CN113885030A - 一种载油储罐底板检测机器人的定位方法 - Google Patents

一种载油储罐底板检测机器人的定位方法 Download PDF

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胡斌
沈功田
戴晓峰
沈永娜
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    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/02—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems using reflection of acoustic waves
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Abstract

本发明公开了一种载油储罐底板检测机器人的定位方法，首先通过安装在检测机器人中心的惯性传感器获取所述检测机器人的行进方向，再利用安装在检测机器人前端和后端的超声传感器进行声速估计和回波测距，通过将距离之和与检测机器人的行进方向进行结合，从而计算获得检测机器人的位置。本发明所述定位方法利用了储罐底板的几何形状，不需要在储罐外部额外布置的传感器，仅通过惯性传感器和超声传感器，即可确定载油储罐底板内的检测机器人的位置，具有定位简便、快捷、准确的优点。

Description

一种载油储罐底板检测机器人的定位方法
技术领域
本发明涉及特种设备无损检测技术领域，特别涉及一种适用于储罐检测的检测机器人领域。
背景技术
大型立式金属储罐作为国际、国内常用的石油储存容器，由于常年受到淤泥、水、空气等因素的影响，不可避免地会受到侵蚀，尤其是以储罐底板的腐蚀程度较为严重。由于人工开罐检测存在费用高、周期长等缺点，目前较为先进的储罐底板腐蚀情况检测方法是，利用检测机器人进入载荷状态下的储罐内进对储罐底板进行腐蚀检测。为了确保检测机器人安全运作，即不与罐内结构发生碰撞，在线检测机器人具备实时定位功能。目前，检测机器人的定位方法是，在储罐外壁或顶部设置多个传感器超声波接收传感器组成空间位置已知的接收阵列，通过安装在检测机器人上的超声波发射传感器发出的声波到达接收阵列中各个超声波接收传感器的时差，来计算声源位置，进而得到检测机器人的位置。为确保定位准确，已知的现有技术如下：
Alawi Salem Alwi Abdulla等人(Alawi Salem Alwi Abdulla,Alaa MajedAboud Khalil,et al.Localization of asubmersible mobile inspection platform inan oil storage tank[C].Proceeding of the 7th International Symposium onMechatronics and its Applications,Sharjah,UAE,2010:1-6)提出一种利用三个测距传感器和一个电子罗盘组成的传感系统，工作原理是将距传感器测得的信息利用三边测量原理求得检测机器人的位置，利用电子罗盘求得检测机器人的方向角。该方法是目前较为常用的方法但也引入了外部传感器的布置误差影响定位精度，且储罐较大时，需要布置大量外部接收传感器，增加了系统的复杂程度。专利CN201710815328公开了一种适用于浮顶式储罐的定位方法，依靠浮顶的特殊结构，通过进入浮顶部分布置侵入式接收传感器，该方法对其他结构的储罐不具备通用性。专利CN201810752199公开了一种将摄像头与测距传感器结合的储罐检测机器人定位方法，但其实质需要依靠储罐上的人孔进行测距，对储罐结构存在要求，人孔位置的精准测量、介质高度是否高于人孔等因素使得检测的精度受到一定限制。
因此，当前的检测机器人定位方法，存在以下问题：
(1)为确保三角定位的计算精度，接收阵列的空间位置需精确设定，对于上千立方米的储罐而言，布置数十个超声波接收传感器较为复杂、操作工作量大；
(2)布置在储罐外壁上接收传感器的位置的测量误差、以及在测量过程中的传感器滑动等因素均会影响定位结果的准确性。
(3)为提高定位精度而利用浮顶介入或人孔测距原理的定位方法，存在不具备通用性或定位精度较低的问题，并不具有确保高定位精度的普适性。
