管道清堵机器人电磁定位系统.pdf

第 4 2卷 第 6期 2 O 1 6年 6月 工矿 自 动 化 I n dus t r y a nd M i ne Au t oma t i on Vo 1 ． 4 2 No ． 6 J u n ．2 0 1 6 “ ’⋯’’ i 科研成果 ． 1 ◆ _u ． ⋯ ． _ ◆ 1◆ 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 6 0 0 0 1 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 6 ． 0 6 ． 0 0 1 魏明生 ， 童敏 明， 张春亚 ， 等． 管道清堵机器人电磁定位系统E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 6 1 - 4 ． 管道清堵机器入电磁定位系统 魏 明 生 。 ， 童敏 明 ， 张春 亚 ， 夏静。 1 ． 中国矿业大学 信息与电气工程学院，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ；2 ． 江苏师范大学 物理与电子工程学院 ， 江 苏 徐州 2 2 1 1 1 6 ；3 ． 南 京理 工 大学 机械 工程 学 院 ，江苏 南京 2 1 0 0 9 4 摘要 介绍了管道清堵机 器人的定位原理 ， 依据磁偶极子模 型分析 了管道外极低频 电磁信号的分布规 律 ， 建立 了管 道 清堵机 器人 一 维定位 方 法 ， 并设计 了管道 清堵 机 器人 电磁 定位 系统 。 实验 结 果表 明 ， 该 系统 可 以 实现 对机 器人 的有 效 定位 ， 当接 收 天 线 分 别 以 5 m／ s和 1 0 m／ s的 速 度 移 动 时 ， 定 位误 差 范 围分 别 为 一 2 O ． 7 ～ 1 9 ． 8 c m 和 一2 4 ． 3 ～2 7 ． 1 e m， 完全 满足 工程 的精度要 求 。 关键 词 机 器人 ；管道 清 堵 ； 磁 偶 极 子模 型 ；电磁 定位 中 图分 类 号 T D6 5 5 文献 标志 码 A 网络 出版时 间 2 0 1 6 0 6 0 1 1 0 0 9 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ ww w． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 6 0 6 0 1 ． 1 0 0 9 ． 0 0 1 ． h t m1 El e c t r o ma g n e t i c p o s i t i o ni n g s y s t e m o f p i pe l i n e b l o c ka ge c l e a r i ng r o bo t W EI Mi n g s h e n g 一， TONG M i n mi n g ， ZHANG Ch u n y a 。 ，XI A J i n g 。 1 ． S c h o o l o f I n f o r ma t i o n a n d El e c t r i c a l En g i n e e r i n g，Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d Te c h n o l o g y ， Xu z h o u 2 2 1 0 0 8 ，Ch i n a ；2 ． Co l l e g e o f Ph y s i c s a n d El e c t r o n i c En g i n e e r i n g，J i a n g s u No r ma l Un i v e r s i t y， Xu z h o u 2 2 1 1 1 6，Ch i n a ；3 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g ，Na n j i n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y，Na n j i n g 2 1 0 0 9 4，Ch i n a Abs t r a c t Po s i t i o ni n g p r i nc i pl e o f pi p e l i ne bl o c ka ge c l e a r i ng r