基于UWB技術(shù)的儲罐底板檢測車定位系統(tǒng)

劉嘉誠，涂 君，宋小春，文 輝，向 超

(1.湖北工業(yè)大學機械工程學院，湖北武漢 430068;2.武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北武漢 430205)

0 引言

大型儲罐是石油化工生產(chǎn)中廣泛使用的油氣儲存設(shè)備，在煉油行業(yè)中專用于儲存各類原油和液化氣等，其安全穩(wěn)定運行在石油化工生產(chǎn)和人民生活方面有著至關(guān)重要的作用。罐底板位于儲罐的底層，上表面接觸含水的存儲介質(zhì)，下表面和罐基礎(chǔ)接觸，是儲罐被腐蝕的主要集中區(qū)［1］，底板一旦腐蝕發(fā)生介質(zhì)泄漏，將會造成嚴重的環(huán)境污染和經(jīng)濟損失，所以定期對儲罐底板進行安全性檢查具有重要的意義。目前已有不少研究將無損檢測技術(shù)和機器人載體結(jié)合在一起，應(yīng)用于儲罐底板的自動化檢測［2］，如采用聲發(fā)射技術(shù)檢測儲罐壁板上的活性缺陷和底板腐蝕信號，采用漏磁方法定期檢測底板腐蝕和泄漏，采用超聲技術(shù)檢測壁板和頂板［3］。不過，儲罐底板表面平整度低，并且焊縫較多，嚴重影響了檢測機器人的運動平穩(wěn)性，因此在儲罐內(nèi)實現(xiàn)高精度定位是檢測機器人完成全覆蓋自動化檢測的關(guān)鍵技術(shù)。前期設(shè)計了一套基于漏磁方法的儲罐底板檢測車，通過雙激光器三角測距法實現(xiàn)了檢測車的定位，但該方法需要在儲罐內(nèi)安裝反射擋板，隨著檢測車離反射鏡的距離增大，定位誤差增大。另外還有激光雷達定位方法［4］和視覺導航定位方法［5］，但這些方法受儲罐內(nèi)部環(huán)境影響較大，數(shù)據(jù)處理計算量大，實時性較差，應(yīng)用成本較高。

超寬帶(ultra wide band，UWB)是一種無載波通信技術(shù)［6］，定位精度高，抗干擾性能強，傳輸距離遠，傳輸速度快，功耗低，穿透性高且硬件結(jié)構(gòu)簡單，已較多的應(yīng)用于 AGV小車的導航定位［7］。本文提出將UWB定位技術(shù)應(yīng)用于儲罐底板自動檢測車中，結(jié)合基于到達時間差(time difference of arrival，TDOA)的定位算法［8］，以提高定位的穩(wěn)定性和精度。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 儲罐底板檢測車結(jié)構(gòu)

儲罐底板自動檢測車采用三輪移動機構(gòu)，前輪采用萬向輪，起輔助支撐作用;后兩輪通過2個直流減速電機獨立差動控制，實現(xiàn)檢測車運動和轉(zhuǎn)向。該機構(gòu)運動穩(wěn)定，轉(zhuǎn)向靈活，可以實現(xiàn)零半徑轉(zhuǎn)彎。中間橫向安裝一套永磁勵磁裝置，對鋼板進行穩(wěn)恒磁化，同時也將檢測車吸附在鋼板上。檢測傳感器安裝在勵磁裝置下方，可探測鋼板內(nèi)的缺陷。UWB定位模塊安裝在前輪上方，整個檢測車由STM32控制器完成信號接收和運動指令發(fā)布，通過一個12 V蓄電池對整個系統(tǒng)進行供電。

1.2 定位基站硬件

基于UWB技術(shù)的儲罐檢測車無線定位系統(tǒng)主要包括無線定位基站，定位標簽，STM32控制器，供電電源。定位標簽負責與定位基站進行通信，利用TDOA算法完成與基站之間的測距工作，獲取定位數(shù)據(jù)后通過串口傳送給STM32控制器，并進行定位坐標解算。本研究為模擬實際儲罐底板檢測工況，考慮到系統(tǒng)的可靠性、冗余性以及精度性能，采用4個定位基站，分別布置在待檢測區(qū)域的4個角，如圖1所示。定位標簽相當于移動基站，布置在檢測車上，具有射頻收發(fā)功能。STM32控制器接收定位數(shù)據(jù)，并計算出定位標簽的準確位置信息。所有基站與標簽均通過5 V鋰電池供電。

