CN110186454A - 一种水下巡检设备及其姿态传感器的滤波方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水下巡检设备及其姿态传感器的滤波方法，涉及管道地理信息测量技术领域。该水下巡检设备包括用于采集水下管道图像信息的拍摄装置，还包括用于为所述水下巡检设备提供动力的水下推进器、用于检测水下深度的深度传感器、用于检测所述水下巡检设备的三维运动姿态的姿态传感器、以及脐带电缆，所述水下巡检设备通过所述脐带电缆与上位机通信连接、接收所述上位机发送的控制命令并发送采集到的管道信息至所述上位机。本发明技术方案通过水下巡检设备对水下管道信息进行实时检测，能时发现管道外损伤和泄漏问题，为进一步采取科学合理的措施、延长管道使用寿命提供参考意见。
Description
技术领域
本发明涉及管道地理信息测量技术领域，特别是涉及一种水下巡检设备及其姿态传感器的滤波方法。
背景技术
管道不仅是各类陆上及水下油气资源运输的重要载体，同时也是目前最快捷、经济和可靠的运输方式。但是由于多数管道埋藏在具有一定深度的地下或海床下，且地下管道易受人为开挖及自然灾害导致的地形变化影响，海底油气管道工作在复杂的海洋环境中，这些管道普遍并长期承受高压强、高盐度和大温差的影响，以及生物附着生长的侵蚀，容易造成管道腐蚀和损伤、断裂。如果管道损伤没能及时发现，不仅会带来巨大经济损失，还会对海洋生态环境带来不可估量的损害。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种水下巡检设备及其姿态传感器的滤波方法，旨在及时发现水下管道外损伤和泄漏问题。
为实现上述目的，本发明提供一种水下巡检设备，包括用于采集水下管道图像信息的拍摄装置，所述水下巡检设备还包括用于为所述水下巡检设备提供动力的水下推进器、用于检测水下深度的深度传感器、用于检测所述水下巡检设备的三维运动姿态的姿态传感器、以及脐带电缆，所述水下巡检设备通过所述脐带电缆与上位机通信连接、接收所述上位机发送的控制命令并发送采集到的管道信息至所述上位机。
优选地，所述水下巡检设备包括外壳以及设置于所述外壳内的主控板和扩展板，所述拍摄装置设置于所述主控板上，所述主控板、所述拍摄装置密封设置于所述密封罐内；所述主控板和所述扩展板之间还设有用于为所述水下巡检设备供电的电池，所述电池密封于电池仓内；所述扩展板上设有用于检测所述水下巡检设备状态的各个传感器。
优选地，所述拍摄装置通过双轴数字数码舵机连接于所述主控板。
优选地，所述拍摄装置包括水下摄像机、高亮LED和激光探头。
优选地，所述深度传感器通过通用异步收发传输器串口与所述扩展板通信连接，所述深度传感器将采集到的信息保存至所述扩展板的只读存储器，以发送至所述上位机。
优选地，所述水下推进器包括三组无刷电机和连接于所述无刷电机的数控四叶正反螺旋桨；其中第一组所述水下推进器和第二组所述水下推进器设置于所述水下巡检设备的机尾，以实现所述水下巡检设备的前后左右移动；第三组水下推进器设置于所述水下巡检设备的机体中上部，以实现所述水下巡检设备的上下移动。
优选地，所述姿态传感器包括三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁强计，分别采集所述水下巡检设备的所在位置、移动轨迹、加速度、空间加速度和地磁场矢量，以得到所述水下巡检设备当前的实时运动姿态。
本发明还提供一种水下巡检设备中姿态传感器的滤波方法，所述姿态传感器通过PID控制器接收所述上位机发送的控制信号对所述水下巡检设备的运动姿态进行检测，以得到测量信号；通过卡尔曼滤波器对所述控制信号和/或所述测量信号进行滤波，以输出采集信息。
优选地，所述卡尔曼滤波器对所述控制信号和/或所述测量信号进行滤波包括以下步骤：
预设所述控制信号和/或所述测量信号组成的多维状态向量后验估计和后验估计协方差Pk-1的值；
当所述姿态传感器中有动态噪声时，将多维状态向量和Pk-1的值分别代入等式1和等式2计算得到先验估计和先验估计误差协方差的值，其中，等式1和等式2分别为：
其中，k为时间常数，μk-1为控制信号和/或测量信号，A为状态转移矩阵，B为控制输入矩阵，AT是A的转置矩阵，Q为过程激励噪声协方差矩阵；
将计算得到的状态预测和均方误差的值分别代入等式3、等式4和等式5，以计算得到滤波增益Kk、后验估计和后验估计误差协方差Pk的值，其中，等式3、等式4和等式5分别为：
其中，R为观测噪声协方差矩阵，H为矩阵为常量，HT是H的转置矩阵；
再将计算得到滤波增益Kk、滤波估计和均方误差矩阵Pk的值代入等式1和等式2，以得到新的状态预测和均方误差的值。
