[发明专利]基于旋转磁场和惯导融合的管道机器人定位装置及方法

说明书

本发明提供了基于旋转磁场和惯导融合的管道机器人定位装置及方法，属于定位导航领域。本发明的定位方法，具体步骤为：根据磁偶极子定位的原理确定定位对象的坐标x、y；通过管道机器人定位定姿算法得到管道机器人的位置和速度信息；将定位机器人的位置和速度信息与磁偶极子定位得到的位置和速度信息作差得到误差；将得到的速度和位置误差作为量测值，进行组合卡尔曼滤波；经过卡尔曼滤波，利用得到的数据校正管道机器人的位置和速度，并将其反馈到捷联惯导系统中。本发明提出了一种先进的磁偶极子定位算法，并利用此方法对捷联惯导定位系统进行校正补偿，使得新的定位定姿系统可以长时间高精度用于管道机器人的定位和定姿。

技术领域

本发明涉及一种基于旋转磁场和惯导融合的管道机器人定位装置及方法，属于定位导航领域。

背景技术

随着管道运输业的发展，对管道缺陷检测技术的要求越来越高，尤其是管内探伤检测以及管内清理的需求日益增加。由于管道具有封闭、缺氧、空间狭小等特殊性，在这种恶劣情况下，难于利用人工方法完成管道缺陷的检测。在管道焊缝检测、城市供水管线检测以及石油输送管道检测等领域广泛地使用管道机器人技术。

石油、天然气等资源开发采用管道进行运输，因此，输油、输气管线的缺陷检测以及及时修复对石油、天然气等资源的开发具有重要意义。管道机器人在管道内移动并通过其携带的传感器对管线进行检测。当管道出现缺陷，需要人工进行处理时，操作人员必须知道机器人所处的准确位置，以便采取相应的措施。因此，在管道机器人的使用中，如何快速、准确的定位是管道机器人位置控制的关键问题。本发明介绍的基于旋转磁场和惯导融合的管道机器人定位方法就是一种先进的解决管道机器人定位定姿问题的方法。

《基于磁偶极子模型的管道机器人定位技术研究》(电波科学报，2006年8月，李军远，李盛凤，陈宏钧，张晓华)：分析了低频电磁波发射天线的磁场分布，为了便于工程实现将发射天线简化为磁偶极子模型，给出了磁偶极子磁场分布的数值计算结果。结果表明，垂直于发射天线轴线方向的磁感应强度幅值随位置的改变呈双峰变化的规律，由此提出了一种基于低频电磁波磁场幅值信号双峰变化规律的管道机器人定位方法。低频电磁波发射天线以平行于管道轴线方向安装在管道机器人上；而低频电磁波接收天线垂直于发射天线安装在海上作业的救援装置上。在定位的过程中，通过检测接收天线检测到信号的强度变化，找到符合双峰变化规律的信号位置，从而达到定位效果。《基于磁偶极子模型的管道机器人定位技术研究》一文中提到的定位技术的实现存在很大的困难。在实际应用中，管道机器人要巡查的管道是很长的，文中提到的定位技术只能在距离较近(文中做实验的距离为2m以内)的位置才能有信号，这样很难快速的进行定位。文中的定位技术依靠的是寻找磁场呈双峰变化规律的位置，在实验室环境下，干扰很少，因此比较容易找到正确的位置，在实际操作中，外界干扰强烈，很有可能导致无法找到磁场呈双峰变化规律的位置。实验中，救援装置和发射天线两者水平线的距离恒定为一米，在实际操作中，管道埋在地下、海中，这就导致在操作过程中，很难保证救援装置和发射天线的距离很近，因此很难利用该技术进行实际操作。

《基于捷联惯导的变压器内微缆机器人定位研究》(现代电子技术，2018年10月，赵晓军，田粮川，孙文博，刘阳)：设计了一种基于捷联惯导的大型变压器内微缆机器人定位系统。该系统搭载加速度传感器、陀螺仪传感器、摄像头等惯性测量单元，运用四阶龙格库塔法来解算姿态矩阵，结合卡尔曼滤波算法融合加速度计传感器数据，对姿态矩阵数据进行修正，从而确定机器人运动的速度及位置，同时摄像头可以对机器人的定位进行定时矫正，以保证位置的精确性。实验数据表明，该系统自主性强，短时间内导航精度高，完全符合检测系统在大型变压器内的定位需求。《基于捷联惯导的变压器内微缆机器人定位研究》一文中介绍了利用捷联惯导系统进行姿态解算和定位，但是利用惯组进行定位会有随机误差，而随机误差的累积会使得定位的误差很大，因此该方法只适用于短距离定位。

与上述定位方法相比，本申请提出了一种基于捷联惯导系统和人工磁场的定位方法，利用人工磁场的精确定位对惯组进行补偿，实现长时间长距离的管道内定位。同时，本申请的磁偶极子定位算法与前文提到的方法相比，精度更高，理论更完善，实际应用更方便。