CN111095025A - 高精度远程坐标机 - Google Patents

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CN111095025A CN201880054866.7A CN201880054866A CN111095025A CN 111095025 A CN111095025 A CN 111095025A CN 201880054866 A CN201880054866 A CN 201880054866A CN 111095025 A CN111095025 A CN 111095025A
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Abstract

提供了一种校准结构的方法。所述方法包括将系链的第一端固定到所述结构的外表面上的固定位置处的装置上，将无人飞行器附接到所述系链的第二端，使所述无人飞行器在拴系到所述固定装置上的同时沿围绕所述结构的轨迹移动，使用所述无人飞行器在所述轨迹的路线上扫描所述结构的外表面，以获得所述结构外表面的映射，确定所述无人飞行器相对于所述固定装置的位置；并基于i)所述确定的无人飞行器相对于所述固定装置的位置，以及ii)所述结构外表面的映射来校准所述结构。

Description

高精度远程坐标机
技术领域
本发明涉及结构校准和映射方法，并且尤其涉及使用无人飞行器(UAV)，三维映射较大物体的技术。
背景技术
在石油和天然气工业中，定期校准储罐的容积，以便能够准确地确定罐中的燃料量。通常，使用液位计确定罐中的燃料量。然而，位于经受较高平均温度的环境中的储罐往往会不均匀地膨胀。膨胀常常难以准确测量，并且可对总体积产生明显影响。当罐的容积变化时，基于罐静态容积的标准液位计读数的准确性会降低。燃料水平读数不准确会导致系统低估燃料资产，并导致保管转让期间的收入损失。
增加储罐校准的频率可以提高准确性，并产生财务效益。然而，通常使用的校准技术通常需要过长的时间来执行，例如每个罐3至8小时。这些冗长技术会引起对储罐运行的严重破坏，可以安排这些储罐几乎连续进行产品转移。
因此，需要一种适用于大型结构例如储罐的校准技术，该校准技术既要高度准确，又对其操作的影响最小。
发明内容
本发明的实施例提供了一种校准结构的方法。所述方法包括将系链的第一端固定到所述结构的外表面上的固定位置处的装置上，将无人飞行器附接到所述系链的第二端，使所述无人飞行器在拴系到所述固定装置上的同时沿围绕所述结构的轨迹移动，使用所述无人飞行器在所述轨迹的路线上扫描所述结构的外表面，以获得所述结构外表面的映射，确定所述无人飞行器相对于所述固定装置的位置；并基于i)所述确定的无人飞行器相对于所述固定装置的位置，以及ii)所述结构外表面的映射来校准所述结构。
在该方法的一些实施方式中，无人飞行器围绕所述结构的轨迹是圆形路径。固定装置可以位于所述结构的顶面上。
在一些实施例中，固定装置包括激光扫描仪，并且无人飞行器包括安装的反射器。激光扫描仪和安装的反射镜共同确定了无人飞行器相对于固定装置的位置。
在其他实施例中，固定装置包括具有角编码器的系链卷轴，和应变传感器。在此类实施例中，使用应变传感器来测量使用应变传感器的系链上的应变，并且基于所测得的应变来确定无人飞行器与固定装置之间的距离。另外，使用角编码器确定无人飞行器和固定装置的角度位置。
在一些实施方式中，无人飞行器可以包括激光扫描装置，所述激光扫描装置在扫描期间产生所述结构的外表面的点云。无人飞行器还可包括三个推进器。
本发明的实施例还提供了一种用于校准结构的系统。该系统包括位于该结构外表面上的固定位置处的装置，具有第一端和第二端并且第一端固定至所述固定装置的系链，以及附接到所述系链第二端的无人飞行器，所述无人飞行器包括扫描装置。所述无人飞行器可操作以在拴系到所述固定装置的同时沿着围绕所述结构的轨迹移动，并且在所述轨迹的路线上扫描所述结构的外表面以获得所述结构的外表面的映射。基于i)所述无人飞行器相对于所述固定装置的已知位置，以及ii)所述结构外表面的映射来校准所述结构。
