CN110296295A - 一种快速探查管道路径变化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种快速探查管道路径变化的方法，包括以下步骤：在管道内检测机器人前端固定测距装置，让测距装置设置四个以直管道轴线呈中心对称分布的激光测距仪，且使激光测距仪向前侧发射的测距光线与直管道轴线相交；在机器人沿直管道行进过程中，使相对分布的一对激光测距仪处于同一竖平面内，并让四个激光测距仪实时检测其到管壁的距离；若某一激光测距仪的检测距离发生突变，则判断前侧存在三通；若四个激光测距仪的检测距离同时发生变化，则判断前侧存在弯头。其具有设备要求低、实现容易、算法简单、检测精度高、适用性强的优点，可满足自动力管道内检测机器人对管道路径变化探查的需求。

Description

一种快速探查管道路径变化的方法
技术领域
本发明涉及管道内检测技术，具体涉及一种在管道内快速探查管道路径变化的方法。
背景技术
燃气管道缺陷检测对其安全运行具有重要意义，一旦发生泄漏将造成很大损失。燃气管道通常埋于地下，地表检测方法很难获取准确的缺陷位置及缺陷本身信息。近年来发展迅速的管道内检测机器人可深入管道内部检测缺陷，为燃气管道缺陷检测提供了较好的解决方案。实时探查管道路径变化是管道内检测机器人正常运行的关键。目前管道内检测机器人适应管道路径变化的方法主要有两种：一是管道自导向的输送介质压力差驱动方法，典型应用为检测大型油气管道的管道猪。管道猪为直径小于管道直径的圆柱状机器人，通过携带检测设备对管道进行缺陷检测。管道猪自身不提供动力，完全依靠管道内的油压或气压进行推动，需在多通路处设置栅栏以控制管道猪的前进方向。因管道猪无法自主调整姿态，仅适用于大型长直管道。而城市燃气管道路径较为复杂，三通和弯头出现频繁，且城市燃气管道中的气压较低，无法为管道猪的长距离运动提供足够动力，因此该方法不适用城市燃气管道内检测。二是视频探查配合手动控制方法，其利用摄像头探查管道路径变化，依靠人眼识别管道路径变化情况，并手动控制内检测机器人以使其适应管道路径变化。该方法虽然可行，但要实现管道路径变化的自动探查，需实时处理大量的视频数据并输出探查结果，算法较为复杂，对处理器要求高，不适用嵌入式的自动力管道内检测机器人。
发明内容
本发明的目的是提供一种快速探查管道路径变化的方法，其具有设备要求低、实现容易、算法简单、检测精度高、适用性强的优点，可满足自动力管道内检测机器人对管道路径变化探查的需求。
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供的一种快速探查管道路径变化的方法，包括以下步骤：
一、在机器人前端固定测距装置，让测距装置设置四个以直管道轴线呈中心对称分布的激光测距仪，且使激光测距仪向前侧发射的测距光线与直管道轴线相交；所述机器人是指管道内检测机器人；
二、在机器人沿直管道行进过程中，使相对分布的一对激光测距仪处于同一竖平面内，并让四个激光测距仪实时检测其到管壁的距离；
三、若某一激光测距仪的检测距离发生突变，则判断前侧存在三通；若四个激光测距仪的检测距离同时发生变化，则判断前侧存在弯头。
进一步的，本发明一种快速探查管道路径变化的方法，还包括以下步骤：
四、判断前侧存在三通时，依据检测距离发生突变的激光测距仪方位确定三通的方向，并按以下方法确定三通的起始点和宽度，
a、依据公式①计算确定三通的起始点，
Ltri＝m cosα ①
其中，Ltri表示初次探测到三通时三通起始点到激光测距仪沿直管道方向的直线距离，m表示直管道中激光测距仪的检测距离，α表示激光测距仪的发射角，即测距光线与直管道轴线的夹角；
b、依据公式②计算确定三通的宽度，
K＝(n-m)cosα ②
其中，K表示三通的宽度，n表示初次探测到三通时发生突变的检测距离。
