CN103743379B - 一种管道检测器姿态检测方法及其检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种管道检测器姿态检测方法及其检测装置，其中方法包括：在姿态准备阶段，以陀螺解算的检测器周向角为基准信息，修正倾角传感器解算的周向角的误差得到修正后的倾角传感器角度补偿输出在检测器运行阶段，以经过修正后的倾角传感器角度补偿输出为基准，实时估计陀螺的漂移误差ε，修正陀螺信息解算的周向角得到修正后的检测器的周向角所述装置包括姿态准备组合解算单元和检测器运行组合解算单元。本发明将陀螺信息、三个轴向重力信息进行融合，进而解算管道检测器的姿态信息，该装置体积小、功耗低、适应管道检测器各种轨迹需求，该检测方法无需和其他装置组合使用，可在长时间检测任务中保证姿态精度。

Description

一种管道检测器姿态检测方法及其检测装置

技术领域

本发明涉及一种管道检测器姿态检测方法及其检测装置，属于管道检测技术领域。

背景技术

管道检测器姿态检测装置为检测器提供管道缺陷的角位置信息，是管道缺陷检测不可缺少的检测信息。当前管道检测器姿态检测方法主要有两种，一种方法是采用三轴陀螺和三轴加速度计组成惯性测量系统测量管道检测器的姿态信息，但此方法解算的姿态误差随时间发散，必须和其他装置进行组合使用，且系统体积大、功耗高，不利于管道检测器的任务需求；一种方法是采用三轴重力传感器组成的姿态检测系统，利用三个轴向的重力信息解算姿态，但此姿态检测系统在检测器接近垂直时角度失效，无法满足管道检测任务需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供了一种管道检测器姿态检测方法及其检测装置。

本发明的技术解决方案：

一种管道检测器姿态检测方法，其包括以下步骤：

在姿态准备阶段，以陀螺解算的检测器周向角为基准信息，修正倾角传感器解算的周向角的误差得到修正后的倾角传感器解算的检测器周向角：

在检测器运行阶段，以经过修正后的倾角传感器解算的检测器周向角为基准，实时估计陀螺的漂移误差ε，修正陀螺解算的周向角得到修正后的检测器的周向角：t为采样间隔。

所述方法还包括根据倾角传感器测量的重力加速度信息解算检测器的周向角：其中，g_y为Y轴重力加速度信息，g_z为Z轴重力加速度信息。

所述方法还包括用陀螺测量的检测器角速度w_g积分解算检测器的周向角：其中，为t0时刻陀螺解算的周向角。

所述倾角传感器解算的周向角的误差为：其中，为估计的误差系数， 为倾角传感器解算的检测器周向角和陀螺解算的检测器周向角的差值。

陀螺的漂移误差ε为：其中，为倾角传感器解算周向角和陀螺解算周向角的差值。

一种管道检测器姿态检测装置，包括：

姿态准备组合解算模块，用于在姿态准备阶段，以陀螺解算的检测器周向角为基准信息，修正倾角传感器解算的周向角的误差，得到修正后的倾角传感器解算的周向角：

检测器运行组合解算模块，与所述姿态准备组合解算模块连接，用于在检测器运行阶段，接收所述姿态准备组合解算模块输出的倾角传感器解算的周向角并以为基准，实时估计陀螺的漂移误差ε，修正陀螺解算的周向角得到修正后的检测器的周向角：t为采样间隔。

所述装置还包括倾角传感器解算单元，用于根据倾角传感器测量的重力加速度信息解算检测器的周向角：其中，g_y为Y轴重力加速度信息，g_z为Z轴重力加速度信息，并将传输给所述姿态准备组合解算模块。

所述装置还包括陀螺解算单元，用于将陀螺测量的检测器角速度w_g积分解算检测器的周向角：其中，为t0时刻陀螺解算的周向角，并将传输给姿态准备组合解算模块和检测器运行组合解算模块。

所述姿态准备组合解算模块，包括倾角传感器解算误差计算单元和倾角传感器解算误差修正单元：其中，

所述倾角传感器解算误差计算单元与所述倾角传感器解算单元和陀螺解算单元连接，用于计算所述倾角传感器解算的周向角的误差：其中，为检测器周向角，为估计的误差系数， 为倾角传感器解算的检测器周向角和陀螺解算的检测器周向角的差值；

