一种多油层介质储油罐的潜油作业机器人定位方法

技术领域

一种多油层介质储油罐的潜油作业机器人定位方法，属于储油罐作业技术领域。

背景技术

储油罐是石油石化领域中极为常见的存储设备，由于内部介质成分的复杂性，使储油罐底板极易产生腐蚀现象，从而导致设备的失效。针对这一问题，通常每隔一定周期会对在油储油罐底板进行检测与状态评估。但由于储油罐底板经常会被各类油品遮盖，常规的检测手段极难顺利实施，通常需要开罐进行停工检修，耗时耗力且增加了成本。

目前在线检测手段已经较为成熟，利用漏磁、声发射技术以及导波检测技术，并结合智能机器人的储油罐底板在线检测机器人的开发被提上日程。但由于环境的特殊性，机器人在封闭液态环境中进行作业，难以观测到机器人位置，更无法获取检测探头具体位置。并且由于长期使用后，由于沉淀等各种原因，储油罐内的油品物性上下分布并不均匀，从而导致在不同深度的油品内，探测信号的传播速度也不相同，进一步增加了对潜油作业机器人的定位难度。

申请号为202111314099.9，申请日为2021年11月8日，专利名称为“一种载油储罐底板检测机器人的定位方法”的中国发明专利公开了一种技术方案，在该技术方案中，在罐底作业机器人中心安装惯性传感器，用以获取机器人的行进方向。同时在机器人的前端和后端分别安装两组共4个超声传感器，4个传感器都位于机器人中轴线上，其中最前端与最后段两个传感器朝向外侧，中间两传感器相对安置。工作时，中间两距离已知的传感器用于测得声波速度，外侧两传感器用于回波测距，分别测得机器人前段和后端距离罐壁的直线距离。通过将距离之和以及机器人的行进方向进行结合，从而通过计算得到机器人的位置坐标。

然而在该技术方案中需要在机器人中轴线位置安装4个超声传感器，由于其定位方法的特殊性，该方法所使用的4个传感器的位置需要精确确定，否则会因为安装角度或位置的微小偏差，对定位结果产生较大影响。并且该方法随着储油罐直径的增大，产生的定位误差也会逐渐增大，只适合在小型储油罐当中使用。

文献(徐耀松.封闭空间液态场内声源定位方法研究[D].天津大学，2012.)公开了一种利用信标以及接收基阵获取机器人位置坐标的定位方法。该方法在罐外布置接收定位接收换能器基阵，接收罐内作业机器人发出的定位信号，测出声信号的传播时间，再利用声源发出信号至每个定位接收换能器的时间不同，获得机器人与各定位接收换能器之间的时差。声源信号到达两个定位接收换能器的时间差可以确定一对双曲线，则利用三个定位接收换能器即可形成两对双曲线，其交点即为声源位置。三维空间的机器人定位则需要四个接收定位接收换能器形成三对双曲线，其交点即为机器人位置。

然而在该技术方案中定位接收换能器安装在储油罐外部，此种方法会导致声信号在传播过程中经过罐壁以及罐内油品两种不同形态介质，由于声信号在不同介质中的传播特性不同，以及声信号穿过异质界面的复杂效应，会导致定位难度的增加并影响定位精度。同时，利用信号到达时间差方法来实现机器人定位会出现多值现象，即模糊，而且在噪声和误差较大的情况下可能会出现无解的情况。

包括上述技术方案在内的现有技术，都难以满足在油储油罐内部的作业环境，因此设计一种针对储油罐内进行潜油作业机器人，尤其是考虑储油罐内不同深度下探测信号传播速度，以便对潜油作业机器人实现精确定位的技术方案，成为本领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种考虑到油介质物性分层对声信号传播速度的影响，很大程度减小定位误差。同时建立了机器人运行的状态空间模型，结合卡尔曼滤波对定位结果进行优化处理，在应对罐内及环境噪声对声学定位的影响中起到关键作用，使定位结果进一步精确的多油层介质储油罐的潜油作业机器人定位方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该多油层介质储油罐的潜油作业机器人定位方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1001，将定位系统和潜油作业机器人从储油罐不同的两个人孔处下放至储油罐内；