本发明技术方案通过水下巡检设备对水下管道信息进行实时检测，能时发现管道外损伤和泄漏问题，为进一步采取科学合理的措施、延长管道使用寿命提供参考意见；且本发明的水下巡检设备还具有续航时间长、工作深度可控、检测范围广的优点。
附图说明
图1为本发明水下巡检设备的原理示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明进一步说明。
本发明提供一种水下巡检设备，如图1所示，包括用于采集水下管道图像信息的拍摄装置，所述水下巡检设备还包括用于为所述水下巡检设备提供动力的水下推进器、用于检测水下深度的深度传感器、用于检测所述水下巡检设备的三维运动姿态的姿态传感器、以及脐带电缆，所述水下巡检设备通过所述脐带电缆与上位机通信连接、接收所述上位机发送的控制命令并发送采集到的管道信息至所述上位机。
优选地，所述水下巡检设备包括外壳以及设置于所述外壳内的主控板和扩展板，所述拍摄装置设置于所述主控板上，所述主控板、所述拍摄装置密封设置于所述密封罐内；所述主控板和所述扩展板之间还设有用于为所述水下巡检设备供电的电池，所述电池密封于电池仓内；所述扩展板上设有用于检测所述水下巡检设备状态的各个传感器。
主控板和拍摄装置使用抗压耐温的密封材料和复合胶水进行密封罐处理，可有效的保障主控板和拍摄装置在水下的良好防水功能。将电池密封于电池仓内可以更加灵活方便地更换电池，从而有效的保证了水下巡检设备在水下持续航行。
优选地，所述拍摄装置通过双轴数字数码舵机连接于所述主控板。双轴数字数码舵机可实现拍摄装置的180°俯仰角旋转拍摄，方便水下巡检设备全方位地检测水下管道的情况。
将拍摄装置设置于水下巡检设备上，在水下推进器的驱动下，水下巡检设备在水下行走的同时，拍摄装置对水下实时环境进行拍摄。通过控制摄像头进行180°俯仰角拍摄，可实时探测水下管道状况。
优选地，所述拍摄装置包括水下摄像机、高亮LED和激光探头。
在具体实施例中，水下摄像机采用高清1200万像素1080P自动对焦，宽动态低照度大分辨率MJPG(Motion Joint Photographic Experts Group，技术即运动静止图像压缩技术)视频解码，多种硬件驱动支持跨平台操作，高品质数字MIC(Monolithic IntegratedCircuit，单片式集成电路)，可选单、双通道。高亮LED设置于水下摄像机的摄像头周围，以向水下摄像机提供光源，高亮LED通过调节电流的强弱可以方便地调节其发光的强弱，且其工作电压和电流都很小，抗冲击和抗震性能好，可靠性高，反复开关无损寿命。激光探头能实现无接触远距离测量，从而实现水下定向。
优选地，所述深度传感器通过通用异步收发传输器串口与所述扩展板通信连接，所述深度传感器将采集到的信息保存至所述扩展板的只读存储器，以发送至所述上位机。
在具体实施例中，扩展板为Arduino Mega 2560，Arduino Mega 2560是基于ATmega2560的单片机开发板。
优选地，所述水下推进器包括三组无刷电机和连接于所述无刷电机的数控四叶正反螺旋桨；其中第一组所述水下推进器和第二组所述水下推进器设置于所述水下巡检设备的机尾，以实现所述水下巡检设备的前后左右移动；第三组水下推进器设置于所述水下巡检设备的机体中上部，以实现所述水下巡检设备的上下移动。
无刷电机的控制器采用三相全桥PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)斩波方式，闭环稳速，即使大负载电机仍然能够保持转速，采用周波限电流和过压欠压装置有效的实现电机自动保护功能，倘若恶劣条件下长久使用也不会造成堵转或停滞。
优选地，所述姿态传感器包括三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁强计，分别采集所述水下巡检设备的所在位置、移动轨迹、加速度、空间加速度和地磁场矢量，以得到所述水下巡检设备当前的实时运动姿态。
本发明还提供一种水下巡检设备中姿态传感器的滤波方法，所述姿态传感器通过PID控制器接收所述上位机发送的控制信号对所述水下巡检设备的运动姿态进行检测，以得到测量信号；通过卡尔曼滤波器对所述控制信号和/或所述测量信号进行滤波，以输出采集信息。
优选地，所述卡尔曼滤波器对所述控制信号和/或所述测量信号进行滤波包括以下步骤：
预设所述控制信号和/或所述测量信号组成的多维状态向量后验估计和后验估计协方差Pk-1的值；
当所述姿态传感器中有动态噪声时，将多维状态向量和Pk-1的值分别代入等式1和等式2计算得到先验估计和先验估计误差协方差的值，其中，等式1和等式2分别为：