综上所述，由于现有定位方法存在上述不足，因而急需一种操作简便、定位精度高的定位方法。本发明利用了储罐底板的几何形状，结合惯性传感器与超声测距传感器，设计了一种通用性较强、结构简单、无需在储罐外部布置额外的传感器，就能提供检测机器人精确位置的定位方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有储罐检测机器人定位系统易受接收传感器影响，且传感器较多时布置复杂的缺点，从而定位精度有限的不足而提出的一种适用于储罐检测的检测机器人定位方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种载油储罐底板检测机器人的定位方法，通过安装于所述检测机器人上的超声波传感器获取位置信息，具体定位步骤如下：
一种载油储罐底板检测机器人的定位方法，通过安装于所述检测机器人上的超声波传感器获取位置信息，其特征在于，定位步骤如下：
步骤1，布设传感器；以所述储罐底板圆心为原点，以南-北为y轴，东-西为x轴，建立全局坐标系，在所述检测机器人的中心部位放置惯性传感器，所述惯性传感器的北向角度置零；在所述检测机器人的前端和后端分别放置超声波传感器，且前后端对应传感器的连线平行于所述检测机器人的中轴线；
步骤2，建立旋转坐标系；记录所述检测机器人进入储罐的位置，利用惯性传感器获取所述检测机器人的朝向与所述全局坐标系y轴方向的夹角α，将所述全局坐标系逆时针旋转
Figure BDA0003343080990000031
获得旋转坐标系；
步骤3，设置定位区域；所述载油储罐底板的半径为r，根据所述检测机器人的先验位置，即所述检测机器人上一时刻的位置，将所述检测机器人在所述旋转坐标系内所在的半圆区域设为定位区域，即以旋转坐标系的x轴为界将所述载油储罐底板分为两个半圆区域，所述检测机器人所在的半圆区域为定位区域；
步骤4，实测声速估计；通过所述超声波传感器基于超声波的收发获得超声波在所述载油储罐底部承载液体介质内的实际声速；
步骤5，定位位置求解；
步骤5.1，求解弦长；所述检测机器人中轴线延长线与所述定位区域圆形边界的交点连线形成一条弦，根据所述检测机器人的前端和后端的超声波传感器的回波测距，获取所述弦的弦长d,根据弦长公式可得弦长对应的半角角度
Figure BDA0003343080990000041
步骤5.2，所述检测机器人位置求解；由θ计算得到所述前端和后端的超声波传感器在旋转坐标系下的坐标为
Figure BDA0003343080990000042
其中，d0为前后端的超声波传感器之间的距离，d1、d2为前后端的超声波传感器测得的回波距离，即所述前后端超声波传感器发射声波至所述储罐的壁板反射后形成回波声距的二分之一；
5.3求解全局坐标系下的定位坐标，
对旋转坐标系内的超声波传感器坐标进行坐标系转换，旋转公式如下：
Figure BDA0003343080990000043
其中，(x',y')为全局坐标系内的超声传感器坐标，(x,y)为旋转坐标系内的超声传感器坐标，将已知的α、x1、y1、x2、y2代入公式(1)，计算得到所述前后端超声波传感器在全局坐标系内的坐标M1(x1',y1')、M2(x2',y2')，从而得到所述检测机器人的具体位置。
进一步的，所述方法适用于圆柱形载油储罐。
进一步的,所述步骤4具体如下，放置于所述检测机器人的前端和后端的超声波传感器有两组共四只，位于与所述检测机器人中轴线平行的同一直线上，一组超声传感器位于所述检测机器人的外侧、且检测面均向外，另一组超声传感器位于所述检测机器人的内侧、且检测面相对放置、间距为d0，通过相对的两个超声波传感器以一发一收的模式获得声波在两个传感器之间传播的时延t0，实测声速v由公式(2)计算得到。
Figure BDA0003343080990000051
进一步的,步骤4中所述超声传感器检测面均向外的一组传感器，基于回波声距获得所述两个传感器与所述储罐壁板的间距分别为d1和d2，从而所述步骤5.1中的弦长为d＝d0+d1+d2。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明通过两个超声传感器实测声速，使得定位前不需要提前测量定位环境内的声速或使用经验声速，提高定位精度；
2、由于本发明只需要在检测机器人上安装传感器，从而在根本上克服了外部传感器带来的误差，且适用性较强；
3、通过利用储罐底板的几何形状，不需要在储罐外部额外布置的传感器，仅通过安装于机器人上的惯性传感器和超声传感器，即可确定载油储罐底板内的检测机器人的位置，减轻了布置外部传感器的难度，节约了成本。
