CN115628852A - 基于tdlas及云台的多端集控联动精准检漏方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于气体泄漏检测技术领域，公开了一种基于TDLAS及云台的多端集控联动精准检漏方法和系统。方法包括以下步骤：S1、在检测区域内不同位置分别设置主云台和辅云台；所述主云台上搭载第一TDLAS遥测仪，所述辅云台上搭载第二TDLAS遥测仪；S2、控制主云台在检测区域内转动，通过第一TDLAS遥测仪进行检测，直至第一TDLAS遥测仪检测到甲烷泄漏；S3、通过主云台获取第一TDLAS遥测仪的当前角度，控制辅助云台的角度，使第二TDLAS遥测仪沿第一TDLAS遥测仪的激光发射方向所在直线进行扫描；S4、获取第二TDLAS遥测仪检测到甲烷泄漏时对应的辅云台的角度，并计算甲烷泄漏位置。本发明控制方便，检测快速准确，可以广泛应用甲烷或其它气体泄漏检测中。

Description

基于TDLAS及云台的多端集控联动精准检漏方法和系统

技术领域

本发明属于气体泄漏检测技术领域，具体涉及一种基于TDLAS及云台的多端集控联动精准检漏方法和系统。

背景技术

目前，燃气作为洁净能源，已经步入了千家万户。燃气经燃气管道传输，若一旦从燃气管道中泄漏，很容易引发安全事故，因此，需要对燃气泄漏进行实时或定时检测。在天然气输气管道场站的管道安全显得更外重要。TDLAS（Tunable Diode Laser AbsorptionSpectroscopy可调谐半导体激光吸收光谱）可以应用于甲烷遥测检测中，其通过单一窄带的激光频率扫描一条甲烷气体的吸收线，可以检测激光路径上的甲烷浓度。

但是，现有技术中的检测一般是手持或机器人搭载检测仪器，遍历整个检测区域，其检测效率低下，精度低，而且，无法实时获得检测结果。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于TDLAS及云台的多端集控联动精准检漏方法和系统，以提高检测效率和精度。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：基于TDLAS及云台的多端集控联动精准检漏方法，包括以下步骤：

S1、在检测区域内不同位置分别设置主云台和辅云台；所述主云台上搭载第一TDLAS遥测仪，所述辅云台上搭载第二TDLAS遥测仪；

S2、控制主云台在检测区域内转动，通过第一TDLAS遥测仪进行检测，直至第一TDLAS遥测仪检测到甲烷泄漏；

S3、通过主云台获取第一TDLAS遥测仪的当前角度，得到第一TDLAS遥测仪的激光发射方向；控制辅助云台的角度，使第二TDLAS遥测仪沿第一TDLAS遥测仪的激光发射方向所在直线进行扫描，直至第二TDLAS遥测仪也检测到甲烷泄漏；

S4、获取第二TDLAS遥测仪检测到甲烷泄漏时对应的辅云台的角度，并计算甲烷泄漏位置。

所述步骤S3中，控制辅助云台使第二TDLAS遥测仪沿第一TDLAS遥测仪的激光发射方向进行扫描时，按照等距离的方式进行逐点扫描。

所述步骤S3中，控制辅助云台使其上搭载的第二TDLAS遥测仪沿第一TDLAS遥测仪的激光发射方向进行扫描时，辅助云台的角度为：

其中，α _k 为第k个扫描点对应的水平角度，β _k 为第k个扫描点对应的垂直角度，(x _i ， y _i ，z _i )为第一TDLAS遥测仪的坐标，(x _j ，y _j ，z _j )为第二TDLAS遥测仪的坐标，α _i 和β _i 分别表示第一TDLAS遥测仪检测到甲烷泄漏时的水平角度和垂直角度。

所述步骤S2中，控制主云台在检测区域内转动时，采用定速逐层扫描的方式，即：保持垂直角度不变，改变水平角度进行定速旋转扫描，然后改变垂直角度后保持垂直角度不变，再一次改变水平角度进行定速旋转扫描。

