（机械电子工程专业论文）管道检测机器人系统设计研究.pdf

摘要 我图石油管道五六十年代就铺入地下，经过这么长一段时间的使 用，并且石油篱道所处的环境恶劣，因此部分管段已经被腐蚀，管壁 交薄，强度交低，出现裂缝发生渣漏事故。管遂梭测机器人( 隰外一 般称之为p i p e l i n ei n t e l l i g e n tp i g ) 是目前国内外检测在役石浊管道的 主要采用的方式。目前，国外对管道检测机器人的研究已经到达一个 相当成熟的阶段，其中研制生产超声管道检测机器入的著名公司有 n k k 、p i p e t r o n i x 、t d w i l t i a m s o n 等。我国主要铱赖遂銎设备对在役 石油管邀进行检测，设备昂贵，检测费用商，所以往役石油管道检测 机器人的研制和开发非常紧迫，意义十分重大。 目前主要有两种检测方式：动态检测和静态稔测。动态检测：探 头盘荣饕若于个超声探头在石油管遂肉隧石i 窭的流动作旋转探测。静 态检测就是机器人本体装有嚣于个超声波探头，各个超声探头宣接向 石油管道管壁发射宽频超声波，又直接接收反射波。考虑成本和实际 价值，决定选用动态检测方法。 本课题是已经验竣合格黧家8 6 3 顼霜“在役洼管道捡测规器 人”后续工作的歼展，本课题主要针对适应中4 2 6 m m 管径机器人进 行设计，重点对于8 超声波探头电路设计。对于舱体外形、机械密封 等杌械部件进行了设计。对于数据采集系统和数据分析单元进行了初 探。这些工箨筠今爱实用化、系列化开发打下了蘸好豹基础。 关键词；管道检测机器人 4 2 6 m m 管径电路设计 a b s t r a c t t h ep e t r o l e u mp i p e l i n ew a sb u r i e di nt h eg r o u n df r o m1 9 5 0 si no u rc o u n t r y b e c a u s eo f u s i n gf o rs u c hal o n gt i m ea n dt h ep o o re n v i r o n m e n t ，s o m ep a r t so f t h e p i p e l i n ea l ec o r r o d e d ，t h i n n e r , a n de v e n c r a c k e d t h ed e t e c t i n gr o b o tf o rp i p e ( n a m e d p i p e l i n ei m e u i g e n tp i gi nf o r e i g nc o u n t r i e s ) i st h em a i n m e a n sf o rd e t e c t i n gp e t r o l e u m p i p e l i n ei nu s i n g i nt h i sr e g a r d o u rc o u n t r yl i e so i lt h ei m p o r t a n dt h ed e v i c ei ss o m e h i 啦p r i c e s o i ti sv e r y n e c e s s a r y f o ru st or e s e a r c ha n d d e v e l o p s u c hk i n do f r o b o t i nr e c e 畦t w od e t e c t i n gm e a n sa l ea v a i l a b l e ：a c t i v ed e t e c t i n ga n ds t a t i o n a r y d e t e c t i n g a c t i v ed e t e c t i n g ：t h ed e t e c t i n gp l a t e 试t 1 1al o to f d e t e c t o r si sr o t a t i n gu n d e r t h ep r e s s u r eo f t h ep e t r o l e u m s t a t i o n a r y d e t e c t i n g ：t h eb o d yo f t h er o b o ti sc a r r y i n ga l o to f d e t e c t o r s ，a n da l lt h ed e t e c t o r st r a n s m i tu l t r as i g n a l sa n dr e c e i v eu l t r as i g n a l s c o n s i d e r i n gt h e c o s ta n d v a l u e ，w ed e c i d e t ou s et h ea c t i v ed e t e c t i n gm e a n s t h i st h e s i si st h ef u l l e rw o r ko ft h ec h e c k e da n da c c e p t