CN102749658A - 非接触式计程仪 - Google Patents

Abstract

一种非接触式计程仪，该计程仪包括：发射具有预定照射区域的平行激光束的激光器单元；与所述激光器单元发射的激光束的光轴垂直设置的传感器单元；以及分束器，该分束器设置在所述激光器单元和所述传感器单元的光轴上，以便将所述激光器单元发射的所述激光束反射到地面，并将所述地面反射的所述激光束透射到所述传感器单元。

Description

非接触式计程仪

本申请是申请日为2008年07月18日、发明名称为“获取地下管道三维地理信息的装置和使用光学流量传感器的非接触式计程仪以及它们的使用”、申请号为200880025200.5(PCT/KR2008/004206)的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种获取地下管道三维地理信息的装置和可安装于该装置上的非接触式移动距离测量单元。

背景技术

涉及用于检测地下管道的装置的发明包括下列发明：

1)2001年6月5日公布的美国专利US6,243,657“确定管线特征位置的方法和装置”

2)1995年5月23日公布的美国专利US 5,417,112“指示在地下管线内移动的清管器的通路的装置”

3)1987年12月22日公布的美国专利US 4,714,888“观测管线中清管器通路的装置”

4)2005年2月22日公布的美国专利US 6,857,329“检测管线阻塞的清管器”

5)2003年7月3日公开的美国专利US 2003/0,121,338“用于管线中流体环境的非破坏性检测的管线清管器”

这些用于检测地下管道的装置通常能够获取二维地理信息，但是不能获得与管道深度相关的数据。因此，这些监测地下管道的普通装置具有难以有效维护和保护管道的局限性。管道的大致位置被标注在地图上，但是管道被埋设的深度没有进行标注，这可能会导致挖掘工人错误地损坏管道。因此，需要一种在数据库中不仅收集地下管道的二维位置，而且还要收集深度的装置。

发明内容

技术问题

为了解决上述这些技术问题，本发明提供一种获取地下管道的三维地理信息来替代二维位置信息的装置，使得与地下管道深度相关的信息可以被收集到数据库中。

为了解决上述技术问题，本发明还提供一种获取地下管道三维地理信息而不切断地下管道中水流的装置。

技术方案

根据本发明的一个示例性方面，提供一种获取地下管道三维地理信息的装置，该装置包括：在地下管道内移动的管道内传送设备；检测所述管道内传送设备的三维地理信息的检测设备；以及存储由所述检测设备测量的值的信息存储设备。

所述检测设备可以包括：测量所述管道内传送设备移动的方向的移动方向测量单元；测量所述管道内传送设备移动的速度的移动速度测量单元；以及测量所述管道内传送设备移动距离的移动距离测量单元。

所述移动距离测量单元可以是一计程仪，且可以包括：发射具有预定照射区域的平行激光束的激光器单元；与所述激光器单元发射的所述激光束的光轴垂直设置的传感器单元；以及分束器，该分束器设置在所述激光器单元和所述传感器单元的光轴上，以便将由所述激光器单元发射出的所述激光束反射到地面，且将地面反射的所述激光束透射到所述传感器单元。

所述管道内传送设备可以构造成直径小于所述地下管道的直径的浮动体，以漂浮在所述地下管道内流动的流体上，并且具有与在所述地下管道内流动的流体相同的比重。

所述管道内传送设备可以被构造成清管器主体或运动机器人。

所述检测设备可以进一步包括获取所述地下管道内部视频数据的摄像机设备，或者包括：设置在所述地下管道内预定位置的通信模块；以及通过与所述通信模块进行通信来获取地理信息的无线通信装置。

根据本发明的另一示例性方面，提供一种非接触式计程仪，该非接触式计程仪包括：发射具有预定照射区域的平行激光束的激光器单元；与所述激光器单元发射的激光束的光轴垂直设置的传感器单元；以及分束器，该分束器设置在所述激光器单元和所述传感器单元的光轴上，以便将所述激光器单元发射的所述激光束反射到地面，并将所述地面反射的所述激光束透射到所述传感器单元。

所述传感器单元可以包括：光学流量传感器，该光学流量传感器包括检测所述激光束的光接收表面；以及数字信号处理系统，该数字信号处理系统将从所述光学流量传感器输出的光电信号处理为数字信号，并且使用光学导航计算位置变化。