无人飞行器可以包括多个推进器，并且可操作以控制推进器以保持系链中的拉力，从而沿圆形轨迹移动，并且在一些实施方式中，固定装置位于该结构的顶面上。
在一些实施例中，所述固定装置包括激光扫描仪，并且所述无人飞行器包括安装的反射器，并且所述激光扫描仪和安装的反射器一起确定所述无人飞行器相对于所述固定装置的位置。
在其他实施例中，固定装置包括系链卷轴、角编码器和应变传感器。在一些实施方式中，应变传感器可操作以测量系链上的应变，并且基于测得的应变来确定无人飞行器与固定装置之间的距离。角编码器可用于确定无人飞行器相对于固定装置的角度位置。
无人飞行器的扫描装置可以实现为LiDAR装置，并且无人飞行器可以实现为具有三个推进器的三角飞行器。
可使用本文公开的各种实施例和实施方案的任何组合。
这些和其它方面、特征和优点可从本发明的某些实施例和附图以及权利要求的以下描述中了解。
附图说明
图1是根据本发明，用于校准结构的系统的示例性实施例的透视图。
图2是根据本发明的实施例的固定装置的实施例的示意性透视图。
图3是根据本发明的实施例的可用作UAV的三角飞行器的透视图。
图4是根据本发明的实施例，用于校准结构的对照系统的示意性框图。
图5是根据本发明，用于沿围绕结构的圆形轨迹推进UAV的方法的示例性实施例的流程图。
图6是根据本发明的数据校准方法的示例性实施例的流程图。
注意，附图是说明性的，不一定是按比例绘制的。
具体实施方式
通过概述的方式，本公开描述用于校准结构如燃料储罐的方法和系统。无人飞行器(有时称为无人机，但在下文中称为″UAV″)拴系到结构上的固定点，并在被拴系的同时沿一定轨迹围绕所述结构行驶。UAV在穿过所述轨迹时扫描所述结构的外表面。将结构拴系到固定点会产生一个坐标参考系，因为可以随时准确地测量UAV相对于固定点的精确位置。因此，可以将所述结构表面的扫描数据自动转换为参考系内的空间坐标。由于UAV在其轨迹期间是拴系的，因此无需保持独力稳定性，并且可以采用非常规的UAV设计，包括三推进器(三角飞行器)设计。
图1是根据本发明，用于校准结构的系统的示例性实施例的透视图。在图1中，示出了用于校准结构105的校准系统100，该实例中该结构是燃料储罐。该结构具有顶面110，使用三脚架或其他稳定平台或通过夹具将固定装置120固定在顶面110上。固定装置120也可以固定到结构105的其他部分。固定装置120联接到系链125的第一端。系链125的第二端联接到UAV 130。系链125优选为轻质、柔性、不可延伸的并且足够坚固以承受足以在完全伸展时保持系链处于拉伸状态的力。如图1所示，系链125伸展并处于拉伸状态。固定装置120和UAV 130中的任一个(或两者)都可以包括应变传感器，该应变传感器适于测量在系链悬挂在固定装置和UAV之间时系链上的拉力。系链可以联接至安装在固定装置120或UAV 130上的可伸缩卷轴，或者可以手动解绕。
通常，优选的是，系链的长度大于待校准的结构的半径，使得UAV使结构的边缘充分清晰以能够扫描结构的整个外表面。UAV 130在附接到系链125的同时，能够沿着围绕结构105的轨迹在空中行进。UAV 130还包括扫描装置(图1中未示出)，用于捕获关于结构尺寸的精确信息。在一些实施方式中，扫描装置是激光(LiDAR)扫描仪，并且使用扫描仪捕获的数据包括结构105的高分辨率点云或映射。云分辨(点对点)距离可以为约一厘米(～1cm)，每个点的精度可以为约一毫米(～1mm)。激光扫描仪可以是二维LiDAR系统，其适用于沿着扫描平面和结构之间的横截面映射点集。二维横截面可以组合成三维映射。
在一些实施例中，UAV 130包括外部安装的反射器132。在此类实施例中，固定装置120可以实现为具有六自由度的激光跟踪仪，例如，徕卡绝对跟踪仪AT402、AT930或AT960。跟踪仪120配置为使用干涉测量法来确定反射器相对于跟踪仪和反射器132的精确位置。UAV 130可以联接到系链125，以在将UAV部署用于扫描时迫使反射器132面向跟踪仪120。