e d8 6 3p r o j e c to ft h e c o u n t r y , w h i c hi st h ed e t e c t i n gr o b o tf o rp e t r o l e u mp i p e l i n ei nu s e t h i st h e s i sc e n t e r s o nt h er o b o t u s i n gi nt h e 夺4 2 6 m m d i a m e t e r p i p e l i n e t h em a i n w o r ko f t h i st h e s i si s a b o u tt h ed e s i g no fu l t r a s o n i cc i r c u i tw i t l8d e t e c t o r s 。b e s i d e s ia l s od os o m ew o r k i n c l u d i n gs e a l sd e s i g n ，c a b i n sd e s i g na n ds oo n w h a ti sm o r e ，i a l s os t u d yt h e a n a l y s i sc e l lm a dd a t ap r o c e s sc e l l a l lt h e s ew o r k h a sl a i das o l i df o u n d a t i o nf o rt h e u t i l i t yw o r ka n ds e r i e sw o r ki nt h eh e a lf u f u r e k e yw o r d s ：t h ed e t e c t i n gr o b o tf o rp i p e l i n e 枣4 2 6 m md i a m e t e rp i p e l i n ec i r c u i t d e s i g n - l i 上海太学砸士研究墼毕业论文 垡；婪麓垒坠! 堂蕊嫠鹜整垡坠塑蔓叠l ￥! ! ；鹜x 第章前言 1 1 引言 管遥检涮机嚣久( 国外一觳称之为p i p e l i n ei n t e l l i g e n tp i g ) 8 楚蓉蘸 囡内外梭测在役石油、天然气等管道所采用的主袋检测工具。这种机器人自身 带有裣溺装置，可淤储存捡灏数攒，然嚣瓣掰裣溺的数攒传在线凌者离线楚毽 就可以得出管道受损的状况。 l 。2 梳器入发展历史黼鞠 “机器人”是存在于多种语畜葶文字的新造词，它体现了长期以来人类的一 种愿望，即创造璐一种像入一样的机器，以便能够代替入去进行备种工作“1 。 机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，两是综会了人的特长和机器特 长的一种籀入的毫子机械装置，瓯有入对环境状态的侠逮爱应和分析翔断能力， 又有机器w 长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它 逡楚税嚣瀚迸纯避程产秘，它是王鼗鞋及 产鲎赛的重要警产和瓣务性设备，恣 愚先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。机器人技术魑综合了计算机、控制 谂、穰穗攀、傣纛帮传感技零、入工餐戆、仿生学等多学攀萼嚣形袋麴褰耨技术， 题当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是个国家工业 蠡动纯基乎熬重要檬恚。 1 9 5 4 年，荑国人乔治德沃尔设计了第一台电子程序可编的工业机器人， 势予1 9 6 1 年发表了该顼机器人专利。1 9 6 2 年，美国万愁囊动让( u n i m a t i o n ) 公司的第一台机器人u n i m a t e 在美国通用汽车公司( g m ) 投入使用，这标恣着第 一代极嚣入静诞生。1 。1 9 6 7 年旦本率田公弼引进了沃萨特整枫器人，j | | 畸黧工弓i 避了尤尼梅特机器入，会圈工程公司、石j | l 赫播磨熏公司自行制造了工业机器人。 从此，机器人开始成为生活中的现实。- 从机器人诞生到本世纪8 0 年代初，机器 人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。 到了9 0 年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机 器人技术毽得至l 了飞速发袋。法黧静t 髂流体技术集团的带毒捺避轴自摄像辊 的电视监测系统，适用于彩种生产管道与排污管。h y t e c 有专门用于石化工业管 i i 耋豹内部诊新系列设备，霹爱于鸯径6 0 9 0 0 m i l l “不霄麓”警、稽翡内部诊断 以及上述篱道网络的内部修复此外。该公司还推出了一种用于小管径管道检测 静“微型魄援管道捡嚣系绞”，霹瓣察凌镪小至l7 n m 鹣繁道“。系统包搀：茨 水遥控彩色电子微型摄像机、电缆和遥控单元。所蕊己摄像机装有可用前灯补充的 强形灯头，特别逶予检蠢小壹径警遂豹蠹麓鞠。 