專利名稱：油罐容積檢測系統(tǒng)及標定方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種檢測系統(tǒng)及其方法，特別是一種油罐容積檢測系統(tǒng)及標定方法，屬于檢測技術領域。
背景技術：
立式金屬油罐不僅是目前使用最廣泛的儲油容器，還是一種計量工具，而容積表是立式油罐作為計量罐的必備條件。為了迅速算得油品體積，每個油罐都要編制容積表，以便由測量得到的油品高度直接查出油品體積。為此，必須對立式油罐的容積進行標定，根據(jù)標定數(shù)據(jù)算出油罐容積表來進行油品計量。油罐容積標定就是要為油罐編制容積表，該表列出了所儲油品液面高度與體積的關系。油罐容積標定工作在石油工業(yè)和貿(mào)易中有著重要的經(jīng)濟意義和實用價值。
目前，在中國國家標準中已經(jīng)規(guī)定了圍尺法(GB/T 13235.1-91)、光學參比線法(GB/T 13235.2-91)和光電內(nèi)測距法(GB/T 13235.3-95)三種方法來標定立式圓柱形金屬油罐的容積。在圍尺法中，用石油鋼圍尺圍測油罐各圈板截面的圓周長，繼而計算出油罐不同圈板上單位高度的油罐容積，并據(jù)此結(jié)果經(jīng)過必要的修正后編制油罐容積表。在光學參比線法中，首先采用圍尺法準確測量油罐的參比圓周長，確定水平測站，再采用光學垂準儀和移動式磁性標尺儀測出各水平測站上的所有垂直測量點偏距，然后計算各圈板的周長或半徑，最后據(jù)此結(jié)果經(jīng)過必要的修正后編制油罐容積表。在光電內(nèi)測距法中，首先用安放于油罐底部中心的光電測距儀，依次瞄準各圈板規(guī)定水平圓周上的所有目標，測出其水平角、垂直角和斜距，然后按照迭代逼近的方法，由這些測量數(shù)據(jù)計算相應水平圓周的半徑，最后據(jù)此結(jié)果經(jīng)過必要的修正后編制油罐容積表。
但是，在實際應用中，這些油罐容積標定方法普遍存在以下不足之處1、測量速度較慢、工作效率低下、儀器調(diào)整繁瑣費時，操作人員工作強度大。例如在光學參比線法中，每更換一次水平測站，就需要對光學垂準儀重新進行校準；2、測量數(shù)據(jù)需人工讀取，容易引入人為誤差，而且速度較慢，不利于計算機化處理；3、適用范圍小，僅適用于立式圓柱形金屬油罐的容積標定，無法應用于其它形狀油罐的容積測量。并且，對油罐的直徑、傾斜度和截面內(nèi)徑變化規(guī)定了相應的適用范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術的不足和缺陷，提供一種油罐容積檢測系統(tǒng)及標定方法，該技術是一種準確、快速、適用性強、操作簡單的檢測系統(tǒng)和標定方法。本發(fā)明系統(tǒng)采用上下位機的控制模式，主要由上位機系統(tǒng)、下位機系統(tǒng)和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實時動態(tài)差分定位技術(GPS RTK即Global PositioningSystem Read-time Kinematic Technology)系統(tǒng)組成，上位機系統(tǒng)構成遠端控制中心，下位機系統(tǒng)和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實時動態(tài)差分定位技術流動站位于爬壁機器人本體上，上、下位機之間和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實時動態(tài)差分定位技術基準站、流動站之間無線數(shù)字通訊連接，各部分組成如下上位機系統(tǒng)主要由計算機和無線數(shù)字電臺(一)組成，用于完成測量路徑和測量參數(shù)規(guī)劃、命令編碼和通訊傳輸控制、測量數(shù)據(jù)存儲和處理、容積表編制以及遠程監(jiān)控等工作。
下位機系統(tǒng)主要由單片機、電機控制器、電機、光電編碼器和無線數(shù)字電臺(二)組成，用于完成測量數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)編碼和傳輸以及機器人運動控制等工作。
全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實時動態(tài)差分定位技術系統(tǒng)主要由全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實時動態(tài)差分定位技術基準站、流動站和無線數(shù)字電臺(三)、(四)組成，用于實現(xiàn)機器人位置的動態(tài)測量，并將測量數(shù)據(jù)發(fā)送給下位機。