所述步骤S4中，甲烷泄漏位置对应坐标为

，其中，k表示第二TDLAS遥测仪的扫描点，m _i =cosα _i cosβ _i ，n_i=sinα _i cosβ _i ，p _i =sinβ _i ，(x _i ，y _i ，z _i )为第一TDLAS遥测仪的坐标，α _i 和β _i 分别表示第一TDLAS遥测仪检测到甲烷泄漏时的水平角度和垂直角度。

此外，本发明还提供了基于TDLAS及云台的多端集控联动精准检漏系统，用于执行所述的一种检漏方法，包括主云台、辅云台、第一TDLAS遥测仪、第二TDLAS遥测仪和边缘计算网关，所述第一TDLAS遥测仪、第二TDLAS遥测仪的输出端与所述边缘计算网关连接，所述边缘计算网关的输出端与所述主云台、辅云台的控制端连接。

所述主云台和辅云台为横向0-360°，纵向±90°的全动云台。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明提供了一种基于TDLAS及云台的多端集控联动精准检漏方法和系统，通过设置两台云台和TDLAS遥测仪，利用主云台控制第一TDLAS遥测仪在检测区域内转动扫描，检测到泄漏后，利用辅云台控制第二TDLAS遥测仪沿第一TDLAS遥测仪检测到泄漏的路径扫描，可以快速准确确定泄漏点；

2、本发明控制方便，检测快速准确，可以通过预置N个待监测区域或规划检测路径及预置检测时间，实现工艺区（待检测场所）甲烷泄露检测的无盲点全覆盖、无人化精准检测，还可以广泛应用甲烷或其它气体泄漏检测中。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于TDLAS及云台的多端集控联动精准检漏方法的流程示意图；

图2为本发明实施例一的测量原理图；

图3为本发明实施例一中主光束的空间位置示意图；

图4为本发明实施例一中辅助云台的空间位置示意图；

图5为本发明实施例二提供的一种基于TDLAS及云台的多端集控联动精准检漏装置的结构示意图。

图中：1为主云台，2为辅云台。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1所示，本发明实施例一提供了基于TDLAS及云台的多端集控联动精准检漏方法，包括以下步骤：

S1、在检测区域内不同位置分别设置主云台1和辅云台2；所述主云台上搭载第一TDLAS遥测仪，所述辅云台上搭载第二TDLAS遥测仪。

S2、控制主云台在检测区域内转动扫描，通过主云台上搭载的第一TDLAS遥测仪进行检测，直至主云台上搭载的第一TDLAS遥测仪检测到甲烷泄漏时，保持主云台角度保持不动。

所述步骤S2中，控制主云台在检测区域内转动时，采用定速逐层扫描的方式，即：保持垂直角度不变，改变水平角度进行定速旋转扫描，然后改变垂直角度后保持垂直角度不变，再一次改变水平角度进行定速旋转扫描。

S3、通过主云台获取第一TDLAS遥测仪的当前角度，得到其搭载的第一TDLAS遥测仪的激光发射方向；通过控制辅助云台的角度，使其上搭载的第二TDLAS遥测仪沿第一TDLAS遥测仪的激光发射方向所在直线进行扫描，直至第二TDLAS遥测仪也检测到甲烷泄漏。

所述步骤S3中，控制辅助云台使其上搭载的第二TDLAS遥测仪沿第一TDLAS遥测仪的激光发射方向进行扫描时，按照等距离的方式进行逐点扫描。

S4、获取第二TDLAS遥测仪检测到甲烷泄漏时对应的辅云台的角度，并计算甲烷泄漏位置。

下面结合图2~图4介绍本实施例的测量原理。

如图2所示，本发明实施例中，主云台1和辅云台2设置在待测量区域的不同位置处。则已知主云台所在位置P _i的初始坐标是P _i (x _i ，y _i ，z _i )，辅助云台所在位置P_j的初始坐标是P _j (x _j ，y _j ，z _j )。P _i (x _i ，y _i ，z _i )和P _j (x _j ，y _j ，z _j )也可以认为是第一TDLAS遥测仪和第二TDLAS遥测仪的坐标。

第一步：当主云台在定速逐层扫描巡航过程中，其上的第一TDLAS遥测仪发射的光束L ₀上检测到甲烷泄漏时，保持主云台瞭望不动，此时主云台的水平角度为α _i （L ₀与x轴的夹角），垂直角度为β _i （L ₀与xoy平面的夹角）。

