一种基于里程及姿态信息的弯头检测方法与流程

1.本发明涉及无损检测技术领域，尤其涉及一种基于里程及姿态信息的弯头检测方法。


背景技术：

2.管道弯头常见于长输管道中，主要用于介质传输方向的更改，由于其和直管道间存在角度的偏移，且存在固定的接口，故在一定程度上较直管段更容易受到介质的冲击从而导致腐蚀、破裂的可能性增大。
3.针对弯头的定位识别在无损检测领域极为重要，现有的弯头监测定位方法大都依据轨迹测绘等信息进行。
4.针对小口径管道产品，由于体积受限无法安装轨迹测绘模块，为了能够准确识别管道中的弯头并检测其具体数据信息，提供一种能够精确检测小口径管道产品中的弯头的方法是基本需求。


技术实现要素：

5.鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种基于里程及姿态信息的弯头检测算法，用以解决现有小口径管道产品由于体积受限无法安装轨迹测绘模块，从而无法准确检测并获得弯头具体信息的问题。
6.本发明实施例提供了一种基于里程及姿态信息的弯头检测方法，包括以下步骤：
7.获取待检测区域的多路原始里程数据，对多路所述原始里程数据两两之差的绝对值进行累加得到累积差；根据弯头长度阈值对所述累积差进行筛选，得到初步弯头区间；
8.获取所述初步弯头区间内的三轴姿态信息，基于设定的角度阈值，判断所述弯头为非空间弯头或者空间弯头；
9.若所述弯头为非空间弯头，则根据所述三轴姿态信息，获得所述弯头的信息；
10.若所述弯头为空间弯头，则根据所述三轴姿态信息以及坐标变换，获得所述弯头的信息。
11.进一步，所述非空间弯头包括水平弯头和垂直弯头；所述基于设定的角度阈值，判断所述弯头为非空间弯头或者空间弯头，包括：
12.计算所述初步弯头区间的起始点和结束点之间的航向角变化值、俯仰角变化值；
13.当所述航向角变化值大于所述角度阈值且所述俯仰角变化值小于所述角度阈值时，判断所述弯头为水平弯头；
14.当所述航向角变化值小于所述角度阈值且所述俯仰角变化值大于所述角度阈值时，判断所述弯头为垂直弯头
15.当所述航向角变化值大于所述角度阈值且所述俯仰角变化值大于所述角度阈值时，判断所述弯头为空间弯头。
16.进一步，若所述弯头为非空间弯头，则根据所述三轴姿态信息，获得所述弯头的信
息，包括：
17.当所述弯头为水平弯头时，基于所述初步弯头区间的结束点和起始点航向角的差值，得到所述水平弯头的弯曲角度；基于所述水平弯头的弯曲角度的正负判断所述水平弯头的弯曲方向；
18.当所述弯头为垂直弯头时，基于所述初步弯头区间的结束点和起始点俯仰角的差值，得到所述垂直弯头的弯曲角度；基于所述垂直弯头的弯曲角度的正负判断所述垂直弯头的弯曲方向。
19.进一步，当所述弯头为水平弯头时，所述弯头检测方法还包括：
20.基于获得的所述初步弯头区间起始点到结束点之间的里程变化值和所述水平弯头的弯曲角度，得到所述水平弯头的弯曲曲率以及曲率半径。
21.进一步，当所述弯头为垂直弯头时，所述弯头检测方法还包括：
22.基于获得的所述初步弯头区间起始点到结束点之间的里程变化值和所述垂直弯头的弯曲角度，得到所述垂直弯头的弯曲曲率以及曲率半径。
23.进一步，若所述弯头为空间弯头，则根据所述三轴姿态信息以及坐标变换，获得所述弯头的信息，包括：
24.分别得到t0时刻检测器所处位置a点在载体坐标系中的坐标(x
b0
,y
b0
,z
b0
)、t1时刻检测器所处位置b点在载体坐标系中的坐标(x
b0
d,y
b0
,z
b0
)以及圆心o点在载体坐标系中的坐标(x
