CN109780370B - 一种管道三维曲线测量机器人及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种管道三维曲线测量机器人及其实现方法，所述测量机器人包括：电子仓、滑杆、车轮支架、设置在所述车轮支架上的行走轮、设置在一侧所述滑杆上的里程轮和编码器；所述电子仓内设置有：惯性测量单元、采集控制模块和电源模块；在使用所述测量机器人进行测量时，控制所述测量机器人在管道内来回运动，同时采集测量数据；将测量数据与管道基准时刻的三维曲线数据相比较，得到管道三维曲线变形量。本发明所提供的测量机器人通过同步张紧行走轮实现管道机器人测点始终保持在管道中轴线上，通过独立张紧里程轮实现高精度里程测量。通过本发明提出的惯导测量装置可以实现毫米级的管道三维曲线变形测量精度，满足变形监测的需求。

Description

一种管道三维曲线测量机器人及其实现方法

技术领域

本发明涉及工程测量和管线测量技术领域，尤其涉及的是一种基于惯导/里程计的管道三维曲线测量机器人及其实现方法。

背景技术

管道是一种常见的线状通道结构，不仅可以用来运输流体物质，如天然气、石油、水等物质运输，还可以作为机器运行通道，如土体结构变形观测管道。管道测量一般是指对管道的三维形状曲线进行测量。目前常用的管道测量一般针对管理、检测需求，用来掌握管道的位置和走向，如石油管道测量、地下管线测量等。按照仪器与管道的相对位置关系，可以将其分为管外测量和管内测量。其中管外测量一般采用电磁波、声波、示踪器等方法对管道的位置和走向进行测量。由于埋土的阻隔，精度一般较差，最高为分米级。管内测量一般采用管道机器人进行测量，目前管道机器人多采用陀螺仪/里程计传感器进行组合，同时在机械结构上保证测量机器人在管道中心线上运动。但是由于机械结构设计、传感器器件配置，解算算法等原因，目前管道机器人测量最高精度多在厘米级（100米），只能用于常规的管道位置走向测量。综合来看，现有管道测量技术的精度最高只能达到厘米级。通常，变形监测的精度要求都在mm级（100m管道长度），现有测量方法和设备不能满足管道变形监测的需求。

因此，现有技术有待于进一步的改进。

发明内容

鉴于上述现有技术中的不足之处，本发明的目的在于提供一种管道三维曲线测量机器人及其测量方法，克服现有技术中测量装置的测量精度仅仅在厘米级，无法满足管道变形监测需求的缺陷。

本发明提供的第一实施例为一种管道三维曲线测量机器人，其中，包括：

电子仓、与所述电子仓的两侧中心连接的滑杆、通过直线轴承与所述滑杆连接的车轮支架、设置在所述车轮支架上的均匀分布的至少两组行走轮、设置在所述电子仓一侧滑杆上且安装有独立收缩轮架的至少一组里程轮和安装在各个所述里程轮上的编码器；所述直线轴承两端的滑杆上安装有弹簧；

所述电子仓内设置有：安装在采集板上的惯性测量单元、采集控制模块和电源模块；

各个所述行走轮通过所述弹簧同步收缩使得所述惯性测量单元的几何中心位于所述电子仓的中轴线上；

所述采集控制模块，用于控制惯性测量单元与编码器进行测量数据的采集，并将所述测量数据与管道基准时刻的三维曲线数据相比较，得到管道三维曲线变形量。

可选的，所述采集控制模块上还设置有FPGA单元和晶振单元；

所述惯性测量单元通过RS-422转LVTTL接口与所述FPGA单元相连接；

所述FPGA单元分别通过UART接口和USB 转串口接口与上位机建立通信连接；用于根据所述晶振单元输出的时钟信号触发控制惯性测量单元及所述编码器同步采集测量数据及将采集到的测量数据上传至上位机单元；