其中，k为时间常数，μk-1为控制信号和/或测量信号，A为状态转移矩阵，B为控制输入矩阵，AT是A的转置矩阵，Q为过程激励噪声协方差矩阵；
将计算得到的状态预测和均方误差的值分别代入等式3、等式4和等式5，以计算得到滤波增益Kk、后验估计和后验估计误差协方差Pk的值，其中，等式3、等式4和等式5分别为：
其中，R为观测噪声协方差矩阵，H为矩阵为常量，HT是H的转置矩阵；
再将计算得到滤波增益Kk、滤波估计和均方误差矩阵Pk的值代入等式1和等式2，以得到新的状态预测和均方误差的值。
本实施例通过结合卡尔曼滤波方法和传统PID算法去控制水下机器人的平稳性，通过不断的更新和矫正协方差值，从而不断的获取系统测量值，不断的把协方差递归，从而估算出最优估计值，能够在动态环境下准确快速求解出模块当前的实时运动姿态，同时有效地降低测量噪声，提高测量精度。
应当理解的是，以上仅为本发明的优选实施例，不能因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种水下巡检设备，包括用于采集水下管道图像信息的拍摄装置，其特征在于，所述水下巡检设备还包括用于为所述水下巡检设备提供动力的水下推进器、用于检测水下深度的深度传感器、用于检测所述水下巡检设备的三维运动姿态的姿态传感器、以及脐带电缆，所述水下巡检设备通过所述脐带电缆与上位机通信连接、接收所述上位机发送的控制命令并发送采集到的管道信息至所述上位机。
2.根据权利要求1所述的水下巡检设备，其特征在于，所述水下巡检设备包括外壳以及设置于所述外壳内的主控板和扩展板，所述拍摄装置设置于所述主控板上，所述主控板、所述拍摄装置密封设置于所述密封罐内；所述主控板和所述扩展板之间还设有用于为所述水下巡检设备供电的电池，所述电池密封于电池仓内；所述扩展板上设有用于检测所述水下巡检设备状态的各个传感器。
3.根据权利要求2所述的水下巡检设备，其特征在于，所述拍摄装置通过双轴数字数码舵机连接于所述主控板。
4.根据权利要求3所述的水下巡检设备，其特征在于，所述拍摄装置包括水下摄像机、高亮LED和激光探头。
5.根据权利要求2所述的水下巡检设备，其特征在于，所述深度传感器通过通用异步收发传输器串口与所述扩展板通信连接，所述深度传感器将采集到的信息保存至所述扩展板的只读存储器，以发送至所述上位机。
6.根据权利要求1所述的水下巡检设备，其特征在于，所述水下推进器包括三组无刷电机和连接于所述无刷电机的数控四叶正反螺旋桨；其中第一组所述水下推进器和第二组所述水下推进器设置于所述水下巡检设备的机尾，以实现所述水下巡检设备的前后左右移动；第三组水下推进器设置于所述水下巡检设备的机体中上部，以实现所述水下巡检设备的上下移动。
7.根据权利要求1所述的水下巡检设备，其特征在于，所述姿态传感器包括三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁强计，分别采集所述水下巡检设备的所在位置、移动轨迹、加速度、空间加速度和地磁场矢量，以得到所述水下巡检设备当前的实时运动姿态。
8.如权利要求7所述的水下巡检设备中姿态传感器的滤波方法，其特征在于，所述姿态传感器通过PID控制器接收所述上位机发送的控制信号对所述水下巡检设备的运动姿态进行检测，以得到测量信号；通过卡尔曼滤波器对所述控制信号和/或所述测量信号进行滤波，以输出采集信息。
9.如权利要求8所述的滤波方法，其特征在于，所述卡尔曼滤波器对所述控制信号和/或所述测量信号进行滤波包括以下步骤：
预设所述控制信号和/或所述测量信号组成的多维状态向量后验估计和后验估计协方差Pk-1的值；
当所述姿态传感器中有动态噪声时，将多维状态向量和Pk-1的值分别代入等式1和等式2计算得到先验估计和先验估计误差协方差的值，其中，等式1和等式2分别为：
Pk -＝APk-1AT+Q (2)，
其中，k为时间常数，μk-1为控制信号和/或测量信号，A为状态转移矩阵，B为控制输入矩阵，AT是A的转置矩阵，Q为过程激励噪声协方差矩阵；
将计算得到的状态预测和均方误差的值分别代入等式3、等式4和等式5，以计算得到滤波增益Kk、后验估计和后验估计误差协方差Pk的值，其中，等式3、等式4和等式5分别为：
其中，R为观测噪声协方差矩阵，H为矩阵为常量，HT是H的转置矩阵；
再将计算得到滤波增益Kk、滤波估计和均方误差矩阵Pk的值代入等式1和等式2，以得到新的状态预测和均方误差的值。
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