进一步的，本发明一种快速探查管道路径变化的方法，还包括以下步骤：
五、判断前侧存在弯头时，依据检测距离增大的激光测距仪方位确定弯头的方向，并按以下方法确定弯头的起始点和半径，
c、依据公式③计算确定弯头的起始点，
Lbend＝m cosα ③
其中，Lbend表示初次探测到弯头时弯头起始点到激光测距仪沿直管道方向的直线距离；
d、初次探测到弯头后机器人继续向前行进x距离，此时检测距离同步减小且相对分布的一对激光测距仪其检测距离的均值以m′表示，其测距光线在管壁上产生的光斑对应以E和F表示，依据公式④、公式⑤、公式⑥和公式⑦计算确定弯头的半径，
X＝x-(m-m′)cosα ⑤
其中，LEF表示光斑E和光斑F之间的距离，L表示相对分布的激光测距仪之间的距离，r表示管道的半径，X表示弯头起始点到光斑E或光斑F沿直管道方向的直线距离，Y表示管道轴线到光斑E和光斑F之间连线的垂直距离，R表示弯头的半径。
进一步的，本发明一种快速探查管道路径变化的方法，其中，在步骤二中，所述使相对分布的一对激光测距仪处于同一竖平面内，按以下方法实现：
(一)让相对分布的一对激光测距仪的连线平行于机器人的中轴线；
(二)在机器人上设置重力姿态传感器，通过重力姿态传感器实时检测机器人的中轴线与竖直方向之间的角度，并将角度检测信息传递给机器人的运动控制器；
(三)运动控制器根据角度检测信息对机器人的姿态进行实时调整，以使机器人的中轴线与竖直方向之间的角度趋于零。
进一步的，本发明一种快速探查管道路径变化的方法，其中，在步骤四中，所述依据检测距离发生突变的激光测距仪方位确定三通的方向，是指将三通的方向确定为由检测距离发生突变的激光测距仪指向与其相对分布的另一激光测距仪。
进一步的，本发明一种快速探查管道路径变化的方法，其中，在步骤五中，所述依据检测距离增大的激光测距仪方位确定弯头的方向，是指将弯头的方向确定为由检测距离增大的激光测距仪指向与其相对分布的另一激光测距仪。
进一步的，本发明一种快速探查管道路径变化的方法，其中，所述α大于15度，且小于75度。
进一步的，本发明一种快速探查管道路径变化的方法，其中，所述α等于30度。
本发明一种快速探查管道路径变化的方法与现有技术相比，具有以下优点：本发明在管道内检测机器人前端设置四个以直管道轴线呈中心对称分布的激光测距仪，使激光测距仪向前侧发射的测距光线与直管道轴线相交，并在机器人沿直管道行进过程中使相对分布的一对激光测距仪处于同一竖平面内，让四个激光测距仪实时检测其到管壁的距离，通过分析四个激光测距仪的方位及其检测距离的变化，即可确定前方是否存在三通或弯头。具体为：机器人沿直管道行进过程中，若某一激光测距仪的检测距离发生突变，则判断前侧存在三通；若四个激光测距仪的检测距离同时发生变化，则判断前侧存在弯头。判断前侧存在三通时，依据检测距离发生变化的激光测距仪方位即可确定三通的方向，还可依据激光测距仪的发射角、在直管道中的检测距离以及初次探测到三通时发生突变的检测距离计算得到三通的起始点和宽度；判断前侧存在弯头时，依据检测距离增大的激光测距仪方位即可确定弯头的方向，还可依据激光测距仪的发射角、在直管道中的检测距离、以及初次探测到弯头后机器人继续向前行进一定距离的检测距离计算得到弯头的起始点和半径。将以上管道路径变化信息提交给机器人的运动控制器，机器人即可依据管道路径变化自动做出调整。本发明针对城市燃气管道路径复杂、三通及弯头出现频繁的特性，基于四点激光测距原理设计的一种快速探查管道路径变化的方法，具有设备要求低、实现容易、算法简单、检测精度高、适用性强的优点，可满足自动力管道内检测机器人对管道路径变化探查的需求。
下面结合附图所示具体实施方式对本发明一种快速探查管道路径变化的方法作进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明一种快速探查管道路径变化的方法的流程图；