所述上位机单元通过UART接口向 FPGA单元发出数据采集控制指令，以及通过USB 转串口接口接收测量数据。

可选的，所述滑杆的两端设置有动力牵引装置；

所述动力牵引装置包括：驱动电机和电动绞盘；所述驱动电机驱动电动绞盘上的拉线牵引所述测量机器人来回运动。

可选的，所述行走轮的个数为三个，且三个所述行走轮均匀对称设置。

可选的，里程轮的个数为三个，且三个所述里程轮均匀对称设置。

可选的，所述电源模块与惯性测量单元、FPGA单元、晶振单元和上位机单元均相连接。

本发明提供的第二实施例为一种测量机器人测量管道三维曲线的实现方法，其中，包括：

控制所述测量机器人保持惯性测量单元的几何中心与所述电子仓的中轴线一致的在管道内来回运动，同时惯性测量单元和编码器采集测量数据；

将惯性测量单元和和编码器所采集的测量数据与管道基准时刻的三维曲线数据相比较，得到管道三维曲线变形量。

可选的，所述控制所述测量机器人保持惯性测量单元的几何中心与所述电子仓的中轴线一致的在管道内来回运动的步骤还包括：

各个所述行走轮通过设置在滑杆上弹簧同步收缩、以及各个独立收缩轮架的至少一组里程轮进行独立收缩实现保持惯性测量单元的几何中心位于所述电子仓的中轴线上；

通过设置在所述滑杆的两端的动力牵引装置控制测量机器人在管道内来回运动。

可选的，所述采集板上还设置有FPGA单元、晶振单元和上位机单元；

所述方法还包括：

所述FPGA单元根据晶振单元输出的时钟信号触发控制惯性测量单元及所述编码器同步采集测量数据及将采集到的测量数据上传至上位机单元；

所述上位机单元对接收到的测量数据与管道基准时刻的三维曲线数据相比较，得到管道三维曲线的变形量。

有益效果，本发明提供了一种管道三维曲线测量机器人及其实现方法，通过同步张紧行步轮实现管道测量车的测点始终保持在管道中轴线上，通过独立张紧里程轮实现高精度里程测量，通过高精度集成采集板实现多路里程计与高精度惯导的同步数据采集。通过本发明提出的惯导测量装置可以实现毫米级的管道三维曲线变形测量精度，可以满足变形监测的需求。

附图说明

图1是本发明所提供的测量机器人的前视图；

图2是本发明所提供的测量机器人的后视图；

图3是本发明所提供的测量机器人的左视图；

图4是本发明所提供的测量机器人的右视图；

图5是本发明所提供的所述管道测量机器人多传感器高精度同步的实现逻辑；

图6本发明所述测量机器人动力牵引装置的结构示意图；

图7是本发明所提供的所述测量机器人测量管道三维曲线的实现方法。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有管道测量装置精度较低的问题，本发明提供了一种针对变形监测管道的高精度三维曲线测量机器人及其实现方法。具体而言，本发明将管道作为一种变形监测装置，在土木结构体建设期间将其埋入待监测的变形位置，通过管道测量机器人测量管道的三维曲线，并比对不同时期的曲线，实现对结构体变形量的监控。

本发明提供的第一实施例为一种管道三维曲线测量机器人，如图1所示，包括：

电子仓20、与所述电子仓20两侧中心连接的滑杆10、通过直线轴承102与所述滑杆10连接的车轮支架、设置在所述车轮支架上的均匀分布的至少两组行走轮103、设置在一侧所述滑杆10上的且安装有独立收缩轮架的至少一组里程轮104和安装在各个所述里程轮104上的编码器105；所述直线轴承102两端的滑杆10上安装有弹簧101；

