專利名稱：空間曲線型微細管道局部幾何性質的檢測方法及系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種空間曲線型微細管道局部幾何性質的檢測方法及系統(tǒng)。
背景技術：
管道作為一種有效的物料輸送手段在國民經濟各行業(yè)中得到了廣泛的應用。管道的局部幾何性質對管道內部流體的動態(tài)性能有著重要的影響。因此管道局部幾何性質檢測是管道及深孔加工中一項關鍵技術，在工程中具有十分重要的意義。鑒于空間曲線型管道的復雜性，工程上一般針對二維彎曲管道進行管道曲線的曲率檢測，或者將空間曲線型管道近似為(或轉換為)二維管道后再進行管道曲線的曲率檢測。實際上，反映曲線局部幾何性質的參數除曲率值外，還有撓率、曲線切向矢量、主法向矢量和副法向矢量等，它們對管道內部流體的動力學性能同樣有顯著的影響作用。目前管道幾何性質的檢測一般是在管道外部進行，不能適應深細孔、非圓或壁厚不均勻的管道及狹小空間中管道的檢測需要。如何全面檢測、控制管道的局部幾何性質以實現管道內部流體的良好的動態(tài)性能，是當前管道加工與檢測的一項難題。
在自主移動機器人系統(tǒng)的研究中，如何使得機器人自主識別其自身空間位置，對于機器人的移動路徑規(guī)劃、作業(yè)步驟調整、動作幅度大小以及檢測數據處理都十分重要。在開闊環(huán)境條件下，機器人往往依賴環(huán)境參照物來實現對自身位置的感知。然而，在封閉、半封閉的管道環(huán)境中，很難找到現成的參照物，因而無法采用依賴外部參考物的自主位置識別方法。為此我們研究了一種利用管道局部幾何性質與爬行機器人移動參數相結合的空間位置遞推方法，實現管道機器人的空間位置識別。其中，管道局部幾何性質的測量是其關鍵技術之一。
因此，研究潛入式管道局部幾何性質檢測方法，一方面滿足管道機器人對所處空間位置的識別需要，為管道機器人的全程定位和空間曲線型微細管道的三維重建奠定基礎。同時，還能滿足一般管道及深孔局部幾何性質的全面檢測需要。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種空間曲線型微細管道局部幾何性質的檢測方法及系統(tǒng)。
方法的步驟如下1)由管道局部幾何性質檢測系統(tǒng)給出相鄰兩個測量點的切向矢量之間夾角Δθ和相鄰兩點之間的密切面之間的夾角Δω；2)利用相鄰兩個測量點的切向矢量之間夾角、相鄰兩點之間的密切面之間的夾角計算管道中心曲線的曲率和撓率；3)利用遞推算法把當前點位置管道中心線的活動標架描述在全局坐標系中。
系統(tǒng)由主機、控制系統(tǒng)、PSD信號處理電路、數據采樣、曲率傳感器與爬行驅動機構構成；主機依次與數據采樣、PSD信號處理電路、曲率傳感器相接，還依次與控制系統(tǒng)、爬行驅動機構相接，結果由顯示器顯示。
本發(fā)明的優(yōu)點是1)利用本檢測技術可以檢測內徑Φ10～Φ13mm，曲率半徑大于100mm的空間曲線型微細管道的曲率及撓率，最小可分辨的曲率為1.67×10-8(1/mm)；2)本檢測技術適用于深細孔、非圓或壁厚不均勻的管道及狹小空間中管道幾何性質的檢測；3)曲率傳感器的響應速度可達到幾到幾十微秒，可以進行實時檢測；4)曲率傳感器中應用的二維PSD對光斑大小無嚴格的要求，光路簡單，傳感器微型化潛力大；5)結合曲率傳感器的結構參數、機器人移動參數及檢測的初始條件，運用遞推算法計算可以把管道中心曲線的活動標架(切向矢量、主法矢、副法矢)在全局坐標系中描述。


圖1是管道中心曲線局部幾何性質示意圖；圖2是活動標架的遞推算法示意圖。
圖3是空間曲線型微細管道局部幾何性質檢測系統(tǒng)示意圖；圖4是曲率傳感器結構圖示意圖；圖5是密切平面中曲率傳感器光路示意圖；圖6是光電探測部分接受光路示意圖。
具體實施例方式
空間曲線型微細管道局部幾何性質檢測方法中為了計算曲率和撓率需要進行以下幾個步驟。
1)由管道局部幾何性質檢測系統(tǒng)給出相鄰兩個測量點的切向矢量之間夾角Δθ和相鄰兩點之間的密切面之間的夾角Δω。
2)在微小區(qū)域內求出曲率和撓率。如圖1對于曲線上的點，其活動標架由曲線在該點的切向矢量t、主法矢m、副法矢b構成。曲線在該點的幾何性質由曲線曲率K和繞率τ決定，其中K＝|dt/ds|，τ＝-|db/ds|。在微小區(qū)域內有k＝Δθ/Δs，τ＝Δω/Δs其中，Δs為兩個相鄰測量點之間的距離，在微小區(qū)域Δs視為圓弧。
