CN115574855A - 一种沉管管节对接状态水下作业机器人检测方法 - Google Patents

一种沉管管节对接状态水下作业机器人检测方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种沉管管节对接状态水下作业机器人检测方法，包括：基于水下作业机器人集成的结构光传感器和视觉传感器检测所述待沉管节和已沉管节的对接端面的状态；以及，基于所述水下作业机器人的机械臂控制待沉管节设置的拉线传感器检测所述待沉管节与所述已沉管节之间对接端面的位姿关系，所述拉线传感器的拉线连接在所述已沉管节设置的对中装置上；其中，所述水下作业机器人设置有与控制端连接的线缆，并基于所述线缆接收所述控制端下发的操作指令，以及基于所述线缆将检测时测量得到的对接端面的状态和位姿关系上传至所述控制端，所述检测时测量得到的对接端面的状态和位姿关系用于调整所述待沉管节的对接姿态。

Description

一种沉管管节对接状态水下作业机器人检测方法
技术领域
本文件涉及海洋测绘水下沉管隧道工程技术领域，尤其涉及一种沉管管节对接状态水下作业机器人检测方法。
背景技术
海底隧道是跨海交通基础设施重要组成，施工过程是采用从出入口两端向中间沉放管节以完成最终的导通。出入口的初始管节为现场围堰修筑并形成对接端，其余管节在工程进行预制，然后浮运到现场进行水下沉放后进行对接。
管节对接不是一次完成，而是从一定距离开始逐步移动待沉放管节向已沉管节靠拢。一般情况下，是将待沉放管节初步移动至距离已沉管节2米左右的距离后，再开始进行精确对接。此时两个管节的高程基本一致，中轴线偏差一般在50厘米以内。对接时每次移动的距离从几厘米到十几厘米不等，每次移动都需要对两个管节的对接位姿进行精确测量。
目前，管节对接的位姿测量主要采用测量塔和卫星定位的组合方式，由于测量塔容易变形且卫星定位的精度不高，在管节每次对接移动后，还需要操作员潜入水下检测两个管节间的位姿关系(比如测量两个管节之间的距离、角度等)，再决定是否进行下一次对接移动。通常情况下，沉管对接的耗时少则几小时，多则十几个小时，整个对接过程中始终要有操作员在水下进行作业，这就需要配置多名操作员进行接力，施工投入成本高，且安全性较差。为此，如何在沉管对接工程取代操作人员水下作业是当前亟需解决的技术问题。
发明内容
本申请目的是提供一种沉管管节对接状态水下作业机器人检测方法，能够在沉管对接施工中，通过水下作业机器人代替操作人员潜入水下检测待沉管节与已沉管节两者对接端面的状态以及两者对接端面之间的位姿关系，可提高施工安全性，并最终为待沉管节与已沉管节的精确对接提供更加准确的数据支持。
为了实现上述目的，本申请实施例提供一种沉沉管管节对接状态水下作业机器人检测方法，包括：
在待沉管节进入水中后，基于水下作业机器人集成的结构光传感器和视觉传感器检测所述待沉管节和已沉管节的对接端面的状态；以及，
基于所述水下作业机器人的机械臂控制待沉管节设置的拉线传感器检测所述待沉管节与所述已沉管节之间对接端面的位姿关系，所述拉线传感器的拉线连接在所述已沉管节设置的对中装置；
其中，所述水下作业机器人设置有与控制端连接的线缆，并基于所述线缆接收所述控制端下发的操作指令，以及基于所述线缆将检测时测量得到的对接端面的状态和位姿关系上传至所述控制端，所述检测时测量得到的对接端面的状态和位姿关系用于调整所述待沉管节的对接姿态。
本申请的方案配置有集成机械臂和各类传感器的水下作业机器人。在对接施工中，当待沉管节进入水中后，通过水下作业机器人来检测待沉管节和已沉管节两者对接端面的状态，以及两者对接端面之间的位姿关系。其中，检测到的状态和位姿关系可用于调整待沉管节相对已沉管节的对接姿态，以保障待沉管节与已沉管节完成精确对接。与传统方案像对比，本申请的方案以水下作业机器人替代操作人员潜入水中进行管节对接的检测，不仅提高了施工的安全性，还降低了人工成本；此外，相比于操作员的目视判断，水下作业机器人上的传感器不易受到水下环境的影响，可提供更加准确的检测结果，进而在之后对接过程中提高了对待沉管节的调整成功率，让施工更加效率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的沉管管节对接状态水下作业机器人检测方法的第一种流程示意图。