倾角传感器解算误差修正单元与所述倾角传感器解算单元和所述倾角传感器解算误差计算单元连接，用于修正倾角传感器解算的检测器周向角误差。

所述检测器运行组合解算模块包括陀螺解算误差计算单元和陀螺解算误差修正单元，其中，

陀螺解算误差计算单元与所述陀螺解算单元和倾角传感器解算误差修正单元连接，用于计算陀螺的漂移误差ε：漂移误差ε的估计方程为：其中，为倾角传感器解算周向角和陀螺解算周向角的差值，ε为陀螺的漂移误差；

陀螺解算误差修正单元与陀螺解算单元和陀螺解算误差计算单元连接，用于修正陀螺解算的检测器周向角误差，得到管道检测器经修正后的周向角其中，为陀螺测量值解算的周向角；ε为陀螺漂移误差；t为采样间隔。

本发明与现有技术相比的有益效果：

本发明利用单轴陀螺和三轴重力传感器信息，将陀螺信息、三个轴向重力信息进行融合，进而解算管道检测器的姿态信息。首先对倾角传感器角度误差进行修正，在后续检测工作中，以修正后的倾角传感器角度为参考，修正陀螺随时间漂移的误差，使信息互用，达到姿态角实时修正的目的。本发明与现有技术相比具有方法简单、无需和其他信息组合使用，精度高，适应管道检测器各种轨迹需求、适应长时间检测任务需求。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种管道检测器姿态检测方法流程图；

图2为本发明一种管道检测器姿态检测装置结构示意图；

图3为本发明一种管道检测器姿态检测方法另一种方法示意图；

图4为本发明一种管道检测器姿态检测方法另一种结构示意图；

图5为本发明姿态准备组合解算方法流程图；

图6为本发明检测器运行组合解算方法流程图；

图7为本发明地理坐标系示意图；

图8为本发明地理坐标系向载体坐标系转化示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。

在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的设备结构和／或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

下面参照附图对本发明的实施例进行说明。

一种管道检测器姿态检测方法，如图1所示，该检测方法融合单轴陀螺信息、三个轴向重力信息进行管道检测器姿态解算。本发明充分利用姿态系统内部传感器信息，依据陀螺误差在初始阶段短时间内变化不大的特点，首先在初始阶段利用陀螺测量的检测器角度对倾角传感器测量的检测器角度误差进行修正，在后续检测工作中，以修正后的倾角传感器测量的检测器角度为参考，修正陀螺随时间漂移的误差，使信息互用，将陀螺信息、三个轴向重力信息进行融合，进而解算管道检测器的姿态信息。

本发明中对参考坐标系及角度做以下定义。

1.坐标系定义

1)如图7所示，地理坐标系中心点为检测器载体中心，N、E、D分另为北-东-地坐标系。

2)在地理坐标系N-E-D坐标系中建立载体坐标系X-Y-Z。载体坐标系与地理坐标系的关系如图1所示。姿态检测系统坐标系中心点为载体中心，OX轴沿纵轴向前，OY轴在姿态旋转横截平面内指向右方，OZ轴在姿态旋转横截平面内指向下方，X、Y、Z遵循右手定则。

2.角度定义，在上述参考坐标系定义下，定义在参考坐标系下的角度。

检测器的周向角，姿态旋转横截面内Z轴与时针为6点钟方向的夹角(即Y轴与水平面的夹角)，值域(0°，360°)，极性定义为顺时针为正。

θ：检测器的倾角，载体x轴与水平面间的夹角，值域(-90°，+90°)，极性定义为抬头为正，低头为负。

检测器的周向角和检测器的倾角统称为检测器的姿态角，检测器的周向角是组合解算的主要参数。

3.误差模型建立，根据陀螺及倾角传感器误差特性分析，分别建立它们的误差模型，即对陀螺测量的检测器姿态角的误差和倾角传感器测量的检测器姿态角的误差建立误差模型。陀螺的误差模型为公式(1)，为组合解算提供依据。