具体地，本实施例中，所述“定速逐层扫描”是指全方位、全覆盖均匀扫描，具体来说是根据规划的路径在水平和垂直方向上匀速检测。水平角度扫描是指水平方向上按照规划的扇形面积进行定速旋转扫描；垂直角度扫描是指按照规划好的俯仰角度范围及需要扫描的层数，逐层进行扫描，水平方向上扫描完毕一层后，在垂直方向上旋转到下一个角度进行匀速扫描。

第二步：根据主云台此时的水平角度α _i、俯仰角度β _i 确定光束L ₀的方向单位向量为

。由模等于1的向量为单位向量，则有

，如图3所示，则有：

；①

则有直线L ₀上的一点P _i (x_i，y_i，z_i )和它的一个方向单位向量

为已知，则直线L ₀的位置在空间中具有唯一性，是确定的一条直线，且其点向式方程（也叫“空间直线的对称式方程”）如下式②：

；②

即有式③：

；③

第三步：求解直线L ₀上N个点的坐标，t表示参量。

在确定的直线L ₀上，取N个点，分别为P ₁、P ₂、…、P_k、…、P _n，且这n个点的x坐标分别取正整数1,2，…，k,…，n；将n个点的x坐标分别代入直线L ₀的点向式方程，求解n个点的y坐标、z坐标，由此即可确定这N个点的空间坐标，分别如下：P ₁ (1，y ₁，z ₁ )、P ₂ (2，y ₂，z ₂ )、…、P _k (k，y _k，z _k )，…，P _n (n，y _n，z _n )；任选其中一点，均可求得其确定的空间坐标。现选择第k个扫描点P _k (k，y _k，z _k )进行求解。

将扫描点P _k的x坐标k值代入式②，可得

；④

由式③、④可得：

⑤

则有，第k个扫描点P _k的坐标为

。

第四步：求解直线L _k的直线方程，进而求解所需的控制辅助云台的水平角度α _k（L_k与x轴的夹角）与垂直角度β _k （L _k与xoy平面的夹角）；

在确定的空间中，确定的点P _j (x _j ，y _j ，z _j )（辅助云台的位置）及确定的点

，仅可确定一条直线L _k ；设L _k 的一个方向向量为

，则：

；⑥

即：

。

由图3所示可得：

⑦

⑧

由式子⑦、⑧分别求反正弦函数，即可得到α _k 、β _k ，如式子⑨、⑩所示：

⑨

⑩

将式子①带入⑨、⑩可得α _k 、β _k 的表达式为：

⑪

⑫

其中，α _k 为第k个扫描点对应的水平角度，β _k 为第k个扫描点对应的垂直角度，(x _i ， y _i ，z _i )为第一TDLAS遥测仪的坐标，(x _j ，y _j ，z _j )为第二TDLAS遥测仪的坐标，α_i和β_i分别表示第一TDLAS遥测仪检测到甲烷泄漏时的水平角度和垂直角度。

因此，本实施例的步骤S3中，控制辅助云台使其上搭载的第二TDLAS遥测仪沿第一TDLAS遥测仪的激光发射方向进行扫描时，辅助云台的角度可以通过式⑪~⑫确定。即可完成L ₁ ~L _n 共计n束光沿主云台的探测光束L ₀ 进行辅助探测，最终必将经过泄漏点P _k，两束光相交于泄漏点P _k处，实现精准定位泄漏点。

进一步地，本实施例的步骤S4中，甲烷泄漏位置对应坐标为P _k =

，其中，k表示第二TDLAS遥测仪的扫描点，m _i =cosα _i cosβ _i ，n_i=sinα _i cosβ _i ，p _i =sinβ _i ，(x _i ，y _i ，z _i )为第一TDLAS遥测仪的坐标，α _i 和β _i 分别表示第一TDLAS遥测仪检测到甲烷泄漏时的水平角度和垂直角度。

