长油气管线泄漏遥测激光器位姿控制算法.pdf

第 l 0期 2 0 1 1 年 1 O月 机 械 设计 与 制造 Ma c hi n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 文章 编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 1 1 O 一 0 0 0 1 - 0 3 长油气管线泄漏遥测激光器位姿控制算法 刘克强王 瑞钟诗胜 哈尔滨工业大学 威海 船舶工程学院， 威海 2 6 4 2 0 9 Po s i t i o n a n d a t t i t u d e c on t r o l a l g o r i t h m f or l o n g - d i s t a n c e g a s p i p e l i n e l e a k a g e r e mo t e l a s e r l LI U Ke q i a n g， W ANG Ru i ， ZHONG S h i s h e n g H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y We i h a i ， S c h o o l o f N a v a l A r c h i t e c t u r e ， We i h a i 2 6 4 2 0 9 ， C h i n a l一 十d hl q、t N 十 q、 t d 1 t 1 t 、 t十 十4 q、 t十 十 1、 ‘ ， 1 t q、 t p q 、 t 1 p hl ■ ● q、 十 十4 1 ● q、 t q、 ‘ 【 摘要】 近年来， 我国管道运输蓬勃发展， 但管道泄露时有发生。基于光谱技术和 自然目 标散射 的激光气体检测技术具有灵敏度 高、 精确定位等特点， 但地 面移动承载平台移动速度慢 ， 难 以满足长油 气管线检测的需要。因此， 提 出了基 于空中移动承载平台的长油气管线泄漏检测方法， 该方法将检测激 光器搭载在空中移动平台上， 并通过 G P S 接收器和数字罗盘获取空中承载平台的位姿信息， 据此计算 出不同位置姿 态下串联机构两电机的旋转角度 ， 然后调整电机使激光束对准地面管道。最后通过仿真 验证 了该算法的有效性。 关键词 1 道泄露 ； 激光遥测； 姿态控制 ’ 【 Ab s t r a c t 】 ／ n r e c e n t y e a r s ， p ip e l i n e t r a n s p o r t a t i o n i n o u r c o u n t r y d e v e l o p s v i g o r o u s l y ， b u t t h e f o l l o w - i n g pr o b l e m ri t h pi pe l i n e l e a k a g e Q e n o e c l r s ． La s e r g a s de t e c t i o n b ase d o n t h e n atu r a l t arg e t s c att e r i n g a n d s p e c t r o s c o p y h as t h e a d v ant age s o f h i g h s e n s i t i v i t y ， p o s i t i o n a c c u r a c y ， e t c ． B u t t h e g r o u n d - l o ad p l at f o r m mo v e s t o o s l o w l y t o m e e t t h e n e e d s of t h e l o n g d i s t a n c e d e t e c t i o n ． T h e r e f o r e ， t h e me t h o d‘of l o n g - d i s t a n c e g as p ip e l i n e l e akage d e t e c t i o n i s p r o p o s e d b a s e d O n a i r - l o a d p l at f o r m， o n w h i c h t h e l a s e r i s b o ard e d ． Wi t h t h e fp o fG P S r e c e i v e r and d i g i t al c o m p ass t h e p o s i t i o n and att i t u d e oft h e air - l o a dp l at f o r m i s o b t ain e d ， acc o r d i n g t o w h i c h t h e m o t o r r o t ati n g