其中，为陀螺测量的检测器周向角与检测器的周向角真实值之差；ε为陀螺漂移误差。

倾角传感器解算的周向角常值误差模型为公式(2)，在组合解算前对此常值误差进行估计。

其中，为倾角传感器测量的检测器周向角与检测器周向角真实值之差；为检测器的周向角；A，B，C为误差系数。

下面介绍本发明的步骤：

如4图所示：

步骤一、利用倾角传感器测量的重力加速度信息解算检测器的周向角和检测器的倾角θ。

根据导航学中的欧拉定理，载体在空间中的姿态可用载体坐标系相对于地理坐标系有限次的转动来表示，每次转动的角度即为方位角、倾角和面向角。这样，起始时地理坐标系与载体坐标系重合(N与X轴、E与Y轴、D与Z轴相对应)，随后载体绕D轴旋转α角，绕E轴旋转θ角，绕N轴旋转角，就得到载体当前的坐标系。旋转过程如图8所示。根据欧拉定理，地理坐标系与载体坐标系的转换可用以下公式表示：

则由上式可得出解算角度与传感器测量值关系：

其中，g_x为X轴重力加速度信息。

其中，g_y为Y轴重力加速度信息，g_z为Z轴重力加速度信息。

检测器的倾角θ在下面步骤中不参加计算，但随和信号流转，最后和检测器周向角一同输出。

步骤二：陀螺信息解算检测器周向角利用陀螺测量的检测器角速度w_g信息积分获取检测器周向角

其中，为t₀时刻陀螺解算的周向角，w_g为陀螺角速率测量值。

步骤三，姿态准备组合解算修正。

如图5所示，在姿态检测准备阶段(简称“姿态准备”，指系统通电后，姿态检测器正常工作前)对倾角传感器解算的检测器周向角常值误差进行校正。

因为在系统通电后，姿态检测装置正常工作前的短时间内由陀螺解算的检测器周向角误差很小，可以其作为参考值修正由倾角传感器解算的检测器周向角误差。倾角传感器解算的周向角误差是符合式(3)的变化规律，并且误差修正后不随时间变化，因此在姿态准备阶段估计式(3)的误差系数并对其修正。不同系统中，姿态准备时间不同，本实施例中姿态准备时间为t=10秒。

根据陀螺及倾角传感器误差模型式(1)和式(2)，进行解算准备。解算准备以陀螺解算的周向角为基准信息，修正倾角传感器解算的周向角的误差。选取若干个陀螺解算的检测器周向角作为参考信息，基于倾角传感器误差模型式(2)进行曲线拟和。曲线拟和矩阵为：

其中，

为估计的误差系数，为倾角传感器解算周向角和陀螺解算周向角的差值。

则倾角传感器解算的周向角经补偿输出为：

倾角传感器角度补偿输出为式(16)：

其中，倾角传感器角度补偿后输出；为倾角传感器角度测量输出；倾角传感器角度测量值与真实值之间的差值。

本实施例中选取12个测试点，为式(14)即

其中，为倾角传感器解算周向角和陀螺解算周向角的差值。

步骤四，检测器运行解算修正。

如图6所示，姿态准备好后，检测器开始正常运行，根据倾角传感器误差特性，其解算的周向角经修正后不随时间漂移。因此以经修正后倾角传感器解算的周向角输出作为参考值，实时估计陀螺漂移误差，修正陀螺信息解算的周向角进而输出修正后的周向角

根据陀螺误差模型，采用Kalman(卡尔曼)滤波器实时估计陀螺漂移，进而修正陀螺误差，保证载体全程运行轨迹下误差在可控范围内。Kalman滤波器模型选取周向角误差(倾角传感器解算的周向角与陀螺解算的周向角之差)和陀螺漂移误差为状态变量，选取姿态角误差作为观测量。

状态方程与观测方程为式(5)和(6)。按照Kalman滤波的递推方程进行递推估计。由递推方程估计出由式(7)计算出组合后的检测器周向角

状态方程为：

即：

其中，

此处的姿态准备阶段经修正后的倾角传感器角度补偿后输出。

观测方程为：

其中，H=[1 0]；

此处的为姿态准备阶段经修正后的倾角传感器角度补偿后输出。ε为陀螺漂移误差。

检测器周向角经补偿输出为：

其中，为陀螺测量值解算的周向角；ε为陀螺漂移误差；t为采样间隔。

本发明还提供了一种管道检测器姿态检测装置，如图2和图3所示，包括：姿态准备组合解算模块、检测器运行组合解算模块、倾角传感器解算单元、陀螺解算单元。所述姿态准备组合解算模块包括倾角传感器解算误差计算单元和倾角传感器解算修正单元，检测器运行组合解算模块包括陀螺解算误差计算单元和陀螺解算误差修正单元。

