[发明专利]一种基于初始姿态角自对准的小径管道机器人定位方法

说明书

本发明提供一种基于初始姿态角自对准的小径管道机器人定位方法，属于管道测绘技术领域。以四轮线缆驱动式小径管道机器人为运动检测平台，微惯性传感器与里程仪组合的方式实现城市地下小径管道机器人的精确定位。霍尔式里程仪安装在管道机器人后轮上，实现管道机器人运行速度实时测量。结合管道机器人在被检测管道初始段的直线加速运动，可计算出管道机器人的初始姿态角信息，然后结合初始速度和位置信息可实现管道机器人定位系统初始自对准。本发明的小径管道机器人在进行城市地下等复杂场合管道检测时，无需引入高精度方位角参考设备，成本低、使用方便。

技术领域

本发明涉及一种基于初始姿态角自对准的小径管道机器人定位方法，属于管道测绘技术领域。

背景技术

目前，城市因油气管道口径及分布复杂等因素只能进行外检测，近30％管道甚至无法检测。然而，城市地下小径管道在我们日渐发展成熟的城市中扮演着越来越重要的角色，管道的泄漏不仅会造成巨大的经济损失，还会污染周边环境，引发生态灾难，甚至其爆炸会严重威胁人民生命财产安全。因此，定期采用管道机器人对城市地下管道进行缺陷检测，能够有效预防管道泄漏等事故发生。

管道机器人微惯性定位系统是管道机器人的重要组成部分，在管道机器人进入被检测管道时，精确的初始姿态(俯仰角、横滚角及方位角)信息是保证管道机器人微惯性定位系统精确定位的重要前提。管道机器人微惯性定位系统初始自对准技术是在无任何外界参考输入的前提下，结合管道机器人在直管道内的运动特性，以水平加速度计测量值计算管道机器人微惯性定位系统初始俯仰角和横滚角信息，以管道机器人轴向速度测量信息为观测值，推导方位角测量值。

对于管道的缺陷检测首先是要准确地判断管道机器人所在位置，对机器人进行精确定位。本发明采用微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)惯性测量器件进行管道机器人的数据采集，以MEMS惯性测量器件为核心搭建城市地下小径管道定位系统。但是，由于MEMS惯性器件的陀螺噪声大于地球自转角速度，因此无法使用陀螺数据直接计算得到的初始方位角。然而在初始阶段，可采用里程仪作为辅助手段结合微惯性测量系统进行小径管道内初始方位角的解算，里程仪可以测量管道机器人在管道内的测量行程，小巧、便于安装且成本低，除此之外，里程仪还可以在以后的检测中提供速度信息，使得测量结果更加精确。

目前在核心期刊与专利查询中均未发现与此发明类似的方法介绍。

发明内容

本发明的目的是为了为了解决上述问题而提供一种基于初始姿态角自对准的小径管道机器人定位方法。

本发明的目的是这样实现的：步骤如下：

步骤一，数据采集与分析处理：

对管道机器人进行数据采集，由惯性测量单元以及里程仪采集得到陀螺仪、加速度计以及里程仪的原始数据，采用复连续小波变换检测管道连接器；

步骤二，初始姿态角自对准：

在初始运行时，管道机器人在水平方向上做短时直线加速度机动，通过里程仪检测得到两个不同时刻管道机器人的速度，得到管道机器人导航加速度平均变化量，将求得的平均加速度与步骤一惯性测量器件中加速度计测量的比力加速度以及方向余弦矩阵结合得到管道机器人纵轴相对于地理北向的方位角，实现初始姿态角自对准；

步骤三，捷联惯性导航系统解算：

采用捷联惯性导航解算算法，计算管道机器人在管道内运动的姿态角、速度和位置信息；

步骤四，误差计算：

采用已知管道长度段信息计算管道机器人定位系统在直管道段位置误差，以里程仪速度信息计算管道机器人定位系统速度误差，以管道连接器检测和管道非完整性约束可计算管道机器人定位系统姿态角误差；

步骤五，误差补偿及数据平滑处理：