步骤1002，在储油罐的罐底中心处建立直角坐标系，建立信标与定位系统中多个定位接收换能器的通讯；

步骤1003，获取定位接收换能器的位置；

步骤1004，根据储油罐内不同油介质，获得潜油机器人表面信标位置与定位接收换能器之间距离R的计算值

步骤1005，在执行步骤1002～步骤1004同时或执行步骤1002～步骤1004同时之后，建立潜油作业机器人的状态空间模型，并利用状态空间模型预测潜油作业机器人在储油罐内的预测位置；

步骤1006，对步骤1005中得到的潜油工作机器人的预测位置，以及步骤1004中得到的潜油工作机器人的计算位置，利用卡尔曼滤波对定位结果进行优化；

步骤1007，输出潜油作业机器人的位置。

优选的，步骤1004包括如下步骤：

步骤1004-1，根据声波在储油罐内不同深度的多层油介质中的传播速度，得到信标位置与定位接收换能器之间距离R的理论公式；

步骤1004-2，将信标位置与定位接收换能器之间距离R的理论公式，采用利用储油罐内各油品层所占比例系数的形式进行表示，得到比例系数形式的计算公式；

步骤1004-3，采用神经网络矩阵获得比例系数形式的计算公式中储油罐内各油品层所占比例系数矩阵；

步骤1004-4，得到k时刻潜油作业机器人上的信标与定位接收换能器之间距离的改进公式；

步骤1004-5，最后定义潜油作业机器人在多层介质原油下的损失函数，利用梯度下降法得到改进公式参数的取值；

步骤1004-6，将步骤1004-5中得到的改进公式参数的取值求得潜油机器人表面信标位置与定位接收换能器之间距离R的计算值

优选的，定位系统包括下放机构以及固定在下放机构上的多个定位接收换能器。

优选的，下放机构包括支撑盘，在支撑盘的表面沿其轴向均匀开设有多个贯穿的通孔，在每一个通孔内可升降的安装有一条升降杆；在支撑盘底部的外圈垂直设置有与升降杆一一对应的固定柱，在每一条固定柱的下方固定有铰接板；在升降杆的底部均铰接有连杆，在每一条连杆的底部铰接有支柱，支柱同时与铰接板的下端铰接；每支柱的表面，沿其长度方向均匀开设有多个用于固定定位接收换能器的固定孔。

优选的，在步骤1003中，定位接收换能器的空间位置坐标为：

(x+x'cosα,y+x'sinα,-h+y')，

其中：α为下方机构与直角坐标系x轴正向夹角；

x’、y’分别为定位接收换能器在下放位置处产生的横向位置偏移和纵向的位置偏移：x'≈Lsinβ，y'≈L-L'＝L(1-cosβ)；

L为定位接收换能器的固定位置与支柱顶部的距离，β为支柱在展开后的转动角度：

其中，c为第二铰接点与第三铰接点之间的间距，b为第一铰接点与第二铰接点之间的间距，n为升降杆下降的距离，连杆与升降杆的铰接点为第一铰接点，连杆与支柱的铰接点为第二铰接点，铰接板与支柱的铰接点为第三铰接点。

优选的，在步骤1002中，信标的位置采用多球面交汇原理确定，通过信标发射声信号，定位接收换能器接收声信号的方式，采用声速和时间计算距离以获取信标与定位接收换能器之间距离R

其中，v为超声信号在油介质中的传播速度，T

(x

优选的，在步骤1005中，潜油作业机器人的状态空间模型为：

令输入u等于机器人加速度：

G(k+1)＝AG(k)+Bu(k)+w

k+1时刻机器人状态可由k时刻状态推导获得，进一步得到潜油作业机器人的位置：

式中，p

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：

在本多油层介质储油罐的潜油作业机器人定位方法中，考虑到油介质物性分层对声信号传播速度的影响，很大程度减小定位误差。同时建立了机器人运行的状态空间模型，结合卡尔曼滤波对定位结果进行优化处理，在应对罐内及环境噪声对声学定位的影响中起到关键作用，使定位结果进一步精确。

