一种用于管道机器人定位误差溯源的方法和装置

技术领域

本发明涉及测试校准技术领域，尤其涉及一种用于管道机器人定位误差溯源的方法和装置。

背景技术

为提高各种管道(例如燃气管道、给排水管道、通信管道等)的寿命、防止泄漏等事故的发生，保障管道的正常运作，需要定期对管道进行有效的检测维护。管道机器人因具有维护成本低、低环境污染等优势，越来越多地被应用于管道检测。管道机器人通常指可沿细小管道内部或外部自动行走、携带一种或多种传感器及操作机械，在遥控操作或计算机自动控制下，进行一系列管道作业的机、电、仪一体化系统。其主要包括主控器、爬行器、旋转摄像头和电缆卷车等，能够代替维护人员进入管道内部，进行录像和拍照来检查管道内部故障，为制定养护、修复方案提供重要分析依据和指导建议。

管道机器人性能参数的优劣主要体现在机械运动系统、图像采集处理系统和控制系统。定位精度是管道机器人静态下机械运动系统和控制系统的外在表现，也是图像采集处理系统研究的前提。申请公布号为CN109000649A的中国发明专利申请公开了一种基于直角弯道特征的全方位移动机器人位姿校准方法，该方法利用激光雷达数据对直角弯道处的环境特征进行描述，并以此特征对全方位小车在通道环境下进行全局定位与位姿更新，消除相对定位中的累积误差，提高机器人的整体定位精度。此类方法主要目的在于在管道机器人作业过程中通过自身机构或算法进行实时校准，达到提高作业、检测精度的效果。

特定管道机器人性能中距离参数、角度参数等关键测量结果误差对管道机器人整体测量准确性和可靠性至关重要，如何对机器人经过自身校准之后的定位精度进行校准，并根据校准结果对机器人的关键定位精度进行评价，所涉及的相关校准计量技术尚为空白。

发明内容

本发明的目的之一至少在于，针对如何克服上述现有技术存在的问题，提供一种用于管道机器人定位误差溯源的方法和装置，能够高效、便捷地对管道机器人的定位精度进行校准，在管道机器人自身测量结果的基础上，进一步提高管道机器人定位测量结果的准确性和可靠性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下各方面。

一种用于管道机器人定位误差溯源的方法，其包括：控制管道机器人在溯源工作台保持第一状态，通过第一测量设备获取第一定位读数；通过第二测量设备获取管道机器人第二定位读数；根据第一定位读数和第二定位读数，计算单次定位示值误差值；

重复上述步骤，获取两个或更多定位示值误差值；将所述两个或更多定位示值误差值中绝对值最大的值作为管道机器人的定位误差测量结果；

根据管道机器人定位误差测量不确定度来源计算标准不确定度分量；根据管道机器人标准不确定度分量计算合成标准不确定度；根据合成标准不确定度计算扩展测量不确定度，作为管道机器人定位误差测量结果不确定度。

优选的，所述控制管道机器人在溯源工作台保持第一状态，包括控制管道机器人从溯源工作台起点位置移动至指定位置并保持静止；所述第一定位读数包括移动距离数据。

优选的，所述通过第二测量设备获取管道机器人第二定位读数包括：在管道机器人上设置线缆卷车，在管道机器人移动的同时线缆卷车放出线缆，通过第二测量设备测量管道机器人因位置移动带动线缆卷车放出的线缆长度；所述第二定位读数包括获取的线缆长度数据。

优选的，所述管道机器人定位误差测量不确定度来源包括：管道机器人测量重复性引入的不确定度分量，第一测量设备分辨力引入的不确定度分量，第二测量设备测量不确定度引入的不确定度分量，以及环境偏离引入的不确定度分量中一种或者多种。

优选的，所述控制管道机器人在溯源工作台保持第一状态，包括采用角度可调的工作台作为管道机器人溯源工作台，将倾角仪安置在溯源工作台上，并保持与管道机器人车身垂直，然后调节溯源工作台产生指定倾斜角度；所述第一定位读数包括前后俯仰角和/或左右倾斜角度数据。

优选的，所述通过第二测量设备获取管道机器人第二定位读数包括：采用分辨力为±0.1°，测量不确定度为0.05°，单轴模式为0°～360°，双轴测量模式为±40°的电子数码显示倾角仪作为第二测量设备，所述第二定位读数包括倾角仪显示的前后俯仰角和/或左右倾斜角度数据。

优选的，所述方法包括：设置L＝5m，重复进行10次测量，n＝10，计算管道机器人测量重复性引入的不确定度分量

优选的，所述方法包括：设置θ＝5°，重复进行10次测量，n＝10，计算管道机器人测量重复性引入的不确定度分量

优选的，所述第二测量设备采用激光跟踪仪，通过采集管道机器人在空间点的坐标值，计算管道机器人移动距离数据，和/或通过拟合溯源工作台的两个平面求解前后俯仰角和/或左右倾斜角度数据。