在另一个实施例中，系链本身的运动，与应变传感器和角编码器结合，可以用来代替激光跟踪仪来跟踪无人飞行器的位置。在图2中示意性地示出了基于该原理的固定装置的一个实施例。如图所示，系链200联接至固定装置205(称为″站″)并从其延伸，该固定装置205可以联接至卷轴(图2中未示出)。站205安装到第一轴承210，第一轴承210为站提供在方位角方向(水平面)上的旋转自由度。第二轴承215提供了在垂直平面上的旋转自由度，就高度而言该自由度改变了站的定向。可旋转轴承允许系链随着UAV一起，当其在水平面和垂直方向上沿其轨迹行进时旋转。在一些实施方式中，站205包括距离编码器和/或应变传感器(未示出)，该距离编码器和/或应变传感器在从卷轴解绕时动态测量系链的长度。对于长度相对较短的系链，应变传感器可以测量系链上的拉力，表明系链已延伸至或接近其全长。对于具有大卷轴的系链，可以使用距离编码器直接测量解绕长度，并且可以启动夹紧机构以停止卷轴的进一步解绕，以将系链保持在固定长度。可替代地，可以通过固定系链的长度并且使系链延伸到其最大长度来预设固定装置和UAV之间的距离。
另外，站可包括联接至第一轴承210的第一编码器222，该第一编码器222在站相对于第一轴承旋转时测量系链的方位角。站205还可包括联接到第二轴承215的第二编码器224，该第二编码器224在站相对于第二轴承旋转时测量系链的高度角。在替代实施方式中，UAV 130上的传感器可以连同编码器使用或作为编码器的替代。例如，所述站可以包括高度传感器，而不是高度角编码器，该高度传感器指示该站本身在结构上的高度，而UAV可以包括类似的高度传感器。在站和UAV处测得的高度之差表示站与UAV之间的系链角度。在其他实施方式中，可以使用UAV板上的惯性测量单元(IMU)来测量UAV相对于站的定向。
UAV 130由于被拴系，所以可以使用非常规的、简化的转子配置来实现。为了维持在轨迹上的稳定性，UAV仅需要具有从固定装置上推开的能力，以保持系链上的拉力，并控制轨迹的角度方向(顺时针与逆时针)。这些条件可以使用三个推进器(旋翼)来实现。图3示出了可以用于本发明实施例中的UAV的三角飞行器300的透视图。三角飞行器300包括在垂直方向上提供推力的第一端推进器302，在水平方向上提供推力的中央推进器304以及还在垂直方向上提供推力的第二端推进器306。中央推进器304用于沿水平方向推动三角飞行器离开所述结构，以保持系链上的拉力。第一和第二端推进器302、306可以用于调节三角飞行器的高度，并且还用于调节三角飞行器300相对于水平面的角度定向。(称为″姿态″)。例如，可以通过使用第一端推进器302提供向下推力，同时使用第二端推进器306提供向上推力来调整姿态。
在操作中，在扫描运行之前，系统100初始化，使得固定装置能够跟踪UAV。在初始化阶段，UAV首先在初始位置联接到系链125。当使用激光跟踪器实现固定装置120时，定位UAV的反射器132，并且确定UAV 130相对于固定装置120的定向。初始位置可以是预先指定的″栖息″位置，该位置存储在跟踪器的存储器中。在这种情况下，跟踪器自动发现UAV的位置。然而，预先指定的位置不必要；只要UAV的反射器在跟踪器的视线内，就可以确定UAV的定向。当使用角编码器实现固定装置时，编码器确定定向。然后可以从离开栖息位置时开始跟踪UAV。在其他实施方式中，操作员可以手动地或通过远程控制使UAV相对于激光跟踪器定位，使得来自跟踪器的光束拦截UAV的反射器。拦截后，操作员可以发出命令让UAV升空。一旦处于空中，UAV就可以配置(即编程)为移动远离固定装置，直到通过位于固定装置或UAV的应变传感器检测到阈值拉力，或者达到系链极限，UAV无法进一步移动远离固定装置时。
另外，由于当系链悬挂在固定装置和UAV之间时，系链有下垂倾向，并且下垂的程度影响固定装置和UAV之间的距离，因此有利的是抵偿该因素。根据众所周知的悬挂线物理学，下垂量是系链上拉力的函数。拉力可以用应变传感器测量，如上所述，应变传感器可以包括在固定装置或UAV(或两者)中。一经测量，就确定了下垂量以及下垂使固定装置与UAV之间的距离减少的量。如果确定下垂超出阈值大小，则将启动UAV推进器以增加系链上的拉力。
