CN107063119B - 管道内壁形貌和中心轴直线度测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光电检测技术领域，为能够同时测量管道内壁3D形貌和中心轴直线度，并对结果进行输出显示，得到准确的管道内壁形貌数据，从而精确地还原管道内壁形貌，提高管内壁形貌及中心轴直线度测量精度。本发明，管道内壁形貌和中心轴直线度测量装置和方法，借助预调装置、激光扫描模块、位姿检测模块和驱动模块实现，激光扫描模块和位姿检测模块刚性连接，相对位置确定，设有适度胀紧装置，两模块组成系统检测装置，由爬行器驱动，沿管道内壁接触式连续爬行，激光扫描模块由激光测头和旋转电机组成；位姿检测模块由管口激光器组、姿态探测器组和拉线位移传感器组成；驱动模块中包含爬行器。本发明主要应用于管道光电检测场合。

Description

管道内壁形貌和中心轴直线度测量装置和方法

技术领域

本发明涉及光电检测技术领域，具体讲,涉及管道内壁形貌和中心轴直线度测量。

背景技术

随着国民经济与科学技术的进步，各类管道被广泛应用于诸多领域，例如军事、冶金、石油及化工行业中。管道在使用过程中可能发生锈蚀、脆断、裂纹、蠕变等损坏，而因为生产环境和加工技术等条件的制约，一些管道工件在成型之初就存在一定的弯度。管道质量的优劣与经济利益直接相关，更关系到相关应用领域的安全问题，所以，对管道进行定期质量检测显得尤为重要。

其中，管道内壁3D形貌和中心轴直线度情况能够最为直观地反映管道质量问题，而目前已经公开的管道内壁检测系统在功能上不能兼顾，只测量管道内壁三维形貌或者只测量管道中心轴直线度，系统设计往往结构复杂但功能单一。此外，直接以检测装置测得的数据作为最后结果，忽略了装置本身姿态偏差和局部接触误差的影响，使得整个测量系统不够完整，测量方法不够严谨，测量结果存在较大误差。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种管道内壁形貌及中心轴直线度测量方法，能够同时测量管道内壁3D形貌和中心轴直线度，并对结果进行输出显示。对目前管道内壁形貌及直线度检测方法中由于检测装置自身位姿偏差和局部接触误差而引起的测量结果误差，通过位姿检测模块对测得的管内壁形貌数据进行修正补偿，得到准确的管道内壁形貌数据，从而精确地还原管道内壁形貌，并通过内壁包络求得管道中心轴直线度，消除了检测装置本身姿态偏差和局部接触误差的影响，提高了管内壁形貌及中心轴直线度测量精度。本发明采用的技术方案是，管道内壁形貌和中心轴直线度测量方法，步骤如下：

(1)由激光扫描模块完成管道内壁径向数据的初步测量，激光扫描模块包括激光测头和旋转电机：激光测头由旋转电机带动进行旋转扫描，完成其回转中心到管道内壁径向尺寸的测量，旋转电机自带角度编码器，实时测出激光测头的周向角度位置；

(2)由位姿检测模块完成激光测头位姿检测，位姿检查模块包括激光器组和姿态探测器组：激光器组固定在管道口，各激光器发射激光束垂直入射到对应的姿态探测器靶面，根据激光斑在靶面上位置坐标的变化计算得出激光测头姿态变化，拉线位移传感器实时标定激光测头轴向位置；

(3)正向测量阶段，爬行器推动检测装置轴向移动，实现位姿探测器组、旋转电机和激光测头的整体轴向移动；

(4)返程阶段，爬行器反向爬行，带动检测装置返回；

(5)激光扫描模块和位姿检测模块测得的数据由各自下位机传输到上位机中，上位机调用数据处理模块软件，根据位姿检测模块测得的位姿信息，对特定轴向位置处的径向数据作修正处理，得到准确的管道内壁包络，进而得到管道内壁3D形貌，根据管道内壁截面信息求出管道中心轴直线度；

