专利名称：油罐容积检测系统及标定方法
技术领域：
本发明涉及的是一种检测系统及其方法，特别是一种油罐容积检测系统及标定方法，属于检测技术领域。
背景技术：
立式金属油罐不仅是目前使用最广泛的储油容器，还是一种计量工具，而容积表是立式油罐作为计量罐的必备条件。为了迅速算得油品体积，每个油罐都要编制容积表，以便由测量得到的油品高度直接查出油品体积。为此，必须对立式油罐的容积进行标定，根据标定数据算出油罐容积表来进行油品计量。油罐容积标定就是要为油罐编制容积表，该表列出了所储油品液面高度与体积的关系。油罐容积标定工作在石油工业和贸易中有着重要的经济意义和实用价值。
目前，在中国国家标准中已经规定了围尺法(GB/T 13235.1-91)、光学参比线法(GB/T 13235.2-91)和光电内测距法(GB/T 13235.3-95)三种方法来标定立式圆柱形金属油罐的容积。在围尺法中，用石油钢围尺围测油罐各圈板截面的圆周长，继而计算出油罐不同圈板上单位高度的油罐容积，并据此结果经过必要的修正后编制油罐容积表。在光学参比线法中，首先采用围尺法准确测量油罐的参比圆周长，确定水平测站，再采用光学垂准仪和移动式磁性标尺仪测出各水平测站上的所有垂直测量点偏距，然后计算各圈板的周长或半径，最后据此结果经过必要的修正后编制油罐容积表。在光电内测距法中，首先用安放于油罐底部中心的光电测距仪，依次瞄准各圈板规定水平圆周上的所有目标，测出其水平角、垂直角和斜距，然后按照迭代逼近的方法，由这些测量数据计算相应水平圆周的半径，最后据此结果经过必要的修正后编制油罐容积表。
但是，在实际应用中，这些油罐容积标定方法普遍存在以下不足之处1、测量速度较慢、工作效率低下、仪器调整繁琐费时，操作人员工作强度大。例如在光学参比线法中，每更换一次水平测站，就需要对光学垂准仪重新进行校准；2、测量数据需人工读取，容易引入人为误差，而且速度较慢，不利于计算机化处理；3、适用范围小，仅适用于立式圆柱形金属油罐的容积标定，无法应用于其它形状油罐的容积测量。并且，对油罐的直径、倾斜度和截面内径变化规定了相应的适用范围。
发明内容
本发明针对现有技术的不足和缺陷，提供一种油罐容积检测系统及标定方法，该技术是一种准确、快速、适用性强、操作简单的检测系统和标定方法。本发明系统采用上下位机的控制模式，主要由上位机系统、下位机系统和全球卫星定位系统实时动态差分定位技术(GPS RTK即Global PositioningSystem Read-time Kinematic Technology)系统组成，上位机系统构成远端控制中心，下位机系统和全球卫星定位系统实时动态差分定位技术流动站位于爬壁机器人本体上，上、下位机之间和全球卫星定位系统实时动态差分定位技术基准站、流动站之间无线数字通讯连接，各部分组成如下上位机系统主要由计算机和无线数字电台(一)组成，用于完成测量路径和测量参数规划、命令编码和通讯传输控制、测量数据存储和处理、容积表编制以及远程监控等工作。
下位机系统主要由单片机、电机控制器、电机、光电编码器和无线数字电台(二)组成，用于完成测量数据采集、数据编码和传输以及机器人运动控制等工作。
全球卫星定位系统实时动态差分定位技术系统主要由全球卫星定位系统实时动态差分定位技术基准站、流动站和无线数字电台(三)、(四)组成，用于实现机器人位置的动态测量，并将测量数据发送给下位机。
