管道機(jī)器人超聲測量輪廓重建方法的研究

陳宣烽，鄒大鵬，2，陳少偉，孫晗，2，吳磊，2，劉建群，2

(1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州 510006；2.廣東工業(yè)大學(xué)，廣東省計(jì)算機(jī)集成制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510006；3.廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州 510550)

0 前言

隨著長距離輸水及供水工程增多，大尺寸、大流速、長距離的輸水管道被大量用于大型跨流域水利工程[1]。以珠江三角洲水資源配置工程為例，采用管徑為DN4800～DN8500的大尺寸管道[2]，在輸水過程中內(nèi)部容易滋生淡水殼菜，堵塞原水輸水管道造成重大損失，因此需要在管道輸水過程中進(jìn)行檢測[3]。水下機(jī)器人具有防水、耐壓及攜帶大量傳感器的優(yōu)點(diǎn)[4]，越來越多地被應(yīng)用于管道檢測。

在管道檢測中，目前應(yīng)用在管道附著物的測量方法無法準(zhǔn)確得到管道內(nèi)的三維圖像并呈現(xiàn)管道內(nèi)部狀態(tài)[5]。其難點(diǎn)有兩方面：(1)管道內(nèi)水流有較大的流速，水流的沖擊會(huì)使管道機(jī)器人產(chǎn)生偏移，造成檢測結(jié)果偏差；(2)管道內(nèi)部地面不平，機(jī)器人前進(jìn)機(jī)構(gòu)工作時(shí)的移動(dòng)會(huì)產(chǎn)生偏移和偏轉(zhuǎn)，造成檢測結(jié)果偏差。以上偏差會(huì)使超聲測量輪廓中心發(fā)生變化，使得測量輪廓產(chǎn)生變形失真，并非真實(shí)輪廓，直接影響三維輪廓的真實(shí)構(gòu)建。需要消除機(jī)器人運(yùn)動(dòng)偏移和偏轉(zhuǎn)，對(duì)已經(jīng)產(chǎn)生偏差的輪廓進(jìn)行重建，獲得真實(shí)輪廓，準(zhǔn)確展現(xiàn)管道內(nèi)部的實(shí)際狀態(tài)。KIM、PARK[6]采用基于相似原理的管道漏磁檢測的重建方法，通過估計(jì)漏磁信號(hào)與實(shí)際采集信號(hào)的相似程度，完成輪廓重建。韓浩宇等[7]提出基于激光檢測的三維輪廓重建技術(shù)，采用數(shù)據(jù)點(diǎn)配對(duì)的方式，通過ICP算法完成輪廓重建。劉立波等[8]提出基于亞像素定位技術(shù)的管形內(nèi)輪廓三維重建方法，通過定位光斑點(diǎn)獲取輪廓偏差，完成輪廓重建。但是在輸水管道內(nèi)，內(nèi)壁附著物會(huì)影響兩個(gè)截面點(diǎn)集之間的距離，而且管道內(nèi)不均勻的光線和快速流動(dòng)的水流會(huì)導(dǎo)致檢測包含大量噪點(diǎn)，采集到的管道信息不清晰[9]。所以以上幾種方式都不適用于輸水管道檢測。而輪廓重建又是大型管道內(nèi)的生物附著狀態(tài)檢測的必要條件，因此迫切需求一種水下管道輪廓檢測的重建方法。

超聲測量相比于其他測量方式，具有檢測精度高、能夠適用于不同管徑和復(fù)雜環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)[10-11]。本文作者提出一種基于齊次變換矩陣的高精度超聲輪廓重建方法，利用超聲測量方式，基于管道機(jī)器人檢測到的超聲檢測單元中心偏離圓心的偏差信息，對(duì)已經(jīng)偏離的輪廓進(jìn)行重建。搭建實(shí)驗(yàn)裝置開展偏移偏差和偏轉(zhuǎn)偏差的實(shí)驗(yàn)測量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法能夠?qū)⑵戚喞淖鴺?biāo)校正回實(shí)際輪廓的坐標(biāo)，糾正管道機(jī)器人行走定位偏差導(dǎo)致的測量輪廓錯(cuò)誤，提高檢測精度。

