CN102506737B

CN102506737B - 管道检测装置

Info

Publication number: CN102506737B
Application number: CN201110337622.XA
Authority: CN
Inventors: 宋章军; 张建伟; 胡颖; 郑之增; 邱建刚; 谢晓楠
Original assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Current assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Priority date: 2011-10-31
Filing date: 2011-10-31
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2031-10-31
Also published as: CN102506737A

Abstract

本发明涉及一种管道检测装置，包括：行走机构、控制器以及感知设备；所述感知设备安装于行走机构上，用于获取管道内壁三维数据以及所述行走机构于管道内的姿态角，并交于控制器，所述控制器控制行走机构于管道内的行走，并接收管道内壁三维数据以及行走机构于管道中的姿态角并进行处理，获取管道的变形率。本发明利用行走机构进入管道在管道中行走，行走机构能够进入任何管道内，感知设备根据管道内壁的三维数据和行走机构的姿态角，控制器进行处理，准确获取管道的变形率，从而方便、准确的对管道的变形率进行检测，无须人员进入管道，使得工作效率大大提高、节约大量的人力资源和资金。

Description

管道检测装置

【技术领域】

本发明涉及一种检测装置，尤其涉及一种管道检测装置。

【背景技术】

随着我国城市化进程加快，面对人口、资源和环境的巨大压力，我国政府在逐年加大对城市基础设施的投入，城镇排水管网建设不断加快。由于埋地塑料排水管道具有：质量小、强度高、耐腐蚀、水流阻力小、施工安装方便等特点，已被广泛应用于城镇排水工程中，一些城市已开始用塑料排水管道替代传统混凝土排水管道。尤其是住房和城乡建设部以及一些省、市限制500mm以下的平企口混凝土排水管的使用，推荐使用塑料排水管的政策，进一步推动了埋地塑料排水管道的发展。

但是，塑料埋地排水管属于柔性管，在破坏前会有很大变形量，并且由于地势不同、路面载荷的不同会导致埋地管道弯曲。根据《给水排水工程管道结构设计规范》(GB 50332-2002)规定，化学建材管道，在组合作用下的最大竖向变形不应超过0.05D₀。一旦塑料埋地排水管由于变形或弯曲过度导致最后破裂后果不堪设想，因此需要对管道进行检测，及时并准确的获得管道变形率和弯曲情况，这样可以及时了解管道内的情况，为决策提供有力的数据支持。

传统对排污管道检测，主要是由普通人员进入管道检测或者潜水员进入管道检测，由于管道的半径、变形和内部状况的限制，人员进入管道极不方便，检测也不准确，使得工作效率较低、耗费大量的人力资源和资金。

【发明内容】

有鉴于此，有必要提供一种方便对管道变形率进行检测的管道检测装置。

一种管道检测装置，包括：行走机构、控制器以及感知设备；所述感知设备安装于行走机构上，用于获取管道内壁三维数据以及所述行走结构于管道内的姿态角，并交于控制器，所述控制器控制行走结构于管道内的行走，并接收管道内壁三维数据以及行走结构于管道中的姿态角并进行处理，获取管道的变形率。

优选的，所述行走机构采用爬行器，爬行器为轮式爬行器或者履带式爬行器。

优选的，所述行走机构包括基座、行进轮组、机械臂、云台以及驱动模块；所述行进轮组设置在基座底部，所述机械臂一端安装在基座上部，所述云台安装在机械臂的另一端，与基座平行设置，所述驱动模块安装在基座内部，接受控制器的控制，驱动行进轮组转动以及调节机械臂的高度。

优选的，所述机械臂为平行四边形机结构械臂。

优选的，所述感知设备包括激光测距仪以及惯性测量单元；所述激光测距仪安装在所述云台上，用于对管道内壁进行扫描，获取对管道内壁的三维数据，所述惯性测量单元安装于所述基座内部平整的平面上，用于实时获取行走机构于管道内的姿态角。

优选的，所述感知设备还包括安装在云台前端的摄像头和照明灯；所述摄像头用于对管道内部进行全方位拍摄，并将拍摄画面交于控制器，所述照明灯用于为摄像机提供照明。

优选的，所述控制器与所述行走机构和感知设备通过电缆连接。

优选的，所述控制器包括微处理器；所述微处理器根据获取的行走机构在管道内的姿态角，对激光测距仪所采集的管道内壁三维数据进行坐标系转换，获取绝对坐标系下的管道内部三维数据；所述微处理器将绝对坐标系下的管道内壁三维数据投影到行走机构所处的与管道轴线垂直的管道截面上，得到与管道轴线垂直的管道截面上的三维数据；所述微处理器根据管道截面上的三维数据，采用直接最小二乘法进行对管道截面上的三维数据进行曲线拟合，获取拟合后曲线；所述微处理器根据曲线获取管道内壁的长半径和短半径，根据管道内壁的长半径和短半径计算管道内壁的变形率。