作為一個封閉容器，油罐可以由其表面——一張封閉的空間曲面唯一的表示出來，即存在油罐容積與油罐表面封閉曲面之間的對應關系，只要對這張封閉曲面函數(shù)進行積分，就可以計算出油罐的容積，同時，采用離散化的方法，又可以用分布在這張封閉曲面表面上的若干個離散點來表示這張曲面，在這種方法中，油罐容積計算的過程實際上就是對一個由離散數(shù)據(jù)點(油罐表面測量點)確定的函數(shù)(油罐表面)進行積分。本發(fā)明的標定方法如下1、選定油罐表面若干個均勻分布的測量點；2、測出這些測量點在三維空間中的位置坐標，爬壁機器人攜帶全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實時動態(tài)差分定位技術流動站，沿規(guī)定的測量路徑爬行通過油罐表面的測量點，同時，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實時動態(tài)差分定位技術系統(tǒng)實時測出這些測量點在以全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實時動態(tài)差分定位技術基準站為原點的三維空間坐標中的位置，并將這些數(shù)據(jù)保存下來，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實時動態(tài)差分定位技術，是基于載波相位觀測值的實時動態(tài)差分衛(wèi)星定位技術，它能夠?qū)崟r地提供測量點在空間坐標系中的三維定位結(jié)果，并達到厘米級的高精度，爬壁機器人通過無線數(shù)字電臺與全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實時動態(tài)差分定位技術基準站及控制中心進行實時通信，傳輸數(shù)據(jù)和指令，實現(xiàn)無線實時動態(tài)測量和控制；3、計算油罐表面的擬合曲面，根據(jù)已經(jīng)獲得的油罐表面測量點位置坐標，采用曲面擬合技術構作一張油罐真實表面的擬合曲面，并以此計算油罐的容積；4、計算油罐各高度下的容積，對油罐表面的擬合曲面作積分運算，求出不同高度下的油罐容積；5、編制油罐容積表，對步驟4的計算結(jié)果進行必要的修正后，即可編制成容積表供使用。
本發(fā)明具有實質(zhì)性特點和顯著進步，標定誤差顯著減小，測量效率成倍提高，適用范圍更廣，對油罐形狀沒有特殊的要求，適用于圓柱形、球形、臥式等各種形狀的儲油罐，由爬壁機器人自主完成整個測量過程，有利于實現(xiàn)容積標定過程的自動化，操作人員工作強度大大減少，具有可觀的經(jīng)濟效益和實用價值。


圖1油罐表面與測量點之間離散與擬合關系的示意2兩種不同的測量路徑的示意3全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實時動態(tài)差分定位技術系統(tǒng)測量油罐表面測量點位置的示意4測量系統(tǒng)結(jié)構示意5標定方法工作原理圖
具體實施例方式如圖1、圖2、圖3、圖4和圖5所示，本發(fā)明主要由上位機系統(tǒng)(1)、下位機系統(tǒng)(2)和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實時動態(tài)差分定位技術系統(tǒng)(3)組成，上位機系統(tǒng)(1)構成遠端控制中心，下位機系統(tǒng)和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實時動態(tài)差分定位技術系統(tǒng)(3)的流動站位于爬壁機器人本體上，上、下位機之間和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實時動態(tài)差分定位技術系統(tǒng)(3)的基準站、流動站之間無線數(shù)字通訊連接，各部分組成如下上位機系統(tǒng)(1)主要由計算機和無線數(shù)字電臺(一)組成，下位機系統(tǒng)(2)主要由單片機、電機控制器、電機、光電編碼器和無線數(shù)字電臺(二)組成，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實時動態(tài)差分定位技術系統(tǒng)(3)主要由全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實時動態(tài)差分定位技術系統(tǒng)(3)的基準站、流動站和無線數(shù)字電臺(三)、(四)組成。
本發(fā)明的標定方法如下1、選定油罐表面若干個均勻分布的測量點；2、采用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實時動態(tài)差分定位技術測出這些測量點在三維空間中的位置坐標，爬壁機器人攜帶全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實時動態(tài)差分定位技術系統(tǒng)(3)的流動站，沿規(guī)定的測量路徑爬行通過油罐表面的測量點，同時，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實時動態(tài)差分定位技術系統(tǒng)(3)實時測出這些測量點在以全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實時動態(tài)差分定位技術系統(tǒng)(3)的基準站為原點的三維空間坐標中的位置，并將這些數(shù)據(jù)保存下來；3、計算油罐表面的擬合曲面，根據(jù)已經(jīng)獲得的油罐表面測量點位置坐標，采用曲面擬合技術構作一張油罐真實表面的擬合曲面，并以此計算油罐的容積；4、計算油罐各高度下的容積，對油罐表面的擬合曲面作積分運算，求出不同高度下的油罐容積；5、編制油罐容積表，對步驟4的計算結(jié)果進行必要的修正后，即可編制成容積表供使用。
