To address the operational challenges of in-pipe robots in large pipes of water distribution systems (WDS), in this research, a control algorithm is proposed for our previously designed robot [4]. Our size adaptable robot has an under-actuated modular design that can be used for both leak detection and quality monitoring. First, nonlinear dynamical governing equations of the robot are derived with the definition of two perpendicular planes, and two sets of states are defined for the robot for stabilization and mobilization. For stabilization, we calculated the auxiliary system matrices and designed a stabilizer controller based on the linear quadratic regulator (LQR) controller, and combined it with a proportional-integral-derivative (PID) based controller for mobilization. The controller scheme is validated with simulation in MATLAB in various operation conditions in three iterations. The simulation results show that the controller can stabilize the robot inside the pipe by converging the stabilizing states to zero and keeping them in zero with initial values between -25 degree and +25 degree and tracking velocities of 10cm/s, 30cm/s, and 50cm/s which makes the robot agile and dexterous for operation in pipelines.


翻译:为了应对大型水分配系统管道内管道机器人的操作挑战,在这项研究中,为我们先前设计的机器人[4]提出了控制算法。我们的尺寸可调整机器人有一个活性不足的模块设计,可用于检测泄漏和质量监测。首先,机器人的非线性动态方程式是用两架穿孔飞机定义的,为机器人定义了两套稳定与动员状态。为了稳定,我们计算了辅助系统矩阵,并根据线性二次调节器(LQR)控制器(LQR),设计了一个稳定器控制器,并与一个基于比例性整体-整体性(PID)控制器(PID)进行组合,用于动员。控制器方案经过MATLAB在三种迭代不同操作条件下的模拟验证。模拟结果表明,控制器可以通过将稳定状态趋同到零,将其保持在零度和零度之间,并跟踪10厘米/秒、30厘米/秒/秒和50厘米/秒的钢管的加速度,从而将机器人的操纵器和钢管的运行。

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