其中，所述姿态准备组合解算单元，用于在姿态准备阶段，以陀螺解算的检测器周向角为基准信息，修正倾角传感器解算的周向角的误差得到修正后的倾角传感器角度补偿输出

倾角传感器解算误差计算单元，与倾角传感器解算单元和陀螺解算单元连接，用于根据公式(2)计算所述倾角传感器解算的周向角的误差

选取若干个陀螺解算的检测器周向角作为参考信息，基于倾角传感器误差模型式(2)进行曲线拟和。曲线拟和矩阵为：

其中，

其中，为估计的误差系数，为倾角传感器解算周向角和陀螺解算周向角的差值。

本实施例中12个测试点，为式(14)即

其中，为倾角传感器解算周向角和陀螺解算周向角的差值。

本实施例中选择12个测试点，则曲线拟和矩阵为：

倾角传感器解算误差修正单元与所述倾角传感器解算单元和所述倾角传感器解算误差计算单元连接，用于修正倾角传感器解算的检测器周向角误差。

则倾角传感器解算的周向角经补偿输出为：

倾角传感器角度补偿输出为式(16)：

其中，倾角传感器角度补偿后输出；

为倾角传感器角度测量输出；

倾角传感器角度测量值与真实值之间的差值。

所述检测器运行组合解算单元，与所述姿态准备组合解算单元连接，用于在检测器运行阶段，接收所述姿态准备组合解算单元输出的补偿后的并以为基准，实时估计陀螺的漂移误差ε，修正陀螺信息解算的周向角得到修正后的检测器的周向角t为采样间隔。

所述陀螺解算误差计算单元，与陀螺解算单元和姿态准备解算单元连接，用于计算陀螺的漂移误差ε。根据陀螺误差模型，采用Kalman(卡尔曼)滤波器实时估计陀螺漂移，进而修正陀螺误差，保证载体全程运行轨迹下误差在可控范围内。Ka1man滤波器模型选取周向角误差(倾角传感器解算的周向角与陀螺解算的周向角之差)和陀螺漂移误差为状态变量，选取姿态角误差作为观测量。

状态方程与观测方程为式(5)和(6)。按照Ka lman滤波的递推方程进行递推估计。由递推方程估计出由式(7)计算出组合后的检测器周向角

状态方程为：

即：

其中，

此处的姿态准备阶段经修正后的倾角传感器角度补偿后输出。

观测方程为：

其中，H=[1 0]；此处的为姿态准备阶段经修正后的倾角传感器角度补偿后输出。ε为陀螺漂移误差。

陀螺解算误差修正单元与陀螺解算单元和陀螺解算误差计算单元连接，用于修正陀螺解算的检测器周向角误差，得到管道检测器的周向角

检测器周向角经补偿输出为：

其中，为陀螺测量值解算的周向角；ε为陀螺漂移误差；t为采样间隔。

倾角传感器解算单元，用于接收倾角传感器测量的检测器重力加速度信息，根据倾角传感器测量的重力加速度信息解算检测器的周向角

其中，g_y为Y轴重力加速度信息，g_z为Z轴重力加速度信息。倾角传感器解算单元将解算的检测器的周向角倾角传感器解算误差计算单元。

陀螺解算单元，用于接收陀螺测量的检测器角速度w_g，利用公式(12)将陀螺测量的检测器角速度w_g积分解算为检测器的周向角传输给倾角传感器解算误差计算单元和陀螺解算误差计算单元。

其中，为t0时刻陀螺解算的周向角，w_g为陀螺测量的检测器角速率值。

本发明的实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种管道检测器姿态检测方法，其特征在于包括以下步骤：