1 3 国内外管道检测机器人的发展与特点跚。“”m n 上海大学硬士研究生毕业论文 t h ep o s g r a d u a t e t h e s i s o f s h a n g h a i u n i v 聃里! 1 3 0 0 m ，解决了收放线的控制问题和长距离强弱信号混传干扰等技术问题，其后， 又进行直径8 9 r a m 放腐蚀补口管道作业机器人的开发，获得成功。防腐补口作业 是油田实际生产中的一个难题，在旌工中为保证管线的接口处质量，要在管线焊 接后对管线接口进行补口作业，否则将影响管线的使用寿命。与此同时，开发出 能在8 0 1 0 0 m m 的管道内以最大行走的速度2 m m i n 进行前后蠕动行走的管道机 器人。该机器人的特点是采用了超截止行走方式蠕动行走机构。 1 4 课题研究的内容： 1 4 1 机械部分设计 总体结构设计，确定设计的方案。 零部件设计，主要针对局部重要零部件设计。 1 4 2 硬件部分设计 超声波电路的设计，以及实际应用电路中的硬件的设计。 1 4 3 软件部分设计 。 主要针对采集的数据设计相应的软件。 1 5 课题的来源及要求 1 5 。l 课题来源 本课题是已经验收合格的国家8 6 3 课题“在役石油管道检测机器人”的后继 工作，主要在总结已有成果的基础对管道检测机器人系统进行研究。对于机器人 各个部分进行设计研究。 1 5 2 课题要求 由于我国石油管道主要有两种规格巾3 2 5 m m 和巾4 2 6 m ，已验收的项目，主 要针对中3 2 5 m m ( 该成果国内首创) ，本课题主要针对巾4 2 6 m m 。 适应管直径：4 2 6 m m 工作温度：常温6 0 。c 检测距离：5 0 k m 行走速度： 1 9 0 4 ，现在我雷) 检测的管道直径为一标准 馕d = 4 2 6 m m , 凌经d = 4 0 6 m m 。瓒以p = 3 d = 1 2 7 8 m m 。 霪3 一l 壁袭忝魅摔转弯露靛豹示意强，赉嚣淡 3 躲_ l 蓑鬻求每带麓薅褰量 最大并邕能够顺利通过管道墩小的转角处，如暴囊裰穴。姗筒体的长度必须 褫夺。因魏我零3 强设该簿体必毽想豹灏拣箨，惑貉壁簿瑟篱豁容积静澎瞒我 耀汉构逢髂获爨数g ( x ) ： 麴3 - 1 程设籍搏长度菇l ，在镦如，蠢嚣书，a b m 三1 ，忽略壁器辩诗冀戆澎确， o l 么= r + d ，其中r = p = 3 d ，o l b = 4 d 可以褥出：o ) b 2 a b 2 + 。，a 2 将数据代入势健麓 上海大学砸士研究生毕业论文 t h e p o s t g r 堡丛墅堕丛竖碴笾s h a n g h a i u n i v e r s i t y ，：2 7 d 2 - 6 d d - d 2 ( 0 d d ) 其中： p 一转弯半径 d 一舱体的直径 d 一管道直径 ，一舱体长度 由圆柱体的体积v = 2 h 设舱体端面直径为x ，则可以建立关于x 的舱体体积函数 g g ) = 石等， 将( 3 - 1 ) 式带入( 3 2 ) ，并且注意到x = d 则有g g ) ；石荽厄f 丽( 0 x d ) ( 3 3 ) 其中d 为常数，我们可以在有效区域内( o x d ) 对上式求导 删： 筹瓜( 0 刚) m 卜习i 磊；苒万瓜【o q 刮j 令g ( x ) = 0 则一= - 5 8 d ( 舍去)x 2 = o 8 d 将x ，= 0 8 d 代入( 3 - 1 ) 、( 3 - 3 ) ，= 2 5 d g ( x 2 ) = o 6 3 d 3 取d = 4 0 0 m m ， 则舱体的直径d = 3 2 0 m m ，舱体长度l = 1 0 0 0 m m 此时舱体的长度尺寸1 ( x ：) 和体积大小g ( x ：) 值代表了理想情况下的最大所 能到达的体积时候的尺寸，根据实际情况考虑到管道的形状误差、焊缝、简体内 装的各个零部件尺寸大小等情况。 取d = 1 8 0 m m ，l = 6 0 0 m m 3 1 2 舱体壁厚计算“” 舱体厚度大小直接影响简体刚度、强度。舱体内压为常压，主要承受外压， 输油管道内压力一般为p 一 丝。 村 式中，m l ，受载垮方棂力矩( k 。璜) ： q 上r 负载均方根转速( r a d s ) ： 估算p 。后就可选取电机，使其额定功率p 。满足下式 名 初选电机后，一系列技术数摄，诸如额定转矩、额定转速、额定电匿、额定 - 1 5 - ! 坚q 嬲坠女a 麓登篓澄堡l 蔓6 鬃墼l 塑! 鹜艇 电流、转予转动惯量等等，均可由产品目渌直接焱的或经过计算求得。 4 2 电机的发热校核 在一定转速下，受载豹均方根力矩是砖弱服恕机处于连续工传避的热定额攘 对应的，因为电机的转矩与电流成正比，即 m lc 所以当负载力矩变动时，绕组电流i 是变动的，而发电机的发热量主要来自铜耗贮疋。 假定有一等效的稳恒电流，。，它在时间t 内产生的热詹q 与实际的变动电流在同一 辩润癌产象懿热鬣相等，辩 鲛= # r o t = i 执d t 刚 辑睁t 与等效电浚黠应熬等效转矮击秀 谢。