(6)输出检测结果，在显示器上直接显示管道内壁3D形貌和中心轴直线度数据。

步骤(1)开始前，先要完成检测装置预调整，然后将激光器组固定于管道口，调整激光束与中心探测器靶面的相对位置，使激光束垂直入射到探测器靶面中心域。

激光扫描模块和位姿检测模块刚性连接并设有适度胀紧装置，二者组成一个整体检测装置，位姿检测模块检测到的姿态数据即为激光测头的姿态信息。

步骤(1)中激光测头测量的方式有两种，一种是爬行器连续驱动，激光测头连续测量并采集数据，另一种是爬行器移动到某一位置停止，激光测头旋转扫描一周停止，爬行器移动到下一位置后，激光测头再进行下一次旋转扫描。

步骤(1)中旋转电机自带角度编码器，角度信号可与径向数据同步输出。

姿态探测器是CCD、CMOS或PSD传感器，所有探测器前皆不使用镜头，直接通过探测器靶面接收激光光斑。

激光扫描模块和位姿检测模块采集的数据会通过下位机中内部时钟控制同步锁存，再经由下位机传输给上位机；数据处理模块中针对多种姿态探测器，都有对应的数据处理方法，用以求取姿态信息。

在一个具体实例中：

姿态的变化通过激光斑在姿态探测器靶面坐标位置的变化求出，激光器2和激光器3之间的距离恒定为L，激光器1与激光器2、3的垂直距离为位姿探测器组中各探测器位置与激光器组中各激光器一一对应；经过调整，理想状态下初始测量时激光斑在探测器靶面位置确定，建立坐标系，设三个光斑在靶面原始坐标分别为O₁(x₁，y₁)，O₂(x₂，y₂)，O₃(x₃，y₃)，并设O₂、O₃连线中点为O₄(x₄，y₄)，则测量过程中姿态变化主要有以下几种情况：

(1)面内平移：若激光测头沿径向发生位移，以x轴负方向为例，则激光斑位置相对探测器靶面向x轴正方向移动，此时三个光斑在靶面位置变化为:

A₁(x₁′，y₁′)，A₂(x₂′，y₂′)，A₃(x₃′，y₃′)

位移量为：

Δx＝x₁′-x₁＝x₂′-x₂＝x₃′-x₃

若测头沿x轴正方向、y轴正负方向发生平移运动，位移量的求取方法相同；

(2)俯仰运动：若激光测头绕x轴发生转动，此时三个光斑在靶面位置变化为：

B₁(x₁′，y₁′)，B₂(x₂′，y₂′)，B₃(x₃′，y₃′)，B₂、B₃中点为B₄(x₄′，y₄′)

俯仰角α的求取：假设三个靶面绕x轴偏转α的角度，激光斑在靶面上y坐标值发生变化，Δy₁≠Δy₂＝Δy₃，且Δy₂＝Δy₃＝Δy₄。设则根据y坐标值的大小即可求出α，具体方法如下：

L的长度固定不变，所以：

若测头绕反方向偏转，求取方法同上，只需比较Δy₁、Δy₂的大小，所以上式最终表示为：

(3)偏航运动：若激光测头绕y轴发生旋转，此时三个光斑在靶面位置变化为：

C₁(x₁′，y₁′)，C₂(x₂′，y₂′)，C₃(x₃′，y₃′)；

偏航角β求取：假设三个靶面绕y轴偏转β的角度，激光斑在靶面上x坐标值发生变化，且Δx₁≠Δx₂≠Δx₃，设根据x坐标值的大小即可求出β，具体方法如下：

Δx₂＝|x₂-x₂′|，Δx₃＝|x₃-x₃′|，L′₂＝(L+Δx₃-Δx₂)

L的长度固定不变，所以：

若测头绕反方向偏转，求取方法相同，只需比较Δx₂、Δx₃的大小，所以上式最终表示为：

(4)横滚运动。若激光测头绕z轴发生转动，此时三个光斑在靶面位置变化为：

D₁(x₁′，y₁′)，D₂(x₂′，y₂′)，D₃(x₃′，y₃′)；

横滚角γ求取原理：此时假设三个靶面绕z轴旋转γ的角度，激光斑在靶面上x、y坐标值都发生变化，且有：

Δx₁＝Δx₂＝Δx₃,Δy₁＝Δy₂＝Δy₃

求取时可用任意一个激光斑在靶面上的坐标值，求得旋转角度为：

在测量过程中，各机械运动和电气控制都通过下位机内部时钟控制单元控制，时序的总控制以旋转扫描电机的周向角度位置信号为基准依据，保证激光扫描模块测得的(r_i,θ_i)与姿态检测模块测得的一一对应。

