一种基于ROS和半实物仿真的轨道检测机器人仿真方法

一种基于ros和半实物仿真的轨道检测机器人仿真方法
技术领域
1.本发明涉及智能制造技术领域，尤其涉及一种基于ros和半实物仿真的轨道检测机器人仿真方法。


背景技术：

2.近年来，随着铁路里程的快速增长和检测技术的进步，轨道检测机器人的研发需求也越来越迫切，但是，随着对检测手段的深入研究，传统的轨道检测机器人全实物研发方式已经不能满足轨道检测机器人快速迭代和升级的需求；在以机器人行业等试验设备为科研主体的实践中已经逐渐显露出因实验设备限制产生的诸多弊端，如高压直流电机操作的人身安全隐患、极端工作环境对实验设备产生的损伤等，除此之外，轨道检测机器人的实体制造与装配环节会耗费大量的时间，这无疑增加了科研对于安全和快速的半实物轨道仿真技术的需求。
3.半实物仿真技术除了在汽车、自动化和通信等领域得到广泛应用以外，目前也已经逐渐运用在轨道列车控制领域中；现有技术一种基于深度学习的车载轨道巡检装置及方法中公开了该方法的图像采集模块包含三个相同型号的线阵相机，三个所述线阵相机固设于巡检小车的前置钢杆上，对轨道状况进行拍摄。同时利用创建好的轨道缺陷库对检测模型进行训练，将满足预设检测精度的检测模型应用到服务器中进行轨道缺陷检测。将设于巡检小车的线阵相机图像输入已训练好的检测模型中进行轨道缺陷的检测，将检测所得的缺陷图像进行保存，以供后期人工复核；检测完成后，输出检测结果并生成检测报告；另有一种列车电传动系统半实物仿真平台，该方法是一种列车电传动系统半实物仿真平台，可满足机车、动车、城轨等不同车型的系统集成测试要求。试验总控系统通过总控软件，在试验总控上位机上，实现对各仿真系统仿真设备及实物控制器的控制，运行自动化测试软件，通过网络、牵引、辅助、制动实时仿真机共用的以太网通讯网络，向实时仿真机发送提前设计的自动化测试脚本，同时访问各实时仿真机，监听实时仿真机接收和发送的信息形成同一个车辆控制网络；同时通过反射内存交换机，将仿真系统中的实时仿真机连接，实现电传动系统被控对象间的信息交互，实现整车级电传动系统的半实物仿真环境搭建。
4.但是，现有公开方法的实现流程汇总轨道检测装备的实体制造与装配环节会耗费大量的时间和财力，而且现有方法对于半实物仿真并没有涉及复杂区段动力学仿真和虚拟检测仿真方面。
5.需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息只用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种基于ros和半实物仿真的轨道检测机器人仿真方法，解决了现有技术存在的不足。
7.本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于ros和半实物仿真的轨道检测
机器人仿真方法，所述仿真方法包括：
8.s1、进行半实物仿真平台的硬件搭建；
9.s2、进行轨道检测机器人转动惯量和角度空间参数建模，并通过sdf文件描述以精确机器人的动力仿真细节；
10.s3、进行轨道环境仿真，将包含钢轨滚动摩擦参数的sdf模型导入gazebo中进行仿真；
11.s4、在机器人的前后两侧安装虚拟imu传感器，实时接收仿真传感器发送的速度信号并传输到onedrive中，onedrive将接收到的信号转换为pwm波控制直流电机，让仿真数据实时转换为真实数据，仿真传感器将记录到的轨道检测机器人的加速度和速度图像展示在rviz中；
12.s5、通过仿真相机实时拍摄仿真轨道板裂纹信息图像并通过网络模型对图像进行检测后将检测结果在rviz中显示，实现轨道板裂纹的检测仿真。
13.所述进行轨道检测机器人转动惯量和角度空间参数建模包括：
14.设置轨道检测机器人为一个质点，轨道检测机器人沿x轴方向运动过程中沿x轴产生的惯性加速度为同时借助轨道检测机器人的偏航角以及轨道检测机器人绕旋转重心产生的向心加速度为得到两种共同组合的加速度并根据牛顿第二定律转换为其中f
xf
和f
xr
为车辆前后轮毂受到的y轴向的力；
