This paper describes an autonomous navigation method of a 4-axis caterpillar pipe inspection robot using novel sensor module. It is necessary to estimate the features of the element for autonomous navigation of the in-pipe robot in a pipeline including the element. We develop novel sensor module that uses RGB-D camera and laser pointer to make the feature points in pipeline and overcome the diffuse reflection problem by using light saturation. Also, we propose algorithms to estimate the direction of the element and miter bend angle using 3D-data of pointers. Pipe inspection robot, MRCINSPECT, developed for the purpose of high traction force to carry the inspection device and cables, drives with high adhesion force in a narrow pipe environment, so there is a high risk of damage if steering at the wrong point. Therefore, it is an important issue to accurately decide the steering point when passing through the element. The sensor module can estimate the remaining distance to the steering point, but there is a limit in accuracy. So, we develop an algorithm that determines the contact sensor angle of in-pipe robot at the steering point by solving the miter bend equation based on the information obtained from the sensor module and IMU. When controlling a robot, it is necessary to consider that the orientation of robot changes due to disturbance when driving in a pipeline. So, the velocity of the caterpillar on each axis of the pipe inspection robot and the position of adhesion module link are controlled differently in consideration of the rolling state of robot. As a result of experiments on 300A and 500A pipeline, the sensor module and algorithms have mean error less than 1.13° in estimation of element direction and less than 0.92° in miter bend angle estimation. Also, the practicality of the proposed methods is validated by autonomous navigation test with pipe inspection robot applying the sensor module system and steering point determination algorithm.
본 논문은 새로운 레이저 비젼 시스템을 활용한 4축 캐터필러 배관 검사 로봇의 자율 주행 방법을 제안한다. 요소를 포함하는 배관에서 로봇이 자율 주행하기 위해서는 배관 요소의 특징을 파악해야 한다. 이를 위해, RGB-D카메라와 레이저 포인터를 이용해 배관 내 특징점을 만들어 인식하는 새로운 센서 모듈을 개발하였으며, 빛의 포화 현상을 이용해 난반사 문제를 극복했다. 이후, 포인터들의 3D-data를 활용하여 요소의 진행 방향과 miter bend 각도를 측정하는 알고리즘을 개발하였다. 또한 검사 장치와 케이블을 끌기 위해 높은 견인력을 목적으로 개발된 배관 검사 로봇인 MRCINSPECT는 좁은 배관 환경에서 강한 부착력으로 주행하기 때문에, 잘못된 시점에서 변속할 경우 파손의 위험이 크다. 따라서 요소 통과 시 steering point를 정확하게 파악하는 것은 중요한 문제이다. 이때, 센서 모듈만으로 steering point까지 남은 거리를 추정할 수 있지만, 정확도에서 한계가 있다. 그래서 우리는 센서 모듈과 IMU에서 얻은 정보를 토대로 miter bend 방정식을 풀어, steering point에서 배관 검사 로봇의 contact sensor 각도를 결정하는 알고리즘을 개발하였다. 다음으로 로봇 제어시에는 배관 주행시 외란에 의해 로봇 자세가 달라지는 점을 고려해주어야 한다. 따라서 로봇의 롤링 상태를 고려해 배관 검사 로봇 각 축의 캐터필러 속도와 부착부 모듈 링크의 위치를 제어하였다. 먼저 센서 모듈과 알고리즘들을 이용해 300A와 500A배관에서 실험한 결과, 요소 진행 방향 측정에서 1.13° 이하의 평균오차를 miter bend 각도 측정에서 0.92° 이하의 평균 오차를 보였다. 또한 제안한 방법들의 실용성은 새로운 레이저 비젼 시스템과 contact sensor를 이용한 알고리즘을 배관 검사 로봇에 적용하여, 45° miter bend를 포함하는 배관 내에서 자율 주행 테스트함으로써 확인하였다.