1 管道超聲檢測系統(tǒng)的工作原理

管道超聲輪廓測量的方法是采用管道機(jī)器人載體在管道底部平臺(tái)上行走，通過搭載管道超聲檢測系統(tǒng)進(jìn)行輪廓測量，構(gòu)建管道內(nèi)部輪廓，判斷管道內(nèi)部狀態(tài)。測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。由于管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)測控偏差、水下管道結(jié)構(gòu)狀態(tài)偏差，在水下管道中移動(dòng)不可避免偏離管道中心軸線，因此通過管道內(nèi)部超短基線定位或者預(yù)埋軌跡磁條等方式對(duì)管道機(jī)器人進(jìn)行定位測量，控制其按照預(yù)設(shè)的軌跡運(yùn)動(dòng)，結(jié)合九軸傳感器獲得位置偏移和偏轉(zhuǎn)等偏差，用于校正超聲輪廓測量失真，實(shí)現(xiàn)輪廓重建。

管道超聲檢測的原理是基于超聲回波測距法，通過向管壁發(fā)射超聲波信號(hào)，得到輪廓以及輪廓附著物的回波信號(hào)，通過分析回波信號(hào)，得到指定角度的距離信息。系統(tǒng)采用渡越時(shí)間法(Time of Flight，TOF)，通過檢測發(fā)射信號(hào)與回波信號(hào)之間的時(shí)間差，即渡越時(shí)間，求得輪廓位置[12]，如圖2所示。通過控制旋轉(zhuǎn)角度α，獲得輪廓截面與檢測中心的方位和距離信息r。此方法原理簡單，抗干擾性較好，測量范圍大，當(dāng)超聲波遇到管壁后反射所產(chǎn)生的回波信號(hào)不發(fā)生嚴(yán)重變形。該方法總能得到比較精確的估算結(jié)果。

圖2 基于渡越時(shí)間法的管道超聲檢測原理

距離r由回波的時(shí)間差Δt和傳播介質(zhì)中的速度v決定，滿足如下公式：

(1)

管道中水通常為均勻介質(zhì)，聲速v為常數(shù)，與溫度有關(guān)，滿足如下公式[13]：

v=155 7-0.024 5(74-T)2

(2)

其中：T為溫度，范圍為0～30 ℃。

輪廓任意點(diǎn)的檢測距離r和角度α關(guān)系如下：

k=r(cosα+isinα)=reiα

(3)

式中：r和α是對(duì)應(yīng)于非零復(fù)數(shù)k=x+iy的點(diǎn)(x,y)的極坐標(biāo)，因?yàn)閤=rcosα，y=rsinα，所以k可以寫成如上形式。

2 管道超聲測量輪廓重建方法的研究

利用管道超聲檢測系統(tǒng)搭載在機(jī)器人載體上的方式，可以確定如下3個(gè)中心：管道起點(diǎn)O，超聲檢測單元中心點(diǎn)S，管道機(jī)器人載體中心點(diǎn)R，如圖3所示。

圖3 管道超聲檢測的坐標(biāo)中心及坐標(biāo)系

其中絕對(duì)坐標(biāo)是基于起點(diǎn)O的起點(diǎn)坐標(biāo)系{A}(O-XYZ)下的顯示，相對(duì)坐標(biāo)是基于中心點(diǎn)S的傳感器坐標(biāo)系{C}(S-xyz)下的顯示。RS是管道機(jī)器人載體中心點(diǎn)R與超聲檢測單元中心點(diǎn)S之間的固定距離，RO是管道機(jī)器人載體中心點(diǎn)R與管道起點(diǎn)O之間的初始距離。若超聲檢測單元點(diǎn)S和管道起點(diǎn)O的中心線在一條線上，則稱此時(shí)點(diǎn)S的檢測輪廓為構(gòu)建輪廓。而在管道超聲檢測過程中，點(diǎn)S和點(diǎn)O很難保持在一條線上，地面的起伏與水流的沖擊以及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制偏差等會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)R相對(duì)于坐標(biāo)系{A}發(fā)生變化，超聲檢測的結(jié)果因?yàn)辄c(diǎn)R發(fā)生變化從而導(dǎo)致坐標(biāo)系{B}上固定距離的傳感器坐標(biāo)系{C}發(fā)生變化，而管道起點(diǎn)O固定不變，所以最終檢測結(jié)果需要變換到坐標(biāo)系{A}下進(jìn)行輪廓重建。