以下對標定方法進一步限定，具體如下①、系統(tǒng)初始化，為容積測量做好準備，并將爬壁機器人放置于測量起始點；②、選定油罐表面的測量點，測量點要求均勻分布在油罐表面不同高度上的截面圓周上，相鄰兩點之間的水平弧長間距不超過3m，垂直間距應保證油罐每個圈板沿高度方向至少分布有兩個測量點；③、選定測量路徑，根據(jù)已知的油罐直徑和高度，以及選定的油罐表面測量點間距，分別計算兩種測量路徑的長度，選擇一條長度較短的方案作為爬壁機器人的測量行走路徑；④、上位機根據(jù)選定的測量點和測量路徑，計算出爬壁機器人的測量和控制參數(shù)，并通過無線數(shù)字電臺(一)、(二)傳送給下位機系統(tǒng)(2)，傳送完畢后，上位機系統(tǒng)(1)開始等待下位機系統(tǒng)(2)傳送回來的測量數(shù)據(jù)；
⑤、下位機系統(tǒng)(2)接收到上位機系統(tǒng)(1)送來的測控參數(shù)后，開始驅(qū)動爬壁機器人在油罐表面上運動和測量，一方面，下位機系統(tǒng)(2)根據(jù)運動控制要求向電機控制器發(fā)送控制指令，使爬壁機器人沿著選定的測量路徑爬行，另一方面，在經(jīng)過測量路徑上的測量點時，下位機系統(tǒng)(2)向全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實時動態(tài)差分定位技術系統(tǒng)(3)發(fā)送測量指令，接收全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實時動態(tài)差分定位技術系統(tǒng)(3)的流動站實時測得的測量點三維空間位置坐標，并將測量結(jié)果通過無線數(shù)字電臺(二)、(一)傳送回上位機系統(tǒng)(1)，同時，測量結(jié)果還作為位置反饋參數(shù)參與機器人的運動路徑控制；⑥、上位機系統(tǒng)(1)不斷接收來自下位機系統(tǒng)(2)的測量數(shù)據(jù)，并將它們存儲在計算機中，直至所有選定的測量點全部測量完畢；⑦、數(shù)據(jù)處理，計算容積，首先，根據(jù)步驟6中已經(jīng)存儲在計算機中的油罐表面所有測量點的位置坐標，采用曲面擬合技術構作一張油罐真實表面的擬合曲面，擬合計算可以采用雙三次多項式樣條函數(shù)、雙三次B樣條函數(shù)、雙三次光順樣條函數(shù)等空間曲面的擬合方法，然后，對計算得到的油罐表面擬合曲面作積分運算，求出不同高度截面下的油罐容積，積分過程采用數(shù)值積分法，或采用形式積分；⑧、編制油罐容積表，將油罐各個高度截面下的容積計算結(jié)果進行必要的修正后，即可編制成容積表供使用，容積修正和容積表編制參照中國國家標準GB/T13235.1-91及GB/T 13235.2-91具體實施。
權利要求
1.一種油罐容積檢測系統(tǒng)，其特征在于主要由上位機系統(tǒng)(1)、下位機系統(tǒng)(2)和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實時動態(tài)差分定位技術系統(tǒng)(3)組成，上位機系統(tǒng)(1)構成遠端控制中心，下位機系統(tǒng)和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實時動態(tài)差分定位技術系統(tǒng)(3)的流動站位于爬壁機器人本體上，上、下位機之間和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實時動態(tài)差分定位技術系統(tǒng)(3)的基準站、流動站之間無線數(shù)字通訊連接，各部分組成如下上位機系統(tǒng)(1)主要由計算機和無線數(shù)字電臺(一)組成，下位機系統(tǒng)(2)主要由單片機、電機控制器、電機、光電編碼器和無線數(shù)字電臺(二)組成，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實時動態(tài)差分定位技術系統(tǒng)(3)主要由全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實時動態(tài)差分定位技術系統(tǒng)(3)的基準站、流動站和無線數(shù)字電臺(三)、(四)組成。
