CN117128953A - 管道爬壁机器人航位推算方法、设备及存储介质 - Google Patents

管道爬壁机器人航位推算方法、设备及存储介质 Download PDF

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蔡蒂
曾文斐
丛培杰
李晨涛
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张铁
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Abstract

本发明公开了一种管道爬壁机器人航位推算方法、设备及存储介质，方法包括以下步骤：S1、建立机身坐标系、参考坐标系以及全局坐标系；S2、在管道爬壁机器人运动过程中，通过IMU实时测量管道爬壁机器人的航向角，通过ONS实时测量管道爬壁机器人沿机身坐标系的相对位移；S3、结合航向角，将管道爬壁机器人沿机身坐标系的相对位移转化为沿参考坐标系的位移，进而计算管道爬壁机器人在参考坐标系中的位置；S4、将管道爬壁机器人在参考坐标系中的位置转换到全局坐标系中，得到管道爬壁机器人的当前位置；重复S2至S4，实现机器人在全局坐标系中位置的实时跟踪。本发明方法计算简单，并且对管道内的照明环境没有特殊要求，机器人位置推算的准确性高。

Description

管道爬壁机器人航位推算方法、设备及存储介质
技术领域
本发明属于机器人控制技术领域，具体涉及一种管道爬壁机器人航位推算方法、设备及存储介质。
背景技术
为克服市政管道内环境恶劣、空间狭小，不宜人工进行操作的缺陷。目前已有诸多采用远程操控管道爬壁机器人进入管道进行检修的技术方案。在管道爬壁机器人作业时，需要知道管道机器人在管道内的实时位置，以便对其进行操作。管道通常埋于地下，管道内缺乏照明，并且接收不到卫星导航信号(如GPS信号)，因此传统的定位技术无法使用。
专利申请CN2019108767512公开一种地下管道实时定位与三维重建装置及方法，该专利计算爬行机器人在地下管道中的精确位置的具体算法为：采用视觉特征跟踪策略建立一套特征点管理策略来有效表示每一帧图像中特征点所在的位置，通过IMU预积分策略使高频IMU数据与低频视觉图像数据配准起来；通过多视图几何中的视觉SFM来求解相机位置和姿态信息和场景几何结构，从而构建稀疏的初始地图；通过将带有尺度的IMU预积分和不带尺度的视觉SFM关联起来，从而恢复陀螺仪的偏差、系统的速度、重力矢量以及度量尺度；进行相机位置和姿态信息和场景几何结构的优化计算，构建包含三个残差项的优化函数，分别是边缘化的先验信息、视觉的重投影误差项和IMU的测量残差项。
该专利计算爬行机器人的算法非常复杂，并且由于管道内环境黑暗，受限于爬行机器人的尺寸，也无法携带大功率照明设备，导致获取的图像不清晰，也影响到爬行机器人位置算法的准确性。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出一种管道爬壁机器人航位推算方法、设备及存储介质，方法计算简单，并且对管道内的照明环境没有特殊要求，管道爬壁机器人位置推算的准确性高。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种管道爬壁机器人航位推算方法，包括以下步骤：
S1、以管道爬壁机器人机身中点为原点建立机身坐标系，机身坐标系在管道爬壁机器人运动过程中随机身中的位置的变化而变化；
假设管道曲面展开成平面，以管道入口管道爬壁机器人起点处的机身中点为原点，建立参考坐标系，参考坐标系不随管道爬壁机器人运动而变化；