实施例二

如图5所示，本发明实施例二提供了一种基于TDLAS及云台的多端集控联动精准检漏系统，用于执行实施例一所述的一种检漏方法，包括主云台、辅云台、第一TDLAS遥测仪、第二TDLAS遥测仪和边缘计算网关，所述第一TDLAS遥测仪、第二TDLAS遥测仪的输出端与所述边缘计算网关连接，所述边缘计算网关的输出端与所述主云台、辅云台的控制端连接。其中，边缘计算网关控制主云台的转动角度和速度，还根据主云台上的第一TDLAS遥测仪的测量结果，控制主云台停止转动并记录当前的角度，此外，边缘计算网关还根据主云台的当前角度，计算辅云台的扫描角度，并发送至辅云台，进而控制第二TDLAS遥测仪沿第一TDLAS遥测仪当前的激光发射路径进行扫描，并在第二TDLAS遥测仪检测到甲烷泄漏时，获取辅云台的角度，并根据该角度计算甲烷泄漏位置。

具体地，本实施例中，所述主云台和辅云台为横向0-360°，纵向±90°的全动云台。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.基于TDLAS及云台的多端集控联动精准检漏方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在检测区域内不同位置分别设置主云台和辅云台；所述主云台上搭载第一TDLAS遥测仪，所述辅云台上搭载第二TDLAS遥测仪；

S2、控制主云台在检测区域内转动，通过第一TDLAS遥测仪进行检测，直至第一TDLAS遥测仪检测到甲烷泄漏；

S3、通过主云台获取第一TDLAS遥测仪的当前角度，得到第一TDLAS遥测仪的激光发射方向；控制辅助云台的角度，使第二TDLAS遥测仪沿第一TDLAS遥测仪的激光发射方向所在直线进行扫描，直至第二TDLAS遥测仪也检测到甲烷泄漏；

S4、获取第二TDLAS遥测仪检测到甲烷泄漏时对应的辅云台的角度，并计算甲烷泄漏位置。

2.根据权利要求1所述的基于TDLAS及云台的多端集控联动精准检漏方法，其特征在于，所述步骤S3中，控制辅助云台使第二TDLAS遥测仪沿第一TDLAS遥测仪的激光发射方向进行扫描时，按照等距离的方式进行逐点扫描。

3.根据权利要求1所述的基于TDLAS及云台的多端集控联动精准检漏方法，其特征在于，所述步骤S3中，控制辅助云台使其上搭载的第二TDLAS遥测仪沿第一TDLAS遥测仪的激光发射方向进行扫描时，辅助云台的角度为：

其中，α _k 为第k个扫描点对应的水平角度，β _k 为第k个扫描点对应的垂直角度，(x _i ，y _i ，z _i )为第一TDLAS遥测仪的坐标，(x _j ，y _j ，z _j )为第二TDLAS遥测仪的坐标，α _i 和β _i 分别表示第一TDLAS遥测仪检测到甲烷泄漏时的水平角度和垂直角度。

4.根据权利要求1所述的基于TDLAS及云台的多端集控联动精准检漏方法，其特征在于，所述步骤S2中，控制主云台在检测区域内转动时，采用定速逐层扫描的方式，即：保持垂直角度不变，改变水平角度进行定速旋转扫描，然后改变垂直角度后保持垂直角度不变，再一次改变水平角度进行定速旋转扫描。

5.根据权利要求1所述的基于TDLAS及云台的多端集控联动精准检漏方法，其特征在于，所述步骤S4中，甲烷泄漏位置对应坐标为

，其中，k表示第二TDLAS遥测仪的扫描点，m _i =cosα _i cosβ _i ，n_i=sinα _i cosβ _i ，p _i =sinβ _i ，(x _i ，y _i ，z _i )为第一TDLAS遥测仪的坐标，α _i 和β _i 分别表示第一TDLAS遥测仪检测到甲烷泄漏时的水平角度和垂直角度。

6.基于TDLAS及云台的多端集控联动精准检漏系统，其特征在于，用于执行权利要求1所述的一种检漏方法，包括主云台、辅云台、第一TDLAS遥测仪、第二TDLAS遥测仪和边缘计算网关，所述第一TDLAS遥测仪、第二TDLAS遥测仪的输出端与所述边缘计算网关连接，所述边缘计算网关的输出端与所述主云台、辅云台的控制端连接。

7.根据权利要求6所述的基于TDLAS及云台的多端集控联动精准检漏系统，其特征在于，所述主云台和辅云台为横向0-360°，纵向±90°的全动云台。

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