2.一種油罐容積檢測系統(tǒng)的標定方法，其特征是標定方法具體如下①、選定油罐表面若干個均勻分布的測量點；②、采用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實時動態(tài)差分定位技術測出這些測量點在三維空間中的位置坐標，爬壁機器人攜帶全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實時動態(tài)差分定位技術系統(tǒng)(3)的流動站，沿規(guī)定的測量路徑爬行通過油罐表面的測量點，同時，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實時動態(tài)差分定位技術系統(tǒng)(3)實時測出這些測量點在以全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實時動態(tài)差分定位技術系統(tǒng)(3)的基準站為原點的三維空間坐標中的位置，并將這些數(shù)據(jù)保存下來；③、計算油罐表面的擬合曲面，根據(jù)已經(jīng)獲得的油罐表面測量點位置坐標，采用曲面擬合技術構作一張油罐真實表面的擬合曲面，并以此計算油罐的容積；④、計算油罐各高度下的容積，對油罐表面的擬合曲面作積分運算，求得油罐容積；⑤、編制油罐容積表，對步驟4的計算結(jié)果進行必要的修正后，即可編制成容積表供使用。
3.根據(jù)權利要求2所述的這種油罐容積檢測系統(tǒng)的標定方法，其特征是以下對標定方法進一步限定，具體如下①、系統(tǒng)初始化，為容積測量做好準備，并將爬壁機器人放置于測量起始點；②、選定油罐表面的測量點，測量點要求均勻分布在油罐表面不同高度上的截面圓周上，相鄰兩點之間的水平弧長間距不超過3m，垂直間距應保證油罐每個圈板沿高度方向至少分布有兩個測量點；③、選定測量路徑，根據(jù)已知的油罐直徑和高度，以及選定的油罐表面測量點間距，分別計算兩種測量路徑的長度，選擇一條長度較短的方案作為爬壁機器人的測量行走路徑；④、上位機根據(jù)選定的測量點和測量路徑，計算出爬壁機器人的測量和控制參數(shù)，并通過無線數(shù)字電臺(一)、(二)傳送給下位機系統(tǒng)(2)，傳送完畢后，上位機系統(tǒng)(1)開始等待下位機系統(tǒng)(2)傳送回來的測量數(shù)據(jù)；⑤、下位機系統(tǒng)(2)接收到上位機系統(tǒng)(1)送來的測控參數(shù)后，開始驅(qū)動爬壁機器人在油罐表面上運動和測量，一方面，下位機系統(tǒng)(2)根據(jù)運動控制要求向電機控制器發(fā)送控制指令，使爬壁機器人沿著選定的測量路徑爬行，另一方面，在經(jīng)過測量路徑上的測量點時，下位機系統(tǒng)(2)向全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實時動態(tài)差分定位技術系統(tǒng)(3)發(fā)送測量指令，接收全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實時動態(tài)差分定位技術系統(tǒng)(3)的流動站實時測得的測量點三維空間位置坐標，并將測量結(jié)果通過無線數(shù)字電臺(二)、(一)傳送回上位機系統(tǒng)(1)，同時，測量結(jié)果還作為位置反饋參數(shù)參與機器人的運動路徑控制；⑥、上位機系統(tǒng)(1)不斷接收來自下位機系統(tǒng)(2)的測量數(shù)據(jù)，并將它們存儲在計算機中，直至所有選定的測量點全部測量完畢；⑦、數(shù)據(jù)處理，計算容積，首先，根據(jù)步驟6中已經(jīng)存儲在計算機中的油罐表面所有測量點的位置坐標，采用曲面擬合技術構作一張油罐真實表面的擬合曲面，擬合計算可以采用雙三次多項式樣條函數(shù)、雙三次B樣條函數(shù)、雙三次光順樣條函數(shù)等空間曲面的擬合方法，然后，對計算得到的油罐表面擬合曲面作積分運算，求得油罐容積，積分過程采用數(shù)值積分法，或采用形式積分；⑧、編制油罐容積表，將油罐各個高度截面下的容積計算結(jié)果進行必要的修正后，即可編制成容積表供使用，容積修正和容積表編制參照中國國家標準GB/T13235.1-91及GB/T 13235.2-91具體實施。
全文摘要
油罐容積檢測系統(tǒng)及標定方法屬于檢測技術領域。本發(fā)明系統(tǒng)主要由上位機系統(tǒng)、下位機系統(tǒng)和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實時動態(tài)差分定位技術系統(tǒng)組成,標定方法如下:1、選定油罐表面若干個均勻分布的測量點;2、采用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實時動態(tài)差分定位技術測出這些測量點在三維空間中的位置坐標;3、采用曲面擬合技術構作一張油罐真實表面的擬合曲面,并以此計算油罐的容積;4、計算油罐各高度下的容積;5、編制油罐容積表。本發(fā)明具有實質(zhì)性特點和顯著進步,標定誤差顯著減小,測量效率成倍提高,適用范圍廣,有利于實現(xiàn)容積標定過程的自動化,具有可觀的經(jīng)濟效益和實用價值。
文檔編號G01F17/00GK1373349SQ0211123
公開日2002年10月9日 申請日期2002年4月2日 優(yōu)先權日2002年4月2日
發(fā)明者奚漢達, 馬培蓀 申請人:上海交通大學