所述电子仓20内设置有：惯性测量单元201、采集控制模块和电源模块；

各租所述行走轮103通过所述弹簧同步收缩使得所述惯性测量单元201的几何中心与所述电子仓20的中轴线一致；

所述采集控制模块，控制惯性测量单元201与编码器105进行测量数据采集，并将所述测量数据与管道基准时刻的三维曲线数据相比较，得到管道三维曲线变形量。

本发明提供的测量机器人上设置有电子仓，设置在电子仓两侧的滑杆上的行走轮和里程轮，电子仓设置在整个测量机器人的中心，而安装在采集板上的惯性测量单元的中心位于电子仓的中轴线上，也同时位于管道的中心轴线上。

同步张紧的行走轮安装在电子仓的两侧，每一侧设置至少一组行走轮，较佳的每组行走轮上设置三个均匀分布的行走轮，所述行走轮103安装在车轮支架上，行走轮103的车轮选择硬度合适的耐磨树脂材料，所述车轮支架通过直线轴承102与滑杆连接，滑杆10上的直线轴承102两端安装有弹簧，可以使得三个行走轮同步收缩，进而保证车轮车架在管道中张紧，使得车架中轴线与管道中轴线一致。滑杆10上的弹簧松紧可调，保证行走轮可以严格贴合管壁。

在每个里程轮104上均一一对应安装编码器105；所述编码器105通过光电转换将里程轮上输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量，并将所述脉冲或数字量传输至与其相连接的采集控制模块。所述直线轴承102两端的滑杆10上安装有弹簧101。

结合如图2所示的测量机器人的后视图和图3、图4所示的左右视图，在具体实施时，选择一组行走轮（每组包括三个行走轮）和一组里程轮，且每组中包含的三个行走轮均匀分布，每组里程轮包含的三个里程轮均匀分布，且三个行走轮通过其车轮支架和设置在车轮支架两端中间的弹簧实现同步张紧，从而控制测量机器人的几何中心管道中心保持一致。所述里程轮为独立张紧，从而确保在测量时紧贴管道内壁，确保测量数据准确。

较佳的，所述采集板上还设置有FPGA单元和晶振单元；

结合图5所示，在采集板上设置的所述惯性测量单元通过RS-422转LVTTL接口与所述FPGA单元相连接；所述FPGA单元分别通过UART接口和USB 转串口接口与上位机建立通信连接。

所述FPGA单元根据所述晶振单元输出的时钟信号触发控制所述惯性测量单元及所述编码器同步采集测量数据及将采集到的测量数据上传至上位机单元；

所述上位机单元通过UART接口向 FPGA单元发出数据采集控制指令，以及通过USB 转串口接口接收测量数据。

所述采集板上还安装有用于提供电源的电源模块，所述电源模块与惯性测量单元、FPGA单元、晶振单元和上位机单元均相连接。

设置在采集板上的多传感器集成的测量系统是测量机器人的核心。在电子仓中，多传感器集成的测量系统由 FPGA 模块核心控制、具有高精度时间基准源的晶振单元、惯性测量单元、上位机单元、电源模块等模块构成。 在本发明中, 采用 FPGA 模块对惯性测量单元和三路高精度编码器进行集成。具体而言，以频率温度稳定特征为 1ppm 的高稳压控温补石英晶体作为系统时间基准源，通过 FPGA单元以时间为触发源触发数据同步，控制惯性测量单元 (IMU) 及光电编码器对测量数据的同步采集及上传。

上位机单元通过UART接口先向 FPGA单元发送采集控制指令，FPGA单元接收到触发指令后，通过USB转串口接口实时的将管道测量数据按既定的协议上传至上位机单元进行解析和存储。采集控制模块实现了对多传感器数据的同步采集传输控制，抗干扰能力较强。通过 FPGA单元 并行控制的特点，实现了微秒级的多传感器之间时间同步，是实现高精度数据融合的硬件基础。

为了使测量机器人在管道中进行运动，较佳的，如图6所示，所述滑杆的两端设置有动力牵引装置；所述动力牵引装置包括：驱动电机和电动绞盘；所述驱动电机驱动电动胶盘上的拉线牵引所述测量机器人来回运动。