图2本申请实施例提供的结构光传感器与管节之间的关系示意图。
图3为本申请实施例提供的沉管管节对接状态水下作业机器人检测方法构建坐标系的示意图。
图4为本申请实施例提供的拉线传感器的工作示意图。
图5为本申请实施例提供的水下作业机器人的结构示意图。
图6为本申请实施例提供的水下作业机器人的测量吊舱的结构示意图。
图7为本申请实施例提供的沉管管节对接状态水下作业机器人检测方法的第二种流程示意图。
图8为本申请实施例提供的沉管管节对接状态水下作业机器人检测方法的第三种流程示意图。
图9为本申请实施例提供的沉管管节对接状态水下作业机器人检测装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
如前所述，目前管节对接的位姿测量主要采用测量塔和卫星定位的组合方式，由于测量塔容易变形且卫星定位的精度不高，在管节每次对接移动后，还需要操作员潜入水下检测两个管节间的位姿关系，再决定是否进行下一次对接移动。这种依赖操作员水下作业的方式施工投入成本高，且安全性较差；此外，目测也容易受到水体影响而失准，导致对接过程需要对待沉放管节进行多次调整才能达到标准，整个耗时少则几小时，多则十几个小时，对操作员的负担较大。
为此，本申请提出一种由水下作业机器人代替人工方式引导管节对接的技术方案，在对接施工中，能够通过水下作业机器人来检测待沉管节和已沉管节两者对接端面的状态，以及两者对接端面之间的位姿关系。检测到的状态和位姿关系可用于调整待沉管节相对已沉管节的对接姿态，以保障待沉管节与已沉管节完成精确对接。
一方面，本申请实施例提供一种沉管管节对接状态水下作业机器人检测方法，图1是本申请实施例沉管管节对接状态水下作业机器人检测方法的流程图，具体包括如下步骤：
S102，在待沉管节进入水中后，基于水下作业机器人集成的结构光传感器和视觉传感器检测所述待沉管节和已沉管节的对接端面的状态。
本申请的结构光传感器的主要硬件包括激光器，用于深度扫描对接端面，得到对接端面的三维点云；视觉传感器的主要硬件包括测量相机，用于拍摄对接端面的可视图像。
参考图2所示，对于需要沉放在水下的管节(即待沉管节)，通道两端会设置密封门进行密封，以防止渗水；当管节在水下沉放完成后(即已沉管节)，已对接端面与前一已沉管节完成密封对接，此时该已对接端面的密封门可以打开，而待对接端面依然暴露在水中，其密封门需要保持在关闭状态。
通常情况下，管节的密封门凹设于管节两端的端面上，管节的密封门不会给对接造成较大的影响。也就是说，本申请只需要测量管壁的三维点云和可视图像。这就需要在测量过程中要边沿管壁的延伸方向移动，边控制结构光传感器和视觉传感器工作。
为此，可以在水下作业机器人上设置惯性传感器，并在待沉管节和已沉管节特定位置上设置定位靶标。
所述视觉传感器用于对定位靶标进行摄影测量后方交会，确定所述视觉传感器相对定位靶标的位姿关系，并根据确定到的位姿关系对定位靶标在所述施工坐标系中的实际位姿进行换算，得到所述水下作业机器人的精确位姿。其中，所述定位靶标在所述施工坐标系中的实际位姿是基于通过工程测量技术确定得到，且满足摄影测量后方交会要求；
所述惯性传感器用于以所述视觉传感器测量得到的精确位姿为基础进行运动惯性导航，确定所述水下作业机器人移动时的实时位姿。
对应地，本步骤根据惯性传感器提供的实时位姿为参考位姿，操控所述水下作业机器人沿预设的测量路径(扫描管壁的路径)进行移动，并在移动过程中基于所述水下作业机器人的结构光传感器测量所述待沉管节和已沉管节的对接端面三维点云，以及基于所述水下作业机器人的视觉传感器测量所述待沉管节和已沉管节的对接端面图像；之后，融合水下作业机器人的实时位姿、三维点云和对接端面图像以构建所述待沉管节和已沉管节的对接端面三维模型；并基于构建得到对接端面三维模型与对应的标准对接端面三维模型进行对比分析检测，确定待沉管节和已沉管节的对接端面的状态。