以管道入口管道爬壁机器人起点处的机身中点为原点，建立全局坐标系，全局坐标系不随管道爬壁机器人运动而变化；
S2、在管道爬壁机器人运动过程中，通过惯性测量单元实时测量管道爬壁机器人的航向角，通过光学导航传感器实时测量管道爬壁机器人沿机身坐标系的相对位移；
S3、结合航向角，将管道爬壁机器人沿机身坐标系的相对位移转化为沿参考坐标系的位移，进而计算管道爬壁机器人在参考坐标系中的位置；
S4、将管道爬壁机器人在参考坐标系中的位置转换到全局坐标系中，得到管道爬壁机器人的当前位置；
重复步骤S2至S4，实现管道爬壁机器人在全局坐标系中位置的实时跟踪。
进一步的，惯性测量单元和光学导航传感器设置在管道爬壁机器人上；惯性测量单元包含三轴加速度计、三轴陀螺仪以及三轴磁力计，用于测量管道爬壁机器人自身的姿态变化，得到相应的航向角；
惯性测量单元通过UART接口与管道爬壁机器人通信。
进一步的，机身坐标系为三维坐标系，建立机身坐标系的具体方法为：
以管道爬壁机器人机身中点为原点，机身正前方为x轴，机身侧方为y轴，机身正上方为z轴，建立机身坐标系，机身坐标系记为{b}，在机身坐标系中，原点记为Ob，x轴记为xb轴，y轴记为yb轴，z轴记为zb轴；k时刻管道爬壁机器人在机身坐标系{b}中的位置记为(bXk，bYk，bZk)；
机身坐标系在管道爬壁机器人运动过程中随机身中的位置的变化而变化，当机器人贴着管道壁运动时，机身坐标系简化为平面坐标系，此时，建立机身坐标系的具体方法为：
以管道爬壁机器人机身中点为原点，机身正前方为x轴，机身侧方为y轴，建立机身坐标系，机身坐标系记为{b}，在机身坐标系中，原点记为Ob，x轴记为xb轴，y轴记为yb轴；k时刻管道爬壁机器人在机身坐标系{b}中的位置记为(bXk，bYk)。
进一步的，参考坐标系为平面坐标系，建立参考坐标系的具体方法为：
假设管道曲面展开成平面，以管道入口管道爬壁机器人起点处的机身中点为原点，管道轴向为x轴，与管道贴合且与x轴垂直的方向为y轴，建立参考坐标系。
进一步的，全局坐标系为三维坐标系，建立全局坐标系的具体方法为：
以管道入口管道爬壁机器人起点处的机身中点为原点，管道轴向为x轴，水平且与管道轴向垂直的方向为y轴，与x轴和y轴行程的平面垂直的方向为z轴，建立全局坐标系，建立全局坐标系，全局坐标系记为{n}，在全局坐标系中，原点记为On，x轴记为xn轴，y轴记为yn轴；k时刻管道爬壁机器人在全局坐标系{n}中的位置记为(nXk，nYk，nZk)。
进一步的，步骤S2中，在管道爬壁机器人运动过程中，通过惯性测量单元实时测量管道爬壁机器人的航向角，k时刻的航向角记为θk，通过光学导航传感器实时测量管道爬壁机器人沿机身坐标系{b}的相对位移，xb轴方向的位移记为Δx，yb轴方向的位移记为Δy。
进一步的，步骤S3中，计算管道爬壁机器人在参考坐标系中的位置的具体方法为：
设k时刻，管道爬壁机器人在参考坐标系中的xn轴坐标为Xk，yn轴坐标为Yk，则k+1时刻管道爬壁机器人在参考坐标系中的xn轴坐标和yn轴坐标分别为：
Xk+1＝Xk+Δxcosθk-Δysinθk
Yk+1＝Yk+Δycosθk+Δxsinθk
即得到管道爬壁机器人在参考坐标系中的位置。
进一步的，步骤S4中，将管道爬壁机器人在参考坐标系中的位置转换到管道全局坐标系中，具体方法为：
nXk＝Xk
即得到管道爬壁机器人在全局坐标系中的位置。
本发明还包括一种计算机设备，包括存储器以及处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时实现如提供的管道爬壁机器人航位推算方法。