所述分束器可以反射由所述激光器单元发射的线性偏振光，并且透射经过半波长延迟的所述线性偏振光。

四分之一波片可以被进一步地设置于从偏振分束器反射到地面的光的光路上。

有益效果

根据本发明的一个示例性实施方式，在数据库中不仅创建管道的二维地理信息，而且创建与管道的深度相关的数据。因此，可以更有效地维护和保护管道。

地下管道置于水流不被切断的环境中，并且获取三维地理信息。因此，没有为了执行绘图操作而暂停管道使用所带来的不便。

在测量距离变化或在不平坦表面上测量距离的情况下，如果使用利用光学流量传感器的非接触式计程仪，那么测量运动距离不会发生错误。

附图说明

图1为示出了根据本发明一个示例性实施方式的用于获取三维地理信息的装置的视图；

图2为示出了使用图1的装置获取地下管道三维地理信息的过程的视图；

图3和4为示出了传统光学计程仪的示意图；

图5为示出了当光学计程仪的发射轴线与光学计程仪的接收轴线不一致时光学流量传感器检测区域的视图；

图6为示出了根据本发明一个示例性实施方式的计程仪的示意图；

图7为示出了根据本发明一个示例性实施方式的计程仪的光线传输效率的视图；

并且

图8为示出了根据本发明另一示例性实施方式的计程仪的光线传输效率的视图。

<附图标记的说明>

100:计程仪110,110’:激光器单元

130:光学流量传感器200,200’:分束器

220:四分之一波片300:管道内传送设备

500:地下管道

具体实施方式

本发明的组件和操作将通过参考附图详细进行解释。

图1为示出了本发明一个示例性实施方式的用于获取地下管道的三维地理信息的装置的视图，其中示出了管道内传送设备300。管道内传送设备300在管道内水流不被切断的情况下获取地理信息。

管道内传送设备300在地下管道500内移动，并且包括测量管道内传送设备300移动的方向、速度和距离的检测单元310，以及存储由检测单元310测量的值的存储单元340。

管道内传送设备300可以被构造成直径小于地下管道500的直径，并且比重与在地下管道500内流动的流体相同，使得管道内传送设备300漂浮于在地下管道500内流动的流体上。

例如，在管道内移动的绘图设备可以具有大小为1的比重。如果管道内传送设备被构造为浮动体，则不需要额外的驱动设备、复杂机械、或辅助设备来用于流体在管道中移动。当在水管中使用比重为1的绘图设备时，绘图设备在水管流动持续时可以获取地理信息并且能够绘制相当长的距离而不需要驱动机构。因此，比重为1的绘图设备具有诸如以下优点：缩短操作时间，增加操作区域和减少用户不便。浮动体可以具有流线型曲面表面以最小化流体阻力，并具有两个或更多的翼以稳定地移动。

管道内传送设备300可以被构造成清管器主体来替代浮动体。构造成清管器主体的管道内传送设备需要在清管器槽上的清管器发射装置。在这种情况下，清管器主体在管道内移动期间可以执行冲洗操作。根据本发明的一个示例性实施方式，绘图设备的清管器主体可以使用韩国专利申请No.20-2005-0007528或No.20-2003-0039794所公开的其他结构来构造。

管道内传送设备300可以被实现为管道内的运动机器人。管道内的运动机器人可以被构造为沿倾斜或曲线路径运行，并且可以是如韩国专利申请No.10-1995-0030874或No.10-2001-0009369所公开的运动机器人。如果管道内的运动机器人沿倾斜或曲线路径运行，则这种机器人没有局限性。由于管道内的运动机器人包括获得用于控制轮驱动单元的信号的编码器，当计算运动机器人的运行距离和转动方向时，除了从光学传感器获得的数据外，该编码器信号还产生获得的编码器数据。因此，加强了上述地理信息的可靠性。

检测单元310被设置在管道内传送设备300中，并且包括使用无线信号（例如射频（RF）信号）的有源传感器320、以及测量该管道内传送设备300移动的方向、速度、距离的绘图传感器330。

有源传感器320可以被构造为收集与管道内传送设备300的移动相关的信息的有源RF传感器。

绘图传感器330包括加速度计和陀螺仪。加速度计测量管道内传送设备300的速度，并且陀螺仪测量管道内传送设备300移动的方向。因此，使用光学流量传感器的非接触式计程仪100测量管道内传送设备300的移动距离。非接触式计程仪100将在下面进行解释。

管道内传送设备300还可以包括：无线通信设备350，其通过与设置在地下管道500内预定位置的通信模块610、620、630和640（参照图2）进行通信来获取地理信息；和摄像机，其获取地下管道500的内部视觉数据。该摄像机获取地下管道500的内部视频数据，并且确定要维修的管道的位置和情况，因此能够便利和准确地维修和管理管道内部。