需要说明的是，对接过程是逐步对待沉管节进行挪动完成的，本申请每当对待沉管节进行挪动前，就控制水下作业机器人进行一次待沉管节和已沉管节的对接端面的状态检测。这里，为了避免惯性传感器在多次检测的移动过程中积累大量的误差，水下作业机器在每次检测时，先操控所述水下作业机器人前往所述施工坐标系中的预设位置，并在所述水下作业机器人到达所述预设位置后，通过所述视觉传感器，确定所述水下机器人在所述预设位置的精确位姿，并利用所述精确位姿初始化所述惯性传感器，以降低惯性传感器的误差；之后，在所述惯性传感器初始化后，操控所述水下作业机器人沿预设测量路径进行移动。
其中，在检测所述已沉管节的对接端面的状态时，所述水下作业机器人的初始精确位姿是所述视觉传感器对所述已沉管节上的定位靶标进行摄影测量后方交会得到的。所述已沉管节的定位靶标在所述施工坐标系中的实际位姿是基于所述施工坐标系对所述已沉管节进行贯通测量所确定到的。比如，在管节长度确定的情况下，根据本端起始管节在施工坐标系中的实际位姿，推算出已沉管节的在施工坐标系中的实际位姿，之后再结合定位靶标相对已沉管节的安装位姿(安装位姿是定位靶标在自身管节坐标系中的数据)，即可换算出已沉管节的定位靶标在施工坐标系中的实际位姿。对于靶标摄像测量装置而言，可以测量其自身相对已沉管节的定位靶标的位姿关系，本申请可以按照确定的位姿关系对已沉管节的定位靶标在施工坐标系中的实际位姿进行换算，即可确定出水下作业机器人在施工坐标系中的精确位姿。
同理，在检测所述待沉管节的对接端面的状态时，所述水下作业机器人的初始精确位姿是所述视觉传感器对所述待沉管节上的定位靶标进行摄影测量后方交会得到的。所述待沉管节的定位靶标在所述施工坐标系中的实际位姿是基于所述拉线传感器测量得到的对接姿态数据，对所述已沉管节的贯通测量结果进行换算得到的；或者，所述待沉管节的定位靶标在所述施工坐标系中的实际位姿是基于所述施工坐标系对所述待沉管节进行卫星定位或测量塔定位所确定到的。比如，基于测量塔先确定待沉管节的在施工坐标系中的实际位姿，并在定位靶标相对待沉管节的安装位姿已知的情况下，直接根据待沉管节的在施工坐标系中的实际位姿换算出待沉管节的定位靶标在施工坐标系中的实际位姿。
S104，基于所述水下作业机器人的机械臂控制待沉管节设置的拉线传感器检测所述待沉管节与所述已沉管节之间对接端面的位姿关系，所述拉线传感器的拉线连接在所述已沉管节设置的对中装置。
本申请中，已沉管节设置拉线的对中装置。拉线传感器的拉线可以设置有套环，对中装置为可被套环套住固定的结构，如圆柱体结构。本申请可以在待沉管节沉入水下前，提前将拉线传感器的拉线套环固定在待沉管节的对中装置。如果需要待沉管节进入水中后，再将拉线传感器的拉线套环固定在待沉管节的对中装置，则可以水下作业机器人通过机械臂完成。
下面对拉线传感器测量待沉管节与对已沉管节之间对接端面的位姿关系的原理进行示例性介绍。
参考图3所示，本申请以中轴线的方向为x轴，以平行管节的断面、且与中轴线垂直的方向作为y轴，构建坐标系。
进一步参考图4所示，待沉管节上设置有两个拉线传感器，即M1和M2，M1和M2也表示拉线传感器对应在坐标系中的坐标点；其中，M1对应在已沉管节的对中装置为T1，M2对应在已沉管节的对中装置为T2，T1和T2也表示对中装置对应在施工坐标系中的坐标点。
这里，将拉线传感器M1测量得到的拉线距离定义为L1，L1表示T1和M1之间拉线的长度，将拉线传感器M1测量得到的拉线旋转角度定义为θ1，θ1表示T1和M1之间拉线与中轴线形成的夹角，θ1包含了T1和M1之间因安装而与中轴线形成的夹角α1。同理，将拉线传感器M2测量得到的拉线距离定义为L2，L2表示T2和M2之间拉线的长度，将拉线传感器M2测量得到的拉线旋转角度定义为θ2，θ2表示T2和M2之间拉线与中轴线形成的夹角，θ2包含了T2和M2之间因安装而与中轴线形成的夹角α2。
根据θ1-α1和θ2-α2可以得到待沉管节相对于已沉管节旋转的角度，两个拉线传感器测量得到两个旋转角度，通过去平均得到待沉管节实际的旋转角度β，即：