一旦进行了初始化，UAV便会沿围绕结构的轨迹行进并扫描结构，优选使用LiDAR扫描(但是可以使用其他扫描和成像模式)。在许多情况下，UAV以固定装置为中心沿圆形轨迹行进，使系链上的拉力保持恒定或接近恒定，从而与固定中心保持一致的距离。然而，根据固定装置相对于结构的确切位置，轨迹圆度可以不同，并且可以在一段时间内根据需要减小系链上的拉力。为了保持该轨迹，启动UAV的推进器以连续地从固定装置上推开以维持系链上的拉力，并且还向上推进以保持UAV处于空中。
图4是根据本发明的实施例，用于校准结构的对照系统的示意性框图。如图所示，UAV 130包括控制单元405、一组传感器410、扫描仪412、收发器414、推进器416和机载存储器418。可以使用微处理器、可编程逻辑单元和/或应用程序专用电路实现的控制单元405配置有程序模块。程序模块包括轨迹控制模块420、扫描仪控制模块422、通信模块424和校准模块。传感器410可以包括惯性测量单元、压力/应变传感器、光学传感器、高度传感器、远程控制传感器等。传感器410接收的数据传输到控制单元405进行进一步处理。
在操作中，控制单元405采用轨迹控制模块422自动地或响应于从操作员接收到的命令(例如，通过远程控制)来控制推进器416。轨迹控制模块420包括用于控制推进器以在拴系时将UAV保持在特定轨迹中的逻辑。扫描仪控制模块422用于控制扫描仪412的操作，当UAV穿过围绕结构的轨迹时，扫描仪412获得结构外表面的一系列横截面映射。以这种方式，轨迹控制模块420和扫描仪控制模块422串联操作以确保扫描所述结构的整个表面。通信模块424操作收发器414，该收发器414适于经由Wi-fi、蓝牙或其他合适的通信模式进行无线通信。校准模块426使用扫描的数据和从固定装置接收的数据来生成所述结构外表面的完整3-D映射。
根据一个实施例，轨迹控制模块420执行用于沿围绕结构的圆形轨迹推进UAV的算法。图5中示出了该算法的示例性实施例的流程图。在初始步骤502中，推进器模块接收关于UAV相对于固定装置的当前位置(起始位置)的数据。在下一步骤504中，UAV基于从应变传感器接收到的输入来确定系链上是否有足够的拉力。如果没有足够的拉力，则在步骤506中，推进器模块驱动推进器(用于使用三角飞行器实现的中央推进器)以使UAV移动离开固定装置以使系链上的拉力增加到足够水平。如果确定存在足够拉力，或在步骤506之后，在步骤508中，推进器模块基于操作员命令或预设指令确定穿过圆形轨迹的方向，即顺时针方向与逆时针方向。同时，启动扫描模块开始扫描所述结构(独立于推进器模块)。在确定方向之后，在步骤510中，推进器模块启动推进器，以便以操作员预设或选择的近似稳定圆周速度行进。对于三角飞行器实施，启动侧推进器以加速UAV以开始圆周运动，然后可以减小力的量以达到稳定速度。当UAV沿着轨迹行进时，它会连续从其自己的传感器和固定装置接收到有关其位置的数据。基于该数据，在步骤512中，推进器模块确定UAV是否已经到达初始位置并且穿过结构的整个圆周。然后，推进器模块基于操作员命令或预设指令确定是停用推进器(步骤514)并且使UAV停放在表面上，还是重新开始所述轨迹(循环回到步骤510)并执行另一次扫描运行。可以执行多次扫描运行以增加扫描数据量，以减小可能的错误并提高整体扫描准确性。
UAV 130通过系链125联接到固定装置120。固定装置120又包括控制单元430、一组传感器432、收发器434和存储器436。可以使用处理器、编程逻辑单元或专用电路实现的控制单元430配置有程序模块来，所述程序模块包括跟踪模块442、定向/距离确定模块444和通信模块446。传感器432可以包括但不限于LiDAR跟踪器、角编码器和应变传感器(取决于所采用的固定装置的实施方式)。
在操作中，对于采用激光跟踪器的固定装置的实施例，控制单元430使用跟踪模块442来定位和之后跟踪UAV上的反射器。定向/距离确定模块利用激光跟踪器接收的或从传感器432接收的数据来确定UAV相对于固定装置的瞬时定向和距离。该信息连续地(时间增量极小)存储在存储器436中，并经由通信模块446和收发器434传输到UAV。