优选的，所述微处理器还根据曲线获取管道中心坐标，根据管道中心坐标得出管道的弯曲状况。

优选的，所述控制器还包括用于显示的显示器和对行走机构进行操控的控制键盘。

上述管道检测装置，利用行走机构进入管道在管道中行走，行走机构能够进入任何管道内，感知设备根据管道内壁的三维数据和行走机构的姿态角，控制器进行处理，准确获取管道的变形率，从而方便、准确的对管道的变形率进行检测，无须人员进入管道，使得工作效率大大提高、节约大量的人力资源和资金。

【附图说明】

图1是一个实施例中管道检测装置的结构示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述。

图1是一个实施例中管道检测装置的结构示意图。该管道检测装置用于检测管道的变形率，包括：行走结构100、控制器200以及感知设备300。感知设备300安装于行走机构100上，用于获取管道内壁三维数据以及行走结构100于管道内的姿态角，并交于控制器200。控制器200控制行走结构100于管道内的行走，并接收管道内壁三维数据以及行走结构于管道中的姿态角并进行处理，获取管道的变形率。

行走机构100采用爬行器，爬行器为轮式爬行器或者履带式爬行器。爬行器能够在管道中方便自由行走，不受管道直径等限制。该实施例中，行走机构100包括基座110、行进轮组120、机械臂130、云台140以及驱动模块(图未示)。行进轮组120设置在基座110底部，可以根据所检测管道的直径大小而更换。机械臂130一端安装在基座110上部。云台140安装在机械臂130的另一端，与基座110平行设置。驱动模块安装在基座110内部，接受控制器200的控制，驱动行进轮组120转动以及调节机械臂130的高度。在优选的实施方式中，机械臂130为平行四边形结构机械臂，使得云台140始终与基座110保持平行。

感知设置300包括激光测距仪310以及惯性测量单元320。激光测距仪310安装在云台140上，用于对管道内壁进行扫描，获取对管道内壁的三维数据。惯性测量单元320安装于基座110内部平整的平面上，用于实时获取行走机构100于管道内的姿态角。该管道检测装置采用了非接触的光学测量方法，通过激光测距仪来扫描管道内壁从而得到管道内壁三维数据，完全不受外界的任何信号的影响，三维数据采集精度高，抗干扰能力强，且结构简单。该实施例中，惯性测量单元320包括陀螺仪以及加速度传感器。

进一步的，感知设备300还包括安装在云台140前端的摄像头330和照明灯340。摄像头330用于对管道内部进行全方位拍摄，并将拍摄画面交于控制器200，对管道内部进行监视。照明灯340用于为摄像机330提供照明，使摄像机330能够清晰的对管道内部进行拍摄。

控制器200与行走机构100和感知设备300通过电缆连接，通过有线方式进行通讯，保证信号的稳定性。控制器200包括微处理器210、用于各种显示的显示器220以及用于操控行走机构100的控制键盘230。

微处理器210接收管道内壁三维数据以及行走结构于管道中的姿态角并进行处理，获取管道的变形率。

由于激光测距仪310所获取的管道内壁的三维数据是相对于激光测距仪310本身坐标系下的三维数据，要获取管道内壁的变形率必须将激光测距仪获取的管道内壁三维数据转换到绝对坐标系下，从而获取绝对坐标系下的管道内部三维数据。同时，由于行走机构100在管道内行走时，相对绝对坐标系有所转动，故要考虑行走机构100的姿态角。

该实施例中，微处理器210根据获取的行走机构在管道内的姿态角，对激光测距仪310所采集的管道内壁三维数据进行坐标系转换，获取绝对坐标系下的管道内部三维数据。微处理器210将绝对坐标系下的管道内壁三维数据投影到行走机构100所处的与管道轴线垂直的管道截面上，得到与管道轴线垂直的管道截面上的三维数据。微处理器210根据与管道轴线垂直的管道截面上的三维数据，采用直接最小二乘法进行对管道截面上的三维数据进行曲线拟合，获取拟合后曲线。其中，最小二乘法曲线拟合后曲线表示为：

f (x_{0}, y_{0}, a, b) = Σ_{i = 1}^{n} {[\frac{{(x_{i} - x_{0})}^{2}}{a^{2}} + \frac{{(y_{i} - y_{0})}^{2}}{b^{2}} - 1]}^{2}

其中，x_i，y_i分别是与管道轴线垂直的管道截面上的三维数据，x₀，y₀为管道中心所在的坐标值，a，b分别为当管道截面的长半径和短半径，当截面为标准的圆时a＝b。