为了在持续流动条件下进行操作，管道内传送设备300至少在10kg/cm²的情况下可以防水。

图2为示出了根据本发明的一个示例性实施方式的具有浮动体的绘图设备的立体图。

根据本发明一个示例性实施方式的管道内传送设备300被插入设置在地下管道500内的空气通风孔中。管道内传送设备300的直径小于地下管道500的直径，因此可以根据流体流动方向在管道内移动。

管道内传送设备300的检测单元310利用有源传感器320、绘图传感器330、计程仪、或非接触式计程仪，通过测量用于计算三维地理信息的管道内传送设备300的加速度、角度加速度和运行距离，来测量管道内传送设备300移动的方向和距离。利用检测单元310获取的数据和与管道内传送设备300的入口和出口相关的通过全球定位系统（GPS）获得的地理信息相组合，因此利用管道内传送设备300的轨迹和该组合信息来测量和绘制地下管道500所处的二维位置和深度。如果在管道内传送设备300中安装有摄像机，则可以通过组合管道内的视频数据和地理信息来创建数据库。

由于地下管道500通常使用金属制成，不均匀地生成电波。因此，管道内传送设备300需要存储单元340来存储检测单元310测量的数据。

无线通信设备350安装于管道内传送设备300上，与设置在管道内传送设备300的入口和出口之间的中间部分上的无线设备进行通信，以获取用于补偿的地理信息。无线设备可以是例如射频识别（RFID）610，可以是与无线个人局域网（WPAN）（例如Zigbee通信模块）相连接的通信设备620，可以是通道传感器模块630，可以是具有流体转换阀的通信模块640，或者可以是具有观察监视传感器的通信模块650。

对一个设备绘图的操作包括以下操作：加载管道内传送设备300的存储单元340中存储的测量值,将管道内传送设备300的入口、出口和中间部分的地理信息与基于从传感器获取的数据估计的地理信息相组合,计算相应部分的三维地理信息，以及创建数据库。

如果三维管道网络图与地理信息系统（GIS）、应用RFID技术的阀和管道数据、管道内监视图像数据、或管道内监视传感器的实时数据相交互，则可以构造一个管理地下管道的系统。

实施本发明的方式

为了更加准确地给管道绘图，重要的是测量管道内传送设备300的运行距离。管道内传送设备300可以被构造为在不切断水流情形下使用的浮动体。如果使用接触式计程仪，则可能会产生相当大的误差。因此，优选使用非接触式计程仪。

利用光学传感器的计程仪作为代表性的非接触式计程仪在表1中示出。

表1

[表1]

[表]

图3为示出了一设备的示意图，其中三个光学计程仪安装在利用光学鼠标的光学计程仪的可移动机器人的底部上，图4为示出了图1的装置的侧剖视图。

可移动机器人主体1包括便于移动的多个轮2，以及在可移动机器人主体1底部上的三个光学计程仪10。为了修正由轮驱动计程仪的滑动所导致的误差，设置有多个光学计程仪10。

参考图4，汇聚从光学计程仪10发出的光线的光学流量传感器13设置在可移动机器人主体1的中央，收集反射光的透镜单元12设置在光学流量传感器13的前表面上。光学流量传感器13可以简单地实施为光学流量传感器芯片，例如安华高科技公司（AVAGO TECHNOLOGIES）的ADNS-6010芯片，该芯片用于计算机的光学鼠标中。光学流量传感器芯片（例如ADNS-6010）包括接收光线的图像获取系统，以及将获取的图像作为数字信号处理并计算具有传感器单元的移动单元移动的方向和距离的数字信号处理系统，从而实现光学导航技术。这些技术与主要技术没有关联，因此省略其具体说明。

参考图5，如果计程仪和地面之间的距离在非平坦表面的A、B和C之间变化，那么激光束的发射轴线与激光束的接收轴线则会不对应。在地面A和B上，光学传感器13的检测区域13a和13b检测反射到地面的区域11a和11b，因此可以测量运行距离。然而，在地面C，由激光束反射的区域11c与该传感器监测的区域13c不对应，使得光学流量传感器不能形成地面的图像。因此，如果激光束的发射轴线和接收轴线彼此不对应，可以在地面A和B之间测量运行距离。

图6为示出了根据本发明一个示例性实施方式的非接触式计程仪100的示意图。

根据本发明一个示例性实施方式的非接触式计程仪100包括激光器单元110、分束器200、和光学流量传感器130。

激光器单元110包括激光二极管和光束准直仪。激光二极管发射具有预定波长的激光束，光束准直仪校准由激光二极管发出的激光束，使其成为具有预定勘测区域110a、110b、110c的平行激光束，使得激光束的勘测区域110a、110b、110c大于由光学流量传感器130检测的检测区域130a、130b、130c。

