基于激光光斑双姿态角融合的管道三维分布测试方法技术

本发明专利技术公开了一种基于激光光斑双姿态角融合的管道三维分布测试方法，包括设置管道三维分布检测装置；控制管道三维分布检测装置在管道中匀速前进，同时获取两个MEMS

【技术实现步骤摘要】
基于激光光斑双姿态角融合的管道三维分布测试方法


[0001]本专利技术属于计量检测
，具体为一种基于激光光斑双姿态角融合的管道三维分布测试方法。

技术介绍

[0002]地下管线(水、电、煤等)是城市建设的重要组成部分。传统进行管道检测仪运动姿态的测量：一是通过探地雷达，但由于地下环境的复杂性，存在装置体积较大、使用环境受限，不能适应复杂多变的工程环境，并且由于容易受到磁场的影响，只能在固定的环境下使用；二是管线机器人，由于管线机器人体积较大，因此只适用于直径较大的地下管线，且受限于电池技术与不甚明朗的待测管线内情况，因此在使用管线机器人时往往会出现机器人在进行地下管线测量时迷失在待测管线内的情况。在工程测量中，尤其是在管道的空间方位测量中，空间角度测量非常普遍。通常情况下，管道运行轨迹与导向设计轨道有很大差别，尤其是完工后的检测技术落后，导致管线工程的竣工数据和实际的空间坐标有很大的偏差，这对地下管线的建设和使用有一定的不利影响。因此，正确掌握已完工管线的地下空间位置，既可作为评价工程质量的一个指标，又可作为今后新管线的轨道设计与施工参考，从而避免管线交叉。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种操作简便、测量精度高的基于激光光斑双姿态角融合的管道三维分布测试方法。
[0004]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于激光光斑双姿态角融合的管道三维分布测试方法，具体步骤为：
[0005]步骤1：设置管道三维分布检测装置，所述管道三维分布检测装置包括主控检测模块、从控检测模块、两个机械定心机构和万向节，两个机械定心结构之间通过万向节连接，主控检测模块和从控检测模块分别固定在两个机械定心结构上，所述主控检测模块包括主控板、第一MEMS
‑
IMU惯性模块和激光器，从控检测模块包括从控板、第二MEMS
‑
IMU惯性模块、成像屏和CMOS图像传感器，在平直状态下，激光光斑落于成像屏正中心；
[0006]步骤2：控制管道三维分布检测装置在管道中匀速前进，同时获取两个MEMS
‑
IMU惯性模块的三轴加速度计、三轴陀螺仪数据以及COMOS图像传感器采集到的激光光斑的位置信息；
[0007]步骤3：对MEMS
‑
IMU惯性模块数据进行处理，获得待测管线的偏转角度；
[0008]步骤4：对CMOS图像传感器采集到的激光光斑的位置信息进行处理，获得待测管线的偏转角；
[0009]步骤5：利用卡尔曼算法融合CMOS图像传感器得到的待测管线的偏转角度和MEMS
‑
IMU惯性模块得到待测管线的偏转角度，获得偏转角度的最优值。
[0010]优选地，所述第一MEMS
‑
IMU惯性模块、第二MEMS
‑
IMU惯性模块均包括MEMS三轴加
速度计、MEMS三轴陀螺仪。
[0011]优选地，对MEMS
‑
IMU惯性模块数据进行处理，获得待测管线的偏转角度的具体方法为：
[0012]通过MEMS三轴加速度计在不同时刻获取的X轴、Y轴、Z轴三个方向的重力加速度的分量，再结合三角函数求解出姿态角；通过MEMS三轴陀螺仪在不同时刻X轴、Y轴、Z轴三个方向的角速度，解算出载体坐标系相对于定坐标系的偏转角，其中，载体坐标系指的是以MEMS
‑
IMU惯性模块的质心为原点，X轴沿载体前进方向，Z轴沿载体侧轴方向指向右翼，Y沿载体竖轴方向；通过两个机械定心机构的偏转角以及装置的固定长度，通过几何关系，计算待测管线的偏转角度。
[0013]优选地，对CMOS图像传感器采集到的激光光斑的位置信息进行处理，获得待测管线的偏转角的具体方法为：
[0014]将CMOS图像传感器采集的图像转换为灰度图，并进行去燥以及二值化；
[0015]利用重心法计算出激光光点的像素位置坐标；
[0016]最小二乘法曲线拟合得到管道的平面方位图，得到管线的偏转角度。
[0017]优选地，利用重心法计算出激光光点的像素位置坐标的具体方法为：
[0018]设含有激光圆斑轮廓区域的二值图像为g(i,j)，激光圆斑中心坐标为(x0,y0)，(i,j)为像素坐标，图像的大小为M
×
N，则激光圆斑的中心坐标，由下面公式得到：
[0019][0020][0021]行图像像素坐标系(u
‑
v)到图像物理坐标系(X,Y)的变换，具体公式为：
[0022][0023]齐次坐标形式如下：
[0024][0025]其中：(u,v)为光斑的图像像素坐标，(u0,v0)为图像物理坐标系原点在像素坐标系中坐标，(x
d
,y
d