圖1 檢測實驗系統(tǒng)硬件圖

2 系統(tǒng)定位算法

2.1 檢測流程

整個檢測實驗系統(tǒng)硬件布置到位后，系統(tǒng)進入初始化，設(shè)定小車沿規(guī)劃路徑的目標坐標值?？紤]到系統(tǒng)響應(yīng)時間和檢測車移動精度的因素，STM32控制器設(shè)定中斷時間為10 ms。進入中斷后，利用TDOA算法確定定位基站與定位標簽之間的距離。由于采集數(shù)據(jù)實時性較高，噪聲比較大，滑動窗口濾波算法處理速度快，可以在STM32控制器內(nèi)快速完成。接著采用最小二乘法解算出小車定位坐標，并與設(shè)定坐標值進行比對。當坐標值偏差超過5 mm，則根據(jù)PID控制算法進行小車運動方向的調(diào)整。儲罐底板檢測車自動運行控制流程如圖2所示。

圖2 檢測車自動運行控制流程圖

2.2 UWB 定位算法

由于實際檢測只需要確定缺陷在儲罐底板上的二維坐標即可，所以在圖1所示的待檢測區(qū)域內(nèi)設(shè)定平面坐標系XOY。設(shè)4個定位基站的坐標分別為A0(X0，Y0)，A1(X1，Y1)，A2(X2，Y2)，A3(X3，Y3)，定位標簽的坐標為T0(X，Y)，測得到4個基站的距離分別為dis0、dis1、dis2、dis3，從而得到各個基站到標簽 T0距離可表示為:

根據(jù)TDOA算法，將式(1)的各方程分別減去最后一個方程可得［9］:

將式(2)記為

式中:

使用最小二乘估計法得到T0的坐標值為

2.3 直線定點測量及誤差

儲罐底板檢測車的運行主軌跡是沿Y軸正方向移動，當移動至另一端時，檢測車轉(zhuǎn)向并沿X軸正方向偏移一定距離，再沿Y軸負方向移動，以此往復從而完成整個待檢測區(qū)域的掃描。顯然，沿Y軸運行位置精度更為重要，為此對Y軸坐標進行定點測量及驗證。首先，設(shè)定4個基站A0～A3的坐標分別為(1，1)，(1，6.4)，(4.6，6.4)，(4.6，1)，單位均為 m。在區(qū)域內(nèi)選取6個坐標點，如表1所示。將檢測車分別放在各個點處，每個坐標點采集100組定位數(shù)據(jù)，得到它們的測量平均值、X坐標絕對誤差和Y坐標絕對誤差值如表1所示。

表1 定位測量結(jié)果分析 m

由表1可知，X坐標的定點測量平均值與真實值的絕對誤差不超過0.04 m，Y軸坐標定點測量平均值與真實值的絕對誤差不超過0.06 m。而儲罐底板檢測車的傳感器掃查范圍為0.24 m，通過設(shè)計一定的往復掃描重疊率，可以消除該誤差影響。

3 實驗驗證

3.1 檢測車位置控制方法

檢測車自動跟隨規(guī)劃路徑運行離不開閉環(huán)PID控制，當檢測車的實際坐標值與設(shè)定的目標坐標值有偏差時，通過調(diào)整兩輪的差速來減小目標位置值與實際位置值的偏差，這就是閉環(huán)PID算法思想。本研究采用位置式PID控制方法，如圖3所示。

圖3 位置式PID控制方法

位置PID算法如下:

式中:e(k)為第k次設(shè)定目標軌跡的坐標值與UWB定位模塊反饋的實際坐標值的偏差;e(k－1)為第k－1次設(shè)定目標軌跡的坐標值與UWB定位模塊反饋的實際坐標值的偏差;KP為比例系數(shù);Ki為積分系數(shù);Kd為微分系數(shù);u0為初始的PWM，把u(k)給直流電機驅(qū)動器的PWM通道。