图2为测距装置的正视图；
图3为测距装置的立体图；
图4为直管道中测距光线及其在管壁上产生光斑的示意图；
图5为探测到三通时测距光线及其在管壁上产生光斑的示意图；
图6为探测到弯头时测距光线及其在管壁上产生光斑的示意图；
图7为图6中的A-A向视图；
图8为弯头半径计算的原理图一；
图9为弯头半径计算的原理图二；
图中，1、管道内检测机器人；11、管道内检测机器人的中轴线；2、测距装置；21、激光测距仪；3、直管道；4、三通；5、弯头。
具体实施方式
首先需要说明的，本发明中所述的上、下、左、右、前、后等方位词只是根据附图进行的描述，以便于理解，并非对本发明的技术方案以及请求保护范围进行的限制。
在城市燃气管网规划中，为方便设计和施工，管道均采用了水平或竖直方向铺设，并通过三通或弯头进行连接。针对城市燃气管道的这一特征，如图1至图9所示，本发明基于四点激光测距原理设计的一种快速探查管道路径变化的方法，具体包括以下步骤：
步骤一、在管道内检测机器人1的前端固定测距装置2，让测距装置设置四个以直管道3的轴线呈中心对称分布的激光测距仪21，且使激光测距仪向前侧发射的测距光线与直管道轴线相交。这一方式通过让四个激光测距仪以相同的发射角发射测距光线，可使其在直管道中得到相同的检测距离，并通过让激光测距仪相向发射测距激光，增强了激光测距仪接收的激光强度，保证了测距精度。发射角是指测距光线与直管道轴线的夹角。
步骤二、在机器人沿直管道行进过程中，使相对分布的一对激光测距仪处于同一竖平面内，并让四个激光测距仪实时检测其到管壁的距离。这一方式通过让相对分布的一对激光测距仪处于同一竖平面内，另一对激光测距仪必然处于同一水平面内，可有效提高探查管道路径变化的精度。
步骤三、若某一激光测距仪的检测距离发生突变，则判断前侧存在三通4；若四个激光测距仪的检测距离同时发生变化，则判断前侧存在弯头5。
因城市燃气管道中的三通和弯头是水平或竖直设置的，在机器人沿直管道行进过程中，当遇到三通时，其中一个激光测距仪的检测距离会发生突变，而其他三个激光测距仪的检测距离会保持不变；当遇到弯头时，四个激光测距仪的检测距离会同时发生变化。利用这一特性可快速地探测出三通和弯头。
为确定三通和弯头的方位等具体参数，本发明还包括以下步骤：
步骤四、判断前侧存在三通时，依据检测距离发生突变的激光测距仪方位确定三通的方向，并按以下方法确定三通的起始点和宽度。
a、依据公式①计算确定三通的起始点，
Ltri＝m cosα ①
其中，Ltri表示初次探测到三通时三通起始点到激光测距仪沿直管道方向的直线距离，m表示直管道中激光测距仪的检测距离，α表示激光测距仪的发射角。
b、依据公式②计算确定三通的宽度，
K＝(n-m)cosα ②
其中，K表示三通的宽度，n表示初次探测到三通时发生突变的检测距离。
初次探测到三通时，其中一个激光测距仪发射的测距光线会打到三通内部，对应的检测距离会突然增大，随着机器人行进，该检测距离又会逐渐减小，直至与其他三个激光测距仪的检测距离一致。利用这一特性，依据检测距离发生突变的激光测距仪方位即可快速确定三通的方向，即，三通的方向由检测距离发生突变的激光测距仪指向与其相对分布的另一激光测距仪。因激光测距仪的发射角α是固定的，结合直管道中激光测距仪的检测距离m以及发生突变的检测距离n，即可计算得出三通的宽度K以及初次探测到三通时三通起始点到激光测距仪沿直管道方向的直线距离Ltri。需要说明的是，初次探测到三通时是指其中一个激光测距仪的检测距离突然增大时。
步骤五、判断前侧存在弯头时，依据检测距离增大的激光测距仪方位确定弯头的方向，并按以下方法确定弯头的起始点和半径。
c、依据公式③计算确定弯头的起始点，
Lbend＝m cosα ③
其中，Lbend表示初次探测到弯头时弯头起始点到激光测距仪沿直管道方向的直线距离。
