一种用于管道检测的SLAM系统及方法技术方案

本发明专利技术公开一种用于管道检测的SLAM系统，包括管道机器人、控制器，管道机器人在管道内运动，还包括前视激光雷达、管径测量装置和里程轮，前视激光雷达、管径测量装置和里程轮分别与控制器连接；前视激光雷达，用于检测管道内前方未知管段的信息，并将检测信息传输给控制器建立基本模型；管径测量装置，用于测量管道机器人当前位置的管径信息，并将测量的管径信息传输给控制器，控制器对基本模型优化调整形成信任模型；里程轮，用于测量管道机器人沿管道中轴线行进的路程信息，并将测量的路程信息传输给控制器，控制器结合路程信息和信任模型，计算出此时管道机器人的位姿。本发明专利技术能帮助定位长途油气管道的缺陷，对被检测管道测绘建模。

【技术实现步骤摘要】
一种用于管道检测的SLAM系统及方法
本专利技术涉及一种用于管道检测的SLAM系统及方法，属于管道检测领域。
技术介绍
管道作为一种用于输送气体、液体或带固体颗粒流体的装置，在石油、化工等行业应用十分广泛。但管道经过长期的使用，容易存在化学腐蚀、机械破损和管道老化等问题。由于管道通常埋设在地下而且布置复杂，往往是人们不易或不能直接接触的，因此在管道内进行检测与维修非常困难。针对上述情况，开发出了管道机器人替代工人进入管道中进行检测与维修的工作。在管道机器人的使用过程中，由于管道电磁屏蔽特性和无标识特征等问题，所以机器人定位和建模存在困难。目前在长途油气管道领域中，如中国专利一种管道检测机器人及其多传感器融合检测方法(公布号为CN110159869A)，使用了一种由陀螺仪结合里程轮的定位方式，然后采集到管径信息进行建模；在地下管道领域，使用的方案部分依靠GPS定位，如中国专利一种地下管道智能检测机器人及智能检测方法(公布号为CN110174136A)，具体涉及一种利用北斗GNSS卫星定位、惯性导航与环境感知传感器集成的一体化管道智能检测机器人及智能检测方法。但其存在如下缺陷，长途油气管道常采用金属材质，会大幅隔绝电磁信号，导致GNSS无法工作；另外，长途管道中建模的最主要难度在于其转弯是极其细微的(以直径1219mm的管道为例，其最大曲率半径为1/50m^-1)，故现有的用于扫描周边环境的机载激光雷达采集到的信息很难精确判断管道走向，所以对管道走向的预测工作和对自身位姿的计算都只能由惯性导航系统(陀螺仪)来完成，导航系统由于本身特性带来的偏移产生的误差会严重影响本来就微小的测量值，且在长途油气管道中长时间工作，惯性导航系统的误差会持续叠加。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提供一种用于管道检测的SLAM系统及方法，用于帮助管道检测机器人定位长途油气管道的缺陷，并对被检测管道测绘建模。为了实现上述目的，本专利技术采用的一种用于管道检测的SLAM系统，包括管道机器人、控制器，所述管道机器人在管道内运动，还包括分别安装在管道机器人上的前视激光雷达、管径测量装置和里程轮，所述前视激光雷达、管径测量装置和里程轮分别与控制器连接；所述前视激光雷达，用于检测管道内前方未知管段的信息，并将检测信息传输给控制器建立基本模型；所述管径测量装置，用于测量管道机器人当前位置的管径信息，并将测量的管径信息传输给控制器，控制器对基本模型优化调整形成信任模型；所述里程轮，用于测量管道机器人沿管道中轴线行进的路程信息，并将测量的路程信息传输给控制器，控制器结合路程信息和信任模型，计算出此时管道机器人的位姿。作为改进，所述前视激光雷达以机身中轴线为旋转轴，并始终与之成一定角度进行旋转。作为改进，所述管径测量装置采用位移传感器，或采用激光测距仪，或管径测量装置包括前后两套轮组，每套轮组包括若干组呈圆周阵列的位移传感器。作为改进，还包括安装在管道内或管道外的若干定位标识。另外，本专利技术还提供了一种基于所述SLAM系统的管道检测方法，包括以下步骤：1)管道机器人在管道中以稳定的速度向前运动，采用前视激光雷达检测管道内管道机器人前方未知管段的信息，并传输给控制器，控制器根据前视激光雷达获取的数据建立具有一定精度的基本模型；2)某一时刻管道机器人经过管道中特定管段时，管径测量装置在此时经过此处，并测量出当前位置的管径信息，控制器根据此信息对上一时刻给出的基本模型进行优化调整，形成更准确的信任模型；3)里程轮在管径测量装置之后经过所述管段，此时管径测量装置已行进至新的基本模型处，管径测量装置当前位置将被更新为信任模型，里程轮测得从上一时刻到当前时刻机器人沿管道中轴线行进的路程，控制器根据这一路程并结合先前得出的信任模型计算出此时机器人的位姿；4)往复此步骤，当遇到特定标定点时矫正误差。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1)本专利技术采用前视激光雷达负责检测前方未知管段的信息，能够探测远处的情况，增大采样数据的变化，即将管道的弯曲放大，测得更加精确的曲率；放大了测量对象，缩小相对误差。