o b ot wa s i nt r o du c e d， t he d i s t r i b ut i on r e gu l a r i t i e s o f e xt r e m e l y l o w f r e q ue nc y e l e c t r o m a gne t i c s i g na l s o u t s i d e t he p i pe we r e a na l y z e d a c c or d i ng t o ma g n e t i c d i p o l e mo d e l ， o n e d i me n s i o n a l p o s i t i o n i n g me t h o d o f p i p e l i n e b l o c k a g e c l e a r i n g r o b o t wa s e s t a b l i s he d，a nd e l e c t r o ma gn e t i c po s i t i o ni ng s y s t e m o f pi p e l i n e b l o c ka g e c l e a r i ng r o bo t wa s d e s i g ne d． Ex pe r i me n t a l r e s ul t s s ho w t ha t t he s y s t e m c a n a c hi e ve e f f e c t i v e pos i t i o ni n g o f r o b ot ， whe n r e c e i v i ng a n t e n n a s mo v e s a t s p e e d o f 5 m／ S a n d 1 0 m／ s ，mo b i l e p o s i t i o n i n g e r r o r r a n g e s a r e一 2 O． 7 - 1 9 ． 8 c m a n d 一 2 4 ． 3 2 7． 1 c m．wh i c h c a n f u l l y me e t p r o j e c t a c c u r a c y r e q u i r e me n t s ． Ke y wo r d s r ob ot ；pi pe l i ne b l oc ka ge c l e a r i ng；ma gn e t i c d i p ol e mod e l ；e l e c t r oma g ne t i c p os i t i o n i ng 0 引 言 矿井水灾是煤矿常见的主要灾害之一 ， 一旦矿 井 发生 透水 ， 会 影 响矿井 的正 常生 产 ， 同 时还会 淹没 矿井 和采区， 造成人员伤亡 ， 危害十分严重 。煤矿主 排水 系统是 煤矿 水 害 防 治 的 主要 手 段 ， 它 的安 全 可 靠 性 直接 关系 到矿 井作 业人 员 的安全 。煤 矿主排 水 管线经过一定年限排水工作后 ， 其管道内壁会结垢 从而 造成 通流 面积 减小 、 排 水阻力 加 大及 电耗增 加 ， 最终导致主排水系统的排水能力大大下降 。同时由 于沉积物会不同程度地腐蚀管道内壁 ， 直接影 响排 水安 全 和工作 效率 。利 用管 道机 器人 进行 在线 清理 收稿 日期 2 0 1 6 - 0 1 - l 8 ； 修 回日期 2 0 1 6 - 0 4 1 8 ； 责任编辑 胡娴 。 基金项 目 国家科技支撑计划项 目 2 0 1 3 B AK0 6 B 0 0 。 作者简介 魏明生 1 9 7 6 一 ， 男 ， 山东济宁人 ， 副教授 ， 博 士 ， 主要从 事传感 器检测方 面的研究工作 ， Ema i l ； we i ms 5 1 6 1 6 3 ． c o rn。 2 0 1 6 年 第 6期 魏 明 生等 管道 清堵 机 器人 电磁 定位 系统 3 根据 式 2 ， 对 空 间 内的磁感 应 强度进 行 数值 分 析 ， 得到 磁感 应信 号 的分 布规律 ， 如 图 4 、 图 5 所 示 。 1 ． 0 ／ ／ 圣 ＼ } ／ √ 一2 5 L L J L l 怒 锁 挺 图 4线圈垂直方 向的磁场 图 5线 圈平 行 方 向 的 磁 场 由图 4 、 图 5可 知 ， 垂 直 方 向 的磁 感应 强度 包 络 线关 于 发射机 中心 呈 双 峰对 称 分 布 ， 左 右 两 边 的磁 感应 强 度方 向相 反 ， 垂 直 发 射 线 圈 中心 方 向 的磁 感 应强度为零 。