d、初次探测到弯头后机器人继续向前行进x距离，此时检测距离同步减小且相对分布的一对激光测距仪其检测距离的均值以m′表示，其测距光线在管壁上产生的光斑对应以E和F表示，依据公式④、公式⑤、公式⑥和公式⑦计算确定弯头的半径，
X＝x-(m-m′)cosα ⑤
其中，LEF表示光斑E和光斑F之间的距离，L表示相对分布的激光测距仪之间的距离，r表示管道的半径，X表示弯头起始点到光斑E或光斑F沿直管道方向的直线距离，Y表示管道轴线到光斑E和光斑F之间连线的垂直距离，R表示弯头的半径。
因城市燃气管道中的三通和弯头是水平或竖直设置的，而四个激光测距仪是以直管道轴线呈中心对称分布的，使相对分布的一对激光测距仪处于同一竖平面内，另一对激光测距仪就会处于同一水平面内，三通和弯头的方向必然与一对激光测距仪的连线平行，而与另一对激光测距仪的连线垂直。初次探测到弯头时，连线与弯头方向平行的一对激光测距仪，其检测距离会一个增大，一个减小；而连线与弯头方向垂直的另一对激光测距仪，其检测距离会同步减小，利用这一特性，依据检测距离增大的激光测距仪方位即可快速确定弯头的方向，即，弯头的方向由检测距离增大的激光测距仪指向与其相对分布的另一激光测距仪。因激光测距仪的发射角α是固定的，结合直管道中激光测距仪的检测距离m，即可计算得出初次探测到弯头时弯头起始点到激光测距仪沿直管道方向的直线距离Lbend。初次探测到弯头后，机器人继续向前行进x距离，此时，对于检测距离同步减小的一对激光测距仪，依据α、L以及m′的值即可计算得出LEF；而光斑E和光斑F之间的连线为管道圆的一条弦，依据r和LEF的值可计算得出Y，依据x、m、α和m′的值可计算得出X，最后根据X和Y的值即可计算得出R。需要说明的是，初次探测到弯头时是指四个激光测距仪的检测距离初次同时发生变化时。因连线与弯头方向垂直的一对激光测距仪，其在弯头中的检测距离基本相同，为方便计算，提高检测精度，本发明通常取该对激光测距仪在弯头中的检测距离的均值作为计算参数。需要说明的是，x是根据机器人的计步轮获得的，为保证计算结果的准确度，本发明通常让x小于Lbend并大于Lbend的三分之二。
将通过以上方法探查到的三通和弯头信息提交给机器人的运动控制器，机器人即可依据管道路径变化自动做出调整，并顺利进行管道内检测。
在步骤二中，所述使相对分布的一对激光测距仪处于同一竖平面内，按以下方法实现：
(一)让相对分布的一对激光测距仪的连线平行于机器人的中轴线11。
(二)在机器人上设置重力姿态传感器，通过重力姿态传感器实时检测机器人的中轴线与竖直方向之间的角度，并将角度检测信息传递给机器人的运动控制器。
(三)运动控制器根据角度检测信息对机器人的姿态进行实时调整，以使机器人的中轴线与竖直方向之间的角度趋于零。
通过这一方式只要使机器人的中轴线保持竖直，即可保证连线与机器人中轴线平行的一对激光测距仪处于同一竖平面内，而另一对激光测距仪必然处于同一水平面内，具有方法简单、实现容易的优点，保证了管道路径探查的精度。
需要说明的是，为保证激光测距仪能正常工作，应将α设计为大于15°，以避免因测距光线与管壁的夹角过小影响激光测距仪的测距性能；同时，还应使α小于75°，以便遇到三通或弯头时使机器人有足够的时间进行调整。经实验证明，将α设计为30°时效果较好，在满足以上两项要求的情况下可提高测距精度。另外，需要指出的是，本发明中所述的机器人指的就是管道内检测机器人，只是为表述简洁进行的省略，两者应作相同概念理解。
以上实施例仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明请求保护范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域技术人员依据本发明的技术方案做出的各种变形，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种快速探查管道路径变化的方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、在机器人前端固定测距装置，让测距装置设置四个以直管道轴线呈中心对称分布的激光测距仪，且使激光测距仪向前侧发射的测距光线与直管道轴线相交；所述机器人是指管道内检测机器人；