在本多油层介质储油罐的潜油作业机器人定位方法中，基于罐内油泥物性分层现象，设计采用神经网络获取各层油介质的影响系数，从而精确声信号在多层介质中传播后所得到的信标与换能器之间距离，最终精确定位结果。

附图说明

图1为多油层介质储油罐的潜油作业机器人定位方法流程图。

图2为定位接收换能器下放机构正视图。

图3为图2的俯视图。

图4为定位接收换能器下放机构不同工作状态下示意图。

图5为定位接收换能器下放机构不同工作状态下几何关系示意图。

图6为定位接收换能器下放俯视图。

图7为油罐内声速分布示意图。

其中：1、升降杆2、支撑盘3、连杆4、铰接板5、固定柱6、支柱7、固定孔8、第一铰接点9、第二铰接点10、第三铰接点。

具体实施方式

图1～7是本发明的最佳实施例，下面结合附图1～7对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种多油层介质储油罐的潜油作业机器人定位方法，包括如下步骤：

步骤1001，下放定位系统以及潜油作业机器人；

将定位系统和潜油作业机器人从储油罐不同的两个人孔处下放至储油罐内。

定位系统包括下放机构以及固定在下放机构上的多个定位接收换能器。如图2～3所示，下放机构包括圆形的支撑盘2，在支撑盘2的表面沿其轴向均匀开设有多个贯穿的通孔，在每一个通孔内可升降的安装有一条升降杆1。在支撑盘2底部的外圈垂直设置有与升降杆1一一对应的固定柱5，在每一条固定柱5的下方固定有铰接板4。

在每一条升降杆1的底部均铰接有连杆3，在每一条连杆3的底部铰接有支柱6，支柱6同时与铰接板4的下端铰接，为便于描述，将连杆3与升降杆1的铰接点定义为第一铰接点8，将连杆3与支柱6的铰接点定义为第二铰接点9，将铰接板4与支柱6的铰接点定义为第三铰接点10。

在每一个支柱6的表面，沿其长度方向，均匀开设有多个固定孔7，定位接收换能器固定在支柱6表面的固定孔7内。支柱6设置有四条，因此在每一个下放机构内，固定有四个定位接收换能器。当升降杆1与支撑盘2上下相对运动时，对应的支柱6在连杆3的带动下扩张或收缩。四个定位接收换能器均安装在各自支柱6上对应的固定孔7内，因此当四条支柱6等角度扩展之后，四个定位接收换能器位于相同的水平高度。

步骤1002，建立定位系统以及潜油作业机器人的联系；

当定位系统下放到储油罐内之后，所有的升降杆1下降一定距离(n)，此时四条支柱6以相同的角度扩张，安装在四条支柱6上的定位接收换能器与安装在潜油作业机器人上的信标实现信息交互。

步骤1003，获取定位接收换能器的位置；

在建立关于储油罐罐底的空间直角坐标系之后，可以确定每一个人孔的位置。在确定下放机构中升降杆1的下降距离之后，可推算得到四个定位接收换能器的位置。如图4所示，以一个定位接收换能器为例，通过将升降杆1向下移动距离n，使定位接收换能器在基础的下放位置处产生了纵向的位置偏移y’以及横向位置偏移x’，此时定位接收换能器的位置(图4中固定孔7处)与支柱6顶部的距离L为已知数据，从而L’可近似得到：

L'≈Lcosβ(1)同时有：

x'≈Lsinβ(2)

y'≈L-L'＝L(1-cosβ)(3)