本发明还包括一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，当计算机程序被处理器执行时，实现如提供的管道爬壁机器人航位推算方法。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明提供一种管道爬壁机器人航位推算方法，以管道爬壁机器人机身中点为原点建立机身坐标系；假设管道曲面展开成平面，以管道入口管道爬壁机器人起点处的机身中点为原点，建立参考坐标系；以管道入口管道爬壁机器人起点处的机身中点为原点，建立全局坐标系；在管道爬壁机器人运动过程中，通过惯性测量单元实时测量管道爬壁机器人的航向角，通过光学导航传感器实时测量管道爬壁机器人沿机身坐标系的相对位移；结合航向角，将管道爬壁机器人沿机身坐标系的相对位移转化为沿参考坐标系的位移，进而计算管道爬壁机器人在参考坐标系中的位置；将管道爬壁机器人在参考坐标系中的位置转换到管道全局坐标系中，即得到管道爬壁机器人的当前位置；本发明计算方法简单，并且对管道内的照明环境没有特殊要求，管道爬壁机器人位置推算的准确性高。
附图说明
图1是本发明方法的流程图；
图2是实施例中光学导航传感器和惯性测量单元布局的位置示意图；
图3是机身坐标系的示意图；
图4是参考坐标系的示意图；
图5是全局坐标系的示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，本发明，一种管道爬壁机器人航位推算方法，包括以下步骤：
S1、以管道爬壁机器人机身中点为原点建立机身坐标系，机身坐标系在管道爬壁机器人运动过程中随机身中的位置的变化而变化；
假设管道曲面展开成平面，以管道入口管道爬壁机器人起点处的机身中点为原点，建立参考坐标系，参考坐标系不随管道爬壁机器人运动而变化；
以管道入口管道爬壁机器人起点处的机身中点为原点，建立全局坐标系，全局坐标系不随管道爬壁机器人运动而变化。
如图3所示，在本实施例中，机身坐标系为三维坐标系，建立机身坐标系的具体方法为：
以管道爬壁机器人机身中点为原点，机身正前方为x轴，机身侧方为y轴，机身正上方为z轴，建立机身坐标系，机身坐标系记为{b}，在机身坐标系中，原点记为Ob，x轴记为xb轴，y轴记为yb轴，z轴记为zb轴；k时刻管道爬壁机器人在机身坐标系{b}中的位置记为(bXk，bYk，bZk)。
在具体实施过程中，由于管道爬壁机器人是贴着管道壁运动的，因此机身坐标系可简化为平面坐标系，此时，建立机身坐标系的具体方法为：
以管道爬壁机器人机身中点为原点，机身正前方为x轴，机身侧方为y轴，建立机身坐标系，机身坐标系记为{b}，在机身坐标系中，原点记为Ob，x轴记为xb轴，y轴记为yb轴；k时刻管道爬壁机器人在机身坐标系{b}中的位置记为(bXk，bYk)。
如图4所示，参考坐标系为平面坐标系，建立参考坐标系的具体方法为：
假设管道曲面展开成平面，以管道入口管道爬壁机器人起点处的机身中点为原点，管道轴向为x轴，与管道贴合且与x轴垂直的方向为y轴，建立参考坐标系。
如图5所示，全局坐标系为三维坐标系，建立全局坐标系的具体方法为：
以管道入口管道爬壁机器人起点处的机身中点为原点，管道轴向为x轴，水平且与管道轴向垂直的方向为y轴，与x轴和y轴行程的平面垂直的方向为z轴，建立全局坐标系，建立全局坐标系，全局坐标系记为{n}，在全局坐标系中，原点记为On，x轴记为xn轴，y轴记为yn轴；k时刻管道爬壁机器人在全局坐标系{n}中的位置记为(nXk，nYk，nZk)。
S2、在管道爬壁机器人运动过程中，通过惯性测量单元(IMU)实时测量管道爬壁机器人的航向角，通过光学导航传感器(ONS)实时测量管道爬壁机器人沿机身坐标系的相对位移；具体为：