通過調(diào)整KP，Ki，Kd參數(shù)，來優(yōu)化檢測車跟隨規(guī)劃軌跡行走的效果。

3.2 PID控制參數(shù)優(yōu)化

在直線定點測量實驗中，相對于沿Y軸方向而言，沿X軸方向的定位誤差要小，這也說明了設(shè)定小車沿Y軸方向做直線行走是合適的，移動誤差可以通過PID控制來進行修正。為了優(yōu)化出PID控制參數(shù)，設(shè)計圖4所示實驗，圖中S1為檢測車的實際行駛軌跡，S2為檢測車的設(shè)定路徑。將檢測車的初始位置放置離目標軌跡起點有一定的偏差，通過調(diào)整位置PID參數(shù)，使檢測車快速準確穩(wěn)定地跟隨規(guī)劃直線路徑運行。

圖4 檢測車規(guī)劃直線路徑示意圖

在優(yōu)化PID參數(shù)實驗中，一般是先調(diào)KP，其他參數(shù)為0，然后加上Kd，最后調(diào)Ki的規(guī)律來調(diào)節(jié)參數(shù)。當Kp=1 000時，檢測車很難跟隨規(guī)劃直線路徑，當Kp=5 000時，檢測車勉強可以跟隨規(guī)劃直線路徑，運行軌跡與規(guī)劃軌跡偏差較大，當Kp=10 000時，檢測車可以較好地跟隨規(guī)劃直線路徑。當Kp=15 000時，檢測車可以很快地跟隨規(guī)劃直線路徑，但運行軌跡出現(xiàn)了明顯的抖動，說明Kp參數(shù)過大。通過多次調(diào)節(jié)PID參數(shù)實驗，最終，選取 Kp=12 000，Ki=2 500，Kd=1 000時，檢測車跟隨規(guī)劃直線路徑較好，小車運行軌跡如圖5所示，運行軌跡誤差在±4 cm以內(nèi)，可以滿足儲罐底板漏磁全覆蓋檢測的需求。

3.3 往復掃描運動實驗

圖5 檢測車跟隨直線路徑軌跡圖

檢測車自主沿掃查路徑運行路線如圖6所示，當檢測到Y(jié)坐標值大于最大行駛距離閾值時，檢測車開始右轉(zhuǎn)原地掉頭，然后檢測車開始下一相鄰區(qū)域沿規(guī)劃直線路徑反向自主運行，當檢測到Y(jié)坐標值小于最小行駛距離閾值時，檢測車開始左轉(zhuǎn)原地掉頭，以此來覆蓋整個掃查區(qū)域。為了防止檢測時出現(xiàn)漏檢，我們設(shè)定相鄰兩次檢測的覆蓋區(qū)域為0.09 m。檢測車每次檢測的范圍為0.24 m，所以相鄰兩直線檢測的間距為 0.15 m。

圖6 檢測車規(guī)劃掃查路徑示意圖

在沿掃查路徑運行實驗中，為了讓檢測車在調(diào)頭時有比較長的調(diào)整距離，設(shè)置檢測車最大行駛距離閾值為7.5 m，最小行駛距離閾值為0。實驗結(jié)果如圖7所示，檢測車跟隨掃查路徑運行的軌跡誤差基本上都在±4 cm之內(nèi)，小車調(diào)頭后開始進入掃查區(qū)域時的軌跡誤差有部分略大于±4 cm，原因在于檢測車是通過原地轉(zhuǎn)彎來調(diào)頭，調(diào)頭完成后，小車的實際位置與目標軌跡位置相差太遠，需要更長的距離調(diào)整小車狀態(tài)，后期實驗可以通過優(yōu)化小車調(diào)頭方式或者減小相鄰直線檢測區(qū)域的間距來減小開始部分的軌跡誤差。實驗結(jié)果表明，檢測車可以自主的檢測整個區(qū)域。

4 結(jié)束語

圖7 檢測車跟隨掃查路徑軌跡圖

本文設(shè)計了一套基于UWB技術(shù)的儲罐底板自動檢測車定位系統(tǒng)，該定位系統(tǒng)精度高、穩(wěn)定性好。針對儲罐底板的實際檢測工況設(shè)計了相應(yīng)的檢測流程和定位算法，研究了檢測車的路徑規(guī)劃及控制方法，并對檢測車進行了跟隨直線路徑實驗和跟隨往復掃查路徑實驗。實驗結(jié)果表明，檢測車能夠沿規(guī)劃路徑運行，達到了對儲罐底板進行自動化掃查目的，具有市場價值。