一种管道三维曲线测量机器人及其实现方法技术

本发明专利技术提供了一种管道三维曲线测量机器人及其实现方法，所述测量机器人包括：电子仓、滑杆、车轮支架、设置在所述车轮支架上的行走轮、设置在一侧所述滑杆上的里程轮和编码器；所述电子仓内设置有：惯性测量单元、采集控制模块和电源模块；在使用所述测量机器人进行测量时，控制所述测量机器人在管道内来回运动，同时采集测量数据；将测量数据与管道基准时刻的三维曲线数据相比较，得到管道三维曲线变形量。本发明专利技术所提供的测量机器人通过同步张紧行走轮实现管道机器人测点始终保持在管道中轴线上，通过独立张紧里程轮实现高精度里程测量。通过本发明专利技术提出的惯导测量装置可以实现毫米级的管道三维曲线变形测量精度，满足变形监测的需求。

A Pipeline 3D Curve Measurement Robot and Its Realization Method

The invention provides a pipeline three-dimensional curve measuring robot and its realization method, which comprises an electronic warehouse, a slide bar, a wheel bracket, a walking wheel arranged on the wheel bracket, a mileage wheel and a coder arranged on the slide bar on one side, and the electronic warehouse is provided with an inertia measuring unit, a acquisition control module and a power supply module. When the measuring robot is measuring, it controls the measuring robot to move back and forth in the pipeline, and collects the measuring data at the same time. By comparing the measured data with the three-dimensional curve data of the pipeline reference time, the deformation of the three-dimensional curve of the pipeline can be obtained. The measuring robot of the invention realizes that the measuring point of the pipeline robot is always maintained on the central axis of the pipeline through synchronous tightening of the walking wheel, and realizes high precision mileage measurement by independent tightening of the mileage wheel. Through the inertial navigation measuring device proposed by the invention, the measuring accuracy of three-dimensional curve deformation of pipeline in millimeter level can be realized, and the requirement of deformation monitoring can be satisfied.