管道内壁形貌和中心轴直线度测量装置，包括预调装置、激光扫描模块、位姿检测模块和驱动模块，预调装置包含一个激光器和一个与姿态探测器面积大小相同的靶标，其中预调激光器与激光器组中的激光器完全一致，并安装于激光器组几何中心位置，与其他激光器相对位置固定，仅用作预调整，先将靶标置于管道口，靶面中心调整在管道轴线中心域，再将激光器置于管道外适当位置，使激光束能垂直入射到靶标中心域，然后移动靶标到管道末端，若激光束正常入射到靶面，则预调整完成；若激光束脱靶，则调整激光器位置，使激光束能够再次入射到靶面，再次将靶标移动到管道口，观察激光束是否脱靶，如此反复调整几次，直到激光束始终能够正常入射到靶面，则预调整完成。预调整完成后，将激光器组中其他激光器位置作相应调整，开始进行测量；

激光扫描模块和位姿检测模块刚性连接，相对位置确定，设有适度胀紧装置，两模块组成系统检测装置，可由爬行器驱动，沿管道内壁接触式连续爬行，激光扫描模块由激光测头和旋转电机组成，其中旋转电机自带角度编码器；位姿检测模块由管口激光器组、姿态探测器组和拉线位移传感器组成；驱动模块中包含爬行器。

本发明的特点及有益效果是：

本发明的有益效果在于，将各个测量部分模块化，各模块由各自的下位机通过USB2.0接口与上位机进行独立通信，整个同步测量过程和数据处理过程通过上位机控制，可以同时测量管道内壁3D形貌和中心轴直线度并对结果输出显示。通过设置各模块的采样频率或使用不同的姿态探测器，可以满足不同的测量精度要求。可以根据不同的成本预算，选择不同精度级别的姿态探测器，整个检测系统可以满足民用、商用和军用要求，适用范围广泛。整个测量方法消除了检测装置本身姿态偏差和局部接触误差的影响，完善了管道内壁形貌和中心轴直线度测量系统，提高了测量精度。

附图说明：

图1是测量系统结构框图。

图2是测量系统工作流程图。

图3是激光器组和位姿探测器组布局图。

图4是姿态预测模拟图。

图5是管道内壁形貌还原模拟图。

其中：

图3：

(1)激光器组布局图 (2)位姿探测器组布局图

图4：

(1)原始姿态 (2)面内偏移。

(3)俯仰运动 (4)俯仰角求取原理简图。

(5)偏航运动 (6)偏航角求取原理简图。

(7)横滚运动 (8)横滚角求取原理简图。

图5：

(1)方式一：连续旋转扫描 (2)方式二：步进-停止旋转扫描。

具体实施方式

本发明涉及的一种管道内壁形貌及中心轴直线度测量方法，正式测量之前，先用预调装置进行预调整。预调装置包含一个激光器和一个与姿态探测器面积大小相同的靶标，其中预调激光器与激光器组中的激光器完全一致，并安装于激光器组几何中心位置，与其他激光器相对位置固定，仅用作预调整，先将靶标置于管道口，靶面中心调整在管道轴线中心域，再将激光器置于管道外适当位置，使激光束能垂直入射到靶标中心域，然后移动靶标到管道末端，若激光束正常入射到靶面，则预调整完成；若激光束脱靶，则调整激光器位置，使激光束能够再次入射到靶面，再次将靶标移动到管道口，观察激光束是否脱靶，如此反复调整几次，直到激光束始终能够正常入射到靶面，则预调整完成。预调整完成后，将激光器组中其他激光器位置作相应调整，开始进行测量。

下面结合实施例附图对本发明的测量方法做出详细介绍。

如图1所示，整体测量系统由激光扫描模块、位姿检测模块和驱动模块组成。

激光扫描模块和位姿检测模块刚性连接，相对位置确定，设有适度胀紧装置，两模块组成系统检测装置，可由爬行器驱动，沿管道内壁接触式连续爬行。激光扫描模块由激光测头和旋转电机组成，其中旋转电机自带角度编码器；位姿检测模块由管口激光器组、姿态探测器组和拉线位移传感器组成；驱动模块中包含爬行器。