15.得到在运功过程中使用力矩和转动惯量围绕z轴的力矩平衡方程进而将车辆前轮和后轮的横向力分别表示为f
xf
＝2c
αf
(δ-θ
vf
)和f
xr
＝2c
αf
(-θ
vr
)，其中lf和lr表示后轴和前轴到机器人重心的距离，c
αf
表示每个轮的侧片刚度，θ
vf
表示速度矢量与车辆纵轴的夹角，θ
vr
表示后轮速度矢量与车辆纵轴的夹角，δ表示前轮转向角；
16.通过车辆平动产生的沿x轴的速度分量v
x
和沿y轴的速度分量vy，以及前轮绕点c转动产生的线速度和后轮绕点c转动产生的线速度得到偏转角分别为和通过θ
vf
以及θ
vr
的数值限定轨道机器人运动时的偏转角，增加了轨道检测机器人的在复杂地形下仿真时的运动学细节。
17.所述通过仿真相机实时拍摄仿真轨道板裂纹信息图像并通过网络模型对图像进行检测后将检测结果在rviz中显示，实现轨道板裂纹的检测仿真包括：
18.s501、在轨道检测移动机器人上搭载虚拟的仿真相机，并在虚拟轨道上移动时通过仿真相机实时拍摄仿真轨道板裂纹信息图像；
19.s502、通过深度学习框架搭建yolov5检测环境，并通过cuda和cudnn提高检测环境动态检测时的模型推理速度，对图像进行预处理来突出图像特征，通过启动yolo检测节点，检测节点通过cv_bridge将图像消息转换为bgr格式后，进行输入、特征提取以及预测三个阶段对图像进行检测，并将检测结果在rviz中显示。
20.所述进行半实物仿真平台的硬件搭建包括：
21.在实物实验中将无刷直流电机安装在电机支架上，再依次安装增量式编码器、
onedrive控制板和单片机，编码器通过联轴器与电机传动轴固定，onedrive包含内置的pid控制算法将虚拟传感器发送的速度信号经过调参后再输出到直流电机中。
22.本发明具有以下优点：一种基于ros和半实物仿真的轨道检测机器人仿真方法，一方面，在仿真环境中可以快速验证轨道检测机器人在道岔以及爬坡时的动力学性能，节省了装配与制造的时间成本；另一方面，能与硬件层进行交互，辅助轨检机器人控制与设计，协助科研人员利用虚拟轨道环境验证和测试检测模型，减少了实验成本。
附图说明
23.图1为本发明的架构示意图；
24.图2为750瓦功率下电机扭矩随坡度变化曲线示意图；
25.图3为750瓦功率下机器人速度随坡度变化曲线示意图；
26.图4为轨道板检测场景示意图；
27.图5为轨道板检测结果示意图。
具体实施方式
28.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下结合附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的保护范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。
29.如图1所示，本发明具体涉及一种基于ros系统和半实物仿真平台的轨道检测机器人仿真方法，其包括设计半实物仿真平台硬件，建立轨道检测机器人和轨道动力学模型；构建考虑摩擦特性的轨道仿真环境；使用gazebo下的仿真摄像机和仿真惯性测量单元；完成软件层与硬件层实时通讯，从而实现真实电机与机器人模型的联动；具体包括以下内容：
30.步骤1、在实物实验中将直流电机安装在电机支架上，再依次安装增量式编码器、onedrive控制板和esp32单片机。无刷直流电机由48v直流电源供电，编码器通过联轴器与电机传动轴固定。onedrive包含内置pid控制算法，将虚拟imu传感器发送的速度信号经过调参后再输出到直流电机中。
31.步骤2、进行轨道检测机器人转动惯量、角度空间参数建模。假设轨道检测机器人为一个质点，对轨道检测机器人进行受力分析。
32.机器人沿x轴方向运动过程中沿x轴产生的惯性加速度为同时借助轨道检测机器人的偏航角轨道检测机器人绕旋转重心产生的向心加速度为得到两种共同组合的加速度并根据牛顿第二定律转换为fxf和fxr作为前后轮毂受到的y轴向的力，其中借用front和rear来区分作用轮毂的先后，后文参数保持一致；
33.得到在运功过程中使用力矩和转动惯量围绕z轴的力矩平衡方程