= 廷疑秘 电机转矩且以应与攒算到魄枫轴上的负载力矩a 理乎衡，印五毛= 蛾，数 岭辱l t 醚：y m 故 m 。= 拱嚣 由此可见，负载的均方根力矩是与电枫的热定额棚对应的。 为校梭发热，要求电机的额定转矩肘，满足下斌： 艇。m z 此即发热校核公式。 4 3 转矩过载校核 转短j 妻载校核熬公式舞 ( 吖? ) 一( m 。) 一 上海太学硕士霹 究生毕韭论文 望；醚踅坠塑鲢l 望婴蝼坠堑塑 登! 坚强! ：! 一 两 ( 肘。) 一= 删， 式中，( m ? ) 。；折算到电机轴上的负载力矩的最大值； ( m ，) 。电机输出转矩的最大德( 过载转矩) ： 膨奄辊额定转矩； 五电机的过载系数。电机趔式不同，五值也不同：过载时 阔长愆不箴，名的值穗不同。爨体鼗馕最好向电视的设诗、翻造厂家了解。 对直流伺服电机，一般估取丑2 2 5 ：对于交流伺服电机，一般估墩 1 5 2 。 在转矩过载校核时需要总的传动比已知，方可将负载力矩向电机轴折算。 4 4 壹流电梳的转矩特性 直流电抠电压公式 u c = e 。+ lc r 。 t 4 1 、 式孛，t 邀枢绕缀静控锎彀篷( ￥) ： 疋电抠绕缀的控制熄波( a ) ： l 电枢绕组的反电动势( v ) ： 也电枢绕缀的总电阻( o ) ； 对反恕势畜 e o = k f q 。 式中， q ，电枢转速( r a d s ) ： 量f 电瓿爱邀动势常数( ￥s r a d ) 。 对转矩有 m 。= x q lc 式中，1 毫规转缒常数( n 。m a ) 。 由式( 4 1 ) ，( 4 2 ) ，有 ，：堡二生：暨= 竖璺。 如心 ( 4 2 ) ( 唾3 ) ( 4 4 ) ! 登麴避坠鹜缀互量壁垒皱翌垫至墅鹜l 述i 錾苎溅 一 一 将上式代入式( 4 3 ) ，得到 帆= 等瓯一警 汪5 ) 若令a 为信号系数，且 g ：监 u 。 则式( 4 。s ) 可写必 虬跏警警q ， 池e ， 当控制电压以等于激磁电压玑，即a = 1 且转速q 。= 0 ( 即起动状态) 时，由 式( 4 6 ) 得 甄= 蝇= 警 ( 4 i7 ) 式孛，m 。为q = l 瓣雩导起动转矩。 当a 一1 ，转矩j i 厶- - - - 0 ( 即空载状态) 时，得 卟卟惫 ( 4 8 ) 若令，为电机的阻尼系数，凰 ，= 警 ( 4 9 ) 刚式( 4 6 ) w 写为 掰。m a m 一舶。 ( 4 1 0 ) 4 5 电机转速的计算 石油蟥大流瀚速度l m s ，超声波探头赢径有两稀规格，d 。= 1 4 m m ，d 产2 0 m m ，现 以d ，= 1 4 m m 计算，能做到完全扫描不漏检的话，那么d 2 = 2 0 m m 更没有问题。如图 一l 所示蹩段餍汗的管麓，其中豹图形酝域表示肇个超声脉冲在管壁上产生无 数螺旋状捆描带。相邻两条扫描带的重复区域定为1 4 ，就会形成个连赏的扫 蘩羧。疆饕检测橇器天在被浏警遂嘲褥孬遴裁髓竞靛蘸整令管遂静检溺蠢不致瀑 检。 上海大学硕士研究生毕业论文 t h e p o s t g r a d u a t e 耵 e s i s o fs h a n g h a i u n i v e r s r r y 由于机器人本体在行进的过程中，探头还要作旋转运动，因此可以知道，对 单个探头而言，其声斑的扫描轨迹就是一条螺旋线。其螺旋角度为： b = a r c t g ( v 。nd ) 其中： b 一螺旋角 v 。一机器人本体线速度 u 一探头的角速度 d 一管道的内径 多个探头形成的轨迹将是数十条相互环绕的螺旋线，在实际显示图形时，我 们将管道设想沿纵向的剖面展开。这样，这些连续的螺旋线就变成了一系列斜线， 其相对于纵轴的倾角 第三周扫描第二周扫描 第一周扫描 图4 - 1 动态检测扫描区域重叠 4 6 电机功率计算“6 1 4 6 1 转动惯量的计算 转动惯量的计算公式： ， 圆柱体腰= g 2 9 r 2 式中：g 零件的重量( n ) g 重力加速度( 9 8 m s 2 ) r 半径( m ) j x 转动轴通过几何轴体的转动惯量( k g m 2 ) 短圆环j = g 2 9 ( r ? 一碍) 式中：r 。、r 广圆环外、内半径( m ) 上海大学硕士研咒生毕业记又 t h e p o s t g r a d u a t e t h e s i s o f s h a n g h a iu n i v e r s i t y 单位换算：1 k f f d s 2 m = 9 8 k g = 9 6 n 重要零部件转量计算如下： a 探头盘以实心硬铝估算：( 厂= 2 8 0 k g s 2 m ) ，视为短圆环。 转动惯量：j 。= 7 2 9 2 6 1 0 。5 ( k g m 2 ) b 防松套视为短圆环，以q 2 3 5 为材料估算：r = 7 8 6 k g s 2 m ) 转动惯量：j 2 = 1 9 2 5 x 1 0 。5( 酶t 1 1 ) c 前轴承内环 转动惯量： = 1 3 9 1 0 ( 磁。m 2 ) d 后轴承内环 转动惯量：j 。