上位机通过USB2.0接口下发指令和状态参数到两个下位机，其中下位机1控制激光扫描模块，下位机2控制位姿检测模块和驱动模块。下位机1和下位机2调整好内部时钟，通过时序逻辑控制确保测量工作同步进行。激光扫描模块和位姿检测模块采集到的数据通过下位机内部时序控制实现同步锁存，暂存于下位机中，再通过USB2.0接口传输至上位机，由上位机软件的数据处理模块负责数据的处理，输出最后的测量结果并在显示器上显示。

测量工作流程如图2所示。测量开始前，首先通过上位机软件设置系统各部分参数，主要包括激光扫描模块中激光测头采点频率及轴向扫描起始点位置、旋转电机扫描转速，位姿检测模块中位姿探测器采样频率、激光器组脉冲频率和拉线位移传感器取样频率。上位机将各状态参数下发给两个下位机，其中下位机1控制激光扫描模块，下位机2控制位姿检测模块和驱动模块。两下位机调整好内部时钟，以旋转扫描电机的周向角度位置信号为基准依据，各模块同步启动测量工作。

测量工作开始后，激光测头由旋转电机带动进行周向旋转扫描，通过激光三角法精密测量其扫描回转中心到管壁径向距离，在轴向移动过程中，测得一系列管道内壁径向尺寸，作为粗略的管道半径值r输出，同时旋转电机自带角度编码器，可对应测出激光测头旋转角度θ。

与此同时，管道口固定的激光器1、2、3分别发射细平行激光束，垂直入射到对应的位姿探测器1、2、3的靶面，实时计算出各激光斑在对应靶面上的位置，根据位姿检测算法计算得到激光测头的姿态。激光器组布局图如图3(1)所示，位姿探测器组布局图如图3(2)所示。

在轴向移动过程中，姿态变化主要分为面内平移变化和绕轴旋转变化，其中面内平移引起径向偏移，变化量包括Δx、Δy；绕轴旋转是指绕各个自由度上的轴线旋转，包括绕侧轴线(x)的转动角即俯仰角α、绕垂直轴(y)的转动角即偏航角β和绕轴向轴线(z)的转动角即横滚角γ。姿态的变化可以通过激光斑在位姿探测器靶面坐标位置的变化求出。

若经过调整，理想状态下初始测量时激光斑在探测器靶面位置确定，建立坐标系，设三个光斑在靶面原始坐标分别为O₁(x₁，y₁)，O₂(x₂，y₂)，O₃(x₃，y₃)，并设O₂、O₃连线中点为O₄(x₄，y₄)，则测量过程中姿态变化主要有以下几种情况：

(1)面内平移：若激光测头沿径向发生位移，以x轴负方向为例，则激光斑位置相对探测器靶面向x轴正方向移动，此时三个光斑在靶面位置变化为:

A₁(x₁′，y₁′)，A₂(x₂′，y₂′)，A₃(x₃′，y₃′)

位移量为：

Δx＝x₁′-x₁＝x₂′-x₂＝x₃′-x₃

若测头沿x轴正方向、y轴正负方向发生平移运动，位移量的求取方法相同；

(2)俯仰运动：若激光测头绕x轴发生转动，此时三个光斑在靶面位置变化为：

B₁(x₁′，y₁′)，B₂(x₂′，y₂′)，B₃(x₃′，y₃′)，B₂、B₃中点为B₄(x₄′，y₄′)

俯仰角α的求取：假设三个靶面绕x轴偏转α的角度，激光斑在靶面上y坐标值发生变化，Δy₁≠Δy₂＝Δy₃，且Δy₂＝Δy₃＝Δy₄。设则根据y坐标值的大小即可求出α，具体方法如下：

L的长度固定不变，所以：

若测头绕反方向偏转，求取方法同上，只需比较Δy₁、Δy₂的大小，所以上式最终表示为：

(3)偏航运动：若激光测头绕y轴发生旋转，此时三个光斑在靶面位置变化为：

C₁(x₁′，y₁′)，C₂(x₂′，y₂′)，C₃(x₃′，y₃′)。

偏航角β求取：假设三个靶面绕y轴偏转β的角度，激光斑在靶面上x坐标值发生变化，且Δx₁≠Δx₂≠Δx₃，设根据x坐标值的大小即可求出β，具体方法如下：

Δx₂＝|x₂-x₂′|，Δx₃＝|x₃-x₃′|，L′₂＝(L+Δx₃-Δx₂)