(4)

(5)

圖4 管道超聲測量輪廓重建原理

管道機(jī)器人在正常運(yùn)行中，一般既有偏移偏差又有偏轉(zhuǎn)偏差，稱為復(fù)合偏差，在遇到復(fù)合偏差時(shí)需要先進(jìn)行偏轉(zhuǎn)重建，再進(jìn)行偏移重建。在管道內(nèi)遇到上下坡、拐彎時(shí)，通過九軸傳感器測量得出的θ、φ、ψ并不能真實(shí)反映機(jī)器人相對(duì)于管道軸線θ、φ、ψ，此時(shí)可根據(jù)九軸傳感器中的加速度傳感器進(jìn)行傾角補(bǔ)償[14]，得出真實(shí)的ψ，再根據(jù)式(4)將檢測輪廓重建為實(shí)際輪廓。

3 管道超聲測量輪廓重建方法的實(shí)驗(yàn)測量

為驗(yàn)證超聲測量的輪廓重建方法的準(zhǔn)確性和精度，建立管道超聲測量實(shí)驗(yàn)裝置，在獲得偏移和偏轉(zhuǎn)的位置偏差情況下，分析管道輪廓復(fù)原至真實(shí)狀態(tài)輪廓的能力。為減小實(shí)驗(yàn)中其余影響因素的干擾，簡化超聲測量的輪廓重建實(shí)驗(yàn)流程如下：

(1)實(shí)驗(yàn)是搭載沒有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的載體進(jìn)行檢測，點(diǎn)R和點(diǎn)S在垂直軸線切面重合，RS=0；

(2)管道中心點(diǎn)O與載體中心點(diǎn)R在垂直軸線切面重合，OR=0；

(3)超聲檢測單元點(diǎn)S與管道中心點(diǎn)O的位置默認(rèn)已知。

(6)

在實(shí)驗(yàn)中超聲檢測單元點(diǎn)S與管道中心點(diǎn)O通過鋼尺和探頭超聲測量，保證在探頭的精度范圍內(nèi)點(diǎn)S和點(diǎn)O近似重合，后續(xù)通過移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)靜態(tài)載體獲取點(diǎn)S位置偏差。

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備與流程

搭建一套管道超聲測量實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)基于齊次變換矩陣的輪廓重建方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。具體實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。

圖5 管道超聲測量實(shí)驗(yàn)裝置

超聲探頭選用收發(fā)一體化防水超聲換能器，其具體參數(shù)如表1所示。其內(nèi)部自帶濾波模塊，可以有效減小高噪聲產(chǎn)生的影響。

表1 超聲探頭參數(shù)

實(shí)驗(yàn)采用1 360 mm×940 mm×610 mm的水箱作為實(shí)驗(yàn)環(huán)境，模擬管道選用尺寸φ800 mm×1 000 mm的亞克力圓管作為檢測對(duì)象，超聲探頭的測量距離為探頭表面到圓管的距離，實(shí)際測量距離為380 mm，如圖6所示。

圖6 偏移偏差輪廓測量實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)條件：實(shí)驗(yàn)采用的電機(jī)控制轉(zhuǎn)速1 r/min，每次旋轉(zhuǎn)360°。超聲探頭的探測周期0.1 s，脈寬0.01 ms，脈沖頻率378.8 kHz。對(duì)每組實(shí)驗(yàn)分別測量5次，取平均值。如無特殊說明，均采用以上基本實(shí)驗(yàn)條件。具體實(shí)驗(yàn)流程如下：