β＝(θ1-α1+θ2-α2)/2
由于T，M间的连线距离L并不是两管节的测量点间的真实距离，需要根据这个L距离计算其在坐标系x，y方向的投影L′i和Di。即：
Figure BDA0003871960300000071
其中，L′i表示两个管节在x轴方向的投影距离，可以用于评估待沉管节是否与已沉管节平行。Di表示两个管节在y轴方向的投影距离，可以用于评估待沉管节的中轴线是否与已沉管节的中轴线对准。
本申请中，L′i和Di作为待沉管节与已沉管节之间对接端面的位姿关系中的信息。
对于本申请而言，根据测量得到的对接端面的状态和位姿关系用于调整所述待沉管节的对接姿态，以完成待沉管节与所述已沉管节的对接。
此外，在对接过程中，还可以根据视觉传感器所采集到的可视图像，来发现对接端面是否有异常现象。比如，考虑潮汐影响，一般一个月沉放一个管节，管节的对接端面上容易出现附着物。通过视觉传感器采集到的可视图像，可以在对接时判断管节的对接端面是否存在影响对接的附着物，如果存在，则再通过水下作业机器人的机械臂进行清理。
需要说明的是，本申请的水下作业机器人设置有与控制端(如服务器)连接的线缆，并基于所述线缆接收所述控制端下发的操作指令，以及基于所述线缆将检测时测量得到的对接端面的状态和位姿关系上传至所述控制端，所述检测时测量得到的对接端面的状态和位姿关系用于调整所述待沉管节的对接姿态。基于上述内容，本申请实施例方法提供配置有集成机械臂和各类传感器的水下作业机器人。在对接施工中，当待沉管节进入水中后，通过水下作业机器人来检测待沉管节和已沉管节两者对接端面的状态，以及两者对接端面之间的位姿关系。其中，检测到的状态和位姿关系可用于调整待沉管节相对已沉管节的对接姿态，以保障待沉管节与已沉管节完成精确对接。与传统方案像对比，本申请的方案以水下作业机器人替代操作人员潜入水中进行管节对接的检测，不仅提高了施工的安全性，还降低了人工成本；此外，相比于操作员的目视判断，水下作业机器人上的传感器不易受到水下环境的影响，可提供更加准确的检测结果，进而在之后对接过程中提高了对待沉管节的调整成功率，让施工更加效率。
下面结合具体的应用场景，对本申请的方法进行详细介绍。
如图5所示，本申请的水下作业机器人设置有线缆、测量吊舱、定位锚点和机械臂。其中：
线缆用于与服务器端的操作员通信，可接收到操作员的遥控指令进行工作，并将测量的数据上传至服务器，如三维点云和可视图像。
测量吊舱是测量的核心部分，如图6所示，集成有视觉传感器、结构光传感器、惯性传感器、控制电路、数据采集和通信模块等。一方面，服务器的操作员通过线缆向控制电路下发的操作命令，控制电路根据操作命令控制集成有视觉传感器、结构光传感器、惯性传感器进行测量工作。另一方面，数据采集和通信模块通过线缆将视觉传感器、结构光传感器、惯性传感器测量的测量数据上传至服务器。
机械臂上末端集成机械手，能将待沉管节的拉线传感器的拉线和已沉管节的对中装置进行连接，并执行拉线张紧操作。比如图4中，待沉管节的拉线传感器上设置有张紧按钮，机械臂可以通过按下张紧按钮，来调节拉线传感器的拉力。需要说明的是，拉线传感器数据配置有独立的电缆，可直接将测量到的对接姿态数据回传到服务器。
定位锚点用于水下作业机器人在水下固定停留，水下作业机器人在测量三维点云、拍摄对接端面的可视图像，以及基于定标靶标确定水下作业机器人在施工坐标系中的标定位姿时，可以通过定位锚点保持在一个固定的姿态，用于修正惯导的累计误差。
管节沉放后的贯通测量，即从隧道外部的控制点向里面进行边角测量，得到沉放管节在施工坐标系的实际位姿。在已沉管节顶部安装的对中装置、水下作业机器人定位靶标等在施工坐标系的坐标都可以通过贯通测量得到。在待沉管节上安装的拉线传感器、水下作业机器人定位靶标可以通过与已沉管节的关系测量进行换算。
如前文介绍，水下作业机器人的定位依赖惯性传感器，惯性传感器具有良好的自主性能，但其定位和定姿误差随时间累计特性要求有高精度的外部数据进行修正。因此，需要在待沉管节和已沉管节顶端安装定位靶标。其中，待沉管节和已沉管节的定位靶标在施工坐标系中的实际坐标和姿态可以通过对已沉管节的贯通测量确定。水下作业机器人通过与定位靶标合作进行位姿标定，来修正自身惯性传感器的误差。每次检测完成后，水下作业机器人都回到与定位靶标进行位姿标定的位置，这保证了水下长时间作业中水下作业机器人定位精度。