具体的，采用小型自动化电机和强力细纤维拉线组成的绞盘作为测量机器人的牵引动力。在操作时, 通过控制驱动电机的运动来控制测量机器人的运动。 通过在管道两端安置电动绞盘，可以使测量机器人在管道中往复运动, 进行多次测量。采用可编程驱动的伺服电机对牵引装置进行改造, 实现测量机器人的自动化移动测量。

测量机器人的操作分为三个阶段，包括准备阶段、测量阶段和结束阶段。在准备阶段，在待测管道两端安置电动绞盘，利用穿线器将电动绞盘的强力细纤维拉线穿到管道中，将拉线与管道测量机器人两端的万向拉环连接。在测量阶段，打开管道机器人电源开关，在管口静止5-10min，进行初始化。初始化完毕后，保证一个绞盘工作，一个绞盘转动的状态，使得测量机器人可以在管道中往返移动多次，实现对同一个变形监测管段的多次测量。测量结束时，保证管道机器人在一个管道静止5-10min。在结束阶段，取出管道测量机器人，解开电动绞盘拉线。

本发明提供的第二实施例为一种测量机器人测量管道三维曲线的实现方法，如图7所示，包括：

步骤S71、控制所述测量机器人保持惯性测量单元的几何中心位于所述电子仓的中轴线上，且在管道内来回运动，同时控制惯性测量单元和编码器单元采集测量数据。

本步骤中具体的通过设置在滑杆两端的动力牵引装置控制测量机器人的来回运动；所述动力牵引装置包括：驱动电机和电动绞盘；所述驱动电机驱动电动胶盘上的拉线牵引所述测量机器人来回运动。为了保证测量数据的准确性，还需要保证惯性测量单元的几何中心位于所述电子仓的中轴线上。

步骤S72、将惯性测量单元和编码器所采集的测量数据与管道基准时刻的三维曲线数据相比较，得到管道三维曲线变形量。

具体的，所述控制所述测量机器人保持惯性测量单元的几何中心位于所述电子仓的中轴线上，且在管道内来回运动的步骤还包括：

各个所述行走轮通过设置在滑杆上弹簧同步收缩、以及各个独立收缩轮架的至少两个里程轮进行独立收缩实现保持惯性测量单元的几何中心位于所述电子仓的中轴线上；

通过设置在所述滑杆的两端的动力牵引装置控制测量机器人在管道内来回运动。

具体的，为了保证测量数据的顺利采集和数据传输，所述采集板上还设置有FPGA单元和晶振单元；

所述方法还包括：

所述FPGA单元根据晶振单元输出的时钟信号触发控制惯性测量单元及所述编码器同步采集测量数据及将采集到的测量数据上传至上位机；

所述上位机对接收到的测量数据与管道基准时刻的三维曲线数据相比较，得到管道三维曲线的变形量。

有益效果，本发明提供了一种管道三维曲线测量机器人及其实现方法，所述测量机器人包括：电子仓、与所述电子仓两侧中心连接的滑杆、通过直线轴承与所述滑杆连接的车轮支架、设置在所述车轮支架上的均匀分布的至少两组行走轮、设置在一侧所述滑杆上的且安装有独立收缩轮架的至少一组里程轮和安装在各个所述里程轮上的编码器；所述电子仓内设置有：安装在采集板上的惯性测量单元；在使用所述测量机器人进行测量时，控制所述测量机器人保持惯性测量单元的几何中心位于所述电子仓的中轴线上，且在管道内来回运动，同时惯性测量单元采集测量数据；将惯性测量单元所采集的测量数据与管道基准时刻的三维曲线数据相比较，得到管道三维曲线变形量。本发明所提供的测量机器人通过同步张紧行步轮实现管道测量车的测点始终保持在管道中轴线上，通过独立张紧里程轮实现高精度里程测量，通过高精度集成采集板实现多路里程计与高精度惯导的同步数据采集。通过本发明提出的惯导测量装置可以实现毫米级的管道三维曲线变形测量精度，可以满足变形监测的需求。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种管道三维曲线测量机器人，其特征在于，包括：