3)利用遞推算法把當前點位置管道中心線的活動標架描述在全局坐標系中。根據前面描述的1)～3)可以得到描述管道中心線局部幾何性質的兩個重要參數曲率和撓率的大小，而其活動標架t、b、m的方向只是有了相對值。這樣，每個測量位置管道中心曲線的活動標架在統(tǒng)一坐標空間的描述可以根據其前一步測量數據遞推計算出來。假如已經知道了前一個測量點o(n-1)處的活動標架t(n-1)、b(n-1)、m(n-1)在統(tǒng)一坐標系中的描述，那么當前點處的活動標架由o(n-1)為原點的局部坐標系到on點為原點的局部坐標系的向量變換矩陣v(n-1)來實現它在統(tǒng)一坐標系中的描述。如附圖2所示，在兩個相鄰點處分別設立局部坐標系，x、y、z軸分別同活動標架的t、m、b重合。根據前面已經求出的兩點之間切向量的夾角θ和密切平面的夾角Δω可以確定變換矩陣v(n-1)，使當前tn、mn、bn在前一點坐標系o(n-1)x(n-1)y(n-1)z(n-1)中得到描述。如此遞推，可使單位矢量tn、mn、bn在起點坐標系中描述，(tn，mn，bn，1)＝(1，1，1，1)v1v2Lv(n-1)觀察上式，假如設定起點坐標為統(tǒng)一坐標系，那么得到的tn、mn、bn就是當前活動標架在統(tǒng)一坐標系中的描述。整理上式可得相鄰兩點活動標架之間的遞推公式，(tn，mn，bn，1)＝(t(n-1)，m(n-1)，b(n-1)，1)v(n-1)整個微細管道局部幾何性質檢測系統(tǒng)由主機、機器人控制系統(tǒng)、PSD信號處理電路、曲率傳感器與裝載驅動機構(微型管道機器人)五個部分組成。如圖3所示，爬行驅動裝載機構為檢測系統(tǒng)的動力部件，由它帶動曲率傳感器潛入到管道的內部進行管道曲率檢測，曲率傳感器把PSD的四路光電信號輸出到信號處理電路，由信號處理電路來完成光電信號的濾波和放大。高精度數據采樣卡把信號處理電路輸出的模擬信號轉換成數字信號，并通過串口輸入到主機。同時，主機接受來機器人控制系統(tǒng)反饋的位移信息，準備用于管道局部幾何性質的運算，并將結果顯示。
管道局部幾何性質檢測系統(tǒng)用于測量相鄰兩個測量點的切向矢量之間夾角Δθ和相鄰兩點之間的密切平面之間的夾角Δω，系統(tǒng)的檢測原理如下所示。
曲率傳感器的具體結構如圖4所示，曲率傳感器由光電探測部分1和光源部分3組成，光電探測部分由3毫米焦距透鏡6和3×3mm二維PSD組成，光源部分由激光器和平行光學系統(tǒng)組成，這兩個部分由關節(jié)機構3連在一起，可以圍繞關節(jié)中心C靈活轉動。激光器放置在透鏡的焦平面上，其軸線與透鏡的光軸相重合。激光器發(fā)出的光通過透鏡后產生平行光，平行光束再通過針孔后形成一束激光。光電探測部分中PSD的光敏面位置于透鏡1的焦平面上，且光軸通過光敏面的中心。這樣，照射到PSD光敏面上的光斑位置只與入射到透鏡1的激光束的角度有關，與位置無關。
如圖4所示，光電探測部分和光源部分有它們各自的支撐機構，使得它們的軸心線與所處的管道軸心線重合。支撐平面A和B以中心平面L1為中心對稱分布，傳感器軸心線和平面L1相交于光電探測部分內的P點。同樣在光源部分支撐點平面C和D以中心平面L2為中心對稱分布，軸心線和平面L2相交于F點。
當傳感器置于直管內時，由于透鏡的光軸通過PSD光敏面的中心點，激光二極管發(fā)出的激光投射于PSD的中心。當傳感器置于彎曲管道內時，在管道的約束下，前后兩節(jié)的中心線與管道中心線相切，切點為該節(jié)中心(如圖5中的P點和F點)，傳感器前后兩節(jié)以關節(jié)C為中心成一定夾角θ，該角就是管道中心曲線在P、F兩端處的切矢量的夾角。由點P，F，C確定的平面為曲線在測量點附近的密切平面8。此時，激光二極管發(fā)出的激光束7通過透鏡投射到PSD光敏面上的M，PSD產生的四路光電信號通過信號處理電路、數據采樣后輸入到主機，由主機根據下面的公式計算得到光斑的中心位置x=L(I2-I1)2(I2+I1),y=L(I4-I3)2(I4+I3)]]>附圖5，6中平面MHO與平面PFC重合，平面中∠MHO與θ相等，因此，θ=atg(OM/OH)=atg(x2+y2/f)]]>由于密切平面MHO垂直于PSD敏感面(相當于管道中心軸線在點P處的法平面)，且通過向量 ，因此，密切平面的方位角度可由向量 與x軸的夾角來表示，ω=∠Mox=asin(x/x2+y2)]]>若知道曲線在前一個測量點處密切平面的方位角ω′，那么，兩相鄰位置密切平面的夾角為Δω＝ω-ω′