进而将车辆前轮和后轮的横向力分别表示为f
xf
＝2c
αf
(δ-θ
vf
)和f
xr
＝2c
αf
(-θ
vr
)，其中lf和lr表示后轴和前轴到机器人重心的距离，c
αf
表示每个轮的侧片刚度，θ
vf
表示前轮速度矢量与车辆纵轴的夹角，θ
vr
表示后轮速度矢量与车辆纵轴的夹角，δ表示前轮转向角；
34.通过车辆平动产生的沿x轴的速度分量v
x
和沿y轴的速度分量vy，以及前轮绕点c转动产生的线速度和后轮绕点c转动产生的线速度可求得偏转角分别为和θ
vf
以及θ
vr
的数值限定轨道机器人运动时的偏转角，增加了轨道检测机器人的在复杂地形下仿真时的运动学细节。
35.用sdf文件描述以精确机器人的动力仿真细节，具体包括以下内容：轨道检测机器人的sdf描述、机器人模型所包含的虚拟相机的sdf变量结构描述、虚拟传感器sdf描述。
36.步骤3、进行轨道检测机器人加载环境仿真，将包含钢轨滚动摩擦参数的sdf模型导入gazebo中进行仿真，在建立道岔模型时不仅仅要设置法向力和摩擦系数，还要设置轮轨表面之间的接触面积，轨道横向与纵向摩擦数学模型在仿真环境中相关参数数学关系有：
[0037][0038][0039]
其中，t表示由于转动摩擦产生的扭矩，μ表示转动摩擦系数，与钢轨横纵向摩擦系数，n表示接触时的法向力，a表示接触面半径，r表示接触点表面半径，d接触深度。
[0040]
步骤4、在机器人的前后两侧安装虚拟imu传感器，实时接收虚拟imu传感器发布的速度信息并将其输出到onedrive中。而onedrive则会将该信息转化为pwm波控制直流电机，从而让仿真情况实时转化为真实情况，虚拟imu传感器将记录到的轨道检测机器人的加速度和速度图像展示在rviz中。达到轨道检测机器人的运动学的半实物仿真。
[0041]
步骤5.1、在轨道检测移动机器人上搭载仿真相机并在虚拟轨道上移动时，用仿真相机实时拍摄仿真轨道板裂纹信息。图片以ros的图像格式发送到图像话题中。
[0042]
步骤5.2、用pytorch-1.10.2深度学习框架搭建yolov5检测环境，使用cuda 11.3和cudnn 8.2用来提高检测环境动态检测时的模型推理速度。对图像进行包括图像左右翻转、图像平滑、直方图均衡化等预处理，来突出图像特征。图片以ros的图像格式发送到图像话题中，同时启动yolo检测节点，通过cv_bridge将图像消息转化为bgr格式，yolo检测节点将检测图像过程划分为输入、特征提取以及预测三个阶段，输入阶段在接收图像并对其进行数据增强，特征提取阶段往往利用预训练的卷积神经网络，提取图像中的重要特征，预测阶段根据特征提取阶段输出的特征图生成不同尺寸的锚框，再利用非极大值抑制去除冗余的预测框，并生成目标的类别。完成对图像进行检测，最后将检测结果在rviz中显示。达到轨道板裂纹的检测仿真。
[0043]
(1)动力学仿真结果如下：
[0044]
对于双电机四轮轨道检测机器人，当电机额定功率在750w时，电机扭矩以及速度变化随坡度变化如下图2和图3所示。通常情况来看，若轨道检测设备由直流无刷电机驱动，
则轨道检测机器人的质量应在200kg以下，此时爬坡能力更强，适应坡度范围在0.02
°
以上，速度上限在4ms-1
以上。
[0045]
(2)轨道板裂纹检测仿真结果如下：
[0046]
如图4和图5所示，当轨道检测移动机器人上搭载了仿真相机并在虚拟轨道上移动时，虚拟相机会实时拍摄仿真轨道板的图片。图片以ros的图像格式发送到图像话题中，此时启动yolo检测节点，检测节点通过cvbridge将图像消息转化为bgr格式，之后对图像进行检测。
[0047][0048][0049]
达到了半实物仿真平台对动态裂纹识别检测的要求。
