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圆管作业机器人视觉惯导组合姿态定位研究

更新时间：2019-12-29 23:52:29 大小：1M 上传用户：IC老兵查看TA发布的资源 标签：机器人 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

针对石油平台导管架水下清洗机器人姿态定位问题,提出一种新型的视觉惯导组合导航系统。该系统利用Canny算子与Hough变换识别圆管特征直线,并通过建立机器人空间模型,解算机器人空间位置姿态角。针对视觉惯导系统模型,设计基于四元数的扩展卡尔曼滤波,实现视觉与惯导信息融合,减小空间角度的累计误差,提高组合导航精度。研究结果表明:本文提出的机器人组合导航系统角度精度高,其精确度及实时性满足了机器人实际应用需求。


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第49 卷第12 期  
2018 年12 月  
中南大学学报(自然科学版)  
Journal of Central South University (Science and Technology)  
Vol.49 No.12  
Dec. 2018  
DOI: 10.11817/j.issn.1672−7207.2018.12.007  
圆管作业机器人视觉惯导组合姿态定位研究  
江平 1，杨灿军 1，寿志成 2，陈燕虎 1，范锦昌 1，黄政明 1，魏谦笑 1  
(1. 浙江大学 流体动力与机电系统国家重点实验室，浙江 杭州，310027；  
2. 中海油能源发展装备技术有限公司 上海分公司，上海，200335)  
摘要：针对石油平台导管架水下清洗机器人姿态定位问题，提出一种新型的视觉惯导组合导航系统。该系统利用  
Canny 算子与Hough 变换识别圆管特征直线，并通过建立机器人空间模型，解算机器人空间位置姿态角。针对视  
觉惯导系统模型，设计基于四元数的扩展卡尔曼滤波，实现视觉与惯导信息融合，减小空间角度的累计误差，提  
高组合导航精度。研究结果表明：本文提出的机器人组合导航系统角度精度高，其精确度及实时性满足了机器人  
实际应用需求。  
关键词：姿态定位；视觉导航；组合导航；图像识别；扩展卡尔曼滤波  
中图分类号：TP24  
文献标志码：A  
文章编号：1672−7207(2018)12−2946−07  
Research on vision-inertial navigation of  
an underwater cleaning robot  
JIANG Ping1, YANG Canjun1, SHOU Zhicheng2, CHEN Yanhu1,  
FAN Jinchang1, HUANG Zhengming1, WEI Qianxiao1  
(1. State Key Laboratory of Fluid Power and Mechatronic Systems, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China;  
2. Shanghai Branch of China National Offshore Oil Corporation, Shanghai 200335, China)  
Abstract: For the localization of the underwater cleaning robot’s localization, an innovative vision-inertial navigation  
system was put forward. By recognizing pipe line in Canny/Hough and establishing robot’s spatial model, the attitude  
angles were solved. For vision-inertial system model, the extended Kalman filter bases on quaternion was designed to  
fuse vision/inertial data and reduce accumulative errors, which improves the system accuracy. The results show that this  
attitude accuracy is high, which indicates that the real-time performance and the precision of the navigation system can  
meet the practical demand.  
Key words: attitude and location; vision navigation system; integrated navigation; image recognition; extended Kalman  
filter  
圆管作业机器人适用于各种圆管外侧检修、喷漆、 器人自主导航的必要条件之一[1]。现常用的机器人定  
清洗等功能需求，适应了市场对高效化、安全性作业  
的发展需求，因而成为机器人行业热门研究的方向之  