在管道爬壁机器人运动过程中，通过惯性测量单元(IMU)实时测量管道爬壁机器人的航向角，k时刻的航向角记为θk，通过光学导航传感器(ONS)实时测量管道爬壁机器人沿机身坐标系{b}的相对位移，xb轴方向的位移记为Δx，yb轴方向的位移记为Δy。
惯性测量单元和光学导航传感器设置在管道爬壁机器人上；惯性测量单元包含三轴加速度计、三轴陀螺仪以及三轴磁力计，用于测量管道爬壁机器人自身的姿态变化，得到相应的航向角；
惯性测量单元通过UART接口与管道爬壁机器人通信。
在本实施例中，光学导航传感器(ONS)采用ADNS9800光学导航传感器，ADNS9800光学导航传感器的前端还设有透镜，ADNS9800光学导航传感器用于同时测量x和y方向位移的里程，ADNS9800光学导航传感器通过SPI接口与管道爬壁机器人通信。受益于ADNS9800光学导航传感器的非接触式测量，克服了轮式里程计打滑的问题。
惯性测量单元(IMU)和光学导航传感器(ONS)工作前，需要对其进行初始化和校准。
如图2所示，本实施例中，ONS布置在管道爬壁机器人的中心位置，IMU布置在ONS的后方。
S3、结合航向角，将管道爬壁机器人沿机身坐标系的相对位移转化为沿参考坐标系的位移，进而计算管道爬壁机器人在参考坐标系中的位置；
计算管道爬壁机器人在参考坐标系中的位置的具体方法为：
设k时刻，管道爬壁机器人在参考坐标系中的xn轴坐标为Xk，yn轴坐标为Yk，则k+1时刻管道爬壁机器人在参考坐标系中的xn轴坐标和yn轴坐标分别为：
Xk+1＝Xk+Δxcosθk-Δysinθk
Yk+1＝Yk+Δycosθk+Δxsinθk
得到管道爬壁机器人在参考坐标系中的位置。
S4、将管道爬壁机器人在参考坐标系中的位置转换到全局坐标系中，得到管道爬壁机器人的当前位置；重复步骤S2至S4，实现管道爬壁机器人在全局坐标系中位置的实时跟踪。
如图5所示，在本实施例中，将管道爬壁机器人在参考坐标系中的位置转换到管道全局坐标系中，具体方法为：
nXk＝Xk
即得到管道爬壁机器人在全局坐标系中的位置。
在另一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器以及处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时实现如上述实施例方法。
在另一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，当计算机程序被处理器执行时，实现上述实施例方法。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种管道爬壁机器人航位推算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、以管道爬壁机器人机身中点为原点建立机身坐标系，机身坐标系在管道爬壁机器人运动过程中随机身中的位置的变化而变化；
假设管道曲面展开成平面，以管道入口管道爬壁机器人起点处的机身中点为原点，建立参考坐标系，参考坐标系不随管道爬壁机器人运动而变化；
以管道入口管道爬壁机器人起点处的机身中点为原点，建立全局坐标系，全局坐标系不随管道爬壁机器人运动而变化；
S2、在管道爬壁机器人运动过程中，通过惯性测量单元实时测量管道爬壁机器人的航向角，通过光学导航传感器实时测量管道爬壁机器人沿机身坐标系的相对位移；
S3、结合航向角，将管道爬壁机器人沿机身坐标系的相对位移转化为沿参考坐标系的位移，进而计算管道爬壁机器人在参考坐标系中的位置；
S4、将管道爬壁机器人在参考坐标系中的位置转换到全局坐标系中，得到管道爬壁机器人的当前位置；
重复步骤S2至S4，实现管道爬壁机器人在全局坐标系中位置的实时跟踪。