作为一个封闭容器，油罐可以由其表面——一张封闭的空间曲面唯一的表示出来，即存在油罐容积与油罐表面封闭曲面之间的对应关系，只要对这张封闭曲面函数进行积分，就可以计算出油罐的容积，同时，采用离散化的方法，又可以用分布在这张封闭曲面表面上的若干个离散点来表示这张曲面，在这种方法中，油罐容积计算的过程实际上就是对一个由离散数据点(油罐表面测量点)确定的函数(油罐表面)进行积分。本发明的标定方法如下1、选定油罐表面若干个均匀分布的测量点；2、测出这些测量点在三维空间中的位置坐标，爬壁机器人携带全球卫星定位系统实时动态差分定位技术流动站，沿规定的测量路径爬行通过油罐表面的测量点，同时，全球卫星定位系统实时动态差分定位技术系统实时测出这些测量点在以全球卫星定位系统实时动态差分定位技术基准站为原点的三维空间坐标中的位置，并将这些数据保存下来，全球卫星定位系统实时动态差分定位技术，是基于载波相位观测值的实时动态差分卫星定位技术，它能够实时地提供测量点在空间坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级的高精度，爬壁机器人通过无线数字电台与全球卫星定位系统实时动态差分定位技术基准站及控制中心进行实时通信，传输数据和指令，实现无线实时动态测量和控制；3、计算油罐表面的拟合曲面，根据已经获得的油罐表面测量点位置坐标，采用曲面拟合技术构作一张油罐真实表面的拟合曲面，并以此计算油罐的容积；4、计算油罐各高度下的容积，对油罐表面的拟合曲面作积分运算，求出不同高度下的油罐容积；5、编制油罐容积表，对步骤4的计算结果进行必要的修正后，即可编制成容积表供使用。
本发明具有实质性特点和显著进步，标定误差显著减小，测量效率成倍提高，适用范围更广，对油罐形状没有特殊的要求，适用于圆柱形、球形、卧式等各种形状的储油罐，由爬壁机器人自主完成整个测量过程，有利于实现容积标定过程的自动化，操作人员工作强度大大减少，具有可观的经济效益和实用价值。
图1油罐表面与测量点之间离散与拟合关系的示意2两种不同的测量路径的示意3全球卫星定位系统实时动态差分定位技术系统测量油罐表面测量点位置的示意4测量系统结构示意5标定方法工作原理图
具体实施例方式如图1、图2、图3、图4和图5所示，本发明主要由上位机系统(1)、下位机系统(2)和全球卫星定位系统实时动态差分定位技术系统(3)组成，上位机系统(1)构成远端控制中心，下位机系统和全球卫星定位系统实时动态差分定位技术系统(3)的流动站位于爬壁机器人本体上，上、下位机之间和全球卫星定位系统实时动态差分定位技术系统(3)的基准站、流动站之间无线数字通讯连接，各部分组成如下上位机系统(1)主要由计算机和无线数字电台(一)组成，下位机系统(2)主要由单片机、电机控制器、电机、光电编码器和无线数字电台(二)组成，全球卫星定位系统实时动态差分定位技术系统(3)主要由全球卫星定位系统实时动态差分定位技术系统(3)的基准站、流动站和无线数字电台(三)、(四)组成。
本发明的标定方法如下1、选定油罐表面若干个均匀分布的测量点；2、采用全球卫星定位系统实时动态差分定位技术测出这些测量点在三维空间中的位置坐标，爬壁机器人携带全球卫星定位系统实时动态差分定位技术系统(3)的流动站，沿规定的测量路径爬行通过油罐表面的测量点，同时，全球卫星定位系统实时动态差分定位技术系统(3)实时测出这些测量点在以全球卫星定位系统实时动态差分定位技术系统(3)的基准站为原点的三维空间坐标中的位置，并将这些数据保存下来；3、计算油罐表面的拟合曲面，根据已经获得的油罐表面测量点位置坐标，采用曲面拟合技术构作一张油罐真实表面的拟合曲面，并以此计算油罐的容积；4、计算油罐各高度下的容积，对油罐表面的拟合曲面作积分运算，求出不同高度下的油罐容积；5、编制油罐容积表，对步骤4的计算结果进行必要的修正后，即可编制成容积表供使用。