L的长度固定不变，所以：

若测头绕反方向偏转，求取方法相同，只需比较Δx₂、Δx₃的大小，所以上式最终表示为：

(4)横滚运动。若激光测头绕z轴发生转动，此时三个光斑在靶面位置变化为：

D₁(x₁′，y₁′)，D₂(x₂′，y₂′)，D₃(x₃′，y₃′)。

横滚角γ求取原理：此时假设三个靶面绕z轴旋转γ的角度，激光斑在靶面上x、y坐标值都发生变化，且有：

Δx₁＝Δx₂＝Δx₃,Δy₁＝Δy₂＝Δy₃

求取时可用任意一个激光斑在靶面上的坐标值。，求得旋转角度为：

在测量过程中，各机械运动和电气控制都通过下位机内部时钟控制单元控制，时序的总控制以旋转扫描电机的周向角度位置信号为基准依据，保证激光扫描模块测得的(r_i,θ_i)与姿态检测模块测得的一一对应。

各模块采集到的数据暂存于下位机中，再通过USB2.0接口传输到上位机。上位机调用数据处理软件，通过位姿检测模块测得的激光测头位姿数据，对测头测得的管道内壁径向数据进行修正补偿，得到一组完整的管道内壁形貌数据(r_i,θ_i,z_i),从而得到管道内壁面形包络，求出管道中心轴直线度，完成测量工作。

Claims (7)

1.一种管道内壁形貌和中心轴直线度测量方法，其特征是，步骤如下：

(1)由激光扫描模块完成管道内壁径向数据的初步测量，激光扫描模块包括激光测头和旋转电机：激光测头由旋转电机带动进行旋转扫描，完成其回转中心到管道内壁径向尺寸的测量，旋转电机自带角度编码器，实时测出激光测头的周向角度位置；

(2)由位姿检测模块完成激光测头位姿检测，位姿检测模块包括激光器组和姿态探测器组：激光器组固定在管道口，各激光器发射激光束垂直入射到对应的姿态探测器靶面，根据激光斑在靶面上位置坐标的变化计算得出激光测头姿态变化，拉线位移传感器实时标定激光测头轴向位置；

(3)正向测量阶段，爬行器推动检测装置轴向移动，实现姿态探测器组、旋转电机和激光测头的整体轴向移动；

(4)返程阶段，爬行器反向爬行，带动检测装置返回；

(5)激光扫描模块和位姿检测模块测得的数据由各自下位机传输到上位机中，上位机调用数据处理模块软件，根据位姿检测模块测得的位姿信息，对特定轴向位置处的径向数据作修正处理，得到准确的管道内壁包络，进而得到管道内壁3D形貌，根据管道内壁截面信息求出管道中心轴直线度；

(6)输出检测结果，在显示器上直接显示管道内壁3D形貌和中心轴直线度数据；

姿态的变化通过激光斑在姿态探测器靶面坐标位置的变化求出，激光器2和激光器3之间的距离恒定为L，激光器1与激光器2、3的垂直距离为姿态探测器组中各探测器位置与激光器组中各激光器一一对应；经过调整，理想状态下初始测量时激光斑在探测器靶面位置确定，建立坐标系，设三个光斑在靶面原始坐标分别为O₁(x₁，y₁)，O₂(x₂，y₂)，O₃(x₃，y₃)，并设O₂、O₃连线中点为O₄(x₄，y₄)，则测量过程中姿态变化有以下几种情况：

(1)面内平移：若激光测头沿径向发生位移，以x轴负方向为例，则激光斑位置相对探测器靶面向x轴正方向移动，此时三个光斑在靶面位置变化为：

A₁(x₁′，y₁′)，A₂(x₂′，y₂′)，A₃(x₃′，y₃′)

位移量为：

Δx＝x₁′-x₁＝x₂′-x₂＝x₃′-x₃

若测头沿x轴正方向、y轴正负方向发生平移运动，位移量的求取方法相同；

(2)俯仰运动：若激光测头绕x轴发生转动，此时三个光斑在靶面位置变化为：

B₁(x₁′，y₁′)，B₂(x₂′，y₂′)，B₃(x₃′，y₃′)，B₂、B₃中点为B₄(x₄′，y₄′)