待沉管节和已沉管节对接端面的测量只需要测量管节四周的管壁，在没有特殊情况下，密封门是不用测量的，管壁的厚度大约是1.5米左右。测量检测以标定位姿为起点，按照既定的规划路线进行检测，检测结束后水下作业机器人回到起点并通过定位锚点进行固定，再次利用定位靶标提供进行位姿标定，以修正惯性传感器所累计的误差。修正后，准备下一次检测工作。
此外，通过调整测量吊舱的姿态，使结构光传感器的测量方向垂直于管壁测量。本应用场景中，可以利用惯性传感器输出的坐标所计算距离作为测量触发信号，各结构光传感器和视觉传感器配置有自己的测量触发信号的距离值，在测量触发信号的距离值达到有效的测量区间时，开始工作。或者，结构光传感器和视觉传感器也可以采用固定时间间隔方法触发进行工作。
在开始测量前，水下作业机器人可以通过视觉传感器，完成与定位靶标的精确位姿标定。位姿标定过程中，水下作业机器人通过定位锚点固定在水下保持不动，以防水流影响标定准确度。
在检测的准备阶段，水下作业机器人要确认拉线传感器的拉线与对中装置是否连接，如果没有连接，则操作员遥控水下作业机器人的机械臂操作拉线与对中装置连接。
在检测开始后，参考图7所示，先确定水下作业机器人的自身位置，之后根据测量确定移动方向和移动速度，驱动水下作业机器人进行移动；同时，根据移动方向和移动速度，计算水下作业机器人的移动距离。
当移动距离达到结构光传感器对应的触发值后，驱动结构光传感器采集得到对接端面的三维点云、时间数据、空间位姿数据，组成一次测量数据，连续三维断面测量得到管节对接端面的三维模型。测量三维数据上传到服务器与标准模型对比进行是否有异常检测。
同时，提供可视化的视觉传感器按照设定的触发参数，依据移动距离的取值来触发视觉传感器连续获取对接端面的图像数据，获取的图像数据、时间数据、空间位姿数据组成一次测量数据，图像和三维断面数据通过时间、空间位姿进行匹配和融合，图像数据可以通过机器学习方法或人工实时观测的方法检测端面是否有异常。
在检测完毕后，水下作业机器人根据操作确认是否需要解除拉线的固定，需要则接触拉线；之后，水下作业机器人回到与定位靶标进行标定的位姿，并通过定位锚点进行固定后进行位姿标定，修正惯性传感器的误差。
这里，进一步参考图8所示，本申请应用场景的流程如下：
首先，在管节上安装对中装置、拉线传感器、定位靶标，并根据对中装置和拉线传感器在自身管节坐标系中的位姿，计算对中装置与拉线传感器连线间所形成的夹角；并在水下水下作业机器人上集成测量吊舱和机械臂，并通过定位锚点将水下作业机器人固定用于与定位靶标进行位姿标定的位置。
之后，根据贯通测量法，将管节上的对中装置、定位靶标、拉线传感器等在自身管节坐标转换到施工坐标系中。
水下作业机器人通过遥控，利用定位靶标辅助进行自身位姿的标定，根据标定得到的更高精度的位姿修正惯性传感器位姿定位的误差，并等待操作指令。
如果接收端面检测指令，水下作业机器人以与定位靶标位姿标定的位置为起点，按照预设的测量路径采集端面的三维点云和图像、时间、空间和姿态数据并融合后通过线缆上传至服务器，服务器侧的点云自动建模与标准模型对比，图像通过深度学习和人工检测来判断是否有异常情况。这里以深度学习为例，本申请可以将图像输入至训练完成的附着物识别模型，以分析对接端面的附着物情况等。
如果接收对接关系测量指令，水下水下作业机器人依据设定参数启动拉线传感器张紧功能，触发数据采集和通信模块将拉线传感器测量的参数通过线缆上传服务器，服务器根据测量到的参数(如拉线距离、拉线旋转角度等)，计算两管节对接端面之间的位姿关系(如两个管节在x轴方向的投影距离以及两个管节在y轴方向的投影距离等)。
以上是对本申请实施例方法的示例性介绍。需要说明的是，申请实施例方法在通过水下作业机器人检测得到待沉管节和已沉管节两者对接端面的状态和两者对接端面之间的位置关系后，还可以根据检测得到的状态和位置关系对待沉管节相对已沉管节的对接姿态进行调整，从而完成待沉管节与已沉管节的精确对接。