b0
,y
b0
r,z
b0
)其中，r＝d/δθ，d为圆弧ab的长度，r为弯头曲率半径，δθ为圆弧ab对应的圆心角的角度值；
25.基于坐标变换，得到a点、b点以及o点在地理坐标系下的坐标；
26.根据a点、b点以及o点在地理坐标系下的坐标，得到所述空间弯头的曲率以及曲率半径。
27.进一步，若所述弯头为空间弯头，则根据所述三轴姿态信息以及坐标变换，获得所述弯头的信息，进一步包括：
28.基于获得的所述初步弯头区间起始点到结束点之间的里程变化值和所述空间弯头的曲率，得到所述空间弯头的弯曲角度。
29.进一步，所述弯头长度阈值为管道中弯头的最小长度，和/或，所述角度阈值为管道中弯头的最小角度。
30.进一步，所述弯头长度阈值为1.0米，和/或，所述角度阈值为30度。
31.进一步，所述检测器包括多路里程轮，所述多路原始里程数据通过所述多路里程轮获得，且所述检测器包括姿态模块，所述三轴姿态信息通过所述姿态模块获得。
32.与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
33.1、无需借助轨迹测绘模块即可完成弯头的定位识别；
34.2、基于里程和姿态信息的融合计算，可以完成弯头的检测；
35.3、通过里程以及姿态信息的结合，得到空间弯头的曲率、曲率半径以及弯曲角度，填补了现有依托里程以及姿态信息无法检测得到空间弯头具体信息的空白。
36.本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所
特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
37.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
38.图1为本发明实施例中一种基于里程及姿态信息的弯头检测方法的流程图；
39.图2为载体坐标系定义示意图；
40.图3为直角坐标系转换示意图；
41.图4为曲率以及曲率半径求解示意图
具体实施方式
42.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
43.请参见图1，本发明的一个具体实施例，公开了一种基于里程及姿态信息的弯头检测方法，包括以下步骤：
44.步骤s1、获取待检测区域的多路原始里程数据，对多路原始里程数据两两之差的绝对值进行累加得到累积差；根据弯头长度阈值对累积差进行筛选，得到初步弯头区间；
45.步骤s2、获取初步弯头区间内的三轴姿态信息，基于设定的角度阈值，判断弯头为非空间弯头或者空间弯头；若弯头为非空间弯头，进入步骤s3；若弯头为空间弯头，进入步骤s4；
46.步骤s3、根据三轴姿态信息，获得弯头的信息；
47.步骤s4、根据三轴姿态信息以及坐标变换，获得弯头的信息。
48.通过采用里程数据与姿态信息的融合的弯头检测方法，使得无需借助轨迹测绘模块即可完成弯头的定位识别及具体信息的检测，并且填补了现有依托里程以及姿态信息无法检测得到空间弯头具体信息的空白。
49.进一步的，在s1之后还包括，获取初步弯头区间内的三轴姿态信息，基于设定的角度阈值，判断所述初步弯头区间为非弯头区间。
50.具体的，当航向角变化值小于角度阈值且俯仰角变化值小于角度阈值时，判断所述初步弯头区间为非弯头区间，减少噪声的干扰，例如弯曲等非弯头区间的干扰。在排除噪声的干扰之后，再进行后续的s2-s4，在更加精准地定位到弯头区间的同时减少计算量，提高计算效率。