俯仰角α的求取：假设三个靶面绕x轴偏转α的角度，激光斑在靶面上y坐标值发生变化，Δy₁≠Δy₂＝Δy₃，且Δy₂＝Δy₃＝Δy₄，设则根据y坐标值的大小即可求出α，具体方法如下：

Δy₁＝|y₁-y₁′|，Δy₂＝|y₂-y₂′|＝|y₃-y₃′|＝Δy₄，

L的长度固定不变，所以：

若测头绕反方向偏转，求取方法同上，只需比较Δy₁、Δy₂的大小，所以上式最终表示为：

(3)偏航运动：若激光测头绕y轴发生旋转，此时三个光斑在靶面位置变化为：

C₁(x₁′，y₁′)，C₂(x₂′，y₂′)，C₃(x₃′，y₃′)；

偏航角β求取：假设三个靶面绕y轴偏转β的角度，激光斑在靶面上x坐标值发生变化，且Δx₁≠Δx₂≠Δx₃，设根据x坐标值的大小即可求出β，具体方法如下：

Δx₂＝|x₂-x₂′|，Δx₃＝|x₃-x₃′|，L′₂＝(L+Δx₃-Δx₂)

L的长度固定不变，所以：

若测头绕反方向偏转，求取方法相同，只需比较Δx₂、Δx₃的大小，所以上式最终表示为：

(4)横滚运动：若激光测头绕z轴发生转动，此时三个光斑在靶面位置变化为：

D₁(x₁′，y₁′)，D₂(x₂′，y₂′)，D₃(x₃′，y₃′)；

横滚角γ求取原理：此时假设三个靶面绕z轴旋转γ的角度，激光斑在靶面上x、y坐标值都发生变化，且有：

Δx₁＝Δx₂＝Δx₃，Δy₁＝Δy₂＝Δy₃

求取时可用任意一个激光斑在靶面上的坐标值，求得旋转角度为：

在测量过程中，各机械运动和电气控制都通过下位机内部时钟控制单元控制，时序的总控制以旋转扫描电机的周向角度位置信号为基准依据，保证激光扫描模块测得的(r_i，θ_i)与姿态检测模块测得的一一对应。

2.如权利要求1所述的管道内壁形貌和中心轴直线度测量方法，其特征是，步骤(1)开始前，先要完成检测装置预调整，然后将激光器组固定于管道口，调整激光束与中心探测器靶面的相对位置，使激光束垂直入射到探测器靶面中心域。

3.如权利要求1所述的管道内壁形貌和中心轴直线度测量方法，其特征是，激光扫描模块和位姿检测模块刚性连接并设有适度胀紧装置，二者组成一个整体检测装置，位姿检测模块检测到的姿态数据即为激光测头的姿态信息。

4.如权利要求1所述的管道内壁形貌和中心轴直线度测量方法，其特征是，步骤(1)中激光测头测量的方式有两种，一种是爬行器连续驱动，激光测头连续测量并采集数据，另一种是爬行器移动到某一位置停止，激光测头旋转扫描一周停止，爬行器移动到下一位置后，激光测头再进行下一次旋转扫描；步骤(1)中旋转电机自带角度编码器，角度信号可与径向数据同步输出。

5.如权利要求1所述的管道内壁形貌和中心轴直线度测量方法，其特征是，姿态探测器是CCD、CMOS或PSD传感器，所有探测器前皆不使用镜头，直接通过探测器靶面接收激光光斑。

6.如权利要求1所述的管道内壁形貌和中心轴直线度测量方法，其特征是，激光扫描模块和位姿检测模块采集的数据会通过下位机中内部时钟控制同步锁存，再经由下位机传输给上位机；数据处理模块中针对多种姿态探测器，都有对应的数据处理方法，用以求取姿态信息。

7.一种管道内壁形貌和中心轴直线度测量装置，其特征是，管道内壁形貌和中心轴直线度测量装置，包括预调装置、激光扫描模块、位姿检测模块和驱动模块，预调装置包含一个激光器和一个与姿态探测器面积大小相同的靶标，其中预调激光器与激光器组中的激光器完全一致，并安装于激光器组几何中心位置，与其他激光器相对位置固定，仅用作预调整，先将靶标置于管道口，靶面中心调整在管道轴线中心域，再将激光器置于管道外适当位置，使激光束能垂直入射到靶标中心域，然后移动靶标到管道末端，若激光束正常入射到靶面，则预调整完成；若激光束脱靶，则调整激光器位置，使激光束能够再次入射到靶面，再次将靶标移动到管道口，观察激光束是否脱靶，如此反复调整几次，直到激光束始终能够正常入射到靶面，则预调整完成；预调整完成后，将激光器组中其他激光器位置作相应调整，开始进行测量；