光学流量传感器130的光接收表面被设置为与激光器单元110以预定间隔分离，并与激光器单元110发射的激光束的光轴垂直。光学流量传感器130连接到数字信号处理系统（未示出），该系统处理从光学流量传感器130输出的光电信号，并以光学导航方式计算位置变化。光学流量传感器13可以实施为光学流量传感器芯片，例如安华高科技公司（AVAGO TECHNOLOGIES）的ADNS-6010芯片，该芯片用于计算机的光学鼠标中。光学流量传感器芯片包括接收光线的图像获取系统，以及将获取的图像作为数字信号处理并计算具有传感器单元的移动单元移动的方向和距离的数字信号处理系统。光学流量传感器的结构和操作是本领域技术人员所公知的，因此省略其具体说明。

在由激光器单元110发射的激光束的光轴上设置有分束器200，分束器200将激光器单元110发射的激光束反射到与光学流量传感器130的光接收表面相对的地面表面，并且使被地面表面反射的光线透过至光学流量传感器130的光接收表面。

更具体地，图6中的附图标记110a、110b、110c代表当在光学流量传感器130和地面表面之间的距离如A、B、C指示的变化时，激光束的照射区域，并且附图标记130a、130b、130c代表在这一时刻光学流量传感器的检测区域。根据上述结构，照射区域110a、110b、110c重叠在激光束和光学流量传感器130的检测区域130a、130b、130c上，而不管光学流量传感器130和地面表面之间的距离如何，因此光学流量传感器130能够正常检测激光束。

图7为示出了根据本发明一个示例性实施方式，当非偏振分束器被用作计程仪时的光线传输效率的视图。假定图5的分束器的光学传输表面210提供50%的反射率和透射率。

如果假定激光器单元110发射的激光束①的强度是100%，则50%透射①’过分束器200，50%被反射，因此照射到地面表面的激光束②的强度是50%。如果假设地面表面的反射率是100%，从地面表面反射的光束③的50%被分束器200反射③’，因此发射到剩下的光学传感器130的光束④的强度是初始激光束①的25%。进入光学流量传感器130的光束的强度根据分束器200的反射率和透射率（假定为50%）以及地面反射率（假定为100%）而变化，但是从激光器单元110发射出的初始激光束的强度可被减小到25%。

图8为示出了根据本发明另一示例性实施方式，当偏振分束器200’和四分之一波片220被用作计程仪时改进的光线传输效率的视图。

假定激光器单元110’发射P相的激光束，偏振分束器200’反射100%P相，并且透射100%S相。如果假定从激光器单元110输出的P相激光束

的强度为100%，则全部P相激光束，如

所示被反射，保持100%的强度。从四分之一波片220（透射率为100%）透射的光束（P+λ/4）被地面表面（反射率为100%）反射，如

所示。被地面表面反射的光束d透射过四分之一波片220，变为S相激光束

100%的S相激光束

从偏振分束器透射，并准直进入光学流量传感器130。

进入光学流量传感器130的光束的强度随着分束器200’的反射率和透射率（假设为100%）和四分之一波片220的透射率（假设为100%），以及地面的反射率（假设为100%）而变化，但是激光器单元110’发射的光束强度最大化为100%。

尽管已经示出并说明了当前总的发明构思的一些实施方式，但本领域技术人员会意识到，在不脱离总的发明构思的原则和精神下可以对这些实施方式做出变化，总的发明构思的范围被限定在附加的权利要求及其等价物中。

工业应用性

本发明的示例性实施方式可以用于测量地下管道的三维地理信息，因此非接触式计程仪可以用于计算移动设备（例如汽车或可移动机器人）的运行距离。

Claims (4)

1.一种非接触式计程仪，该计程仪包括：

发射具有预定照射区域的平行激光束的激光器单元；

与所述激光器单元发射的激光束的光轴垂直设置的传感器单元；以及

分束器，该分束器设置在所述激光器单元和所述传感器单元的光轴上，以便将所述激光器单元发射的所述激光束反射到地面，并将所述地面反射的所述激光束透射到所述传感器单元。

2.如权利要求1所述的计程仪，其中所述传感器单元包括：

光学流量传感器，该光学流量传感器包括检测所述激光束的光接收表面；以及

数字信号处理系统，该数字信号处理系统将从所述光学流量传感器输出的光电信号处理为数字信号，并且使用光学导航来计算位置的变化。

3.如权利要求2所述的计程仪，其中所述分束器反射由所述激光器单元发射的线性偏振光，并且透射经过半波长延迟的所述线性偏振光。

4.如权利要求2所述的计程仪，其中四分之一波片被进一步设置在从所述偏振分束器反射到地面的光的光路上。

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