51.在本发明的一个实施例中，步骤s1、获取待检测区域的多路原始里程数据，对多路原始里程数据两两之差的绝对值进行累加得到累积差；根据弯头长度阈值对累积差进行筛选，得到初步弯头区间，包括：
52.输入检测器多路里程轮的里程数据，当检测器运行在直管段时，多路里程轮走过的行程相同，当检测器位于弯管时，多路里程轮走过的里程有差别，针对多路原始里程数据，计算两两之差的绝对值，为了使里程差值信号得到加强，将两两之差的绝对值进行累加得到累积差，根据弯头长度阈值对累积差进行筛选，得到初步弯头区间。
53.具体的，当存在累积差的区间长度小于弯头长度阈值时，该区间不属于初步弯头
区间，例如直管道中的凸起、变形等；当存在累积差的区间长度大于或者等于弯头长度阈值时，该区间确定为初步弯头区间。根据弯头长度阈值对累积差进行筛选，可以减少虚警、干扰，提高检测结果的精确性。
54.进一步的，检测器包括多路里程轮，多路原始里程数据通过多路里程轮获得。
55.进一步的，弯头长度阈值为管道中弯头的最小长度；可选的，弯头长度阈值为1.0米。弯头长度阈值可根据实际工程情况确定，本技术对此不做限定。
56.在本发明的一个实施例中，步骤s2中，在得到初步弯头空间的基础上，获取初步弯头空间内的三轴姿态信息，基于设定的角度阈值，判断弯头为非空间弯头或者空间弯头，其中，非空间弯头包括水平弯头和垂直弯头，具体步骤如下：
57.计算初步弯头区间的起始点和结束点之间的航向角变化值，俯仰角变化值；
58.当所述航向角变化值大于所述角度阈值且所述俯仰角变化值小于所述角度阈值时，判断所述弯头为水平弯头；
59.当所述航向角变化值小于所述角度阈值且所述俯仰角变化值大于所述角度阈值时，判断所述弯头为垂直弯头
60.当所述航向角变化值大于所述角度阈值且所述俯仰角变化值大于所述角度阈值时，判断所述弯头为空间弯头。
61.进一步的，检测器包括姿态模块，通过姿态模块获取初步弯头区间三轴姿态信息，即分别获得初步弯头区间起始点以及结束点的航向角、俯仰角以及横滚角，基于上述起始点以及结束点的各个角度值，计算得到起始点和结束点之间的航向角变化值以及俯仰角变化值。
62.进一步的，角度阈值为管道中弯头的最小角度；可选的，角度阈值为30度。角度阈值可根据实际工程情况确定，本技术对此不做限定。
63.在本发明的一个实施例中，步骤s3中若弯头为非空间弯头，弯头的信息包括弯头的弯曲角度和弯曲方向。则根据三轴姿态信息，获得弯头的信息，具体包括：当弯头为水平弯头时，基于初步弯头区间的结束点和起始点航向角的差值，得到水平弯头的弯曲角度；基于所述水平弯头的弯曲角度的正负判断所述水平弯头的弯曲方向；当弯头为垂直弯头时，基于初步弯头区间的结束点和起始点俯仰角的差值，得到垂直弯头的弯曲角度；基于所述垂直弯头的弯曲角度的正负判断所述垂直弯头的弯曲方向。
64.具体的，弯头的弯曲方向可以根据弯头的弯曲角度的正负来判断，航向角正方向规定为左负右正，俯仰角正方向规定为上正下负，对于水平弯头，用结束点的航向角减去起始点的航向角，得到水平弯头的弯曲角度，当水平弯头的弯曲角度为正值时，水平弯头向右；当水平弯头的弯曲角度为负值时，水平弯头向左；对于垂直弯头，用结束点的俯仰角减去起始点的俯仰角，得到垂直弯头的弯曲角度，当垂直弯头的弯曲角度为正值时，垂直弯头向上；当垂直弯头的弯曲角度为负值时，垂直弯头向下。