= 7 0 9 1 0 - 5 ( 磁m 2 ) e 主轴，其形状为中间有0 1 6 r a m 通孔的阶梯轴，材料：4 5 # 转动惯量：以= 8 1 7 7 x1 0 - 5 ( k g m 2 ) f 高压密封件动环部分的转动惯量 转动惯量：以= 7 9 3 8 1 0 一( k a - m 2 ) g 导电滑环，可以视为钢件，根据其外形尺寸计算： 转动惯量： = 1 1 0 6x 1 0 - s ( k g m 2 ) h 锁紧螺母转动惯量 转动惯量：j 8 = 4 1 1 0 一( g g 州2 ) 经计算，总转动惯量为： ，总= 工= 1 0 4 5 3 5 x 1 0 一( k g m 2 ) 4 6 2 驱动力矩的计算： m = m 。十m ， 一 其中m 眦，表示负载启动时，折算到电机轴上的加速度力矩，m f 表示折算到电机 轴上的摩擦力矩。 4 6 2 1 负载启动时折算到电机上的加速度力矩 m 。= j 甩( 9 6 t ) 1 0 。 ( n m ) 其中： 上簿丈举硕士研咒生毕业论支 嫂! 盟塑g 必! 丛! 廷殛堡呈望鲤燧! ! 坠! 则! 堡堕堕 j 一撰算瓣邀撬辕上瑟转动镁量，痤包括毫裰转予匏转动溪量豇积受载手厅算 到轴上的转动惯量，在未确定电机型号前，不知道电机转予的转动惯量 暂辩忽路。主要以负载转动髅量j 善一1 0 4 5 3 5 ) ( 1 0 ( k g 州2 ) 代之，虽 定于电机传动比i = l 计算加速度力矩。 n 一转速( r i m i n ) t 时间常数 懑n = 3 5 0 r m i nt = i ( s )计算褥瓶。产o 3 8 ( 辩孺) 4 6 2 2 摩擦力矩的计算 a 。动力耱疫弘计算 课题设定油温在常漱6 0 c 之间变化，重油在l o c 时、重度为9 3 1 k g m 2 ， 运动穗瘦v = 2 5 0 0 m m s 甏在4 0 跨，v = 1 5 0 r a m 2 s ，又p = 9 0 7 2 9 3 7 8 k g s 2 m 奚，运动赣发= y + p = 2 5 0 0 x 9 3 7 8 x l o q = 0 2 3 4 5k g s m 2 b 摩擦力矩计算 氛褫赢压密瓣停密封形式为端萄密封，其动环与静环处摩擦力矩软溺心 圆柱形间隙中旋转剪切流动摩擦力矩计算： m 密= 4 z + 国( 干一乎) ，( 千+ 孝) 计算结果为m g = 8 9 。4 x1 0 - 2 ( n 丑1 ) 0 型圈密澍处摩擦力矩估算： m ，= 嚣f _ d 2 其中：d 一轴径( m ) 卜一辘露竭方淹萃位长度豹摩擦力( n m ) ，热簿对致器国。3 - , 0 ，5 ) 1 0 2 ( n m ) 窍两处0 型匿密裁处，辘经d 产0 。0 6 md 2 = 0 。0 3 5 m 靠= 石+ f + ( d l + 吐) 2 = o 5 ( n m ) 冀外，滚动轴承謦擦力矩，圆环摩擦力矩都很小，计入效率叩内，取刁= o 9 m = 彭纛+ m o ) v = 1 。5 5 ( n i n ) m 苴2 l 以。+ 0 ；1 9 3 ( n i i i ) 驱动功率n = 如- ( 9 5 5 0 叩) o 1 ( k w ) n 一逢瓿静转速，联n = 3 3 0 r m i n 上簿大学碗士研嚣生毕业j 文 ! 堡! 箜! g 魑堕! 盟! m 墅堡篓嫩! g 坠! 必! y ! 坠! 旦 电机的型号：1 0 0 s y 永磁直流电动援。各项技术指标；额定电压3 6 v ，额定 转矩2 n m ，额定转速3 3 0 r m i n ，额窳电流釜3 a 4 7 本章小结 电机转速的大小决定了探头盘，也就决定了扫描的速度，本章主要阐述了直 流嘏机的选取基本琢刚。在实际应爝中，我们要先求功率，先算转动惯量，褥求 力矩，根据公式： n = m 总n ( 9 5 5 0 - r ) 。 转动惯最主要计算了：探头盘、防松套、前轴承内环、后轴承内环、主轴、 赢艨密封件动环部分、导电浮环、锬紧螺母簿零部传浆转动撰量。 力矩主鼹计算了负载启动时折算副电机上的加速度力矩和摩擦力矩。最靥计 算功率为0 1 k w ，取转速为3 3 0 r m i n 。 上海大学硕士研究生毕业论文 ! 盟! ! i q 丛q 坐望型竖竖盟坠! q 坠! 型! 坚! ! ! ! ! 一一一 第五章数据采集系统设计 5 1 信号采集原理。利 信号是包含( 或表示) 信息的时间或空间函数，信号是物理量，因而信号的传 输、存贮和处理必须借助子物理设备才能实现。这些传输、存贮和处理信号的设 各总称为系统。具体地说，系统是由各个不同的单元按照一定的方式组成并能完 成某种任务的整体的总称。系统所完成的任务从抽象的观点看就是传输、存贮和 处理信号，所以系统的组成、特性应该由信息和信号决定。 在机器人管道检测过程中机器人与外界完全隔离。为防止管道内的油液渗 入，机器人的电气部件被密封在高气压的密封舱内。机器人不仅要自动探测搜集 管道的各种信息，而且还要将这些信息存储起来以供后续的分析。检测机器人的 数据采集系统原理如图5 - 1 所示。 图5 一l 普通数据采集系统 图5 一l 中传感器是机器人检测输油管道状况的直接部件。目前。探伤传感器 主要有两类，一类是漏磁检测传感器；另一类是超声波传感器。