考虑到机器人在管道中长时间运行带来的误差累积且校正标识较少，此改进会给管道的缺陷定位工作带来很大的帮助。2)本专利技术中增添了管径测量装置，虽然前视激光雷达采用锥形探测，能够更加精确的测算管道走向和管段曲率，但其会产生沿轴向的误差，该误差可能会投放到模型上使得点云错位，管径测量装置会减少轴向误差，且在周向测量管径上也具有更高精度，可整体提高模型精度形成信任模型。3)本专利技术根据长途油气管道内部平整干净的特点，在测算自身位置上采用了长途管道中可稳定运行的里程轮。4)本专利技术利用预先设置好的定位标识帮助校正检测过程中的累积误差，定位标识在设置时即已测定好相对位置。附图说明图1为本专利技术的结构示意图；图2为本专利技术中前视激光雷达的扫描角度示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面对本专利技术进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限制本专利技术的范围。除非另有定义，本文所使用的所有的技术术语和科学术语与属于本专利技术的
的技术人员通常理解的含义相同，本文中在本专利技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本专利技术。如图1所示，一种用于管道检测的SLAM(即时定位与地图构建)系统，包括管道机器人、控制器，所述管道机器人在管道内运动，还包括分别安装在管道机器人上的前视激光雷达、管径测量装置和里程轮，所述前视激光雷达、管径测量装置和里程轮分别与控制器连接；所述前视激光雷达，用于检测管道内前方未知管段的信息，并将检测信息传输给控制器建立基本模型；所述管径测量装置，用于测量管道机器人当前位置的管径信息，并将测量的管径信息传输给控制器，控制器对基本模型优化调整形成信任模型；所述里程轮，用于测量管道机器人沿管道中轴线行进的路程信息，并将测量的路程信息传输给控制器，控制器结合路程信息和信任模型，计算出此时管道机器人的位姿。另外，本专利技术还公开了一种所述SLAM系统的管道检测方法，包括以下步骤：1)首先，前视激光雷达负责检测前方未知管段的信息，本专利技术中采用的激光雷达被设置成如下图2所示的角度(根据管径不同调节)，使得激光以管道机器人的机身中轴线为旋转轴，始终与之成一定角度(视管径而定，为0-90°中的数值)进行旋转，实现所谓前视激光雷达；现有方案中，激光雷达为圆周扫描，仅能扫描出激光雷达所在处截面的情况，获取的信息也仅是二维信息，各次测量的数据之间关联较小，扫描获得的截面信息只能通过其他方式(如GPS、惯性导航等)拼接成关于管道的三维模型，本专利技术所用前视激光雷达在不改变其采样率的前提下，为其每次检测到的信息增加了一个维度，即从二维变为三维(如图2中锥形与管道相交线所示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于管道检测的SLAM系统，包括管道机器人、控制器，所述管道机器人在管道内运动，其特征在于，还包括分别安装在管道机器人上的前视激光雷达、管径测量装置和里程轮，所述前视激光雷达、管径测量装置和里程轮分别与控制器连接；/n所述前视激光雷达，用于检测管道内前方未知管段的信息，并将检测信息传输给控制器建立基本模型；/n所述管径测量装置，用于测量管道机器人当前位置的管径信息，并将测量的管径信息传输给控制器，控制器对基本模型优化调整形成信任模型；/n所述里程轮，用于测量管道机器人沿管道中轴线行进的路程信息，并将测量的路程信息传输给控制器，控制器结合路程信息和信任模型，计算出此时管道机器人的位姿。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于管道检测的SLAM系统，包括管道机器人、控制器，所述管道机器人在管道内运动，其特征在于，还包括分别安装在管道机器人上的前视激光雷达、管径测量装置和里程轮，所述前视激光雷达、管径测量装置和里程轮分别与控制器连接；
所述前视激光雷达，用于检测管道内前方未知管段的信息，并将检测信息传输给控制器建立基本模型；
所述管径测量装置，用于测量管道机器人当前位置的管径信息，并将测量的管径信息传输给控制器，控制器对基本模型优化调整形成信任模型；
所述里程轮，用于测量管道机器人沿管道中轴线行进的路程信息，并将测量的路程信息传输给控制器，控制器结合路程信息和信任模型，计算出此时管道机器人的位姿。


2.根据权利要求1所述的一种用于管道检测的SLAM系统，其特征在于，所述前视激光雷达以机身中轴线为旋转轴，并始终与之成一定角度进行旋转。


3.根据权利要求1所述的一种用于管道检测的SLAM系统，其特征在于，所述管径测量装置采用位移传感器，或采用激光测距仪，或管径测量装置包括前后两套轮组，每套轮组包...

【专利技术属性】
技术研发人员：李柏松，于佳玮，
申请(专利权)人：李柏松，于佳玮，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23