煤氣管道檢測機器人系統(tǒng)及其運動控制技術(shù)研究.pdf

1、管道檢測機器人是針對輸油、氣等工業(yè)管道的檢測、噴涂、接口焊接、異物清理等維護檢修作業(yè)所研制的一種特種機器人,它綜合了智能移動載體技術(shù)和管道缺陷無損檢測技術(shù).這類機器人能進入人所不及、人力所限的復(fù)雜多變的非結(jié)構(gòu)管道環(huán)境中,通過攜帶的無損檢測裝置和作業(yè)裝置,對工作中的油氣管道進行在役檢測、清理、維護,以保障管道的安全和暢通無阻地工作.特別是對穿越河流、鐵路、道路的特殊管道或埋地管道的重要部位進行有選擇的檢測時,管道檢測機器人具有獨特的優(yōu)勢.

2、因此,開展管道檢測機器人的研究具有重要的科學(xué)意義和明顯的社會經(jīng)濟效益,得到了世界各國的高度重視.經(jīng)過多年的研究與發(fā)展,管道檢測機器人的技術(shù)得到了迅猛發(fā)展.但從總體技術(shù)水平來看,管道檢測機器人的研制和開發(fā)在國內(nèi)外都還處于發(fā)展階段,研究成果大多停留在實驗室樣機,距離大規(guī)模實用化、產(chǎn)業(yè)化還有一定的差距. 本文依托國家863計劃資助項目"油氣管道管內(nèi)自動探測機器人系統(tǒng)的研制"(項目編號:2002AA422110)、云南省省院省校合作基金

3、項目"管道機器人"(項目編號:2001KABAA00A025)、上海市重點科技攻關(guān)項目"油、氣管道機器人實時探測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及其實用化研究''(項目編號:021111117),以具有彎管、變徑管、"T"型管道等復(fù)雜情況的煤氣管道為應(yīng)用環(huán)境,結(jié)合項目中為云南省昆明市煤氣公司煤氣管道主干線的檢測研制開發(fā)煤氣管道檢測機器人的需要,對管道環(huán)境下,煤氣管道檢測機器人的管內(nèi)運動方式、本體結(jié)構(gòu)設(shè)計、運動力學(xué)分析、運動控制和導(dǎo)航等問題進行了系統(tǒng)研究,研

4、制了二代實驗樣機,為解決復(fù)雜煤氣管道環(huán)境下的管道檢測機器人研究所面臨的一些關(guān)鍵問題奠定了基礎(chǔ).本研究旨在對煤氣管道檢測機器人的實用化進程及產(chǎn)業(yè)化推廣起到進一步的推動作用,在城市燃氣、煤氣管道的安全檢測,保障人民生命財產(chǎn)及社會穩(wěn)定等方面,具有重要的意義和顯著的社會經(jīng)濟效益.本文的具體研究內(nèi)容及主要工作可以概括為以下幾個方面: 1.在查閱和掌握大量管道檢測機器人相關(guān)文獻和資料的基礎(chǔ)上,深入細致地分析了各種機器人管內(nèi)運動方式的運動機理

5、和特點,并結(jié)合煤氣管道環(huán)境特點及檢測作業(yè)需求,通過綜合對比分析,確定了更適合煤氣管道環(huán)境的運動方式,設(shè)計了新型的煤氣管道檢測機器人本體結(jié)構(gòu). 2.對煤氣管道檢測機器人管內(nèi)運動力學(xué)的有關(guān)問題進行了詳細的分析研究,包括機器人的管內(nèi)空間運動方程、管內(nèi)運動阻力、姿態(tài)偏轉(zhuǎn)、徑向調(diào)節(jié)運動、越障能力、管內(nèi)運動穩(wěn)定性等問題. 3.針對機器人在煤氣管道中的彎道通過及轉(zhuǎn)向控制問題,以圓弧彎管和"T"型管道為典型,詳細討論了機器人通過彎道及"

6、T"型管道的運動協(xié)調(diào)控制問題,并針對機器人彎道通過及轉(zhuǎn)向控制中暴露出來的行走機構(gòu)問題,進行了行走機構(gòu)的改進,使機器人的行走機構(gòu)更符合煤氣管道管內(nèi)運動要求. 4.研究了基于視覺的機器人管內(nèi)運動導(dǎo)航以及機器人管內(nèi)自主定位等技術(shù)問題,并根據(jù)煤氣管道檢測機器人系統(tǒng)的特點,設(shè)計了一種新型的、基于網(wǎng)絡(luò)的煤氣管道檢測機器人遠程信息交換系統(tǒng),對機器人的遠程控制提供底層支持,在此基礎(chǔ)上,討論了機器人的遠程控制結(jié)構(gòu)問題,提出一種適合煤氣管道檢測機器

7、人系統(tǒng)的遠程控制結(jié)構(gòu). 5.成功研制了二代實驗樣機,根據(jù)現(xiàn)有的實驗系統(tǒng)和有關(guān)的實驗條件進行了相關(guān)的實驗研究,并針對實驗中發(fā)現(xiàn)的問題,對樣機進行了相關(guān)的改進工作.基于電磁漏磁檢測原理,研制成功與樣機配套的高精度管道壁厚無損檢測裝置,通過理論分析計算和大量的實驗研究,獲得了影響無損檢測裝置傳感器檢測精度的重要設(shè)計參數(shù),并對檢測裝置結(jié)構(gòu)進行了改進. 盡管本文的研究基本實現(xiàn)了研究目標(biāo),但整個系統(tǒng)距離實用化還有許多工作需要進行,在