權利要求
1.一種空間曲線型微細管道局部幾何性質檢測方法，其特征在于它的步驟如下1)由管道局部幾何性質檢測系統(tǒng)給出相鄰兩個測量點的切向矢量之間夾角Δθ和相鄰兩點之間的密切面之間的夾角Δω；2)利用相鄰兩個測量點的切向矢量之間夾角、相鄰兩點之間的密切面之間的夾角計算管道中心曲線的曲率和撓率；3)利用遞推算法把當前點位置管道中心線的活動標架描述在全局坐標系中。
2.根據權利要求1所述的一種空間曲線型微細管道局部幾何性質檢測方法，其特征在于所說的利用相鄰兩個測量點的切向矢量之間夾角、相鄰兩點之間的密切面之間的夾角計算管道中心曲線的曲率和撓率是對于曲線上的點，其活動標架由曲線在該點的切向矢量t、主法矢m、副法矢b構成。曲線在該點的幾何性質由曲線曲率K和繞率τ決定，其中K＝|dt/ds|，τ＝-|db/ds|。在微小區(qū)域內有k＝Δθ/Δs，τ＝Δω/Δs其中，Δs為兩個相鄰測量點之間的距離，在微小區(qū)域Δs視為圓?。?br> 3.根據權利要求1所述的一種空間曲線型微細管道局部幾何性質檢測方法，其特征在于所說的遞推算法是假如已經知道了前一個測量點o(n-1)處的活動標架t(n-1)、b(n-1)、m(n-1)在統(tǒng)一坐標系中的描述，那么當前點處的活動標架由o(n-1)為原點的局部坐標系到on點為原點的局部坐標系的向量變換矩陣來實現它在統(tǒng)一坐標系中的描述。
4.根據權利要求3所述的一種空間曲線型微細管道局部幾何性質檢測方法，其特征在于所說的向量變換矩陣由兩個測量點的切向矢量之間夾角Δθ和相鄰兩點之間的密切面之間的夾角Δω決定。
5.一種空間曲線型微細管道局部幾何性質檢測系統(tǒng)，其特征在于它由主機、控制系統(tǒng)、PSD信號處理電路、數據采樣、曲率傳感器與爬行驅動機構構成；主機依次與數據采樣、PSD信號處理電路、曲率傳感器相接，還依次與控制系統(tǒng)、爬行驅動機構相接，結果由顯示器顯示。
6.根據權利要求5所述的一種空間曲線型微細管道局部幾何性質檢測系統(tǒng)，其特征在于所說的曲率傳感器由光電探測部分和光源部分組成，光電探測部分由聚焦透鏡和二維PSD組成，光源部分由激光器和平行光學系統(tǒng)組成，這兩個部分由關節(jié)機構連在一起。
7.根據權利要求6所述的一種空間曲線型微細管道局部幾何性質檢測系統(tǒng)，其特征在于所說的關節(jié)機構內部通激光，激光入射到光電探測部分。
8.根據權利要求6所述的一種空間曲線型微細管道局部幾何性質檢測系統(tǒng)，其特征在于所說的曲率傳感器光電探測部分中的二維PSD光敏面位于聚焦透鏡的焦平面上，光軸通過PSD光敏面的中心。
9.根據權利要求8所述的一種空間曲線型微細管道局部幾何性質檢測系統(tǒng)，其特征在于所說的二維PSD光敏面為3×3mm、聚焦透鏡的焦距為3mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種空間曲線型微細管道局部幾何性質的檢測方法及系統(tǒng)。方法的步驟如下1)由管道局部幾何性質檢測系統(tǒng)給出相鄰兩個測量點的切向矢量之間夾角Δθ和相鄰兩點之間的密切面之間的夾角Δω；2)利用相鄰兩個測量點的切向矢量之間夾角、相鄰兩點之間的密切面之間的夾角計算管道中心曲線的曲率和撓率；3)利用遞推算法把當前點位置管道中心線的活動標架描述在全局坐標系中。本發(fā)明的優(yōu)點是1)利用本檢測技術可以檢測內徑Φ10～Φ13mm，曲率半徑大于100mm的空間曲線型微細管道的曲率及撓率，最小可分辨的曲率為1.67×10
文檔編號G01D5/12GK1488916SQ0314204
公開日2004年4月14日 申請日期2003年7月30日 優(yōu)先權日2003年7月30日
發(fā)明者柯映林, 金成柱, 李江雄 申請人:浙江大學