管内移动机器人定位技术与定位系统优化研究

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1、万方数据高技术通讯2010年第20卷第ll期：1167～1172doi：10．3772／j．issn．1002-0470．2010．11．012管内移动机器人定位技术与定位系统优化研究①齐海铭②。叶金蕊”张晓华。陈宏钧’(’哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院哈尔滨150001)(”北京航空航天大学材料科学与工程学院北京100083)摘要研究了管内移动机器人的管外定位技术，采用甚低频电磁脉冲突破了金属管壁对电磁信号的屏蔽作用，实现了管道内外的信息传达。建立了地下管道环境中甚低频电磁场的分布模型，并分

2、析了环境几何参数、电磁参数及发射频率对管外检测信号强度的影响。将甚低频电磁发射系统简化为磁偶极子模型，基于传感器阵的信号检测及磁场反演计算方法，实现了管道机器人的位置跟踪与准确定位。提出了发射线圈结构的优化设计方法，有效降低了采用磁偶极子磁场替代发射线圈磁场的相对误差。通过现场实验验证了甚低频电磁脉冲的穿透性能和定位技术的有效性。关键词管道机器人，甚低频，定位，磁偶极子，优化设计0引言我国在役长距离油气管道总长约两万公里，其中相当一部分始建于20世纪60年代，经过几十年的运行现已进入事故多发阶段，

3、管道工程中腐蚀穿孔、泄漏污染、堵塞爆管等恶性事故时有发生，需要定期对管道进行检测与清理。随着超声技术、漏磁技术和涡流技术等无损检测技术的发展以及各类清管设备的产生u．3J，管内移动机器人装置开始应用于管道的定期检测与维修工程HJ。机器人在管道内部运行时，通过自身携带的仪器设备检测管道内壁，当探测到管壁缺陷或机器人运行出现故障时，管外人员需要知道机器人在管道内部的准确位置，以便快速准确地排除故障、恢复生产【5J。因受现有通讯设备与定位技术的制约，管道状况多数难以确定，往往造成模糊开挖、盲目报废，严重

4、浪费资源。由于金属管壁对常规无线电信号的强屏蔽作用，使得地下管道内部与外界环境的通讯以及对管内检测设备的实时定位成为管道工程中亟待解决的难题。传统的定位方法多采用穿透性能较好的射线源(如x射线蚓6)方式，然而其较强的放射性能会严重污染生态环境，尤其不适用于海底管道工程。鉴于甚低频电磁脉冲对金属、土层、海水等介质具有良好的穿透性能，可被广泛应用于舰艇通讯、地质勘探及目标定位等领域[7-9]。管道工程中存在泥土、岩石、水、金属管壁、输送原料及空气等多相介质层，对于甚低频电磁场的分布模态可以从理论建模与

5、数值计算两方面进行研究。在磁性目标体的定位及状态测定应用中，磁偶极子模型被广泛应用[恤12J。当检测距离远远大于目标磁体几何尺寸时，该目标可以看作磁偶极子。然而，在多数实际位置探测应用中，对应用理想磁偶极子模型的可行性和相对误差的大小，以及探测距离、目标体几何结构与尺寸对相对误差的影响，并没有进行量化分析，结果导致定位精度较低或定位失效。本文报道了主要针对基于甚低频电磁脉冲与多传感器信号检测的管内移动机器人定位技术和甚低频电磁发射系统结构的优化设计方法的研究，以及通过工业现场试验对定位技术与定位系

6、统进行的验证。1管道机器人的定位原理1．1定位系统描述管道机器人定位系统如图1所示，在此系统中，甚低频电磁激励源、无损检测装置、中央控制器和电池等设备被连接到管道机器人载体上，随机器人一起在管道内部运行，各设备之间依靠CAN总线进行①863计划(2006从042205)资助项目。②男。1983年生，博士生；研究方向：管道机器人运动控制与示踪定位技术；联系人。Bmail：qhm0318@126．嗍(收稿日期：2009--08．14)一1167—万方数据高技术通讯2010年11月第20卷第11期通讯。

7、无损检测装置提取管壁的状态数据并进行实时分析，可以快速判断管壁的腐蚀状况；中央控制器协调并监控所有设备的工作状态；甚低频电磁信号穿透金属管壁、土层、海水等介质进入空气层，利用车载或船载传感器阵搜索、接收电磁信号，经过滤波放大后传输到计算机软件系统进行管道机器人的位置计算[5}。图1管道机器人定位系统1．2磁偶极子定位模型考虑如图2所示的管道埋藏环境，各层介质的电磁参数分别为(ef，∥l，orf)(i=1，2，3，4)，￡f为介电常数，卢f为磁导率，吼为电导率，各层介质分界面至管道轴线的距离为0(-

8、『=1，2，3)。极坐标系下空气层中的观测点为P(r，≯，：)，从Maxwell方程出发并考虑各层介质的边界条件限制[9]9，建立空气层中磁场强度日。i，分布的完整模型为f总血=一券j。balr(m)X4Ko(”)c。s(mz)dm【日rair：一券『．：嘁r(m)Kl(Ⅲ)sin(mz)dm(1)其中b。；，(m)可以由初始激励条件和边界条件求出，K(菇)(i=0，1)为i阶第二类修正Bessel函数，菇4=(m2一∞2口4￡4一jo,／M4d4)耽，∞为激励电流角频率，M_．7