附图说明
图1为本发明所述定位方法的传感器布设示意图；
图2为本发明所述定位方法的坐标系转换原理示意图；
图3为本发明所述定位方法的定位算法步骤框图；
图中标记：
1-超声波传感器，共四只，标号分别为1#、2#、3#、4#，
2-惯性传感器，
3-检测机器人。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
一种适用于储罐检测的检测机器人定位方法，通过安装于所述检测机器人上的超声波传感器获取位置信息，具体定位步骤如下：
步骤1，布设传感器；如图1所示，以所述储罐底板圆心为原点，以南-北为y轴，东-西为x轴，建立全局坐标系，在所述检测机器人的中心部位放置惯性传感器，所述惯性传感器的北向角度置零；在所述检测机器人的前端和后端分别放置超声波传感器，且前后端对应传感器的连线平行于所述检测机器人的中轴线；
步骤2，建立旋转坐标系；记录所述检测机器人进入储罐的位置，利用惯性传感器获取所述检测机器人的朝向与所述全局坐标系y轴方向的夹角α，将所述全局坐标系逆时针旋转
Figure BDA0003343080990000061
获得旋转坐标系；
步骤3，设置定位区域；所述载油储罐底板的半径为r，根据所述检测机器人的先验位置，即所述检测机器人上一时刻的位置，将所述检测机器人在所述旋转坐标系内所在的半圆区域设为定位区域，即以旋转坐标系的x轴为界将所述载油储罐底板分为两个半圆区域，所述检测机器人所在的半圆区域为定位区域；
步骤4，实测声速估计；通过所述超声波传感器基于超声波的收发获得超声波在所述载油储罐承载液体介质内的实际声速；
放置于所述检测机器人的前端和后端的超声波传感器共有两组共四只，位于与所述检测机器人中轴线平行的同一直线上，一组超声传感器(传感器标号1#、2#)位于所述检测机器人的外侧、且检测面均向外，另一组超声传感器(传感器标号3#、4#)位于所述检测机器人的内侧、且检测面相对放置、间距为d0，通过相对的两个超声波传感器以一发一收的模式获得声波在两个传感器之间传播的时延t0，实测声速v由公式(2)计算得到。
Figure BDA0003343080990000071
所述超声传感器检测面均向外的一组传感器，基于回波声距获得所述两个传感器与所述储罐壁板的间距分别为d1和d2，即该组两个传感器均采用自发自收的模式获得回波时延分别为t1、t2，从而根据下式获得d1、d2
Figure BDA0003343080990000072
步骤5，定位位置求解；
步骤5.1，求解弦长；所述检测机器人中轴线延长线与所述定位区域圆形边界的交点连线形成一条弦，根据所述检测机器人的前端和后端的超声波传感器的回波测距，获取所述弦的弦长d,根据弦长公式可得弦长对应的半角角度
Figure BDA0003343080990000073
步骤5.2，所述检测机器人位置求解；由θ计算得到所述前端和后端的超声波传感器在旋转坐标系下的坐标为
Figure BDA0003343080990000074
其中，d0为前后端的超声波传感器之间的距离，d1、d2为前后端的超声波传感器测得的回波距离，即所述前后端超声波传感器发射声波至所述储罐的壁板反射后形成回波声距的二分之一；
步骤5.3，所述检测机器人位置求解；根据三角公式由θ计算得到所述前端和后端的超声波传感器在旋转坐标系下的坐标为
Figure BDA0003343080990000081
其中，d0为前后端的超声波传感器之间的距离，d1、d2为前后端的超声波传感器测得的回波距离，即所述前后端超声波传感器发射声波至所述储罐的壁板反射后形成回波声距的二分之一；
5.4求解全局坐标系下的定位坐标，
对旋转坐标系内的超声波传感器坐标进行坐标系转换，旋转公式如下：
Figure BDA0003343080990000082
其中，(x',y')为全局坐标系内的超声传感器坐标，(x,y)为旋转坐标系内的超声传感器坐标，将已知的α、x1、y1、x2、y2代入公式(1)，计算得到所述前后端超声波传感器在全局坐标系内的坐标M1(x1',y1')、M2(x2',y2')，从而得到所述检测机器人的具体位置。
本发明所述方法适用于所有圆形横截面的载油储罐。
定位位置求解的唯一性和精确性。对应于已知弦长d，在储罐圆形区域内可有多个弦的位置，即弦位置的解并不唯一，但是本方法引入了惯性传感器，使得弦长对应的二维位置具备了唯一解。