电子仓、与所述电子仓两侧中心连接的滑杆、通过直线轴承与所述滑杆连接的车轮支架、设置在所述车轮支架上的均匀分布的至少两组行走轮、设置在一侧所述滑杆上的且安装有独立收缩轮架的至少一组里程轮和安装在各个所述里程轮上的编码器；所述直线轴承两端的滑杆上安装有弹簧；

所述电子仓内设置有：惯性测量单元、采集控制模块和电源模块；

各组所述行走轮通过所述弹簧同步收缩使得所述惯性测量单元的几何中心与所述电子仓的中轴线一致；

所述采集控制模块，控制惯性测量单元与编码器进行测量数据同步采集，并将所述测量数据解算的三维曲线与管道基准时刻的三维曲线数据相比较，得到管道三维曲线变形量；

所述采集控制模块包括：FPGA单元、晶振单元和上位机单元；

所述惯性测量单元通过RS-422转LVTTL接口与所述FPGA单元相连接；

所述FPGA单元分别通过UART接口和USB转串口接口与上位机单元建立通信连接；用于根据所述晶振单元输出的时钟信号触发控制惯性测量单元及所述编码器同步采集测量数据及将采集到的测量数据上传至上位机单元；

所述上位机单元通过UART接口向FPGA单元发出数据采集控制指令，以及通过USB转串口接口接收测量数据；

在每个里程轮上均一一对应安装编码器；所述编码器通过光电转换将里程轮上输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量，并将所述脉冲或数字量传输至与其相连接的采集控制模块。

2.根据权利要求1所述的管道三维曲线测量机器人，其特征在于，所述滑杆的两端设置有动力牵引装置；

所述动力牵引装置包括：驱动电机和电动绞盘；所述驱动电机驱动电动胶盘上的拉线牵引所述测量机器人来回运动。

3.根据权利要求2所述的管道三维曲线测量机器人，其特征在于，每组所述行走轮的个数为三个，且三个所述行走轮均匀对称设置。

4.根据权利要求2所述的管道三维曲线测量机器人，其特征在于，每组所述里程轮的个数为三个，且三个所述里程轮均匀对称设置。

5.根据权利要求2所述的管道三维曲线测量机器人，其特征在于，所述电源模块与惯性测量单元、FPGA单元、晶振单元和上位机单元均相连接。

6.一种利用如权利要求1所述的测量机器人测量管道三维曲线的实现方法，其特征在于，包括：

控制所述测量机器人保持惯性测量单元的几何中心与所述电子仓的中轴线一致的在管道内来回运动，同时控制惯性测量单元和编码器采集测量数据；

将惯性测量单元和编码器所采集的测量数据解算得到的三维曲线与管道基准时刻的三维曲线数据相比较，得到管道三维曲线变形量；

所述采集控制模块上还设置有FPGA单元、晶振单元和上位机单元；

所述方法还包括：

所述FPGA单元根据晶振单元输出的时钟信号触发控制惯性测量单元及所述编码器同步采集测量数据及将采集到的测量数据上传至上位机单元；

所述上位机单元对接收到的测量数据解算得到的三维曲线与管道基准时刻的三维曲线数据相比较，得到管道三维曲线的变形量。

7.根据权利要求6所述的测量机器人测量管道三维曲线的实现方法，其特征在于，所述控制所述测量机器人保持惯性测量单元的几何中心与所述电子仓的中轴线一致的在管道内来回运动的步骤还包括：

各个所述行走轮通过设置在滑杆上弹簧同步收缩、以及各个独立收缩轮架的至少两个里程轮进行独立收缩实现保持惯性测量单元的几何中心与所述电子仓的中轴线一致；

通过设置在所述滑杆的两端的动力牵引装置控制测量机器人在管道内来回运动。

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