本发明的方法通过交叉参考由UAV获得的扫描数据与固定装置(或UAV和固定装置的组合)获得的定向和距离数据，提供了高度准确的结构校准。在UAV围绕结构的轨迹期间，可以在UAV 130和固定装置120之间建立低延时通信链路450。通信链路450使固定装置120能够在UAV扫描所述结构的同时连续地向UAV 130传输信息。UAV的校准模块426使用从固定装置接收的信息将扫描数据实时交叉参考到参考系中。
在替代实施例中，UAV和固定装置的通信模块424、444经通信链路450执行时间同步。然后，固定装置累积UAV轨迹上的数据，并为数据加上时间标识。然后将累积数据发送到UAV。UAV根据时间标识将累积信息与扫描数据进行交叉参考，从而将特定扫描与固定参考系中UAV的相关定向关联起来。能够交叉参考该信息免除了在对准过程中将扫描点集缝合在一起的需要。一旦定向信息和扫描数据完全交叉参考，就可以实施结构的准确3-D映射，并且可以使用3-D映射通过校准模块来校准结构的体积。
在图6中示出了由校准模块426执行的算法的实施例的流程图。在第一步骤602中，校准模块接收从扫描模块获得的图像数据，包括与每次扫描相关联的时间数据。在第二步骤604中，校准模块接收从固定装置接收的UAV位置信息。UAV位置信息指示UAV相对于固定装置的位置，还包括时间数据。在步骤606中，校准模块通过匹配时间数据来交叉参考图像数据和位置数据，从而在步骤608中确定固定装置的参考系中，所述结构的图像的准确比例和定向。在步骤610中，使用缩放和参考的图像数据，校准模块确定了结构的体积的估计。
要注意的是，虽然本文公开的系统和方法特别适合于校准石油和天然气工业中使用的储罐，但是应当理解，这些系统和方法可以有效地应用于校准其他结构，如大型机械、地标和大幅面艺术品。
本发明的方法和系统提供了许多优点。本发明的方法使得大型结构如储罐能够在大约30分钟内被校准，这比传统的校准时间短得多。另外，本发明的校准方法不需要点集对准，这允许在短时间内更容易地映射大型结构的整个表面。更一般地，本发明提供了一种用于由单个绝对参考系创建大型结构的三维重建的有效且高度准确的技术，该技术超过了现有结构映射技术的性能。
应当理解，本文所公开的任何结构和功能细节不应被解释为限制所述系统和方法，而是作为用于教导本领域技术人员实施所述方法的一种或多种方式的代表性实施例和/或布置方式来提供。
应进一步理解，贯穿几个附图，在附图中相同的数字表示相同的元件，并且对于所有实施例或布置不是需要所有的参考附图描述和说明的组件和/或步骤
本文所使用的术语仅出于描述特定实施方案的目的，并且不旨在限制本发明。如本文所用，除非上下文另外清楚地指明，否则单数形式″一(a/an)″和″所述(the)″意图还包括复数形式。将进一步理解，术语″包含(comprises)″和″包含(comprising)″在用于本说明书中时指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其群组的存在或添加。
本文所用的取向术语仅用于约定和参考的目的，而不应被解释为限制性的。然而，应认识到，这些术语可参考观看者使用。因此，不暗示或推断出任何限制。
此外，本文所用的措词和术语是出于描述的目的并且不应被视为限制性的。本文″包含″、″包括″或″具有″、″含有″、″涉及″和其变化形式的使用意指涵盖在其后所列出的项目和其等效物以及附加项目。
虽然已参考例示性实施例描述了本发明，但本领域的技术人员应了解，在不脱离本发明范围的情况下可以进行不同的改变并且其多种元素可以由多种等效物代替。此外，在不脱离本发明的基本范围的情况下，所属领域的技术人员将理解许多修改以使特定仪器、情形或材料适于本发明的教示。因此，不希望本发明限于作为预期用于实施本发明的最佳模式来公开的具体实施例，但本发明将包括属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。

Claims (19)

1.一种校准结构的方法，其包括：
将系链的第一端固定到在所述结构的外表面上的固定位置处的装置上；