前者易于小型化， 因此对于小孔径的管道探伤尤为适用：后者具有较高的分辨力和探伤有效性，对 于由金属疲劳、应力作用等引起的金属裂缝的检测十分有效 信号转校部分完成模拟信号至数字信号的转换。传感器送出的是模拟信号， 为让后续部件存储、处理和分析这些信号，先要将其转换成数字信号 数据存储部分用来保存采集到的数据。目前，常用的存储设备是磁带机。检 测机器人在管道内行进过程中会遭受剧烈震动。要求其所有部件都具有足够抗震 动性能。数据存储部件也不例外。所以，数据存储部件必需同时具备高存储容量 和优异的抗震动性。基于这些原因，磁带机成为普遍选用的存储器件。此外，快 闪存储器也正逐渐被采用 数据分析部分是独立于机器入的后续工作，在机器人完成管道扫描后进行。 在条件较好的计算中心，通过对数据存储部件上保存的检测数据作深入细致的分 析。确定管道损伤的类别、形状和位置。数据分析的核心是基于若干运算公式的 分析软件包。 5 2 数据采集系统的技术难点乜”乜刚 上海大学硕士研究生毕业论文 t h ep o s t g r a d u t e t h b s i so fs h a n g h a lu n i v e r s 盯y 输油管道检测机器人分析探伤数据采集系统的技术难点：管道受损伤的因素 有地表运动、外力的机械损伤、腐蚀及应力作用等。这些因素造成的损伤表现为 管道的扭曲、变形、管壁的金属剥落及裂缝等，管道的扭曲、变形情况通过探测 油层圆切面的形状变化来获得，而油层切面的形状可用各点的径向油层厚度来反 演得到；管壁的金属剥落和裂缝则可用管道上各点的管壁厚度数据( 在裂缝处， 其实是被探测点的管道内表面至管壁内的声波反射点之间的厚度，而非实际的壁 厚) 来分析得到。因此，需要收集管道的油层厚度和管壁厚度两种数据。我们选 择了超声波传感器作为探头，这样，只需一次扫描，就能同时得到管壁厚度和油 层厚度两种信息。与此同时，另一类很重要的数据定位信号也需要记录保存。 定位信号有两种，一种是机器人的行程定位信号，用于确定检测机器人在管道内 的位置：另一种是机器人的角度定位信号，用于确定传感器所处的圆周方位角。 这两种定位信号与上述探测数据( 油层厚度和管壁厚度) 结合在一起，共同推算出 损伤发生的情况及发生的具体位置。行程定位信号的获取已有很多有效的方法。 但是，关于精确的角度定位信号的获得，一直没有较好的方法。 此外，还有一些辅助信号( 如温度等) 需要一并加入到采集数据内。这样，在 传感器探头的每次扫描中，都有多个数据需要采集，采集的数据量是非常巨大的。 假设研制的检测机器人的分辨力为2 m m ，即沿管壁圆周每隔2 m m 扫描一次，为提 高检测速度，在机器人头部沿圆周均匀放置8 个探头使其同时工作，每个探头只 需扫描n 4 t a d ，就完成了整个圆周团面的扫描，大大提高检测扫描效率。但是， 机器人在获得高检测速率的同时，对后续的数据采集系统的数据处理和存储速度 也提出了更高要求。 5 2 1 数据采集量 一个分辨力为5 、探头每次扫描得到的数据为q ( 单位为b i t ) 的探伤机器人， 检测直径为d 、总长度为l 的输油管道，通过推导可得到整个检测过程中所采集 到的数据总量c 为 c = 了z d i l qss 式中一口俗一每个圆周切面需探测扫描的点数 俗一管道纵向所需探测扫描的次数，即圆周切面数 在系统中，我们分配给管道壁厚的数据长度为8 b i t ，这样，对于壁厚为2 5 m m 的管道，其壁厚的探测误差可控制在0 1 m m ；同时，考虑到油层厚度较厚，因而 分配给油层厚度的数据长度为1 2 b i t ，这样，对于管径为0 8 m ( 半径为0 4 m ) 的 输油管道，其油层厚度的探测误差也可控制在0 1 m m 以内。此外，定位信号及温 度信号等数据由8 个探头共享因而，平均到每个探头为4 b i t 的数据长度，因 此每个探头每次扫描得到的数据量仁- - 2 4 b i t 。 为了便于计算，假设采用该检测机器人( 分辨力为0 0 0 2 m ) 对一条直径为 上簿大学坝士研冗生毕业论文 ! 竖箜i q 坠匹丛! i h 望竖业坠盥坠! 型! ! ! b ! ! 1 0 5 m 、总长为1 0 0 k m 的输油管道进行探测所得到的数据总量为： c ：型堂1 0 0 x 1 0 0 0 2 4 ：9 4 2 ( g b i t x x 1 o = 一_ = 一o j 0 0 0 20 0 0 2 由上式可见，数据量是十分巨大的，要实现这样大的数据量的存储是十分困 难的。更何况由于受到管道内空间的限制，管道探伤机器人在结构上必须非常紧 凑并具有高集成度，所以，分配给存储器的空间相当有限，这更加制约了数据存 储器的存储容量。因此，检测机器人存储容量的有限性与巨大的管道探测数据量 之间的矛盾变得十分突出。成为数据采集系统实现过程中的一个难点。 5 2 2 数据处理速度 一个分辨力为s 、前进速度为v 、探头每次扫描得到的数据为q 的检测机器 人，检测直径为d 、总长度为l 的输油管道。通过推导可得到数据采集系统的数 据处理速率r 为： 且：生一v d ss 一 式中 侈一每秒需探测的圆周切面数 将前面的从s 、口的值代人上式，机器人的前进速度v = 0 5 m s ，则有 r ：型生王2 4 ：4 7 1 ( m b i t ，n 0 0 0 20 0 0 2 。 