拟合后曲线中包含有管道中心坐标以及管道内壁的长半径和短半径。

管道在发生变形时，管道的长半径和短半径会由相同变为不同，根据管道的长半径和短半径可以得到管道的变形率。微处理器210根据曲线获取管道内壁的长半径和短半径，根据管道内壁的长半径和短半径计算管道内壁的变形率。

进一步的，微处理器210还根据管道中心坐标的位置，得出管道的弯曲程度及管道的坡度和管道走向等弯曲状况。微处理器210还根据管道的变形率及弯曲状况，对管道进行绘制。

在优选的实施方式中，将管道入口处管道截面的中心作为绝对坐标系的原点。

显示器220用于对摄像头拍摄画面进行显示，供操作者了解管道内部情形，及时调整行走机构在管道中的行走姿态，避免行走机构在管道中发生倾覆。显示器220还对行走机构的姿态角、管道的变形率、管道弯曲程度、绘制的管道等进行显示。

控制键盘230用于控制行走机构100行走以及调整机械臂130的高度。

该管道检测装置，行走机构100进入管道在管道中行走，激光测距仪310和惯性测量单元320分别获取管道内壁的三维数据和行走机构的姿态角，微处理器210对管道内壁的三维数据和行走机构的姿态角进行坐标系转换、垂直投影以及曲线拟合处理后，得到管道内壁的长半径和短半径，继而计算处管道的变形率。无须人员进入管道，行走机构能够进入任何管道内，变形率根据准确参数来计算，从而方便、准确的对管道的变形率进行检测。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种管道检测装置，其特征在于，包括：行走机构、控制器以及感知设备；所述感知设备安装于行走机构上，用于获取管道内壁三维数据以及所述行走机构于管道内的姿态角，并交于控制器；所述感知设备包括激光测距仪以及惯性测量单元；所述激光测距仪安装在云台上，用于对管道内壁进行扫描，获取对管道内壁的三维数据，所述惯性测量单元安装于基座内部平整的平面上，用于实时获取行走机构于管道内的姿态角；

所述控制器控制行走机构于管道内的行走，并接收管道内壁三维数据以及行走机构于管道中的姿态角并进行处理，获取管道的变形率；所述控制器包括微处理器；所述微处理器根据获取的行走机构在管道内的姿态角，对激光测距仪所采集的管道内壁三维数据进行坐标系转换，获取绝对坐标系下的管道内壁三维数据；所述微处理器将绝对坐标系下的管道内壁三维数据投影到行走机构所处的与管道轴线垂直的管道截面上，得到与管道轴线垂直的管道截面上的三维数据；所述微处理器根据管道截面上的三维数据，采用直接最小二乘法进行对管道截面上的三维数据进行曲线拟合，获取拟合后曲线；所述拟合后曲线表示为：

f (x_{0}, y_{0}, a, b) = Σ_{i = 1}^{n} {[\frac{{(x_{i} - x_{0})}^{2}}{a^{2}} + \frac{{(y_{i} - y_{0})}^{2}}{b^{2}} - 1]}^{2}

其中，x_i,y_i分别是与管道轴线垂直的管道截面上的三维数据，x₀,y₀为管道中心所在的坐标值，a,b分别为管道截面的长半径和短半径；

所述微处理器根据曲线获取管道内壁的长半径和短半径，根据管道内壁的长半径和短半径计算管道内壁的变形率；所述微处理器根据曲线获取管道中心坐标，根据管道中心坐标得出管道的弯曲状况；所述微处理器根据管道的变形率及弯曲状况，对管道进行绘制。

2.根据权利要求1所述的管道检测装置，其特征在于，所述行走机构采用爬行器，爬行器为轮式爬行器或者履带式爬行器。

3.根据权利要求2所述的管道检测装置，其特征在于，所述行走机构包括基座、行进轮组、机械臂、云台以及驱动模块；所述行进轮组设置在基座底部，机械臂一端安装在基座上部，所述云台安装在机械臂的另一端，与基座平行设置，所述驱动模块安装在基座内部，接受控制器的控制，驱动行进轮组转动以及调节机械臂的高度。

4.根据权利要求3所述的管道检测装置，其特征在于，所述机械臂为平行四边形结构机械臂。

5.根据权利要求1所述的管道检测装置，其特征在于，所述感知设备还包括安装在云台前端的摄像头和照明灯；所述摄像头用于对管道内部进行全方位拍摄，并将拍摄画面交于控制器，所述照明灯用于为摄像机提供照明。

6.根据权利要求1所述的管道检测装置，其特征在于，所述控制器与所述行走机构和感知设备通过电缆连接。

7.根据权利要求1所述的管道检测装置，其特征在于，所述控制器还包括用于显示的显示器和对行走机构进行操控的控制键盘。