一。圆管作业机器人的位姿信息的准确估算是实现机  
位方案包括无线定位[2]、超声定位[3]、SLAM 三维重  
构定位[4]、视觉图像定位[5−7]等等。但是无线或超声定  
位易受周围环境干扰，SLAM 三维重构的设备成本较  
收稿日期：2018−01−18；修回日期：2018−05−09  
基金项目(Foundation item)：浙江省公益技术应用研究计划项目(2016C33057)；中国海洋石油总公司科技项目(CNOOC-KJ125 ZDXM 13 LTD NFZB  
2015-04)(Project(2016C33057) supported by the Zhejiang Public Welfare Technology Application Research Program; Project(CNOOC-KJ125  
ZDXM 13 LTD NFZB 2015-04) supported by the CNOOC Scientific Project)  
通信作者：杨灿军，博士，教授，从事机器人与海洋研究；E-mail：
第12 期  
江平，等：圆管作业机器人视觉惯导组合姿态定位研究  
2947  
高，针对圆管作业机器人的作业环境，可参考无人机  
的定位方法。现无人机定位主要采用惯性导航结合滤  
波系统的定位方式。惯性导航系统可分为平台式与捷  
联式惯性导航系统，但惯性导航系统会随着时间推移  
产生累积误差[8]。通常为了减小累积误差的影响，导  
航定位系统采用与其他传感器如GPS 导航仪、磁强度  
计等结合形成组合导航系统，对惯性导航系统进行定  
期修正。组合定位系统是现今导航系统的研究热点，  
其中常见的组合导航有 GPS/SINS 导航系统、惯导地  
磁导航系统等。近年来，惯导视觉组合导航系统由于  
图像信息实时性强且信息量大而受到关注。利用图像  
中的位移关系[9−12]或角度关系[13−14]对机器人的航向角  
进行校正。无人机或机器人定位还可结合惯导系统的  
速度信息和双目视觉的图像深度信息进行机器人定  
位。针对石油平台导管架清洗，本文的位姿算法基于  
永磁轮式机器人平台，运动范围小，不适用惯导地磁  
导航系统或惯导GPS 导航系统。本文作者提出了一种  
创新的惯导视觉组合姿态定位算法，通过融合陀螺仪、  
加速度计与摄像机多种传感器信息，识别圆管特有信  
息，结合数学模型计算与扩展卡尔曼滤波，可以得到  
机器人的绝对位置与相对圆管的俯仰角与航向角，为  
圆管作业机器人的控制提供有效可靠的位置信息。  
图 1 机器人坐标系模型  
Fig. 1 Coordinate system model of robot  
圆管坐标系是机器人吸附的圆管的空间坐标系，  
用于描述机器人相对于圆管的角度位置信息。定义圆  
管坐标系 P，其原点 Op 与导航坐标系原点 On 共点，  
Xp 轴与导航坐标系 Xn 同轴，Zp 轴沿圆管轴线向上，  
Yp 轴遵循右手定则，垂直于OpXpZp 平面向下。  
机器人载体坐标系是描述载体运动的坐标系，相  
对于载体静止不动。定义载体坐标系 C，其原点 Oc  
为机器人质心所处位置，沿机器人轴向向前为Xc 轴，  
沿机器人横向向左为 Yc 轴，垂直 OcXcYc 平面向上为  
Zc 轴，载体坐标系遵循右手定则。  
1 姿态运动模型  
1.1 参考坐标系  
水下环境复杂未知，需要实时了解机器人的位置  
信息，以指导机器人的运动。机器人的运动信息是基  
于其所在的坐标系，包含机器人的速度、姿态和位置  
信息。采用不同的坐标系描述能够表现机器人不同的  
运动状态。本文机器人控制是基于导管架的运动控制，  
主要是基于导航坐标系、圆管坐标系与机器人载体坐  
标系，见图 1，利用坐标系的自身位置信息，协助机  
器人的导航控制。  
1.2 姿态解算模型  
应用于圆管作业的水下清洗机器人运动控制依托  
于机器人实时的位姿信息，而相对圆管的位置信息对  
机器人的操作具有更好的指导作用。相对圆管的位置  
信息主要是机器人前进方向与圆管轴线的夹角即机器  
人相对于圆管的俯仰角，以及机器人离圆管截面最低  
点的夹角即机器人相对于圆管的航向角。机器人位姿  
信息可通过坐标系之间相互转换得到。  
导航坐标系是机器人导航中用于确定载体信息的  
坐标系，与水平面、圆管产生联系，对载体空间信息  
进行描述。定义导航坐标系N，其原点 On 为倾斜圆管  
轴上的点，沿重力相反方向为Zn 轴，圆管轴线方向在  
水平面的投影为 Yn 轴，Xn 轴遵循右手定则，垂直于  
OnYnZn 平面向前。该坐标系定义方法只适用于倾斜圆  
管，石油平台的导管架基本为倾斜圆管，可以使用该  
定义下的圆管导航坐标系。  
图1 中，αr 为Zn 轴与Zp 轴的夹角，即管子倾角。  
圆管坐标系能够通过导航坐标系绕Xn 轴旋转αr 得到。  
(xn，yn，zn)与(xp，yp，zp)为空间中同一点在导航坐标  
系与圆管坐标系中的坐标表示。  
[xn yn zn ]T = rot(X,αr )[xp yp zp ]T  
(1)  
图1 中，βr 为面OpXpZp 与面OcXcZc 的夹角，称为  
机器人载体相对于圆管的俯仰角；γr 为Yp 轴与Yc 轴的  

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