)为光斑的物理位置坐标，dx与dy分别表示每个像素在横轴X和纵轴Y上的对应的位置，θ为本设备约定的图像像素坐标系到图像物理坐标系的偏转角度。
[0026]优选地，利用卡尔曼算法融合CMOS图像传感器得到的待测管线的偏转角度和MEMS
‑
IMU惯性模块得到待测管线的偏转角度，获得偏转角度的最优值的具体方法为：
[0027]步骤5.1：建立空间状态方程：
[0028]θ^＝θ1+K(θ2‑
θ1)
[0029]其中，θ1为MEMS
‑
IMU惯性模块获得的管线偏转角度，θ2为CMOS图像传感器获得的管
线偏转角度，K为卡尔曼增益，θ^为估计值；
[0030]步骤5.2：设估计值标准差为σ
θ
，估计值的方差为Var(θ^)，求出最优估计值方差表达式：
[0031][0032]其中，σ
2θ
为估计值方差另一种形式，σ
2θ1
为MEMS
‑
IMU惯性模块获得的管线偏转角度的方差，σ
2θ2
为CMOS图像传感器获得的管线偏转角度的方差。
[0033]步骤5.3：求K使得估计值的方差最小，推算卡尔曼增益K：
[0034][0035]步骤5.4：计算当前时刻最优估计值：
[0036]θ^＝θ1+K(θ2‑
θ1)
[0037]步骤5.5：更新估计值方差，验证数据进行融合所得到的误差是否更小、更加接近真
[0038]实值：
[0039][0040]本专利技术与现有技术相比，其显著优点：基于CMOS图像传感器采集激光光斑图像，巧妙利用激光光斑中心在图像上的位移信息转换成管道空间方位信息，并通过检测仪两端的MEMS
‑
IMU惯性模块采集管线曲率，使用不同原理传感器数据相互校准，减小误差，准确测量待测管线的空间位置分布。
[0041]下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。
附图说明
[0042]图1是本专利技术基于激光光斑双姿态角融合测试管道三维分布新方法的检测原理图。
[本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于激光光斑双姿态角融合的管道三维分布测试方法，其特征在于，具体步骤为：步骤1：设置管道三维分布检测装置，所述管道三维分布检测装置包括主控检测模块、从控检测模块、两个机械定心机构和万向节，两个机械定心结构之间通过万向节连接，主控检测模块和从控检测模块分别固定在两个机械定心结构上，所述主控检测模块包括主控板、第一MEMS
‑
IMU惯性模块和激光器，从控检测模块包括从控板、第二MEMS
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IMU惯性模块、成像屏和CMOS图像传感器，在平直状态下，激光光斑落于成像屏正中心；步骤2：控制管道三维分布检测装置在管道中匀速前进，同时获取两个MEMS
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IMU惯性模块的三轴加速度计、三轴陀螺仪数据以及COMOS图像传感器采集到的激光光斑的位置信息；步骤3：对MEMS
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IMU惯性模块数据进行处理，获得待测管线的偏转角度；步骤4：对CMOS图像传感器采集到的激光光斑的位置信息进行处理，获得待测管线的偏转角；步骤5：利用卡尔曼算法融合CMOS图像传感器得到的待测管线的偏转角度和MEMS
‑
IMU惯性模块得到待测管线的偏转角度，获得偏转角度的最优值。2.根据权利要求1所述的基于激光光斑双姿态角融合的管道三维分布测试方法，其特征在于，所述第一MEMS
‑
IMU惯性模块、第二MEMS
‑
IMU惯性模块均包括MEMS三轴加速度计、MEMS三轴陀螺仪。3.根据权利要求1所述的基于激光光斑双姿态角融合的管道三维分布测试方法，其特征在于，对MEMS
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IMU惯性模块数据进行处理，获得待测管线的偏转角度的具体方法为：通过MEMS三轴加速度计在不同时刻获取的X轴、Y轴、Z轴三个方向的重力加速度的分量，再结合三角函数求解出姿态角；通过MEMS三轴陀螺仪在不同时刻X轴、Y轴、Z轴三个方向的角速度，解算出载体坐标系相对于定坐标系的偏转角，其中，载体坐标系指的是以MEMS
‑
IMU惯性模块的质心为原点，X轴沿载体前进方向，Z轴沿载体侧轴方向指向右翼，Y沿载体竖轴方向；通过两个机械定心机构的偏转角以及装置的固定长度，通过几何关系，计算待测管线的偏转角度。4.根据权利要求1所述的基于激光光斑双姿态角...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪贵华，袁宏日，孙嘉，徐元，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：