(1)管道輪廓超聲測量系統(tǒng)放置于管道中間，當(dāng)超聲檢測單元處于圓心位置時(shí)，進(jìn)行正常輪廓檢測；

(2)移動(dòng)靜態(tài)載體，將超聲檢測單元偏離圓心位置，再進(jìn)行檢測，獲得偏移檢測輪廓；

(3)靜態(tài)載體傾斜一定角度，將超聲檢測單元放置在圓心位置進(jìn)行檢測，獲得偏轉(zhuǎn)檢測輪廓；

(4)將檢測得到的圖像在MATLAB中分別進(jìn)行輪廓構(gòu)建和重建，最終得到真實(shí)的管道檢測圖像。

3.2 偏移偏差輪廓測量實(shí)驗(yàn)

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)流程進(jìn)行偏移重建實(shí)驗(yàn)，最終得到以下數(shù)據(jù)結(jié)果。當(dāng)超聲檢測單元點(diǎn)S處于圓心點(diǎn)O位置時(shí)檢測所構(gòu)建輪廓如圖7所示。

圖7 正常檢測輪廓

圖8 偏移偏差重建輪廓

根據(jù)對(duì)比輪廓可以發(fā)現(xiàn)檢測絕對(duì)誤差1為66 mm，相對(duì)誤差1為17.4%，誤差有顯著增加。經(jīng)過偏移重建后，偏移所造成的絕對(duì)誤差由66 mm下降為9 mm，相對(duì)誤差由17.4%下降為2.36%。說明基于齊次變換矩陣的輪廓重建方法，能夠減小偏移檢測誤差。

3.3 偏轉(zhuǎn)偏差輪廓測量實(shí)驗(yàn)

根據(jù)以上的實(shí)驗(yàn)流程進(jìn)行偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)靜態(tài)載體沿x正方向傾斜15.8°后，再次調(diào)整超聲檢測單元點(diǎn)S位置，確保其處于管道圓心點(diǎn)O位置，如圖9所示。

圖9 偏轉(zhuǎn)偏差輪廓測量實(shí)驗(yàn)

根據(jù)檢測出的數(shù)據(jù)構(gòu)建輪廓如圖10所示。

圖10 偏轉(zhuǎn)檢測輪廓

圖11 偏轉(zhuǎn)偏差重建輪廓

通過輪廓對(duì)比分析，重建后偏轉(zhuǎn)所造成的絕對(duì)誤差由16 mm下降為6 mm，相對(duì)誤差由4.2%下降為1.6%，說明基于齊次變換矩陣的輪廓重建方法能夠減小偏轉(zhuǎn)檢測誤差。

偏移和偏轉(zhuǎn)后重建檢測輪廓仍存在6～9 mm的誤差，是由超聲檢測系統(tǒng)的分辨率導(dǎo)致的，后續(xù)可以通過提高超聲檢測系統(tǒng)的分辨率提高輪廓檢測精度。

4 結(jié)論

本文作者提出一種管道機(jī)器人超聲測量輪廓重建方法，并通過搭建實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到如下結(jié)論：

(1)管道機(jī)器人運(yùn)動(dòng)偏移會(huì)使得輪廓測量產(chǎn)生偏移現(xiàn)象——檢測輪廓和正常輪廓之間發(fā)生的移動(dòng)。管道機(jī)器人運(yùn)動(dòng)偏轉(zhuǎn)會(huì)使得測量輪廓產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象——檢測輪廓和正常輪廓之間發(fā)生的轉(zhuǎn)動(dòng)。

(2)搭建的管道超聲測量實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)超聲測量輪廓實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)和完善，偏移重建的絕對(duì)誤差為9 mm，相對(duì)誤差為2.36%，偏轉(zhuǎn)重建的絕對(duì)誤差為6 mm，相對(duì)誤差為1.6%，誤差落在超聲檢測系統(tǒng)的厘米級(jí)分辨率之內(nèi)。后續(xù)可以基于更高采樣頻率的超聲探頭、更加穩(wěn)定的行走機(jī)構(gòu)提高超聲檢測系統(tǒng)的分辨率，提高輪廓檢測精度。

(3)基于齊次變換矩陣的輪廓重建方法，既可以應(yīng)用于管道輪廓檢測，也可以應(yīng)用于基于輪廓的自動(dòng)定心和水下機(jī)器人的對(duì)中運(yùn)動(dòng)控制，具有良好的應(yīng)用前景。