在姿态准备阶段，以陀螺解算的检测器周向角为基准信息，修正倾角传感器解算的检测器周向角的误差得到修正后倾角传感器解算的检测器周向角：

在检测器运行阶段，以经过修正后的倾角传感器解算的检测器周向角为基准，实时估计陀螺的漂移误差ε，修正陀螺解算的检测器周向角得到修正后的检测器周向角：t为采样间隔。

2.根据权利要求1所述的一种管道检测器姿态检测方法，其特征在于所述方法还包括根据倾角传感器测量的重力加速度信息解算倾角传感器解算的检测器周向角：其中，g_y为Y轴重力加速度信息，g_z为Z轴重力加速度信息。

3.根据权利要求1所述的一种管道检测器姿态检测方法，其特征在于所述方法还包括用陀螺测量的检测器角速度w_g积分解算所述陀螺解算的检测器周向角：其中，为t₀时刻陀螺解算的检测器周向角。

4.根据权利要求1所述的一种管道检测器姿态检测方法，其特征在于所述倾角传感器解算的检测器周向角的误差为：其中，为估计的误差系数，为检测器周向角， 为倾角传感器解算的检测器周向角和陀螺解算的检测器周向角的差值，为第1-n个测试点的陀螺解算的检测器周向角。

5.根据权利要求1所述的一种管道检测器姿态检测方法，其特征在于陀螺的漂移误差ε为：其中，为倾角传感器解算的检测器周向角和陀螺解算的检测器周向角的差值。

6.一种管道检测器姿态检测装置，其特征在于所述装置包括：

姿态准备组合解算模块，用于在姿态准备阶段，以陀螺解算的检测器周向角为基准信息，修正倾角传感器解算的检测器周向角的误差，得到修正后的倾角传感器解算的检测器周向角： 为倾角传感器测量的检测器周向角与检测器周向角真实值之差；

检测器运行组合解算模块，与所述姿态准备组合解算模块连接，用于在检测器运行阶段，接收所述姿态准备组合解算模块输出的修正后的倾角传感器解算的检测器周向角并以为基准，实时估计陀螺的漂移误差ε，修正陀螺解算的检测器周向角得到修正后的检测器周向角：t为采样间隔。

7.根据权利要求6所述的一种管道检测器姿态检测装置，其特征在于所述装置还包括倾角传感器解算单元，用于根据倾角传感器测量的重力加速度信息解算所述倾角传感器解算的检测器周向角：其中，g_y为Y轴重力加速度信息，g_z为Z轴重力加速度信息，并将传输给所述姿态准备组合解算模块。

8.根据权利要求7所述的一种管道检测器姿态检测装置，其特征在于所述装置还包括陀螺解算单元，用于将陀螺测量的检测器角速度w_g积分解算所述陀螺解算的检测器周向角：其中，为t₀时刻陀螺解算的检测器周向角，并将传输给姿态准备组合解算模块和检测器运行组合解算模块。

9.根据权利要求8所述的一种管道检测器姿态检测装置，其特征在于所述姿态准备组合解算模块，包括倾角传感器解算误差计算单元和倾角传感器解算误差修正单元：其中，

所述倾角传感器解算误差计算单元与所述倾角传感器解算单元和陀螺解算单元连接，用于计算所述倾角传感器解算的检测器周向角的误差：其中，为检测器周向角，为估计的误差系数， 为倾角传感器解算的检测器周向角和陀螺解算的检测器周向角的差值，为第1-n个测试点的陀螺解算的检测器周向角；

倾角传感器解算误差修正单元与所述倾角传感器解算单元和所述倾角传感器解算误差计算单元连接，用于修正倾角传感器解算的检测器周向角误差。

10.根据权利要求9所述的一种管道检测器姿态检测装置，其特征在于所述检测器运行组合解算模块包括陀螺解算误差计算单元和陀螺解算误差修正单元，其中，

陀螺解算误差计算单元与所述陀螺解算单元和倾角传感器解算误差修正单元连接，用于计算陀螺的漂移误差ε：漂移误差ε的估计方程为：其中，为倾角传感器解算的检测器周向角和陀螺解算的检测器周向角的差值，ε为陀螺的漂移误差；

陀螺解算误差修正单元与陀螺解算单元和陀螺解算误差计算单元连接，用于修正陀螺解算的检测器周向角误差，得到管道检测器经修正后的周向角其中，为陀螺解算的检测器周向角；ε为陀螺漂移误差；t为采样间隔。