以下对标定方法进一步限定，具体如下①、系统初始化，为容积测量做好准备，并将爬壁机器人放置于测量起始点；②、选定油罐表面的测量点，测量点要求均匀分布在油罐表面不同高度上的截面圆周上，相邻两点之间的水平弧长间距不超过3m，垂直间距应保证油罐每个圈板沿高度方向至少分布有两个测量点；③、选定测量路径，根据已知的油罐直径和高度，以及选定的油罐表面测量点间距，分别计算两种测量路径的长度，选择一条长度较短的方案作为爬壁机器人的测量行走路径；④、上位机根据选定的测量点和测量路径，计算出爬壁机器人的测量和控制参数，并通过无线数字电台(一)、(二)传送给下位机系统(2)，传送完毕后，上位机系统(1)开始等待下位机系统(2)传送回来的测量数据；
⑤、下位机系统(2)接收到上位机系统(1)送来的测控参数后，开始驱动爬壁机器人在油罐表面上运动和测量，一方面，下位机系统(2)根据运动控制要求向电机控制器发送控制指令，使爬壁机器人沿着选定的测量路径爬行，另一方面，在经过测量路径上的测量点时，下位机系统(2)向全球卫星定位系统实时动态差分定位技术系统(3)发送测量指令，接收全球卫星定位系统实时动态差分定位技术系统(3)的流动站实时测得的测量点三维空间位置坐标，并将测量结果通过无线数字电台(二)、(一)传送回上位机系统(1)，同时，测量结果还作为位置反馈参数参与机器人的运动路径控制；⑥、上位机系统(1)不断接收来自下位机系统(2)的测量数据，并将它们存储在计算机中，直至所有选定的测量点全部测量完毕；⑦、数据处理，计算容积，首先，根据步骤6中已经存储在计算机中的油罐表面所有测量点的位置坐标，采用曲面拟合技术构作一张油罐真实表面的拟合曲面，拟合计算可以采用双三次多项式样条函数、双三次B样条函数、双三次光顺样条函数等空间曲面的拟合方法，然后，对计算得到的油罐表面拟合曲面作积分运算，求出不同高度截面下的油罐容积，积分过程采用数值积分法，或采用形式积分；⑧、编制油罐容积表，将油罐各个高度截面下的容积计算结果进行必要的修正后，即可编制成容积表供使用，容积修正和容积表编制参照中国国家标准GB/T13235.1-91及GB/T 13235.2-91具体实施。
权利要求
1.一种油罐容积检测系统，其特征在于主要由上位机系统(1)、下位机系统(2)和全球卫星定位系统实时动态差分定位技术系统(3)组成，上位机系统(1)构成远端控制中心，下位机系统和全球卫星定位系统实时动态差分定位技术系统(3)的流动站位于爬壁机器人本体上，上、下位机之间和全球卫星定位系统实时动态差分定位技术系统(3)的基准站、流动站之间无线数字通讯连接，各部分组成如下上位机系统(1)主要由计算机和无线数字电台(一)组成，下位机系统(2)主要由单片机、电机控制器、电机、光电编码器和无线数字电台(二)组成，全球卫星定位系统实时动态差分定位技术系统(3)主要由全球卫星定位系统实时动态差分定位技术系统(3)的基准站、流动站和无线数字电台(三)、(四)组成。