【技术实现步骤摘要】
一种管道三维曲线测量机器人及其实现方法
本专利技术涉及工程测量和管线测量
，尤其涉及的是一种基于惯导/里程计的管道三维曲线测量机器人及其实现方法。
技术介绍
管道是一种常见的线状通道结构，不仅可以用来运输流体物质，如天然气、石油、水等物质运输，还可以作为机器运行通道，如土体结构变形观测管道。管道测量一般是指对管道的三维形状曲线进行测量。目前常用的管道测量一般针对管理、检测需求，用来掌握管道的位置和走向，如石油管道测量、地下管线测量等。按照仪器与管道的相对位置关系，可以将其分为管外测量和管内测量。其中管外测量一般采用电磁波、声波、示踪器等方法对管道的位置和走向进行测量。由于埋土的阻隔，精度一般较差，最高为分米级。管内测量一般采用管道机器人进行测量，目前管道机器人多采用陀螺仪/里程计传感器进行组合，同时在机械结构上保证测量机器人在管道中心线上运动。但是由于机械结构设计、传感器器件配置，解算算法等原因，目前管道机器人测量最高精度多在厘米级（100米），只能用于常规的管道位置走向测量。综合来看，现有管道测量技术的精度最高只能达到厘米级。通常，变形监测的精度要求都在mm级（100m管道长度），现有测量方法和设备不能满足管道变形监测的需求。因此，现有技术有待于进一步的改进。
技术实现思路
鉴于上述现有技术中的不足之处，本专利技术的目的在于提供一种管道三维曲线测量机器人及其测量方法，克服现有技术中测量装置的测量精度仅仅在厘米级，无法满足管道变形监测需求的缺陷。本专利技术提供的第一实施例为一种管道三维曲线测量机器人，其中，包括：电子仓、与所述电子仓的两侧中心连接的滑杆、通过直线轴承与所述滑杆连接的车轮支架、设置在所述车轮支架上的均匀分布的至少两组行走轮、设置在所述电子仓一侧滑杆上且安装有独立收缩轮架的至少一组里程轮和安装在各个所述里程轮上的编码器；所述直线轴承两端的滑杆上安装有弹簧；所述电子仓内设置有：安装在采集板上的惯性测量单元、采集控制模块和电源模块；各个所述行走轮通过所述弹簧同步收缩使得所述惯性测量单元的几何中心位于所述电子仓的中轴线上；所述采集控制模块，用于控制惯性测量单元与编码器进行测量数据的采集，并将所述测量数据与管道基准时刻的三维曲线数据相比较，得到管道三维曲线变形量。可选的，所述采集控制模块上还设置有FPGA单元和晶振单元；所述惯性测量单元通过RS-422转LVTTL接口与所述FPGA单元相连接；所述FPGA单元分别通过UART接口和USB转串口接口与上位机建立通信连接；用于根据所述晶振单元输出的时钟信号触发控制惯性测量单元及所述编码器同步采集测量数据及将采集到的测量数据上传至上位机单元；所述上位机单元通过UART接口向FPGA单元发出数据采集控制指令，以及通过USB转串口接口接收测量数据。可选的，所述滑杆的两端设置有动力牵引装置；所述动力牵引装置包括：驱动电机和电动绞盘；所述驱动电机驱动电动绞盘上的拉线牵引所述测量机器人来回运动。可选的，所述行走轮的个数为三个，且三个所述行走轮均匀对称设置。可选的，里程轮的个数为三个，且三个所述里程轮均匀对称设置。可选的，所述电源模块与惯性测量单元、FPGA单元、晶振单元和上位机单元均相连接。本专利技术提供的第二实施例为一种测量机器人测量管道三维曲线的实现方法，其中，包括：控制所述测量机器人保持惯性测量单元的几何中心与所述电子仓的中轴线一致的在管道内来回运动，同时惯性测量单元和编码器采集测量数据；将惯性测量单元和和编码器所采集的测量数据与管道基准时刻的三维曲线数据相比较，得到管道三维曲线变形量。可选的，所述控制所述测量机器人保持惯性测量单元的几何中心与所述电子仓的中轴线一致的在管道内来回运动的步骤还包括：各个所述行走轮通过设置在滑杆上弹簧同步收缩、以及各个独立收缩轮架的至少一组里程轮进行独立收缩实现保持惯性测量单元的几何中心位于所述电子仓的中轴线上；通过设置在所述滑杆的两端的动力牵引装置控制测量机器人在管道内来回运动。可选的，所述采集板上还设置有FPGA单元、晶振单元和上位机单元；所述方法还包括：所述FPGA单元根据晶振单元输出的时钟信号触发控制惯性测量单元及所述编码器同步采集测量数据及将采集到的测量数据上传至上位机单元；所述上位机单元对接收到的测量数据与管道基准时刻的三维曲线数据相比较，得到管道三维曲线的变形量。有益效果，本专利技术提供了一种管道三维曲线测量机器人及其实现方法，通过同步张紧行步轮实现管道测量车的测点始终保持在管道中轴线上，通过独立张紧里程轮实现高精度里程测量，通过高精度集成采集板实现多路里程计与高精度惯导的同步数据采集。通过本专利技术提出的惯导测量装置可以实现毫米级的管道三维曲线变形测量精度，可以满足变形监测的需求。附图说明图1是本专利技术所提供的测量机器人的前视图；图2是本专利技术所提供的测量机器人的后视图；图3是本专利技术所提供的测量机器人的左视图；图4是本专利技术所提供的测量机器人的右视图；图5是本专利技术所提供的所述管道测量机器人多传感器高精度同步的实现逻辑；图6本专利技术所述测量机器人动力牵引装置的结构示意图；图7是本专利技术所提供的所述测量机器人测量管道三维曲线的实现方法。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本专利技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。针对现有管道测量装置精度较低的问题，本专利技术提供了一种针对变形监测管道的高精度三维曲线测量机器人及其实现方法。具体而言，本专利技术将管道作为一种变形监测装置，在土木结构体建设期间将其埋入待监测的变形位置，通过管道测量机器人测量管道的三维曲线，并比对不同时期的曲线，实现对结构体变形量的监控。本专利技术提供的第一实施例为一种管道三维曲线测量机器人，如图1所示，包括：电子仓20、与所述电子仓20两侧中心连接的滑杆10、通过直线轴承102与所述滑杆10连接的车轮支架、设置在所述车轮支架上的均匀分布的至少两组行走轮103、设置在一侧所述滑杆10上的且安装有独立收缩轮架的至少一组里程轮104和安装在各个所述里程轮104上的编码器105；所述直线轴承102两端的滑杆10上安装有弹簧101；所述电子仓20内设置有：惯性测量单元201、采集控制模块和电源模块；各租所述行走轮103通过所述弹簧同步收缩使得所述惯性测量单元201的几何中心与所述电子仓20的中轴线一致；所述采集控制模块，控制惯性测量单元201与编码器105进行测量数据采集，并将所述测量数据与管道基准时刻的三维曲线数据相比较，得到管道三维曲线变形量。本专利技术提供的测量机器人上设置有电子仓，设置在电子仓两侧的滑杆上的行走轮和里程轮，电子仓设置在整个测量机器人的中心，而安装在采集板上的惯性测量单元的中心位于电子仓的中轴线上，也同时位于管道的中心轴线上。同步张紧的行走轮安装在电子仓的两侧，每一侧设置至少一组行走轮，较佳的每组行走轮上设置三个均匀分布的行走轮，所述行走轮103安装在车轮支架上，行走轮103的车轮选择硬度合适的耐磨树脂材料，所述车轮支架通过直线轴承102与滑杆连接，滑杆10上的直线轴承102两端安装有弹簧，可以使得三个行走轮同步收缩，进而保证车轮车架在管道中张紧，使得车架中轴线与管道中轴线一致本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种管道三维曲线测量机器人，其特征在于，包括：电子仓、与所述电子仓的两侧中心相连接的滑杆、通过直线轴承与所述滑杆连接的车轮支架、设置在所述车轮支架上的均匀分布的至少两组行走轮、设置在所述电子仓一侧的滑杆上且安装有独立收缩轮架的至少一组里程轮和安装在各个所述里程轮上的编码器；所述直线轴承两端的滑杆上安装有弹簧；所述电子仓内设置有：惯性测量单元、采集控制模块和电源模块；各组所述行走轮通过所述弹簧同步收缩使得所述惯性测量单元的几何中心位于所述电子仓的中轴线；所述采集控制模块，控制惯性测量单元与编码器进行测量数据同步采集，并将所述测量数据解算的三维曲线与管道基准时刻的三维曲线数据相比较，得到管道三维曲线变形量。