一种于管道机器人定位误差溯源的装置，其包括至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执任一项所述的方法。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明至少具有以下有益效果：

通过本发明公开的管道机器人定位误差和倾角误差的校准评价模型计算静态距离定位误差、左右倾斜角度定位误差、前后俯仰角度定位误差等，能够实现对管道机器人定位测量结果的精确表征，在管道机器人自身校准结果的基础上进一步提高管道机器人定位精度的准确性；

通过计算管道机器人定位误差测量不确定度来源计算标准不确定度分量和相应的合成标准不确定度及扩展测量不确定度，能够有效增强管道机器人在不同的应用场景下获得的多个测量结果之间的可比性，从而进一步提高测量结果的可靠性。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明进行进一步详细说明，以使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

根据本发明第一示例性实施例的用于管道机器人定位误差溯源的方法，该实施例的方法主要包括以下步骤。

步骤一：控制管道机器人在溯源工作台保持第一状态，通过第一测量设备获取第一定位读数

管道机器人定位误差可以通过静态距离误差来校准，还可以进一步通过静态角度误差等多个方面的精度误差来校准。第一定位读数可以包括距离读数、角度等多项数据，本实施例以距离读数为例进行说明，因此，控制管道机器人在溯源工作台保持第一状态，包括控制管道机器人从溯源工作台起点位置移动至指定位置并保持静止。

通常，管道机器人设置有计米器等移动距离测量设备，可以作为第一测量设备，能够实时对移动的距离进行测量，并能够通过通信接口发送，或者通过人机交互界面显示所测量的移动距离。因此，可以控制管道机器人从溯源工作台起点位置移动至指定位置，通过相应的接收设备接收，或者直接读取管道机器人通过自带设备所测量的移动距离数据，用L

步骤二：通过第二测量设备获取管道机器人第二定位读数

可以在管道机器人上设置线缆卷车，在管道机器人移动的同时线缆卷车放出线缆，通过测量管道机器人因位置移动带动线缆卷车放出的线缆长度，获取线缆长度数据作为移动距离的测量长度。可以采用测量范围为0m～100m，MPE (Maximum PermissibleError，最大允许误差)为±(0.1mm+10

步骤三：根据第一定位读数和第二定位读数，计算单次定位示值误差值

管道机器人定位误差可以通过静态距离误差来校准，因此，管道机器人定位误差ΔL

步骤四：重复上述步骤，获取两个或更多定位示值误差值

步骤五：将两个或更多定位示值误差值中绝对值最大的值作为管道机器人的定位误差测量结果。

例如，可以在线缆长度范围内，大致均匀分布选取5个长度，即将步骤一中指定位置设置为均匀分布，重复步骤一至步骤五，分别计算各位置的定位误差，取绝对值最大的值作为管道机器人的定位误差。

步骤六：根据管道机器人定位误差测量不确定度来源计算标准不确定度分量。

影响管道机器人定位误差的测量不确定度的因素主要包括：1、测量重复性引入的标准不确定度分量u

对于管道机器人测量重复性引入的不确定度分量，可以设置相同条件，重复进行数次测量，例如，在其他条件相同的情况下，控制管道机器人从溯源工作台起点位置移动至相同的指定位置(例如L＝5m)处重复进行10次测量(n＝10)，由贝塞尔公式计算单次测量实验标准差，可得：第一标准不确定度分量

对于钢卷尺测量不确定度引入的不确定度分量，可以根据钢卷尺校准证书获取示值误差为±(0.1+10

对于环境偏离引入的不确定度分量，管道机器人线缆通常采用金属材质，线缆线性膨胀为主要不确定分量影响因素，以铜为例，其线性膨胀系数为 (16.52±0.4)×10

对于管道机器人计米器的分辨力引入的不确定度分量，以被检管道机器人的数字分辨力为1mm为例，其区间半宽度为0.5mm，按均匀分布，取

步骤七：根据管道机器人标准不确定度分量计算合成标准不确定度

在本发明实施例的测量模型中，通过各输入量的测量不确定度，可以获得输出量的测量不确定度，其中，需要注意的是，一般在计量领域，测量重复性引入的不确定度分量与分辨力引入的不确定度分量，仅取二者中较大的值来计算合成标准不确定度，本实施例取第一标准不确定度分量u