65.或者，航向角正方向规定为左正右负，俯仰角正方向规定为上负下正，对于水平弯头，用结束点的航向角减去起始点的航向角，得到水平弯头的弯曲角度，当水平弯头的弯曲角度为正值时，水平弯头向左；当水平弯头的弯曲角度为负值时，水平弯头向右；对于垂直弯头，用结束点的俯仰角减去起始点的俯仰角，得到垂直弯头的弯曲角度，当垂直弯头的弯曲角度为正值时，垂直弯头向下；当垂直弯头的弯曲角度为负值时，垂直弯头向上。航向角
正方向规定为左负右正或者左正右负，俯仰角正方向规定为上正下负或者上负下正，可根据实际产品以及工程情况确定，本技术对此不做具体限定。
66.在本发明的一个实施例中，在步骤s3中，若弯头为非空间弯头，弯头的信息还包括弯头的弯曲曲率以及曲率半径。当弯头为水平弯头时，弯头检测方法还包括：基于获得的初步弯头区间起始点到结束点之间的里程变化值和水平弯头的弯曲角度，得到水平弯头的弯曲曲率以及曲率半径。
67.具体的，初步弯头区间起始点到结束点之间的里程变化值可以通过检测器检测获得，水平弯头的弯曲曲率＝水平弯头的弯曲角度的绝对值/相应的里程变化值，水平弯头的曲率半径＝相应的里程变化值/水平弯头的弯曲角度的绝对值。相应的里程变化值为水平弯头起始点与结束点之间的圆弧的长度。
68.在本发明的一个实施例中，当弯头为垂直弯头时，弯头检测方法还包括：基于获得的初步弯头区间起始点到结束点之间的里程变化值和垂直弯头的弯曲角度，得到垂直弯头的弯曲曲率以及曲率半径。
69.具体的，初步弯头区间起始点到结束点之间的里程变化值可以通过检测器检测获得，垂直弯头的弯曲曲率＝垂直弯头的弯曲角度的绝对值/相应的里程变化值，垂直弯头的曲率半径＝相应的里程变化值/垂直弯头的弯曲角度的绝对值。相应的里程变化值为垂直弯头起始点与结束点之间的圆弧的长度。
70.在本发明的一个实施例中，步骤s4中若弯头为空间弯头，弯头的信息包括空间弯头的曲率以及曲率半径。则根据三轴姿态信息以及坐标变换，获得弯头的信息，包括：分别得到t0时刻检测器所处位置a点在载体坐标系中的坐标(x
b0
,y
b0
,z
b0
)、t1时刻检测器所处位置b点在载体坐标系中的坐标(x
b0
d,y
b0
,z
b0
)以及圆心o点在载体坐标系中的坐标(x
b0
,y
b0
r,z
b0
)，其中，r＝d/δθ，d为圆弧ab的弧长，r为弯头曲率半径，δθ为圆弧ab对应的圆心角的角度值；基于坐标变换，得到a点、b点以及o点在地理坐标系下的坐标；根据a点、b点以及o点在地理坐标系下的坐标，得到空间弯头的曲率以及曲率半径。
71.具体的，坐标变换是指将某一位置在载体坐标系中的坐标，结合对应的三轴姿态信息，转换为该位置在地理坐标系中的坐标，进而利用在地理坐标系下的数据信息进行计算。
72.载体坐标系的定义如下：检测器质心为载体坐标系的原点，检测器前进的方向x轴正向，垂直于管道线向右为y轴正向，垂直于xy平面向上为z轴正向，载体坐标系随着检测器的运行情况不断变动，具体参见图2所示，x轴、y轴以及z轴正方向的定义可以根据实际情况确定，本技术对此不做限定。地理坐标系定义如下：可以选取检测器在某一位置时，检测器的质心为地理坐标系的原点，地理坐标系不随检测器的运动而变动，地理坐标系的x轴沿当地维度线指向正东，地理坐标系的y轴沿当地子午线指向正北，z轴沿当地参考椭球的法线指向外。基于欧拉角转换定理，可将任意一个三维直角坐标系通过三次旋转形成另外一个直角坐标系，具体参见图3。载体坐标系即可基于三轴姿态信息(航向角、俯仰角以及横滚角)转换为地理坐标系，从而管道弯头上的任一位置可以用载体坐标系里的坐标或者地理坐标系中的坐标进行表征。
73.载体坐标系oxbybzb和地理坐标系ox
tytzt
之间的转换欧拉角通过航向角、俯仰角以及横滚角体现，载体坐标系oxbybzb相对于地理坐标系ox