激光扫描模块和位姿检测模块刚性连接，相对位置确定，设有适度胀紧装置，激光扫描模块、位姿检测模块两模块组成系统检测装置，由爬行器驱动，沿管道内壁接触式连续爬行，激光扫描模块由激光测头和旋转电机组成，其中旋转电机自带角度编码器；位姿检测模块由管口激光器组、姿态探测器组和拉线位移传感器组成；驱动模块中包含爬行器；姿态的变化通过激光斑在姿态探测器靶面坐标位置的变化求出，激光器2和激光器3之间的距离恒定为L，激光器1与激光器2、3的垂直距离为姿态探测器组中各探测器位置与激光器组中各激光器一一对应；经过调整，理想状态下初始测量时激光斑在探测器靶面位置确定，建立坐标系，设三个光斑在靶面原始坐标分别为O₁(x₁，y₁)，O₂(x₂，y₂)，O₃(x₃，y₃)，并设O₂、O₃连线中点为O₄(x₄，y₄)，则测量过程中姿态变化有以下几种情况：

(1)面内平移：若激光测头沿径向发生位移，以x轴负方向为例，则激光斑位置相对探测器靶面向x轴正方向移动，此时三个光斑在靶面位置变化为：

A₁(x₁′，y₁′)，A₂(x₂′，y₂′)，A₃(x₃′，y₃′)

位移量为：

Δx＝x₁′-x₁＝x₂′-x₂＝x₃′-x₃

若测头沿x轴正方向、y轴正负方向发生平移运动，位移量的求取方法相同；

(2)俯仰运动：若激光测头绕x轴发生转动，此时三个光斑在靶面位置变化为：

B₁(x₁′，y₁′)，B₂(x₂′，y₂′)，B₃(x₃′，y₃′)，B₂、B₃中点为B₄(x₄′，y₄′)

俯仰角α的求取：假设三个靶面绕x轴偏转α的角度，激光斑在靶面上y坐标值发生变化，Δy₁≠Δy₂＝Δy₃，且Δy₂＝Δy₃＝Δy₄，设则根据y坐标值的大小即可求出α，具体方法如下：

Δy₁＝|y₁-y₁′|，Δy₂＝|y₂-y₂′|＝|y₃-y₃′|＝Δy₄，

L的长度固定不变，所以：

若测头绕反方向偏转，求取方法同上，只需比较Δy₁、Δy₂的大小，所以上式最终表示为：

(3)偏航运动：若激光测头绕y轴发生旋转，此时三个光斑在靶面位置变化为：

C₁(x₁′，y₁′)，C₂(x₂′，y₂′)，C₃(x₃′，y₃′)；

偏航角β求取：假设三个靶面绕y轴偏转β的角度，激光斑在靶面上x坐标值发生变化，且Δx₁≠Δx₂≠Δx₃，设根据x坐标值的大小即可求出β，具体方法如下：

Δx₂＝|x₂-x₂′|，Δx₃＝|x₃-x₃′|，L′₂＝(L+Δx₃-Δx₂)

L的长度固定不变，所以：

若测头绕反方向偏转，求取方法相同，只需比较Δx₂、Δx₃的大小，所以上式最终表示为：

(4)横滚运动：若激光测头绕z轴发生转动，此时三个光斑在靶面位置变化为：

D₁(x₁′，y₁′)，D₂(x₂′，y₂′)，D₃(x₃′，y₃′)；

横滚角γ求取原理：此时假设三个靶面绕z轴旋转γ的角度，激光斑在靶面上x、y坐标值都发生变化，且有：

Δx₁＝Δx₂＝Δx₃，Δy₁＝Δy₂＝Δy₃

求取时可用任意一个激光斑在靶面上的坐标值，求得旋转角度为：

在测量过程中，各机械运动和电气控制都通过下位机内部时钟控制单元控制，时序的总控制以旋转扫描电机的周向角度位置信号为基准依据，保证激光扫描模块测得的(r_i，θ_i)与姿态检测模块测得的一一对应。