二、在机器人沿直管道行进过程中，使相对分布的一对激光测距仪处于同一竖平面内，并让四个激光测距仪实时检测其到管壁的距离；
三、若某一激光测距仪的检测距离发生突变，则判断前侧存在三通；若四个激光测距仪的检测距离同时发生变化，则判断前侧存在弯头。
2.根据权利要求1所述的一种快速探查管道路径变化的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
四、判断前侧存在三通时，依据检测距离发生突变的激光测距仪方位确定三通的方向，并按以下方法确定三通的起始点和宽度，
a、依据公式①计算确定三通的起始点，
Ltri＝m cosα ①
其中，Ltri表示初次探测到三通时三通起始点到激光测距仪沿直管道方向的直线距离，m表示直管道中激光测距仪的检测距离，α表示激光测距仪的发射角，即测距光线与直管道轴线的夹角；
b、依据公式②计算确定三通的宽度，
K＝(n-m)cosα ②
其中，K表示三通的宽度，n表示初次探测到三通时发生突变的检测距离。
3.根据权利要求2所述的一种快速探查管道路径变化的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
五、判断前侧存在弯头时，依据检测距离增大的激光测距仪方位确定弯头的方向，并按以下方法确定弯头的起始点和半径，
c、依据公式③计算确定弯头的起始点，
Lbend＝m cosα ③
其中，Lbend表示初次探测到弯头时弯头起始点到激光测距仪沿直管道方向的直线距离；
d、初次探测到弯头后机器人继续向前行进x距离，此时检测距离同步减小且相对分布的一对激光测距仪其检测距离的均值以m′表示，其测距光线在管壁上产生的光斑对应以E和F表示，依据公式④、公式⑤、公式⑥和公式⑦计算确定弯头的半径，
X＝x-(m-m′)cosα ⑤
其中，LEF表示光斑E和光斑F之间的距离，L表示相对分布的激光测距仪之间的距离，r表示管道的半径，X表示弯头起始点到光斑E或光斑F沿直管道方向的直线距离，Y表示管道轴线到光斑E和光斑F之间连线的垂直距离，R表示弯头的半径。
4.根据权利要求3所述的一种快速探查管道路径变化的方法，其特征在于，在步骤二中，所述使相对分布的一对激光测距仪处于同一竖平面内，按以下方法实现：
(一)让相对分布的一对激光测距仪的连线平行于机器人的中轴线；
(二)在机器人上设置重力姿态传感器，通过重力姿态传感器实时检测机器人的中轴线与竖直方向之间的角度，并将角度检测信息传递给机器人的运动控制器；
(三)运动控制器根据角度检测信息对机器人的姿态进行实时调整，以使机器人的中轴线与竖直方向之间的角度趋于零。
5.根据权利要求4所述的一种快速探查管道路径变化的方法，其特征在于，在步骤四中，所述依据检测距离发生突变的激光测距仪方位确定三通的方向，是指将三通的方向确定为由检测距离发生突变的激光测距仪指向与其相对分布的另一激光测距仪。
6.根据权利要求5所述的一种快速探查管道路径变化的方法，其特征在于，在步骤五中，所述依据检测距离增大的激光测距仪方位确定弯头的方向，是指将弯头的方向确定为由检测距离增大的激光测距仪指向与其相对分布的另一激光测距仪。
7.根据权利要求6所述的一种快速探查管道路径变化的方法，其特征在于，所述α大于15度，且小于75度。
8.根据权利要求7所述的一种快速探查管道路径变化的方法，其特征在于，所述α等于30度。
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