平行于发射线圈中心 的磁感应强度包 络线在发射机的中心处强度最 大， 相对 于发射机呈 主 峰对 称 分 布 。根 据 发 射 机 磁 感 应 强 度 的 分 布 规 律 ， 通 过管 道外 接 收天 线 的移 动 产 生 相应 的感 应 电 动 势 ， 由感 应 电动 势 的大 小 和 变 化 规 律 可 以 对管 道 机 器人 进行 精确 定 位 。 3定 位 系统设 计 根 据 对 管 道 外 极 低 频 电 磁 信 号 空 间分 布 的分 析 ， 采 用 图 2 所 示 的 方 案对 已知 走 向管 道 内 的机 器 人实 现一 维定 位 。管道 清堵 机器 人 电磁定 位 系统 主 要分 为 2个部 分 ， 一 是 管 道 内 的极 低 频 电磁 信 号 发 射系统 ， 二是管道外的信号接收系统 。 3 ． 1 极 低频 电磁 信 号发射 系统 极 低 频 电磁 信 号 发 射 系 统 采 用 单 片 机 控 制 电 路 ， 在线 圈 中通入 时变 电流 I 一 e x p c u ￡ ， 发 射 2 3 ． 5 Hz 极 低 频 电磁信 号 。单片 机 将极 低 频 正 弦脉 冲信 号 离散化 ， 并 发 射 离 散 的 数 字 信号 ， 驱 动 1 6位 D A 转换 器 MAX5 4 1 ， 然 后 通 过 DA 转 换 和 放 大 器 输 出 2 3 ． 5 Hz 极 低频 电压 信号 ， 通过 发 射线 圈发 射 。 采用 0 ． 2 mm 的漆包线缠绕 1 2 0 0 0圈作为发射天 线 。极 低频 电磁 信号 发射 电路 如 图 6所示 。 M Cl 4 03 图 6极低频电磁信号发射 电路 连续发射 1 2 个正弦脉冲后 ， 间断 1 ． 5 S 再继续 发送 信号 ， 即发送 的低频 正 弦信 号 占空 比为 1 3 ， 管 道 内 电 磁 信 号 间 断 发 射 ， 达 到 了 省 电 目 的。 MAX 5 4 1为低 功耗 1 6 位 D A 转换 芯 片 ， 无 缓 冲电压 输 出 ， 转 换 时间 为 1 s ， 采用 该芯 片输 出 2 3 ． 5 Hz 极 低频 电压信号 ， 经过 运 算 放 大 器 接 发射 线 圈 。极 低 频 电磁 信号 如 图 7所示 。 图 7极 低 频 电 磁 信 号 3 ． 2信 号接 收 系统 在实 际工况条件下 ， 接收信号极其微 弱且含有 大量 干扰 噪声 ， 因此 ， 需 要 对 信 号进 行 放 大 和 滤 波 ， 当信 号强 度大 于一 定 值 时 ， 系 统 自动判 断 和识 别 机 器人 的位 置 。信号 接收 系统 结构 如 图 8所示 。 图 8信 号 接 收 系 统 结 构 接 收线 圈采 用 0 ． 1 mm 漆 包 线 缠 绕 2 4 0 0 0圈 形 成 ， 线 圈缠绕后 放 在 由尼 龙 做成 的 圆筒 内进 行 封 装 ， 由导线连接到信号调理 电路上 。磁感应线圈的 感 应 电动 势为 N 一 N 3 式 中 为磁通量； B为平行于传感器轴线的磁感应 强 度 。 采用 6级滤波和放大电路进行信号调理 。首先 垂 4 工矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2卷 采 用 2个无 限增 益 多路反馈 巴特沃 斯低 通滤 波器 进 行 低通 滤波 和放 大 ， 低 通截 止频 率 为 2 8 Hz ； 然 后 采 用切比雪夫高通滤波器进行滤波 ， 高通滤波截止频 率 为 1 8 Hz ； 最后设 计 了具 有 高 Q值 的 双 T 带通 滤 波器进行带通滤波 ， 并对信号进行放大 。双 T带通 滤波 电路 如 图 9所 示 。 图 9双 T 带 通 滤 波 电 路 有 源带通 滤 波器 的关 键 部分 是 双 T 选 频 网络 ， 该 滤波 器 由 2个 T 型 电路 并 联 而 成 。从 图 9可 看 出 ， 其 中一个 T型 电路 由 6 ． 7 7 k Q 电阻 和 1 F电 容 组成 ， 另 一个 T 型电路 由 3 ． 4 k g l电阻 和 1 F电 容组成 。陷波带阻滤波器的输出信号连接到放大器 的负向输入端 ， 通过运算放大器后达到滤波 目的。 滤波 器 的中心频 率 为 f f 1 1 o 。 [ 。l H 一 一 丁 一‘ 。 4 信 号 采集部 分 采用施 密 特触 发器 触发单 片 机进 行采 集 。 