进一步结合图5，根据几何关系可最终确定：

其中，c为第二铰接点9与第三铰接点10之间的间距，b为第一铰接点8与第二铰接点9之间的间距，n为升降杆1下降的距离。

进一步结合图6，以储油罐顶部圆心为原点建立空间直角坐标系，假设定位接收换能器下放装置所在人孔(图6中A点)坐标为(x，y，0)，人为将该下放机构下放至人孔下h米处(即定位接收换能器所在平面为z＝-h)。以图6中B点处的定位接收换能器为例，调整伸缩杆使之下调距离n，则定位接收换能器的空间位置坐标为(x+x'cosα,y+x'sinα,-h+y')，(x+x'cosα,y+x'sinα,-h+y')等同于上述的(x

步骤1003，多层油介质中信标位置的获取；

在理想状态下，潜油作业机器人的定位系统可采用4球面交汇定位原理，在储油罐内下放4个定位接收换能器之后，信标安装于潜油作业机器人的机身上，通过信标发射声信号，信标在储油罐内的位置即可视为潜油作业机器人在储油罐内的位置。定位接收换能器接收声信号的方式，获取信标与定位接收换能器之间距离，从而确定4个半径分别为R

R

其中，v为超声信号在油介质中的传播速度，T

在储油罐的罐底中心建立一空间直角坐标系，下放定位接收换能器后，定位接收换能器的空间坐标(x

通过4个定位接收换能器共4个公式，联立求解即可得到信标的空间位置。

然而在实际储油罐当中，由于大型储油罐内介质的复杂性，储油罐内油品物性上下分布并不均匀，声信号在不同物性的油介质中传播速度会有所不同，声信号分布会出现分层现象，图7为储油罐内声速分布示意图，以某一条立柱6处固定的定位接收换能器为例，得到信标位置与定位接收换能器之间距离R的表达式：

其中，h

上述的公式(7)为信标位置与定位接收换能器之间距离R的理论公式，然而由于在实际的储油罐内，每层油品的厚度(h

首先将上述的公式(7)改写为：

其中，[φ

然后，采用神经网络矩阵获得公式(8)中储油罐内各油品层所占比例系数矩阵：

其中，

其中，x

得到k时刻潜油作业机器人上的信标与定位接收换能器之间距离的改进公式：

最后定义潜油作业机器人在多层介质原油下的损失函数，利用梯度下降法得到各参数的取值：

权重参数

其中，R(k)为k时刻机器人与定位接收换能器之间的实际距离，

得到各参数的梯度如下：

通过该梯度即可得到最终各参数矩阵。

输入x

将各参数带入到公式(8)，即可得到k时刻潜油作业机器人的信标与定位接收换能器之间距离的计算值

在执行上述步骤1002～1004的同时，或执行完上述步骤1002～1004之后，执行步骤1005：

步骤1005，预测潜油作业机器人在储油罐内的位置；

建立潜油作业机器人的状态空间模型，并利用状态空间模型预测潜油作业机器人在储油罐内的预测位置；

潜油作业机器人的状态空间模型为：

令输入u等于机器人加速度：

G(k+1)＝AG(k)+Bu(k)+w

k+1时刻机器人状态可由k时刻状态推导获得。进一步得到潜油作业机器人的位置：

式中p

通过以上步骤，得到了机器人的模型预测位置以及超声定位位置，其中通过信标与换能器交互所得到的机器人位置为三维空间坐标。由于潜油作业机器人始终在储罐底运行，其纵向坐标Z为已知的恒定不变量，因此可只取其水平面坐标作为定位结果。

步骤1006，进行卡尔兹曼滤波处理；

对步骤1005中得到的潜油工作机器人的预测位置，以及步骤1004中得到的潜油工作机器人的计算位置，利用卡尔曼滤波对定位结果进行进一步优化，将模型预测结果作为状态参量，将定位系统所得定位结果作为观测参量，优化定位结果。

卡尔曼滤波基本公式如下：

先验估计：

先验误差协方差：

P

卡尔曼增益：

后验估计：

更新误差协方差：

上述卡尔曼滤波基本公式中：x

步骤1007，输出最潜油作业机器人在储油罐内的位置。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。