2.根据权利要求1所述的一种管道爬壁机器人航位推算方法，其特征在于，惯性测量单元和光学导航传感器设置在管道爬壁机器人上；惯性测量单元包含三轴加速度计、三轴陀螺仪以及三轴磁力计，用于测量管道爬壁机器人自身的姿态变化，得到相应的航向角；
惯性测量单元通过UART接口与管道爬壁机器人通信。
3.根据权利要求1所述的一种管道爬壁机器人航位推算方法，其特征在于，机身坐标系为三维坐标系，建立机身坐标系的具体方法为：
以管道爬壁机器人机身中点为原点，机身正前方为x轴，机身侧方为y轴，机身正上方为z轴，建立机身坐标系，机身坐标系记为{b}，在机身坐标系中，原点记为Ob，x轴记为xb轴，y轴记为yb轴，z轴记为zb轴；k时刻管道爬壁机器人在机身坐标系{b}中的位置记为(bXk，bYk，bZk)；
机身坐标系在管道爬壁机器人运动过程中随机身中的位置的变化而变化，当机器人贴着管道壁运动时，机身坐标系简化为平面坐标系，此时，建立机身坐标系的具体方法为：
以管道爬壁机器人机身中点为原点，机身正前方为x轴，机身侧方为y轴，建立机身坐标系，机身坐标系记为{b}，在机身坐标系中，原点记为Ob，x轴记为xb轴，y轴记为yb轴；k时刻管道爬壁机器人在机身坐标系{b}中的位置记为(bXk，bYk)。
4.根据权利要求1所述的一种管道爬壁机器人航位推算方法，其特征在于，参考坐标系为平面坐标系，建立参考坐标系的具体方法为：
假设管道曲面展开成平面，以管道入口管道爬壁机器人起点处的机身中点为原点，管道轴向为x轴，与管道贴合且与x轴垂直的方向为y轴，建立参考坐标系。
5.根据权利要求1所述的一种管道爬壁机器人航位推算方法，其特征在于，全局坐标系为三维坐标系，建立全局坐标系的具体方法为：
以管道入口管道爬壁机器人起点处的机身中点为原点，管道轴向为x轴，水平且与管道轴向垂直的方向为y轴，与x轴和y轴行程的平面垂直的方向为z轴，建立全局坐标系，建立全局坐标系，全局坐标系记为{n}，在全局坐标系中，原点记为On，x轴记为xn轴，y轴记为yn轴；k时刻管道爬壁机器人在全局坐标系{n}中的位置记为(nXk，nYk，nZk)。
6.根据权利要求3所述的一种管道爬壁机器人航位推算方法，其特征在于，步骤S2中，在管道爬壁机器人运动过程中，通过惯性测量单元实时测量管道爬壁机器人的航向角，k时刻的航向角记为θk，通过光学导航传感器实时测量管道爬壁机器人沿机身坐标系{b}的相对位移，xb轴方向的位移记为Δx，yb轴方向的位移记为Δy。
7.根据权利要求1所述的一种管道爬壁机器人航位推算方法，其特征在于，步骤S3中，计算管道爬壁机器人在参考坐标系中的位置的具体方法为：
设k时刻，管道爬壁机器人在参考坐标系中的xn轴坐标为Xk，yn轴坐标为Yk，则k+1时刻管道爬壁机器人在参考坐标系中的xn轴坐标和yn轴坐标分别为：
Xk+1＝Xk+Δxcosθk-Δysinθk
Yk+1＝Yk+Δycosθk+Δxsinθk
即得到管道爬壁机器人在参考坐标系中的位置。
8.根据权利要求1所述的一种管道爬壁机器人航位推算方法，其特征在于，步骤S4中，将管道爬壁机器人在参考坐标系中的位置转换到管道全局坐标系中，具体方法为：
nXk＝Xk
即得到管道爬壁机器人在全局坐标系中的位置。
9.一种计算机设备，包括存储器以及处理器，存储器存储有计算机程序，其特征在于，处理器执行计算机程序时实现如权利要求1-8任一项所述方法。
10.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，当计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1-8任一项所述方法。
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