【技术特征摘要】
1.一种管道三维曲线测量机器人，其特征在于，包括：电子仓、与所述电子仓的两侧中心相连接的滑杆、通过直线轴承与所述滑杆连接的车轮支架、设置在所述车轮支架上的均匀分布的至少两组行走轮、设置在所述电子仓一侧的滑杆上且安装有独立收缩轮架的至少一组里程轮和安装在各个所述里程轮上的编码器；所述直线轴承两端的滑杆上安装有弹簧；所述电子仓内设置有：惯性测量单元、采集控制模块和电源模块；各组所述行走轮通过所述弹簧同步收缩使得所述惯性测量单元的几何中心位于所述电子仓的中轴线；所述采集控制模块，控制惯性测量单元与编码器进行测量数据同步采集，并将所述测量数据解算的三维曲线与管道基准时刻的三维曲线数据相比较，得到管道三维曲线变形量。2.根据权利要求1所述的管道三维曲线测量机器人，其特征在于，所述采集控制模块包括：FPGA单元、晶振单元和上位机单元；所述惯性测量单元通过RS-422转LVTTL接口与所述FPGA单元相连接；所述FPGA单元分别通过UART接口和USB转串口接口与上位机单元建立通信连接；用于根据所述晶振单元输出的时钟信号触发控制惯性测量单元及所述编码器同步采集测量数据及将采集到的测量数据上传至上位机单元；所述上位机单元通过UART接口向FPGA单元发出数据采集控制指令，以及通过USB转串口接口接收测量数据。3.根据权利要求1或2所述的管道三维曲线测量机器人，其特征在于，所述滑杆的两端设置有动力牵引装置；所述动力牵引装置包括：驱动电机和电动绞盘；所述驱动电机驱动电动绞盘上的拉线牵引所述测量机器人来回运动。4.根据权利要求2所述的管道三维曲线测量机器人，其特征在于，每组所述行走轮的个数为三个，且三...

【专利技术属性】
技术研发人员：李清泉，陈智鹏，殷煜，程翔，朱家松，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东,44