ang l e of s e r i al m e c h a n i s m i n d if f e r e n t p o s i t i o n s and att i t u d e s i s c 一 c u l at e d ． T h e n t h e mo t o r s are adj u s t e d S O t h at t h e l a s e r b e a m c a n ali g n t o t h e p i p e l i n e ． F i n al l y t h e e ffe c t i v e - n e s s oft h e alg o r i t h m i s r e c t ifie d t h r o u g h s i mu l at i o n ． Ke y wo r ds Pi pe l i ne l e a ka g e； La s e r r e m o t e s e n s i ng； PO s i t i On a nd a t t i t ud e c o nt r o l 中图分类号 T H1 6 ， T E 9 7 3 ． 6 文献标识码 A 1引言 随着我国经济的发展， 油气管道建设进入了加快发展的高 潮时期， 全国油气管道总里程年均增加约 4 0 0 0 k m[1 ]。我国天然气 田主要位于西部偏远地区， 且管线多穿越山地、 沙漠等地质复杂 且灾害频发的地区， 造成管道事故频发。 同时， 下游用气城市建筑 密集、 人 口稠密， 使天然气泄露事故危害大， 影响恶劣目 。 现在多使 用的检测手段是需置入现场的传感器技术，该技术在长输管线、 天然气开发和城市供气管网等实际应用中由于传感器铺设数量 多、 经济投入大、 维护】 作困难、 可持续工作性差等原因越来越不 适用实际现场的需要。如今， 基于光谱技术和自然 目标散射的激 光气体检测技术具有灵敏度高、 选择单一、 精确定位等特点p _ 卅 ， 当 激光器对准泄露气体时通过接收的反射光谱的变化能检测出天 然气泄漏[5 1 ， 将其用于长输油气管道和城市用气安全监测有重要 的意义。但是地面承载平台移动速度慢， 不能满足长输油气管线 检测的需要， 而移动承载平台技术还不成熟， 因此， 基于已经开发 成功的C H ／ H S 气体检测仪的基础上， 研究、 设计和开发一套基 于移动平台的激光遥测系统， 为国内天然气开发和长输油气巡线 提供行之有效的高科技装备具有重要的意义。 2主要设计要求 主要内容是在移动的条件下， 基于 G P S接收器、 数字罗盘的 姿态控制机载吊舱控制激光检测装置扫描管线， 系统结构， 如图 1 所示 。 女来稿 日 期 2 0 1 0 1 2 2 5 -k 基金项目 国家“ 8 6 3 ” 计划资助 2 o 0 8 A A 0 6 z 2 0 8 图 1机载 吊舱总体结构 F i g ． 1 S t r u c t u r e o f a i r c r a f t p o d 1 吊舱箱体 2 ． G P S 信号接收机 3 ．数字罗盘 4 ．运动控制卡 5 ．两 自由度串联结构 6 ． 光束微调机构 7 ． 数字电台 8 辅 助设备 ， 如电源模块 ， r r k k ．{ 设计与计算 ． ， 』， 』 2 刘克强等 长油气管线泄漏遥测激光器位姿控制算法 第 l O 期 工作原理 飞行器沿天然气管线巡检， 激光器反射器安装在 两自由度串联机构上， 利用 G P S 信号接收机、 数字罗盘实时采集 飞行器的位置和姿态， 借助控制系统分析激光器和地面管道之间 的相对位姿关系， 计算出串联机构两电机的旋转角度 ， 调整 轴、 H轴转角， 从而使激光束粗对准地面管道。然后利用微调机 构， 使激光束沿垂直于管道方向做简单的“ S ” 型扫描动作， 扫描宽 度可调整 。 3控制系统设计 控制系统是整个系统的核心， 是完成检测任务， 达到快速响 应性和较高的检测正确率的关键。 主要任务是获取飞机载体坐标 和姿态信息， 通过数值计算， 调节吊舱控制转角使激光检测装置 对准待检管道 ， 克服飞机位置姿态的实时变化影响， 以及对泄漏 地点坐标的记录和泄漏量的读取。其结构框图及相互关系， 如图 2所示。 图2控制系统结构框图 Fi g ． 2 S t r u c t u r e o f c o n t r o l s y s t e m 3 ． 1串联机构转角调整算法 串联机构调整算法的任务是通过 G P S接收器和数字罗盘实 时读取吊舱位姿信息， 计算出两自由度串联机构的转角， 调整转 角使激光器对准管道扫描。 1 为实现此问题， 首先建立坐标系， 如图 3 所示。 l ， 图 3地球直角坐标 系 F i g ． 3 Gl o b a l c a r t e s i a n c o o r d i n a t e s y s t e m 此坐标系原点 O与地球质心重合， Z轴指向地球北极， 轴 指向赤道与格林尼治子午圈的交点 ， l ， 轴在赤道平面里与XO Z 构成右手坐标系。