tytzt
的角位置可以用一组欧拉角来
表示两个坐标系之间的变换关系。按照航向角、俯仰角以及横滚角的定义，可变换三次转动得到，其变换关系如下：
[0074][0075][0076]
即
[0077][0078]
则有
[0079][0080]
可得
[0081][0082]
其中，xb、yb、zb为载体坐标系中的坐标，x
t
、y
t
、z
t
为地理坐标系中的坐标，α为航向角，β为俯仰角，γ为横滚角。
[0083]
进一步的，请参见图4，当检测器进入初步弯头区间后，在t0时刻位于空间弯头的a点，a点在载体坐标系中的坐标为(x
b0
,y
b0
,z
b0
)；检测器在t1时刻，位于空间弯头的b点，从a点到b点的运行时间δt＝t1-t0，当δt无限小时，δθ接近于0，从a点到b点的运行弧长可近似为一直线段(即，圆弧ab的弧长可以近似为直线ab的长度)，此时b点相对于a点的坐标仅在x轴上有变化且变化值近似为d，因此b点在载体坐标系中的坐标为(x
b0
d,y
b0
,z
b0
)，圆心o点在载体坐标系中的坐标为(x
b0
,y
b0
r,z
b0
)，其中，d为圆弧ab的弧长，可通过检测器检测获得，r为弯头曲率半径，δθ为圆弧ab对应的圆心角的角度值，r＝d/δθ。
[0084]
基于坐标变换，得到a点、b点以及o点在地理坐标系下的坐标。
[0085]
具体的，基于a点、b点以及o点在载体坐标系中的坐标，结合上述公式(1)至(4)，得到a点在地理坐标系中的坐标(x
t0
,y
t0
,z
t0
)、b点在地理坐标系中的坐标(x
t1
,y
t1
,z
t1
)以及o点在地理坐标系中的坐标(x
t
,y
t
,z
t
)。可选的，a点、b点以及o点进行坐标变换时采用的α、β以及γ都为检测器在a点的航向角、俯仰角以及横滚角或者都为检测器在b点的航向角、俯仰角以及横滚角或者当a点进行坐标变换时采用检测器在a点的航向角、俯仰角以及横滚角，当b点进行坐标变换时采用检测器在b点的航向角、俯仰角以及横滚角，当o点进行坐标变换时，采用检测器在a点的航向角、俯仰角以及横滚角或者检测器在b点的航向角、俯仰角
以及横滚角。
[0086]
根据a点、b点以及o点在地理坐标系下的坐标，得到所述空间弯头的曲率以及曲率半径。
[0087]
具体的，计算获取在地理坐标系下a点、b点以及o点三个点组成的三角形的三条边长，根据余弦定理，可得出圆弧ab对应的圆心角δθ的具体数值，从而根据曲率k＝δθ/d以及曲率半径r＝d/δθ，其中，得出空间弯头的曲率以及曲率半径。可选的，在计算得到δθ的过程中，为了方便计算，可以设定(x
b0
,y
b0
,z
b0
)为一组定值，例如(0,0,0)，本技术对此不作限定，可根据实际情况进行选择。
[0088]
在本发明的一个实施例中，步骤s4中，若弯头为空间弯头，弯头的信息还包括该空间弯头的弯曲角度；则根据三轴姿态信息以及坐标变换，获得弯头的信息，进一步包括：基于获得的初步弯头区间起始点到结束点之间的里程变化值和空间弯头的曲率，得到空间弯头的弯曲角度。
[0089]
具体的，初步弯头区间起始点到结束点之间的里程变化值可以通过检测器检测获得，根据弯曲角度＝里程变化值
×
曲率，从而得到空间弯头的弯曲角度。
[0090]
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
[0091]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。