将无人飞行器附接到所述系链的第二端；
使所述无人飞行器沿围绕所述结构的轨迹移动，同时所述系链延伸并处于拉伸状态；
使用所述无人飞行器在所述轨迹的路线上扫描所述结构的外表面，以获得所述结构的外表面的映射；
确定所述无人飞行器相对于所述固定装置的位置；并且
基于i)所述确定的无人飞行器相对于所述固定装置的位置，以及ii)所述结构外表面的映射来校准所述结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述轨迹是围绕所述结构的圆形路径。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述固定装置包括激光扫描仪，并且所述无人飞行器包括安装的反射器，并且所述激光扫描仪和安装的反射器一起确定所述无人飞行器相对于所述固定装置的位置。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述固定装置包括具有角编码器的系链卷轴，和应变传感器。
5.根据权利要求4所述的方法，其还包括：
使用所述应变传感器测量所述系链上的应变；并且
基于测得的应变确定所述无人飞行器是否已经充分远离所述固定装置；并且
使用所述角编码器确定所述无人飞行器和所述固定装置的角度位置。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述固定装置位于所述结构的顶面上。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述无人飞行器包括激光扫描装置，所述激光扫描装置在扫描期间产生所述结构的外表面的点云。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述无人飞行器包括三个推进器。
9.一种用于校准结构的系统，其包括：
位于所述结构的外表面上的固定位置的装置；
具有第一端和第二端并且在所述第一端固定到所述固定装置的系链；和
附接到所述系链的第二端的无人飞行器，所述无人飞行器包括扫描装置，
其中所述无人飞行器可操作以在拴系到所述固定装置的同时沿着围绕所述结构的轨迹移动，并且在所述轨迹的路线上扫描所述结构的外表面以获得所述结构的外表面的映射，
并且其中基于i)所述无人飞行器相对于所述固定装置的已知位置，以及ii)所述结构的外表面的映射来校准所述结构。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述无人飞行器包括多个推进器，并且可操作以控制所述推进器以减小所述系链上的拉力以沿非圆形轨迹移动。
11.根据权利要求9所述的系统，其中所述固定装置包括激光扫描仪，并且所述无人飞行器包括安装的反射器，并且所述激光扫描仪和安装的反射器一起确定所述无人飞行器相对于所述固定装置的位置。
12.根据权利要求9所述的系统，其中所述固定装置包括具有角编码器的系链卷轴，和应变传感器。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述应变传感器可操作以测量所述系链上的应变，以基于所测量的应变确定所述系链是否处于完全拉伸状态。
14.根据权利要求12所述的系统，其中所述卷轴是机动化的，并且可操作以自动地缠绕和解绕所述系链，以控制所述无人飞行器与所述固定装置之间的距离。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述卷轴可操作以控制所述无人飞行器与所述固定装置之间的距离，以使所述无人飞行器沿非圆形轨迹移动。
16.根据权利要求12所述的系统，其中所述角编码器提供所述无人飞行器相对于所述固定装置的角度位置。
17.根据权利要求9所述的系统，其中所述固定装置位于所述结构的顶面上。
18.根据权利要求9所述的系统，其中所述无人飞行器的扫描装置是LiDAR装置。
19.根据权利要求9所述的系统，其中无人飞行器包括三个推进器。
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