首先，由所述惯性传感器的初始进入方向确定的角度α，使得弦长与所述旋转坐标系x轴平行，便利了弦长的计算；进而，由所述惯性传感器的先验位置——上一时刻惯性传感器在旋转坐标系内的位置，确定了定位区域(上半圆还是下半圆)，即弦对应的y轴的范围(y>0还是y<0)；最后，根据弦长确定弦的偏转角度，即弦长对应的半角角度
Figure BDA0003343080990000091
进而确定了x、y的具体坐标。
上述计算过程简单，无需现有技术采用的阵列传感器三角定位的迭代计算和校准、也无需外部人孔位置的辅助测量，弦长的计算仅需四只超声波传感器即可实现，操作便利、计算精度高；而弦的角度的确定是由引入的一只惯性传感器来实现的，其布设方便、测量精度高。因而，本发明所述方法具有操作方便、计算精度高的特点，且计算时利用了储罐底面的圆形外形，适用于所有圆形横截面的载油储罐，适用范围广泛。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种载油储罐底板检测机器人的定位方法，通过安装于所述检测机器人上的超声波传感器获取位置信息，其特征在于，定位步骤如下：
步骤1，布设传感器；以所述储罐底板圆心为原点，以南-北为y轴，东-西为x轴，建立全局坐标系，在所述检测机器人的中心部位放置惯性传感器，所述惯性传感器的北向角度置零；在所述检测机器人的前端和后端分别放置超声波传感器，且前后端对应传感器的连线平行于所述检测机器人的中轴线；
步骤2，建立旋转坐标系；记录所述检测机器人进入储罐的位置，利用惯性传感器获取所述检测机器人的朝向与所述全局坐标系y轴方向的夹角α，将所述全局坐标系逆时针旋转
Figure FDA0003343080980000011
获得旋转坐标系；
步骤3，设置定位区域；所述载油储罐底板的半径为r，根据所述检测机器人的先验位置，即所述检测机器人上一时刻的位置，将所述检测机器人在所述旋转坐标系内所在的半圆区域设为定位区域，即以旋转坐标系的x轴为界将所述载油储罐底板分为两个半圆区域，所述检测机器人所在的半圆区域为定位区域；
步骤4，实测声速估计；通过所述超声波传感器基于超声波的收发获得超声波在所述载油储罐底部承载液体介质内的实际声速；
步骤5，定位位置求解；
步骤5.1，求解弦长；所述检测机器人中轴线延长线与所述定位区域圆形边界的交点连线形成一条弦，根据所述检测机器人的前端和后端的超声波传感器的回波测距，获取所述弦的弦长d,根据弦长公式可得弦长对应的半角角度
Figure FDA0003343080980000012
步骤5.2，所述检测机器人位置求解；由θ计算得到所述前端和后端的超声波传感器在旋转坐标系下的坐标为
Figure FDA0003343080980000021
其中，d0为前后端的超声波传感器之间的距离，d1、d2为前后端的超声波传感器测得的回波距离，即所述前后端超声波传感器发射声波至所述储罐的壁板反射后形成回波声距的二分之一；
5.3求解全局坐标系下的定位坐标，
对旋转坐标系内的超声波传感器坐标进行坐标系转换，旋转公式如下：
Figure FDA0003343080980000022
其中，(x',y')为全局坐标系内的超声传感器坐标，(x,y)为旋转坐标系内的超声传感器坐标，将已知的α、x1、y1、x2、y2代入公式(1)，计算得到所述前后端超声波传感器在全局坐标系内的坐标M1(x1',y1')、M2(x2',y2')，从而得到所述检测机器人的具体位置。
2.根据权利要求1所述的载油储罐底板检测机器人的定位方法，其特征在于,所述方法适用于圆柱形载油储罐。
3.根据权利要求1或2所述的载油储罐底板检测机器人的定位方法，其特征在于,所述步骤4具体如下，放置于所述检测机器人的前端和后端的超声波传感器有两组共四只，位于与所述检测机器人中轴线平行的同一直线上，一组超声传感器位于所述检测机器人的外侧、且检测面均向外，另一组超声传感器位于所述检测机器人的内侧、且检测面相对放置、间距为d0，通过相对的两个超声波传感器以一发一收的模式获得声波在两个传感器之间传播的时延t0，实测声速v由公式(2)计算得到。
Figure FDA0003343080980000031
4.根据权利要求3所述的载油储罐底板检测机器人的定位方法，其特征在于,步骤4中所述超声传感器检测面均向外的一组传感器，基于回波声距获得所述两个传感器与所述储罐壁板的间距分别为d1和d2，从而所述步骤5.1中的弦长为d＝d0+d1+d2。
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