可见，对数据采集系统的数据处理速率的要求很高。而且，由于传感器上 的1 6 个探头是并行工作的，8 组探测数据同时送出，因而。数据采集系统的 实际处理速度应比上述计算值还要高出许多这样高的数据处理速率成为又一技 术难点。 5 2 3 角度定位 机器人在管道内行进过程中很容易发生围绕轴心的旋转运动。一旦发生这 种旋转。就会使得检测信号中的角度数据与实际方位角度之间发生偏差，从而使 最终的数据分析在方位的确定上产生误差。因此，如何得到一个不受机器人自身 旋转运动影响的准确的角度定位信号，也是很值得研究的 5 3 实现方法口“ 为解决上述技术难点，我们对图5 - 1 系统作了改进( 图5 - 2 ) 。图5 - 2 数据采 集系统可进一步细化( 图5 3 ) 。 图5 - 2 实际数据采集系统 上海丈攀磁士研究垒肇蛙论盘 一 璐致避坠盥擞鲨竖鎏簸堇篓必堡程型越l 一 数据l 燹鲶毽数据存储 匿5 3 数据深燕系统细纯商蠢 5 。3 1 数据存秣餐霪熬解凝方法 e 较图5 2 与鹜5 - i 霹爱瑗。在僚号转凌毒数据存德之鞫增翔7 一个耩静硗 裁都箨数据颈怒疆。损伤的管遵往钱莰占被检管遂懿一夺都分，这样，崔铸 感嚣接集的原始数撂孛，没有疑点懿数撂蠢了大部分，缀霪然，如果把这些浚毒 疑娠瓣数据食赛，款_ 扶投大程发上减少数纛存储量。遴过分爝攘涮原瑷懿， 撵滔滚屡箨壤瓣瓣鹣燕魏了褥裂黪遴嚣斌仞蘸豹变形数据。鞭越，最终嚣簧瓣绩 惑是番探测患载油层殍度与标准油鼷厚廉( 露营道来变形时瓣油层厚度) 之阏戆 熬馕。如果，鞋保存差壤嚣l # 绝对的瀵骚殍发。裁可避一步摄，j 、数撵存储量。綦予 以上思想，引入了数攒蘸处理。在数据被蠖终存锗之前，数撂预处理部分先对其 邋褥期步分板。瑕热数掘没有疑点，魏被金赛，最终哭镰露肖疑点的异鬻数据。 数据预处理还将傣号转换部件送嫩的1 2 b i t 油层厚度数据压减为8 b i t 的油艨傣 蓑数撵。邃秘方法健褥最终被存储垂奄数摄穴瞩度减少。魏榘篱遒巾静损伤分穗概 率为l 1 0 0 ，则掰该方法处理后，实际的数据存储爨0 交炎： c = 丝2 2 0 1 0 04 z 7 - 8 5 ) 2 4 、7 可觅，存储纛辫低到一个相遗低瓣数璧缀，其实瑗裁燮褥魄较容易7 。 5 。3 。2 数据娥理遮度豹然决方法 扶图5 - 3 可融，8 组搽头扫掇壤号、定位信号及温度蕊号等怒戡并行懿方式 送蹬麴，因此，要窳荬看的数据采集系统其鸯缀高的数攒收集速率。为了与这些 并髫信号豹传递速率摆匹配，在数嚣颈处遴部件救输入端设嚣一高速的数据缓存 ( 鞠5 - 3 ) ，暂对存放来经疑理的原始数据。祷一次检测完成螽，茅g 翔下一次稔测 泰汗始前的空隙时间进行数攘预处理并将处瑷后的数据遴往厩续的存储部件。 在嚣5 - 3 弱数据袋集系缭孛，我们弓l 入了一个关键都箨潮步定瓣系统。 为实现穰高的数撂处理速度，数据采集系统豫了采用高速器件戳穗商运行处瓒速 藏补，还要充分翻蠲萄被使用的时间空酴，关键楚使系统靛番罄释在同步的藏提 下实现分时工作。分析僚感嚣工作原溪可知，传感器的数据聚集释传递在时丽上 鬟海突发瞧。在撵头采集信号的辩瀚羧蠹，多缝探头搽浏数摆嚣辩产生秘送疆， 上海大学硕士研究生毕业论文 t h ep o s t g r a d u a t e t h e s l s o fs h a n g h a l u n i v e r s i t y 而在这之后到第二次采集之前的相当长的时间段内，系统空闲下来。如果利用这 一段空闲时间进行数据预处理和数据存储，将原来集中的数据采集和数据处理 分散在不同的时间段内进行，就可以较大幅度地降低对数据采集系统运行速率的 要求。尤其能有效地消除数据预处理部件在信号处理速度上的瓶颈，避免可能发 生的数据溢出和数据丢失现象，从而显著提高整个系统的数据采集能力和可靠 性。 ( a ) 数据预处理流程图 j 接受存储数据 j 入 结束信号 ( b ) 数据存储 图5 4 预处理流程图 要实现数据采集、数据预处理和数据存储的分时进行，就要使系统的各个部 件协调一致，准确地工作在相应的时间段内。这是依靠同步定时系统来完成的。 传感器在每次探测的开始，发送一同步信号至同步定时系统；在一次探测结束， 再发送一同步信号至同步定时系统。同步定时系统依据这两个信号，周期性地产 上海大学硕士研究生毕业论文 t h e p o s t g r a d u a t e t h b s l s o f s h a n g h a i l n q l v e k s i t y 生数据采集同步信号和数据预处理及数据存储同步信号，控制相应功能部件的工 作，从而准确地实现各部件的分时工作：数据预处理和数据存储的分时工作流程 分别如图5 4 的a 和b 所示。 5 3 3 角度定位的解决方法 角度定位可采用两种方法。第一种方法是用霍尔传感器来定零位。每当机器 人开始采集数据前，我们以一定的方式使装有探测器的转轴相对于管壁旋转。待 探测到零点后。扫过零点几度，再逆向返回零点。这样可以基本上决定零点的位 置( 图5 - 5 ) 。