其中， 飞机 P点经度 A为所在经度圈与格林尼 治子午圈的夹角， 东为正； 纬度 为P点的法线与赤道平面之间 的夹角， 北为正。 建立坐标系后， 将飞机的经纬坐标转换为球坐标 X， Y ， z ， 如式 1 。 X N H c o s q c o s A ， Y N H c o s s i n A ， z l_ [ Ⅳ 1 H] s i n 1 式中 A 一飞机经度； 一飞机纬度； 日 一飞机海拔高度。 ， v 一 一 ， f V P点的卯酉圈曲率半径； V 1 12 s i n 2 e ‘ 旦 ，e 椭球的第一偏心率； 地球长半轴； 6 一地球 短半轴。 同时， 管道AB两端点 A、 B的经纬度和海拔高度已知， 将其 也换算为地球直角坐标系下坐标 ， y ， ， X ， Y ， 。 通过数字罗盘获取飞机的姿态 方向角 h ， 俯仰角P， 侧滚角 r ， 坐标系 ， y ， 2 为飞机姿态变化后的坐标系， 则动坐标系 ， l ， ， z 到坐标系 ， y 卅 ， 的旋转矩阵。 ／ 1 0 0 ＼ ／ c o s p 0 s i n p ＼ ／ C O S ／ “- s i n r 0＼ l 0 c 0 s h s i n h 1 0 1 0 J I s in r c 0 s r 0 } 2 ＼ 0 s i nh c o s h ／／ - s i n p 0 c o s p 0 0 1／ 因此动坐标系 ， y ， z 到地球直角坐标系的旋转矩阵 ／ c o s A s i n A 0 ＼ ／ c o s 0 s i n g ＼ ／ 1 0 0 1 T T T 2 s in A c 0 s A 0 } c o 1 0 I 0 e o ． s in h i ＼ 0 0 1 ／ ／ - s i n 0 c o s q ／／ 0 s i n h c o s h f c o s p 0 s i n p＼ ／ c o s t s i n r 0＼ 1 0 l 0 l 【 s jn r c 0 s r 0 J 3 ／ -s i n p 0 c o s p 0 0 1／ 2 求扫描向量及电机转角 飞机位置为 P ， 飞机吊舱到管道 A B的垂点就是激光需要扫 描的点 S ， 则在地球坐标系下扫描向量。 一 4 式中 的单位向量； 一 B X ～ ， Y B ， z B z A 1 、 ／ ‘ Y B - Y a Z B 所以， 的单位向量在飞机动坐标系 y ， Z 加 中的投 一 r 影 一m T - ㈦ 即 m 可以表示为 m ， ， 。 根据空间几何关系， 如图4 、 图 1 所示。可以得出 图中 光器相对于飞机轴线的转角， 即 轴电机转角， 则卢 ar ct an ； 光 器 上 下 扫 描 的 角 度 ， 即 日 轴 电 机 转 角， 贝 0 一 a r c c o s n 耵 图 4空间几何关系 F i g ． 4 S p a c e g e o me t r y r e l a t i o n 3 ． 2 吊舱所在管网区域识别算法 根据飞机坐标和管 网坐标数据库信息 ，自动定位 吊舱 正在 扫描的管网段， 为实时监控系统和串联机构转角调整算法服务。 首先判断当前管道的扫描方式扫描方式算法 管网某段起始点 经度差的绝对值大于纬度差， 就是经度扫描方式， 反之则为纬度 No ． 1 0 O c t ． 2 0 1 1 机械 设 计 与制 造 3 扫描方式。以经度扫描为例， 判断当前飞机经度坐标是否在管道 经度范围之内， 若否， 则飞机离开当前管道。 根据飞机经度坐标与 管道起始经度坐标比较， 判断飞机的飞行方向， 从而得出飞入的 当前管道信息。具体算法流程， 如图5所示。 图5吊舱所在管网区域识别算法 F i g ．5 P i p e l i n e i d e n t i fi c a t i o n a l g o r i t h m f o r t h e a i r c r a f t p o d 4系统验证 v C 提供了用于开发 Wi n d o w s 环境下的应用程序的简介、 快速、 使用的开发环境， 利用 v c 开发 Wi n d o w s 应用程序具有 很高的效率， 因此使用 V c 作为系统开发工具。天然气泄露检 测模拟系统界面， 如图 6 a 所示 ， 分为路径显示区、 3 D姿态显示 区、 泄露浓度图表区、 控制区。 将以上算法运用在天然气泄露检测 模拟系统中。 选取张村 李店段， 起点张村经纬O k N 3 7 ． 5 0 9 3 3 3 ， E 1 2 2 ．0 6 6 6 6 7 ， 0 ， 终点李店为 N 3 7 ．5 3 0 6 5 5 ， E1 2 Z 0 8 3 3 3 3 ， 0 ， 选取 6 个监测 点 P t N 3 7 5 0 9 3 3 3 ， E1 2 2 ． 0 6 6 6 6 7 ， 5 2 6 ．2 ， P 2 N 3 7 ．