例如：先基于待沉管节和已沉管节两者对接端面的状态，来检测对接端面是否附着有影响对接的异物；如果附着有影响对接的异物，则可通过水下作业机器人的机械臂进行清理；并在清理完成后，基于前文所述位置关系中的参数L′i，来调整待沉管节的对接方向，以使待沉管节的中轴线与已沉管节的中轴线趋近于平行(L′i绝对值越小，则估待沉管节与已沉管节的中轴线平行程度越高)；之后，基于前文所述位置关系中的参数Di，来调整待沉管节的中轴线位置，以使待沉管节的中轴线与已沉管节的中轴线对准(Di绝对值越小，则估待沉管节与已沉管节的中轴线对准程度越高)。应理解的是，整个对接过程中，待沉管节每向已沉管节挪动一次，本申请实施例的方法就对待沉管节完成一次对接姿态的调整，直至待沉管节与已沉管节实现对接。
另一方面，与上述图1所示方法相对应地，本申请实施例还提供一种沉管管节对接状态水下作业机器人检测装置。图9是该对接测量装置900的结构示意图，包括：
对接端面检测模块910，在待沉管节进入水中后，基于水下作业机器人集成的结构光传感器和视觉传感器检测所述待沉管节和已沉管节的对接端面的状态。
位姿关系检测模块920，基于所述水下作业机器人的机械臂控制待沉管节设置的拉线传感器检测所述待沉管节与所述已沉管节之间对接端面的位姿关系，所述拉线传感器的拉线连接在所述已沉管节设置的对中装置。
其中，所述水下作业机器人设置有与控制端连接的线缆，并基于所述线缆接收所述控制端下发的操作指令，以及基于所述线缆将检测时测量得到的对接端面的状态和位姿关系上传至所述控制端，所述检测时测量得到的对接端面的状态和位姿关系用于调整所述待沉管节的对接姿态。
可选地，所述水下作业机器人还集成有惯性传感器和视觉传感器，所述待沉管节和所述已沉管节设置有与所述视觉传感器配套的定位靶标；所述视觉传感器用于对定位靶标进行摄影测量后方交会，确定所述视觉传感器相对定位靶标的位姿关系，并根据确定到的位姿关系对定位靶标在所述施工坐标系中的实际位姿进行换算，得到所述水下作业机器人的精确位姿，其中，所述定位靶标在所述施工坐标系中的实际位姿是基于通过工程测量技术确定得到，且满足摄影测量后方交会要求；所述惯性传感器用于以所述视觉传感器测量得到的精确位姿为基础进行运动惯性导航，确定所述水下作业机器人移动时的实时位姿。
可选地，对接端面检测模块910基于水下作业机器人集成的结构光传感器和视觉传感器检测所述待沉管节和已沉管节的对接端面的状态，包括：以所述惯性传感器提供的实时位姿为参考位姿，操控所述水下作业机器人沿预设的测量路径进行移动，并在移动过程中基于所述水下作业机器人的结构光传感器测量所述待沉管节和已沉管节的对接端面三维点云，以及基于所述水下作业机器人的视觉传感器测量所述待沉管节和已沉管节的对接端面图像；融合所述水下作业机器人的实时位姿、三维点云和对接端面图像以构建所述待沉管节和已沉管节的对接端面三维模型；基于构建得到对接端面三维模型与对应的标准对接端面三维模型进行对比分析检测，确定所述待沉管节和所述已沉管节的对接端面的状态。
可选地，对接端面检测模块910以所述惯性传感器提供的实时位姿为参考位姿，操控所述水下作业机器人沿预设的测量路径进行移动，包括：操控所述水下作业机器人前往所述施工坐标系中的预设位置，并在所述水下作业机器人到达所述预设位置后，通过所述视觉传感器，确定所述水下机器人在所述预设位置的精确位姿，并利用所述精确位姿初始化所述惯性传感器；在所述惯性传感器初始化后，操控所述水下作业机器人沿预设测量路径进行移动。
所述水下作业机器人还集成有定位锚点，所述定位锚点用于固定所述水下作业机器人的位姿；其中，在通过所述视觉传感器，确定所述水下机器人在所述预设位置的精确位姿前，还通过所述定位锚点固定所述水下机器人在所述预设位置的位姿。