当接 收天 线 和 管 道 机 器 人距 离 较 远 时 ， 接 收天 线接 收到 的信 号较 小 ， 施 密特 触 发器不 被触 发 ， 单片机接收不到采集的有用信号 ； 当距离较近时 ， 接 收天线接收的信号被施密特触发器触发 ， 被 采集 为 数字量送到单片机中 。考虑到信号干扰等影 响， 程 序设定当采集的信号为 6 个及以上 2 3 ． 5 Hz 正 弦信 号 时 ， 单 片机认 为 接收 到 了机器 人 的信号 。 当接收天线平行于管道时 ， 接收信号最大 的时 刻 就是 和管 道机 器人距 离最 近 的时 刻 。当接 收天 线 与管道 垂直 放置 时 ， 根 据 图 5所 示 的发 射 线 圈 电磁 特 性 ， 接 收 到 的信 号先 增强 ， 然 后变 弱 ， 然后再 增 强 。 当天线和管道垂直时， 接收的信号最弱 ， 机器人处于 2 个强信号的中间位置 。单片机对采集的信号进行 识别 ， 当采集的电磁信号大于一定数值时 ， 进行语音 提示 ， 同时显示采集信号 的强度 ， 工作人员可以根据 采集 信号 强度 的变 化规 律进 行识 别定 位 。 4 实验分 析 采 用组 合 天线 与发射 机 平行 和垂 直方法 进 行管 道机器人的定位。开始时 ， 操作人员手持天线与管 道平行 行 走 ， 当工作 人员 靠 近机器 人 发射机 时 ， 接 收 天线接 收的磁 感应 强 度 逐 渐 增 强 ， 产 生 的 电 动 势也 渐渐 升高 ； 当工 作 人 员走 过 管 道 机 器 人 发 射 机 的 位 置时 ， 感应 电动 势逐 渐 变弱 ， 这 时工作 人员 应该 返 回 到 刚才信 号最 强 的位 置 ， 把 天 线 调 整 到 和 管 道 垂 直 的位 置 ， 同样慢 慢 移动 天线 ； 当接 收信 号完 全 消失 时 的位置就是管道机器人的位置。采用此方 法 ， 选择 了一 段新 铺设 的管道进 行 实验研 究 ， 进行 了 1 8个 点 的定位 。实验 管道 的材 料为 合金 钢 ， 管壁 厚度 为 5 ． 7 4 mm， 发射 天线距 离 管道 6 m 左 右 ， 当工 作人 员 以 5 m／ s 的速 度移 动 时 ， 平 均定 位 误 差 为 一2 O ． 7 ～ 1 9 ． 8 c m； 当移 动速 度 为 1 0 m／ s 时 ， 平 均定位 误差 为 一 2 4 ． 3 ～2 7 ． 1 c m， 完全 满足 工程 技术 要求 。 5 结 语 介 绍 了管道 清 堵 机 器人 定 位 系 统 的 总体 设 计 ， 建 立 了低 频信号 电磁 空 间 分 布 的理 论 模 型 ， 推 导 出 了电磁强度 的表达式并进行了数值分析。实验结果 表 明 ， 设 计 的管 道 清堵 机 器 人 定 位 系 统 可 以 实 现清 堵机 器人 运动状 态 下 的快速 、 精确 定 位 ， 定 位精 度满 足工程 技 术要求 。 参 考 文 献 [ 1 ] 赵宝华． 管道机 器人在线 清理 技术在 煤矿 的研究 与应 用[ J ] ． 能源技术 与管理 ， 2 0 1 5 3 1 6 2 1 6 4 ． E 2 ] 刘 清友． 油气 管 道 机器 人 技术 现 状 及 发展 趋 势 [ J ] ． 西华 大学学报 自然科 学版 ， 2 0 1 6 ， 3 5 1 1 - 6 ． [ 3 ] 魏 明生 ， 童敏 明， 訾斌 ， 等． 管道机器人无线 电磁 自适应 定位技 术E J ] ． 光学精密工程 ， 2 0 1 2 ， 2 0 4 7 7 2 7 8 1 ． [ 4 ] 魏明生 ， 童敏 明， 訾斌 ， 等． 基 于粒 子群一拟牛顿 混合算 法的 管 道 机 器 人 定 位 [ J ] ． 仪 器 仪 表 学 报 ， 2 0 1 2 ， 3 3 1 1 2 5 9 4 2 6 0 0 ． [ 5 ] 郭静波 ， 蔡雄 ， 胡 铁华 ，等． 油气 管道 中智能机 器人 跟 踪定位关键技术综述[ J ] ． 仪 器仪表 学报 ， 2 0 1 5 ， 3 6 3 4 81 49 8． [ 6 ] QI H M，YE J R，Z HAN G X H，e t a 1 ．Wi r e l e s s t r a c i n g a n d l o c a t i n g s y s t e m f o r i n - p i p e r o b o t [ J ] ． Se ns or s a nd Ac t ua t o r s A Phys i c a l ， 2 01 0， 1 591 】] 7 一 】 25 ．