一种管道定位机器人的三维定位方法与流程

本发明属于管道机器人，具体涉及一种管道定位机器人的三维定位方法。

背景技术：

1、传统使用gps定位法、警示带探测法、探地雷达探测法、高精度rtk放样、竣工图丈量法等非开挖的管道定位技术。gps定位适用于空旷的地方，一般越空旷的地方定位越准确，会受到高楼、高架桥、电磁的干扰，因此gps定位法不适用于地下管道位置信息的探测。警示带探测法如同金属钢管探测法，使用金属管线探测仪，可以准确的得知地下管线得位置信息走向以及地下管道的埋深深度，且成本较低。由于警示带中的示踪线为金属导线，在后续施工过程中，可能会导致金属导线被剥离，将导致无法对地下管线的位置信息测量，条件较为苛刻，对地下管线的探测要求较高。探地雷达探测法，对于地下管线位置不明的探测有较大优势，不仅适用于金属管道，还适用于网线通讯的pe管，但是地下雷达的探测成本较高，对操作者的要求较高，一般有3年以上的操作经验者，才具备分析图谱波峰与波谷数据所代表的意义，且对管道开挖以后回填要求较高，如果开挖以后不能很好的回填夯实，将会使地下出现一些空洞，对管道探测影响较大，导致地下管线位置探测出现错误。高精度ptk放样法，操作简单，使用方便，可以快速对地下管线进行定位，但是高精度ptk放样在工作时会受卫星的影响，部分街道卫星较弱，不适合使用此方法，而且需要对其校正，否则在工作过程会导致误差积累，出现较大偏差。使用竣工图丈量法，虽然操作简单使用方便，成本比较低廉。但是在绘制过程中可能会出现误差积累，对绘图者要求较高，需要有较强的绘图能力和现场分析的能力，受多种因素的影响。

2、由于现有管线探测存在的上述问题，其均不能满足实际的工程应用实践需求，亟需改进。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种管道定位机器人的三维定位方法。通过管道机器人对管道内部数据采集，将数据传回pc端并建立管道三维模型，便于了解管道内部情况以及管道的埋深与走向。

2、为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种管道定位机器人的三维定位方法，所述的管道定位机器人包括惯性导航系统和核心主控单元，包括以下步骤：

4、步骤一：系统启动；

5、步骤二：系统初始化，录入管道入口处坐标；

6、步骤三：通过pid算法控制机器人稳定匀速运动；

7、步骤四：采集机器人的姿态信息和里程信息；

8、步骤五：将采集到的相关信息发送至pc端；

9、步骤六：对数据进行滤波、校正拟合；

10、步骤七：建立管道机器人的三维坐标系；

11、步骤八：利用步骤六拟合后的数据在三维坐标系中绘制管道走向图；

12、步骤九：完成管道路径绘制，系统结束。

13、进一步地，步骤三中，对机器人进行pid算法控制，使机器人响应速度变快，运动更加平稳，实现精准控制机器人稳定匀速运动，从而大大提升定位的准确性。

14、优选的，步骤三中，采用增量型pid算法控制机器人稳定匀速运动。

15、进一步地，步骤四中，所述获取姿态信息具体为：通过惯性导航系统imu获取机器人的姿态信息，具体包括机器人的角度、角速度以及角加速度等信息，以管道轴心线为x轴，指向机器人运动的方向；以管道主平面与管道主截面的交线为y轴的右手坐标系xyzo，为静坐标系，原点o在管道中心轴线上，z轴由右手规则确定。目的是，后续可以根据机器人在管道内的运动姿态信息，建立机器人运动坐标，而解算、建立出管道坐标系。

16、优选地，步骤六中，对机器人的姿态信息和里程信息进行滤波处理，将滤波处理后的数据进行校正拟合，最终得到管道的三维实际位置坐标。

17、优选地，步骤七中，三维坐标系的定义如下：定义横滚角roll为管道定位机器人前进方向与xoz平面夹角；定义俯仰角pitch为管道定位机器人前进方向与xoy平面夹角；定义航向角yaw为管道定位机器人前进方向与xoz平面夹角。

18、优选地，步骤八中，管道走向图绘制是将拟合好的坐标数据逐点进行连接，得到管道在地下的实际走向与埋深情况，并将绘制好的三维图像切片处理，得到管道的前视图与俯视图，更加直观了解管道走向。