可选地，在检测所述待沉管节的对接端面的状态时，所述水下作业机器人的初始精确位姿是所述视觉传感器对所述待沉管节上的定位靶标进行摄影测量后方交会得到的，所述待沉管节的定位靶标在所述施工坐标系中的实际位姿是基于所述拉线传感器测量得到的对接姿态数据，对所述已沉管节的贯通测量结果进行换算得到的，或者，所述待沉管节的定位靶标在所述施工坐标系中的实际位姿是基于所述施工坐标系对所述待沉管节进行卫星定位或测量塔定位所确定到的。
可选地，在检测所述已沉管节的对接端面的状态时，所述水下作业机器人的初始精确位姿是所述视觉传感器对所述已沉管节上的定位靶标进行摄影测量后方交会得到的，所述已沉管节的定位靶标在所述施工坐标系中的实际位姿是基于所述施工坐标系对所述已沉管节进行贯通测量所确定到的。
可选地，所述视觉传感器包括测量相机和辅助光源。
可选地，位姿关系检测模块920基于所述水下作业机器人的机械臂控制待沉管节上设置的拉线传感器测量所述待沉管节相对所述已沉管节的对接姿态数据前，所述方法还包括：基于所述水下作业机器人的机械臂操控制所述拉线传感器的张紧装置将所述拉线传感器的拉线拉力调整至预设标准。
可选地，所述拉线传感器为至少两个，且拉线分别连接在所述已沉管节不同的对中装置，所述待沉管节与所述已沉管节之间对接端面的位姿关系包括：
用于评估所述待沉管节和所述已沉管节是否平行的第一参数L′i，和，用于评估所述待沉管节和所述已沉管节的中轴线是否对准的第二参数Di；
Figure BDA0003871960300000151
β＝(θ1-α1+θ2-α2)/2；i表示拉线传感器的标识；Ti表示第i个拉线传感器；Mi表示Ti对应的对中装置；αi表示Ti和Mi之间拉线与中轴线的夹角，为Ti测量值；Li表示Ti和Mi之间拉线的长度，为Ti测量值；拉线传感器Ti实际测量的拉线长度，θi表示Ti和Mi之间拉线与中轴线形成的夹角，为Ti测量值；αi表示Ti和Mi之间因安装而与中轴线形成的夹角。
应理解，本申请实施例的对接测量装置可以作为图1所示方法的执行主体，因此能够实现图1所示方法中的步骤和功能，这里本文不再赘述。
上述对本申请特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。此外，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本文件的保护范围。

Claims (10)

1.一种沉管管节对接状态水下作业机器人检测方法，其特征在于，包括：
基于水下作业机器人集成的结构光传感器和视觉传感器检测待沉管节和已沉管节的对接端面的状态；以及，
基于所述水下作业机器人的机械臂控制待沉管节设置的拉线传感器检测所述待沉管节与所述已沉管节之间对接端面的位姿关系，所述拉线传感器的拉线连接在所述已沉管节设置的对中装置；
其中，所述水下作业机器人设置有与控制端连接的线缆，并基于所述线缆接收所述控制端下发的操作指令，以及基于所述线缆将检测时测量得到的对接端面的状态和位姿关系上传至所述控制端，所述检测时测量得到的对接端面的状态和位姿关系用于调整所述待沉管节的对接姿态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述水下作业机器人还集成有惯性传感器，所述待沉管节和所述已沉管节特定位置设置有定位靶标；
所述视觉传感器用于对定位靶标进行摄影测量后方交会，确定所述视觉传感器相对定位靶标的位姿关系，并根据确定到的位姿关系对定位靶标在施工坐标系中的实际位姿进行换算，得到所述水下作业机器人的精确位姿，其中，所述定位靶标在所述施工坐标系中的实际位姿是基于通过工程测量技术确定得到，且满足摄影测量后方交会要求；
所述惯性传感器用于以所述视觉传感器测量得到的精确位姿为基础进行运动惯性导航，确定所述水下作业机器人移动时的实时位姿。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
基于水下作业机器人集成的结构光传感器和视觉传感器检测所述待沉管节和已沉管节的对接端面的状态，包括：
以所述惯性传感器提供的实时位姿为参考位姿，操控所述水下作业机器人沿预设的测量路径进行移动，并在移动过程中基于所述水下作业机器人的结构光传感器测量所述待沉管节和已沉管节的对接端面三维点云，以及基于所述水下作业机器人的视觉传感器测量所述待沉管节和已沉管节的对接端面图像；