[0050]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于ros和半实物仿真的轨道检测机器人仿真方法，其特征在于：所述仿真方法包括：s1、进行半实物仿真平台的硬件搭建；s2、进行轨道检测机器人转动惯量和角度空间参数建模，并通过sdf文件描述以精确机器人的动力仿真细节；s3、进行轨道环境仿真，将包含钢轨滚动摩擦参数的sdf模型导入gazebo中进行仿真；s4、在机器人的前后两侧安装虚拟imu传感器，实时接收仿真传感器发送的速度信号并传输到onedrive中，onedrive将接收到的信号转换为pwm波控制直流电机，让仿真数据实时转换为真实数据，仿真传感器将记录到的轨道检测机器人的加速度和速度图像展示在rviz中；s5、通过仿真相机实时拍摄仿真轨道板裂纹信息图像并通过网络模型对图像进行检测后将检测结果在rviz中显示，实现轨道板裂纹的检测仿真。2.根据权利要求1所述的一种基于ros和半实物仿真的轨道检测机器人仿真方法，其特征在于：所述进行轨道检测机器人转动惯量和角度空间参数建模包括：设置轨道检测机器人为一个质点，轨道检测机器人沿x轴方向运动过程中沿x轴产生的惯性加速度为同时借助轨道检测机器人的偏航角以及轨道检测机器人绕旋转重心产生的向心加速度为得到两种共同组合的加速度并根据牛顿第二定律转换为其中f
xf
和f
xr
为车辆前后轮毂受到的y轴向的力；得到在运功过程中使用力矩和转动惯量围绕z轴的力矩平衡方程进而将车辆前轮和后轮的横向力分别表示为f
xf
＝2c
αf
(δ-θ
vf
)和f
xr
＝2c
αf
(-θ
vr
)，其中l
f
和l
r
表示后轴和前轴到机器人重心的距离，c
αf
表示每个轮的侧片刚度，θ
vf
表示速度矢量与车辆纵轴的夹角，θ
vr
表示后轮速度矢量与车辆纵轴的夹角，δ表示前轮转向角；通过车辆平动产生的沿x轴的速度分量v
x
和沿y轴的速度分量v
y
，以及前轮绕点c转动产生的线速度和后轮绕点c转动产生的线速度得到偏转角分别为和通过θ
vf
以及θ
vr
的数值限定轨道机器人运动时的偏转角，增加了轨道检测机器人的在复杂地形下仿真时的运动学细节。3.根据权利要求1所述的一种基于ros和半实物仿真的轨道检测机器人仿真方法，其特征在于：所述通过仿真相机实时拍摄仿真轨道板裂纹信息图像并通过网络模型对图像进行检测后将检测结果在rviz中显示，实现轨道板裂纹的检测仿真包括：s501、在轨道检测移动机器人上搭载虚拟的仿真相机，并在虚拟轨道上移动时通过仿真相机实时拍摄仿真轨道板裂纹信息图像；s502、通过深度学习框架搭建yolov5检测环境，并通过cuda和cudnn提高检测环境动态检测时的模型推理速度，对图像进行预处理来突出图像特征，通过启动yolo检测节点，检测节点通过cv_bridge将图像消息转换为bgr格式后，进行输入、特征提取以及预测三个阶段对图像进行检测，并将检测结果在rviz中显示。4.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种基于ros和半实物仿真的轨道检测机器人
仿真方法，其特征在于：所述进行半实物仿真平台的硬件搭建包括：在实物实验中将无刷直流电机安装在电机支架上，再依次安装增量式编码器、onedrive控制板和单片机，编码器通过联轴器与电机传动轴固定，onedrive包含内置的pid控制算法将虚拟imu传感器发送的速度信号经过调参后再输出到直流电机中。

技术总结
本发明涉及一种基于ROS和半实物仿真的轨道检测机器人仿真方法，包括进行轨道检测机器人转动惯量和角度空间参数建模，通过SDF文件描述以精确机器人的动力仿真细节；进行轨道环境仿真，将包含钢轨滚动摩擦参数的SDF模型导入Gazebo中进行仿真；安装虚拟IMU传感器，实时接收仿真传感器发送的速度信号并传输到OneDrive中，OneDrive将接收到的信号转换为PWM波控制直流电机，并展示在Rviz中；通过仿真相机实时拍摄仿真轨道板裂纹信息图像并通过网络模型对图像进行检测后将检测结果在Rviz中显示。本发明在仿真环境中可以快速验证轨道检测机器人在道岔以及爬坡时的动力学性能，节省了装配与制造的时间成本。省了装配与制造的时间成本。省了装配与制造的时间成本。


技术研发人员：何庆 葛宏 王启航 王平 张岷 刘启宾 余天乐 姚继东
受保护的技术使用者：西南交通大学
技术研发日：2023.05.26
技术公布日：2023/8/6