā)明具有如下有益效果：

45、1.本發(fā)明通過將三維圓柱罐的焊縫路徑和焊縫交叉點(diǎn)映射到2d平面，構(gòu)建焊縫路徑的2d地圖，并結(jié)合無向連通圖和虛擬邊法，實(shí)現(xiàn)了最短路徑規(guī)劃。通過幾何關(guān)系、比例關(guān)系和坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，準(zhǔn)確獲得焊縫交叉點(diǎn)和焊縫路徑的分布特征，確保機(jī)器人能夠高效遍歷焊縫路徑。結(jié)合改進(jìn)的fluery算法，規(guī)劃出最短的歐拉回路，使得圓柱罐爬壁機(jī)器人能夠高效、精準(zhǔn)地遍歷焊縫，提高了路徑規(guī)劃的精度和效率。

46、2.本發(fā)明通過改進(jìn)的路徑規(guī)劃方法，提升了圓柱罐爬壁機(jī)器人在復(fù)雜焊縫環(huán)境中的智能化水平，確保了機(jī)器人能夠一次性完成焊縫遍歷，為后續(xù)的焊縫檢測和維護(hù)提供了有力支持。該方法有效優(yōu)化了機(jī)器人工作流程，減少了重復(fù)路徑和能量消耗，顯著提高了機(jī)器人焊縫檢測的技術(shù)水平和作業(yè)效率。

47、3.本發(fā)明是將圓柱罐的焊縫集中面——側(cè)面轉(zhuǎn)化為2維，然后構(gòu)建構(gòu)建歐拉回路，并進(jìn)行路徑規(guī)劃的，相比于直接對三維的圓柱罐進(jìn)行路徑規(guī)劃，計(jì)算量大大減小，規(guī)劃速度更快，也更加簡單。

48、4.相對于2維平面地圖路徑規(guī)劃，傳統(tǒng)的路徑規(guī)劃方法可能需要在多次迭代中進(jìn)行大量的路徑調(diào)整，而添加虛擬邊法可以將問題轉(zhuǎn)化為圖論中的圖遍歷問題，直接將兩個奇數(shù)邊的點(diǎn)相連(兩點(diǎn)之間直線最短)，構(gòu)建歐拉回路，可以確保歐拉回路總路徑最短。

49、5.本發(fā)明使用基于改進(jìn)的fluery算法，通過優(yōu)先從邊值最大的邊走，可以獲取一條能夠完全遍歷所有焊縫的路徑，計(jì)算量相對較小，規(guī)劃速度快。