19、进一步地，所述惯性导航系统包括惯性陀螺仪和加速度计。

20、进一步地，所述管道定位机器人还包括里程计，所述里程信息为机器人里程计所走过的位移。

21、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

22、(1)本发明以惯性陀螺仪和加速度计为测量模块，实时采集位置信息，通过核心主控对测量数据输出并进行坐标转换的同时，对数据进行滤波补偿和校正拟合，得到管道最终的高精度位置信息。

23、(2)本发明定位方法是一种适用于小型智能探测机器人的新型技术，它不局限于地下管道的材料，对地质环境条件没有特别要求，不受电磁干扰，且它具有适用性强、精度高、速率大的特点。

24、(3)本发明利用pid控制算法，控制电机转速稳定、并且具有高速的动态响应，从而使机器人可以在管道内部稳定匀速运动，最终可以保证采集数据的准确性，大大提高了管道定位的精度。

25、(4)本发明构建三维模型图，通过拟合算法不断排除偏离点，缩小偏差提高精度，使绘制的三维模型图更加接近管道在地下的真实位置，反应管道在地下的实际走向，并生将三维模型切片生成管道正视图与俯视图，更加直观的展示管道在地下的走向。本发明提出的小型机器人三维定位方法，一定程度上解决了上述问题，并且降低了后期对管道维护管理的难度，对提高地下空间利用率、地下工程的智能化、信息化施工管理，提供了技术支持。

技术特征：

1.一种管道定位机器人的三维定位方法，所述的管道定位机器人包括惯性导航系统和核心主控单元，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的管道定位机器人的三维定位方法，其特征在于，步骤三中，采用增量型pid算法控制机器人稳定匀速运动。

3.根据权利要求1所述的管道定位机器人的三维定位方法，其特征在于，步骤四中，采集机器人的姿态信息具体为：通过惯性导航系统获取机器人的姿态信息，以管道轴心线为x轴，指向机器人运动的方向；以管道主平面与管道主截面的交线为y轴的右手坐标系xyzo，为静坐标系，原点o在管道中心轴线上，z轴由右手规则确定。

4.根据权利要求1所述的管道定位机器人的三维定位方法，其特征在于，步骤六中，对机器人的姿态信息和里程信息进行滤波处理，将滤波处理后的数据进行校正拟合，最终得到管道的三维实际位置坐标。

5.根据权利要求1所述的管道定位机器人的三维定位方法，其特征在于，步骤七中，三维坐标系的定义如下：定义横滚角roll为管道定位机器人前进方向与xoz平面夹角；定义俯仰角pitch为管道定位机器人前进方向与xoy平面夹角；定义航向角yaw为管道定位机器人前进方向与xoz平面夹角。

6.根据权利要求1所述的管道定位机器人的三维定位方法，其特征在于，步骤八中，管道走向图绘制是将拟合好的坐标数据逐点进行连接，得到管道在地下的实际走向与埋深情况，并将绘制好的三维图像切片处理，得到管道的前视图与俯视图。

7.根据权利要求1所述的管道定位机器人的三维定位方法，其特征在于，所述惯性导航系统包括惯性陀螺仪和加速度计。

8.根据权利要求1所述的管道定位机器人的三维定位方法，其特征在于，所述管道定位机器人还包括里程计，所述里程信息为机器人里程计所走过的位移。

技术总结
本发明属于管道机器人技术领域，公开了一种管道定位机器人的三维定位方法，包括步骤：一：系统启动；二：系统初始化，录入管道入口处坐标；三：通过PID算法控制机器人稳定匀速运动；四：采集机器人的姿态信息和里程信息；五：将采集到的相关信息发送至PC端；六：对数据进行滤波、校正拟合；七：建立管道机器人的三维坐标系；八：利用拟合后的数据在三维坐标系中绘制管道走向图；九：完成管道路径绘制。本发明以惯性陀螺仪和加速度计为测量模块，实时采集位置信息，通过核心主控对测量数据输出并进行坐标转换的同时，进行姿态解算，得到估算的管道位置坐标，再对估算坐标数据进行滤波补偿和校正拟合，得到管道最终的高精度位置信息。

技术研发人员：郭晋秦,张晓朋,王康,谢明志,闫艳梅,武俊全
受保护的技术使用者：山西弘道城建科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19