当霍尔传感器与磁铁中心对准时，就是我们所要的零位。若要求零 点定位精度比较高。可进一步改进软件设计，以消除齿轮等其它机械传动部件带 来的误差。在启动前，先使转轴相对于管壁上的磁铁作逆时针转动，转过零点后 再以顺时针转动并返回到零点。这样的零位定得较准。相应的驱动程序也较复杂。 这种方法的缺点是机器人在管道内行进过程中，必须定时监视零位信号，一旦检 测到偏差，必须自动调用零点恢复程序以重新决定零位，对于实时监视实际的角 度不太方便。 二= 一磁铁 霍尔传感器 图5 - 5 霍尔传感器定位示意图 另一种方法是采用低精度的光纤陀螺或激光陀螺。陀螺在装到机器人上时先 校正好零位。在机器人行走中若零位偏移，只要根据陀螺输出信号的大小就可测 出它偏移零位的大小。上海航天局8 0 3 研究所研制的速率积分型光纤陀螺可满足 机器人角度定位的基本要求。显然，根据定位的精度，可选用适当精度的陀螺以 降低系统成本，井获得较好的性能价格比。目前，国内许多单位研制的光纤陀螺， 包括上海8 0 3 研究所研制的光纤陀螺，尽管能适应目前的应用要求，但价格较高。 所以我们选用前一种定位方式。 采用霍尔传感器角度定位方法，可较精确地确定管道损伤所在的圆周方位。 当需要对细小的管道损伤进行修补时，这种方位角度的确定十分有用。但如果采 取截去损伤管段的方案，则不需要精确确定损伤的方位角度，可省去上述角度定 位过程，降低系统的成本。 上海大学硕士研究生毕业论文 t h e p o s t g r a d u a t e t h e s i s o f ! h 趔q 堂l 丛l 婴堕i 卫1 5 4 数据采集的重要指标 检测数据的采集是管道探伤的核心，数据采集的性能决定了探伤性能的好 坏，两者间有如下关系 数据采集速度= k 1 探伤分辨力探测速度数据 存储容量= k 2 探伤分辨力探测长度( 管道长度) 式中k l ，k 2 比例系数 因此，数据采集速度和数据存储容量不仅是数据采集系统的技术难点，也是 数据采集系统的两项核心指标。 5 5 技术改进与提高方法： 5 5 1 提高数据采集速度的方法 从当前的技术状况来看，可以从两个方向提高数据采集速度，一是系统优化， 二是器件优化。 ( 1 ) 系统优化系统优化是从系统的结构设计和工作机理方面人手进行优 化。上述同步分时工作是方法之一。此外，还可采用并行处理技术。在数据预处 理部件等发生速度瓶颈的地方，采用多块并行处理模块同时工作，以提高总的数 据处理速度。 ( 2 ) 器件优化器件优化也是一种行之有效的方法。可选用高速率芯片来提 高绝对的运行处理速度：也可采用高速数字信号处理( d s p ) 器件来有效地提高系 统的数据处理综合能力和速度。 5 5 2 提高数据存储容量的方法 在机器人有限的内部空间中，留给存储器的空间也十分有限，因而存储器的 容量扩展受到体积的限制。这样，寻找在有限空间内提高存储量的方法就变得很 重要。提高存储量可从以下途径考虑： ( 1 ) 数据压缩处理在数据存储前，首先进行压缩处理，以减少所要存储的 数据量，从而等效地提高数据存储容量。上述数据预处理就是一种有效的数据压 缩方案。预处理后，如果再结合所探测的数据性质和压缩算法进一步压缩数据， 则可更大程度地降低数据存储量。但这时对数据压缩的运算速度有较高要求。 ( 2 ) 新的存储器件的运用目前，除磁带机外，其它类型的存储器件也正逐 步显现其使用价值，如以快闪存储介质构造的存储器件片式闪存( 0 0 c ) 和模块式 闪存( d o m ) 。与磁带机相比较，d o c 和d o m 具有更高的单位体积存储容量、更高 的可靠性和更好的抗震动性能等优点，且与系统的兼容性更好，如可直接采用小 型计算机系统接口( s c s i ) 驱动d o c 和3 0 m ，使存储过程的数据传输速率大大提高， 节约了时间。不足之处在于，目前d o c 和0 0 m 的价格仍然较高，但是其价格也正 逐步下降，估计不久将会被大规模采用。 上海大学硕士研究生毕业论文 ! 墼! ! ! ! 鱼坠2 女盟e 型墅堡业些m 壁鳞业! 塑! ! ! 型 5 6 本章小结 本章首先讲述了数据采集系统的基本原理，比较了一般数据采集系统和本系 统的不同点，提出了该机器人系统采集的难点与重点，提出了改进方法。 本章特别提到了如下几个问题及解决办法： ( 1 ) 本机器人系统数据采集量大，针对这一问题，文章提出了增加一个预处理环节 的解决办法。预处理中，对于没有疑点的数据，我们舍弃，我们只处理有疑点的 数据，这样就大大减少了工作量。 ( 2 ) 针对数据处理速度要求比较高的问题，文章提出引入了一个关键部件同步 定时系统的办法。目的也就是将原来集中的数据采集和数据处理分散在不同的时 间段内进行，就可以较大幅度地降低对数据采集系统运行速率。 ( 3 ) 角度定位问题的解决，第一种方法是用霍尔传感器来定零位：采用低精度的光 纤陀螺或激光陀螺。由于前者价格便宜，决定采用前者。 ( 4 ) 最后提出了提高数据采集速度的方法和提高数据存储容量的方法。 上海大学硕士研究生毕业论文 t h e ：p o s t g r a d u a t e t h e s i s o fs h a n g