融合所述水下作业机器人的实时位姿、三维点云和对接端面图像以构建所述待沉管节和已沉管节的对接端面三维模型；
基于构建得到对接端面三维模型与对应的标准对接端面三维模型进行对比分析检测，确定所述待沉管节和所述已沉管节的对接端面的状态。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，
以所述惯性传感器提供的实时位姿为参考位姿，操控所述水下作业机器人沿预设的测量路径进行移动，包括：
操控所述水下作业机器人前往所述施工坐标系中的预设位置，并在所述水下作业机器人到达所述预设位置后，通过所述视觉传感器，确定所述水下机器人在所述预设位置的精确位姿，并利用所述精确位姿初始化所述惯性传感器；
在所述惯性传感器初始化后，操控所述水下作业机器人沿预设测量路径进行移动。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，
所述水下作业机器人还集成有定位锚点，所述定位锚点用于固定所述水下作业机器人及保持位姿；
其中，在通过所述视觉传感器，确定所述水下机器人在所述预设位置的精确位姿前，还通过所述定位锚点固定所述水下机器人在所述预设位置对应的位姿。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
在检测所述待沉管节的对接端面的状态时，所述水下作业机器人的初始精确位姿是所述视觉传感器对所述待沉管节上的定位靶标进行摄影测量后方交会得到的，所述待沉管节的定位靶标在所述施工坐标系中的实际位姿是基于所述拉线传感器测量得到的对接姿态数据，对所述已沉管节的贯通测量结果进行换算得到的，或者，所述待沉管节的定位靶标在所述施工坐标系中的实际位姿是基于所述施工坐标系对所述待沉管节进行卫星定位或测量塔定位所确定到的。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
在检测所述已沉管节的对接端面的状态时，所述水下作业机器人的初始精确位姿是所述视觉传感器对所述已沉管节上的定位靶标进行摄影测量后方交会得到的，所述已沉管节的定位靶标在所述施工坐标系中的实际位姿是基于所述施工坐标系对所述已沉管节进行贯通测量所确定到的。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
基于所述水下作业机器人的机械臂控制待沉管节上设置的拉线传感器测量所述待沉管节相对所述已沉管节的对接姿态数据前，所述方法还包括：
若所述拉线传感器如果没有和对中装置连接，则基于所述水下作业机器人的机械臂操控所述拉线传感器与对所述中装置连接。
9.根据权利要求1至8任一项所述的方法，其特征在于，基于所述水下作业机器人的机械臂控制待沉管节上设置的拉线传感器测量所述待沉管节相对所述已沉管节的对接姿态数据前，所述方法还包括：
基于所述水下作业机器人的机械臂操控制所述拉线传感器的张紧装置将所述拉线传感器的拉线拉力调整至预设标准。
10.根据权利要求1至8任一项所述的方法，其特征在于，
所述拉线传感器为至少两个，且拉线分别连接在所述已沉管节不同的对中装置，所述待沉管节与所述已沉管节之间对接端面的位姿关系包括：
用于评估所述待沉管节和所述已沉管节是否平行的第一参数L′i，和，用于评估所述待沉管节和所述已沉管节的中轴线是否对准的第二参数Di；
Figure FDA0003871960290000031
i表示拉线传感器的标识；Ti表示第i个拉线传感器；Mi表示Ti对应的对中装置；αi表示Ti和Mi之间拉线与中轴线的夹角，为Ti测量值；Li表示Ti和Mi之间拉线的长度，为Ti测量值；拉线传感器Ti实际测量的拉线长度，θi表示Ti和Mi之间拉线与中轴线形成的夹角，为Ti测量值；αi表示Ti和Mi之间因安装而与中轴线形成的夹角。
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