管道機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)大學機電工程學院，廣東廣州 510006；2.廣東工業(yè)大學，廣東省計算機集成制造重點實驗室，廣東廣州 510006；3.廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學院，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行檢測[3]。水下機器人具有防水、耐壓及攜帶大量傳感器的優(yōu)點[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]。其難點有兩方面：(1)管道內(nèi)水流有較大的流速，水流的沖擊會使管道機器人產(chǎn)生偏移，造成檢測結(jié)果偏差；(2)管道內(nèi)部地面不平，機器人前進機構(gòu)工作時的移動會產(chǎn)生偏移和偏轉(zhuǎn)，造成檢測結(jié)果偏差。以上偏差會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，并非真實輪廓，直接影響三維輪廓的真實構(gòu)建。需要消除機器人運動偏移和偏轉(zhuǎn)，對已經(jīng)產(chǎn)生偏差的輪廓進行重建，獲得真實輪廓，準確展現(xiàn)管道內(nèi)部的實際狀態(tài)。KIM、PARK[6]采用基于相似原理的管道漏磁檢測的重建方法，通過估計漏磁信號與實際采集信號的相似程度，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)點配對的方式，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)壁附著物會影響兩個截面點集之間的距離，而且管道內(nèi)不均勻的光線和快速流動的水流會導致檢測包含大量噪點，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雜環(huán)境的優(yōu)點[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，基于管道機器人檢測到的超聲檢測單元中心偏離圓心的偏差信息，對已經(jīng)偏離的輪廓進行重建。搭建實驗裝置開展偏移偏差和偏轉(zhuǎn)偏差的實驗測量，實驗結(jié)果表明該方法能夠?qū)⑵戚喞淖鴺诵Ｕ貙嶋H輪廓的坐標，糾正管道機器人行走定位偏差導致的測量輪廓錯誤，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器人載體在管道底部平臺上行走，通過搭載管道超聲檢測系統(tǒng)進行輪廓測量，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。由于管道機器人的運動測控偏差、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埋軌跡磁條等方式對管道機器人進行定位測量，控制其按照預設(shè)的軌跡運動，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，得到輪廓以及輪廓附著物的回波信號，通過分析回波信號，得到指定角度的距離信息。系統(tǒng)采用渡越時間法(Time of Flight，TOF)，通過檢測發(fā)射信號與回波信號之間的時間差，即渡越時間，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，當超聲波遇到管壁后反射所產(chǎn)生的回波信號不發(fā)生嚴重變形。該方法總能得到比較精確的估算結(jié)果。

圖2 基于渡越時間法的管道超聲檢測原理

距離r由回波的時間差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是對應(yīng)于非零復數(shù)k=x+iy的點(x,y)的極坐標，因為x=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)搭載在機器人載體上的方式，可以確定如下3個中心：管道起點O，超聲檢測單元中心點S，管道機器人載體中心點R，如圖3所示。

圖3 管道超聲檢測的坐標中心及坐標系

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

(4)

(5)

圖4 管道超聲測量輪廓重建原理

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

3 管道超聲測量輪廓重建方法的實驗測量

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

(1)實驗是搭載沒有運動狀態(tài)的載體進行檢測，點R和點S在垂直軸線切面重合，RS=0；

(2)管道中心點O與載體中心點R在垂直軸線切面重合，OR=0；

(3)超聲檢測單元點S與管道中心點O的位置默認已知。

(6)

在實驗中超聲檢測單元點S與管道中心點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S和點O近似重合，后續(xù)通過移動或旋轉(zhuǎn)靜態(tài)載體獲取點S位置偏差。

3.1 實驗準備與流程

搭建一套管道超聲測量實驗裝置，對基于齊次變換矩陣的輪廓重建方法進行實驗驗證。具體實驗裝置如圖5所示。

圖5 管道超聲測量實驗裝置

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)

實驗采用1 360 mm×940 mm×610 mm的水箱作為實驗環(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象，超聲探頭的測量距離為探頭表面到圓管的距離，實際測量距離為380 mm，如圖6所示。

圖6 偏移偏差輪廓測量實驗

實驗條件：實驗采用的電機控制轉(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。對每組實驗分別測量5次，取平均值。如無特殊說明，均采用以上基本實驗條件。具體實驗流程如下：

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

(2)移動靜態(tài)載體，將超聲檢測單元偏離圓心位置，再進行檢測，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中分別進行輪廓構(gòu)建和重建，最終得到真實的管道檢測圖像。

3.2 偏移偏差輪廓測量實驗

根據(jù)以上實驗流程進行偏移重建實驗，最終得到以下數(shù)據(jù)結(jié)果。當超聲檢測單元點S處于圓心點O位置時檢測所構(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)對比輪廓可以發(fā)現(xiàn)檢測絕對誤差1為66 mm，相對誤差1為17.4%，誤差有顯著增加。經(jīng)過偏移重建后，偏移所造成的絕對誤差由66 mm下降為9 mm，相對誤差由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)偏差輪廓測量實驗

根據(jù)以上的實驗流程進行偏轉(zhuǎn)實驗，當靜態(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S位置，確保其處于管道圓心點O位置，如圖9所示。

圖9 偏轉(zhuǎn)偏差輪廓測量實驗

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

通過輪廓對比分析，重建后偏轉(zhuǎn)所造成的絕對誤差由16 mm下降為6 mm，相對誤差由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器人超聲測量輪廓重建方法，并通過搭建實驗裝置進行實驗驗證，得到如下結(jié)論：

(1)管道機器人運動偏移會使得輪廓測量產(chǎn)生偏移現(xiàn)象——檢測輪廓和正常輪廓之間發(fā)生的移動。管道機器人運動偏轉(zhuǎn)會使得測量輪廓產(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。

(2)搭建的管道超聲測量實驗裝置對超聲測量輪廓實現(xiàn)檢驗和完善，偏移重建的絕對誤差為9 mm，相對誤差為2.36%，偏轉(zhuǎn)重建的絕對誤差為6 mm，相對誤差為1.6%，誤差落在超聲檢測系統(tǒng)的厘米級分辨率之內(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定心和水下機器人的對中運動控制，具有良好的應(yīng)用前景。