5 1 4 8 3 3 ， E1 2 2 ．0 6 4 6 6 7 ， 5 2 6 2 ， P 3 N 3 7 5 0 9 3 3 3 ， E 1 2 Z 0 7 1 4 6 7 ， 5 2 6 2 ， P N 3 7 5 2 4 8 3 3 ， E l 2 2 0 7 1 8 6 7 ， 5 2 ， N 3 ； 5 2 4 8 3 3 ， E 1 2 Z 0 7 1 8 6 7 ， 3 0 0 ， N 3 7 5 2 2 8 3 3 ， E 1 2 Z 0 7 3 8 6 7 ， 5 2 6 ． 2 。各点与管道的相对位置关系， 如图6 b 所示。 北 ‘ 丰 力 - ／ _． ／ b 图 6天然气泄露检测模拟系统运行界面 Fi g ． 6 Ga s l e a k d e t e c t i o n s i mu l a t i o n s y s t e m i n t e r f a c e 可以看出， P 。 位于管道的正上方， P 2 和 P ] 大体相对于管道 对称， P 4 在 P 5 正上方， P 6 较 P 4 更靠近管道。当飞机姿态角分别为 0 ， 0 ， 0 ， 3 0 ， 0 ， 0 ， 0 ， 2 0 ， 0 ， 0 ， 0 ， 一 3 0 ， 3 0 ， 2 0 ， 一 3 0 时 ， 在 检 测系统中获得各监测点的 轴和 轴转角， 结果如表 1 所示。 表 1 轴和 日轴转角计算结果 T ab ． 1 Th e r o t a t i o n c o n c l u s i o n s o f a x i s V a n d ax is H 注 表中计算结果前者为 轴转角， 后者为 日轴转角 分析以上数据以及图6可知 1 各监测点比较姿态角 O ， 0 ， 0 和 3 0 ， 0 ， O 可以发现， 后者 的 轴转角较前者大 3 0 。 ， 与实际相符。 当航向角为0 。 时， 位于管 道左侧的监测点 轴转角为负， 右侧检测点的 轴转角为正。 2 P 。 位于管道正上方， 当姿态角为 0 ， 0 ， 0 ， 其 轴转角应 为 O ， 仿真结果为 0 ．0 1 ； 姿态角 0 ， 2 O ， 0 时， 日轴转角较 0 ， 0 ， 0 时小 2 o o ， 符合要求。 3 P 2 和 P 3 大体相对于管道对称， 姿态角 0 ， 0 ， 0 时两点 轴转角的和接近 0 ， 符合实际。两者 轴转角之差大约在 7 O上 下， 因此当飞机频繁穿越管线时， 轴转角平稳， 没有过大角度变 化， 有利于转角的迅速调整。 4 P 4 在 正上方， 参考其相对管道位置， P 4 的 轴转角绝 对值应比P 的小， 比较两点同姿态角下的 轴转角， 仿真结果也 趋于此结论。 5 P 较 P 更靠近管道 ， 因此 P 的 轴转角绝对值应比P 点的小， 仿真数据也吻合这一趋势。 5结论 设计了激光器遥测系统的控制算法， 使激光器能实时对准 待检管道。通过对以上数据的分析 ， 可以看出其的仿真结果与实 际的情况相符， 系统实时陛好， 调整角变化稳定， 能够达到系统设 计的 目标 。 参考文献 [ 1 ] 蒲明． 中国油气管道发展现状及展望[ J ] ． 国际石油经济， 2 0 0 9 3 4 0 4 7 ． [ 2 ] 朱建华． 油气管道事故危险危害分析[ J ] ． 劳动保护科学技术 ， 1 9 9 8 ， 3 1 2 4 5 5 2 ． [ 3 ] A ． R O C C O， G ． D e N a t a l e ． A d i o d e l a s e r - b a s e d s p e c t r o m e t e r f o r i n s i t u m e asu r e me n t s o f v o l c a n i c g ase s [ J ] ．Ap p l y P h y s i c s ， 2 0 0 4 ， 7 8 2 2 3 5 - 2 4 0 ． [ 4 ] F ．D’ Am a t o ， P ．Ma z z i n g h i ．Me th a n e a n a l y z e r b ase d o n T D L ’ s f o r me a s u r e me n t s i n t h e l o w e r s t r a t o s p h e r e d e s i g n and l a b o r a t o r y t e s t S[ J ] ． A p p l y P h y s i c s ， 2 0 0 2 ， 7 5 2 3 1 9 5 2 0 2 ． [ 5 ] 樊宏， 等． 天然气管道泄露可调谐二极管激光遥测探测的研究[ J ] ．光谱 学与光谱分析， 2 0 0 6 ， 2 6 8 1 4 2 3 1 4 2 7 ． [ 6 ] 朱华统．不同大地坐标和不同空间直角坐标系换算公式及其应用[ J ] 解 放军测绘学院学报 ， 1 9 8 4 1 1 7 2 7 ．