2.一种油罐容积检测系统的标定方法，其特征是标定方法具体如下①、选定油罐表面若干个均匀分布的测量点；②、采用全球卫星定位系统实时动态差分定位技术测出这些测量点在三维空间中的位置坐标，爬壁机器人携带全球卫星定位系统实时动态差分定位技术系统(3)的流动站，沿规定的测量路径爬行通过油罐表面的测量点，同时，全球卫星定位系统实时动态差分定位技术系统(3)实时测出这些测量点在以全球卫星定位系统实时动态差分定位技术系统(3)的基准站为原点的三维空间坐标中的位置，并将这些数据保存下来；③、计算油罐表面的拟合曲面，根据已经获得的油罐表面测量点位置坐标，采用曲面拟合技术构作一张油罐真实表面的拟合曲面，并以此计算油罐的容积；④、计算油罐各高度下的容积，对油罐表面的拟合曲面作积分运算，求得油罐容积；⑤、编制油罐容积表，对步骤4的计算结果进行必要的修正后，即可编制成容积表供使用。
3.根据权利要求2所述的这种油罐容积检测系统的标定方法，其特征是以下对标定方法进一步限定，具体如下①、系统初始化，为容积测量做好准备，并将爬壁机器人放置于测量起始点；②、选定油罐表面的测量点，测量点要求均匀分布在油罐表面不同高度上的截面圆周上，相邻两点之间的水平弧长间距不超过3m，垂直间距应保证油罐每个圈板沿高度方向至少分布有两个测量点；③、选定测量路径，根据已知的油罐直径和高度，以及选定的油罐表面测量点间距，分别计算两种测量路径的长度，选择一条长度较短的方案作为爬壁机器人的测量行走路径；④、上位机根据选定的测量点和测量路径，计算出爬壁机器人的测量和控制参数，并通过无线数字电台(一)、(二)传送给下位机系统(2)，传送完毕后，上位机系统(1)开始等待下位机系统(2)传送回来的测量数据；⑤、下位机系统(2)接收到上位机系统(1)送来的测控参数后，开始驱动爬壁机器人在油罐表面上运动和测量，一方面，下位机系统(2)根据运动控制要求向电机控制器发送控制指令，使爬壁机器人沿着选定的测量路径爬行，另一方面，在经过测量路径上的测量点时，下位机系统(2)向全球卫星定位系统实时动态差分定位技术系统(3)发送测量指令，接收全球卫星定位系统实时动态差分定位技术系统(3)的流动站实时测得的测量点三维空间位置坐标，并将测量结果通过无线数字电台(二)、(一)传送回上位机系统(1)，同时，测量结果还作为位置反馈参数参与机器人的运动路径控制；⑥、上位机系统(1)不断接收来自下位机系统(2)的测量数据，并将它们存储在计算机中，直至所有选定的测量点全部测量完毕；⑦、数据处理，计算容积，首先，根据步骤6中已经存储在计算机中的油罐表面所有测量点的位置坐标，采用曲面拟合技术构作一张油罐真实表面的拟合曲面，拟合计算可以采用双三次多项式样条函数、双三次B样条函数、双三次光顺样条函数等空间曲面的拟合方法，然后，对计算得到的油罐表面拟合曲面作积分运算，求得油罐容积，积分过程采用数值积分法，或采用形式积分；⑧、编制油罐容积表，将油罐各个高度截面下的容积计算结果进行必要的修正后，即可编制成容积表供使用，容积修正和容积表编制参照中国国家标准GB/T13235.1-91及GB/T 13235.2-91具体实施。
全文摘要
油罐容积检测系统及标定方法属于检测技术领域。本发明系统主要由上位机系统、下位机系统和全球卫星定位系统实时动态差分定位技术系统组成,标定方法如下:1、选定油罐表面若干个均匀分布的测量点;2、采用全球卫星定位系统实时动态差分定位技术测出这些测量点在三维空间中的位置坐标;3、采用曲面拟合技术构作一张油罐真实表面的拟合曲面,并以此计算油罐的容积;4、计算油罐各高度下的容积;5、编制油罐容积表。本发明具有实质性特点和显著进步,标定误差显著减小,测量效率成倍提高,适用范围广,有利于实现容积标定过程的自动化,具有可观的经济效益和实用价值。
文档编号G01F17/00GK1373349SQ0211123
公开日2002年10月9日 申请日期2002年4月2日 优先权日2002年4月2日
发明者奚汉达, 马培荪 申请人:上海交通大学