根据测量不确定度传播律可得定位误差的合成标准不确定度u

步骤八：根据合成标准不确定度计算扩展测量不确定度，作为管道机器人定位误差测量结果不确定度。

取包含因子k＝2，则扩展测量不确定度U＝ku

通过将上述实施例中的方法应用于甲、乙两款管道机器人的定位校准，获得如下表1和表2所示的定位误差校准数据。

表1甲管道机器人定位误差校准数据

表2乙管道机器人定位误差校准数据

甲管道机器人的分辨力在厘米级别，最大测量长度为20m，而乙管道机器人的数据分辨力在毫米级别，最大测量长度30m。表1数据显示，随着测量长度的增加，示值误差也随之增大。而表2数据显示，测量长度的增加对示值误差没有显著影响。表1和表2中的定位误差测量结果不确定度均小于最大允许误差绝对值的三分之一。因此，应用本发明公开的方法，能够有效增强管道机器人在不同的应用场景下获得的多个测量结果之间的可比性，从而进一步提高测量结果的可靠性。

根据本发明第二示例性实施例的用于管道机器人定位误差溯源的方法，该实施例的方法通过静态倾斜角度误差来进行定位误差精度校准，其主要包括以下步骤。

步骤一：将控制管道机器人静置在溯源工作台上，通过管道机器人获取第一倾斜角度

具体地，可以采用角度可调的工作台作为管道机器人溯源工作台，将倾角仪安置在工作台上，并保持与管道机器人车身垂直，然后调节溯源工作台产生指定倾斜角度。通常，管道机器人上配置有倾斜传感器(例如电子陀螺仪等)，可以在管道机器人主控制器界面上读取第一定位读数，也即第一倾斜角度θ

步骤二：通过倾角仪获取第二倾斜角度

在优选的实施例中，可以采用测量不确定度为0.05°，单轴模式为0°～360°，双轴测量模式为±40°的电子数码显示倾角仪(MPE或分辨力为±0.1°)，其读数记为第二倾斜角度θ

步骤三：根据第一倾斜角度和第二倾斜角度，计算单次定位倾斜角度误差值

管道机器人定位误差可以通过静态倾斜角度误差来校准，其定位误差Δθ

步骤四：重复上述步骤，获取两个或更多倾斜角度误差值

步骤五：将两个或更多倾斜角度误差值中绝对值最大的值作为管道机器人的定位误差测量结果

例如，可以在管道机器人向左和向右最大倾角范围内，各选取3个位置，重复步骤一至步骤三，分别计算各位置的倾斜角度误差值，取绝对值最大的值作为管道机器人的定位误差。

步骤六：根据管道机器人倾斜角度误差测量不确定度来源计算标准不确定度分量

本实施例中，影响管道机器人定位误差的测量不确定度的因素主要包括：1、测量重复性引入的标准不确定度分量u

对于管道机器人测量重复性引入的不确定度分量，可以设置θ＝5°，重复进行10次(n＝10)测量，计算第一标准不确定度分量

对于倾角仪测量不确定度引入的不确定度分量，可以根据倾角仪校准证书获取其不确定度为0.05°，k＝2，计算第二标准不确定度分量u

对于环境偏离引入的不确定度分量在本实施例中可以忽略不计。

对于管道机器人倾斜传感器的分辨力引入的不确定度分量，以分辨力为0.1°为例，其区间半宽度为0.05°，计算第四标准不确定度分量

步骤七：根据管道机器人标准不确定度分量计算合成标准不确定度。

本实施例中，第一标准不确定度分量u

步骤八：根据合成标准不确定度计算扩展测量不确定度，作为管道机器人定位误差测量结果不确定度。

取包含因子k＝2，则扩展测量不确定度U＝ku

通过将上述实施例中的方法应用于甲款管道机器人的定位校准，获得如下表3所示的包括管道机器人的前后俯仰角定位误差校准数据。

表3甲管道机器人定位误差校准数据(单位：°)

表3中负数表示倾斜方向不同。表3数据显示，随着俯仰角度的不断增大，示值误差不断增大，但定位误差测量结果不确定度小于最大允许误差绝对值的三分之一，符合校准使用要求。

在本发明其他的实施例中，上述各实施例中采用的第二测量设备，例如钢卷尺、倾角仪等设备，均可以替换为激光跟踪仪，通过采集管道机器人在空间点的坐标值，计算空间两点的位置测量距离定位误差，通过拟合溯源工作台的两个平面求解倾斜角度定位误差，从而能够进一步提高本发明方法的测量精度，并且还可以进一步将本发明各实施例公开的方法应用于不同种类管道机器人的定位误差校准溯源测量。

根据本发明示例性实施例的于管道机器人定位误差溯源的装置，即电子设备(例如具备程序执行功能的计算机服务器、单片机系统、或具备计算和存储能力的集成电路等)，其包括至少一个处理器，电源，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器和输入输出接口；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行前述任一实施例所公开的方法；所述输入输出接口可以包括显示器、键盘、鼠标、USB接口等，用于输入输出数据；电源用于为电子设备提供电能。

本领域技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(Read Only Memory，ROM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

当本发明上述集成的单元以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、 ROM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明具体实施方式的详细说明，而非对本发明的限制。相关技术领域的技术人员在不脱离本发明的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本发明的保护范围之内。