管道清堵機器人電磁定位系統

魏明生，　童敏明，　張春亞，　夏靜

(1.中國礦業大學 信息與電氣工程學院， 江蘇 徐州　221008； 2.江蘇師范大學 物理與電子工程學院，江蘇 徐州　221116； 3.南京理工大學 機械工程學院， 江蘇 南京　210094)

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科研成果

管道清堵機器人電磁定位系統

魏明生1,2，童敏明1，張春亞2，夏靜3

(1.中國礦業大學 信息與電氣工程學院， 江蘇 徐州221008； 2.江蘇師范大學 物理與電子工程學院，江蘇 徐州221116； 3.南京理工大學 機械工程學院， 江蘇 南京210094)

介紹了管道清堵機器人的定位原理，依據磁偶極子模型分析了管道外極低頻電磁信號的分布規律，建立了管道清堵機器人一維定位方法，并設計了管道清堵機器人電磁定位系統。實驗結果表明，該系統可以實現對機器人的有效定位，當接收天線分別以5 m/s和10 m/s的速度移動時，定位誤差范圍分別為-20.7～19.8 cm和-24.3～27.1 cm，完全滿足工程的精度要求。

機器人； 管道清堵； 磁偶極子模型； 電磁定位

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160601.1009.001.html

0　引言

礦井水災是煤礦常見的主要災害之一，一旦礦井發生透水，會影響礦井的正常生產，同時還會淹沒礦井和采區，造成人員傷亡，危害十分嚴重。煤礦主排水系統是煤礦水害防治的主要手段，它的安全可靠性直接關系到礦井作業人員的安全。煤礦主排水管線經過一定年限排水工作后，其管道內壁會結垢從而造成通流面積減小、排水阻力加大及電耗增加，最終導致主排水系統的排水能力大大下降。同時由于沉積物會不同程度地腐蝕管道內壁，直接影響排水安全和工作效率。利用管道機器人進行在線清理是解決上述問題的有效途徑[1-2]。為此，筆者設計了管道清堵機器人電磁定位系統。

1　定位系統原理

管道清堵機器人工作原理如圖1所示。在工作中，管道機器人依靠高壓水流推進，皮碗形狀的前端驅動結構把管道壁及管道內的沉積物等雜質依次推出，對管道進行清理。

圖1　管道清堵機器人工作原理

管道清堵機器人進行在線清理工作時，有時會出現故障，造成機器人堵塞或安全牽引裝置失去作用，這時需要準確確定機器人在管道內的具體位置，以便清堵或維修。因此，管道內機器人的定位成為其安全工作的重要保障。要實現管道機器人定位，首先要解決管道內機器人和外界的通信問題，由于普通鐵質管道的屏蔽作用，使得常規的聲、光、電等通信手段受到屏蔽，傳統的無線通信手段很難應用到管道機器人的定位中。

極低頻電磁信號能夠穿透巖石、海水及一定厚度的金屬，適用于管道內外的通信，可在管道機器人定位中應用[3-5]。

管道機器人定位原理如圖2所示。管道機器人內放置1個通有23.5 Hz交流脈沖的發射線圈，間斷發射無線極低頻電磁脈沖，管道外放置1個接收線圈，通過感應管道內發射線圈的極低頻電磁信號，產生交流信號。當管道外接收線圈和管道內發射線圈靠近時，就會感應出具有一定電動勢的交流脈沖信號，而且隨著機器人和接收線圈距離變小，接收線圈感應的電動勢越來越大。發射線圈發射出的極低頻電磁信號在管道外空間的分布規律是實現機器人定位的關鍵。

圖2　管道機器人定位原理

2　發射線圈的磁場分布模型

極低頻電磁發射裝置可等效為一個密繞的螺線管線圈，現以線圈的中心為坐標原點，建立空間柱坐標系，如圖3所示。圖3中，L為線圈長度，根據比奧—薩法爾定律，坐標系中任一點P(x,θ,y)的磁感應強度如式(1)所示[6]。

圖3　線圈模型及其磁偶極子簡化模型

(1)

式中:μ0為自由空間中的磁導率;N為匝數；I為線圈電流；R為螺線管電磁發射線圈的半徑。

在實際的工程應用中，因為發射線圈半徑一般遠小于發射線圈長度L，所以空間某點的電磁分布模型可采用磁偶極子模型對線圈模型進行合理簡化。將半徑為R、長為L的線圈等效為一對相距L的磁偶極子±qm，磁偶極子模型下的空間磁感應強度分布為

(2)

根據式(2)，對空間內的磁感應強度進行數值分析，得到磁感應信號的分布規律，如圖4、圖5所示。

圖4　線圈垂直方向的磁場

圖5　線圈平行方向的磁場

由圖4、圖5可知，垂直方向的磁感應強度包絡線關于發射機中心呈雙峰對稱分布，左右兩邊的磁感應強度方向相反，垂直發射線圈中心方向的磁感應強度為零。平行于發射線圈中心的磁感應強度包絡線在發射機的中心處強度最大，相對于發射機呈主峰對稱分布。根據發射機磁感應強度的分布規律，通過管道外接收天線的移動產生相應的感應電動勢，由感應電動勢的大小和變化規律可以對管道機器人進行精確定位。

3　定位系統設計

根據對管道外極低頻電磁信號空間分布的分析，采用圖2所示的方案對已知走向管道內的機器人實現一維定位。管道清堵機器人電磁定位系統主要分為2個部分，一是管道內的極低頻電磁信號發射系統，二是管道外的信號接收系統。

3.1極低頻電磁信號發射系統

極低頻電磁信號發射系統采用單片機控制電路，在線圈中通入時變電流I(t)=Imexp(iωt)，發射23.5 Hz極低頻電磁信號。單片機將極低頻正弦脈沖信號離散化，并發射離散的數字信號，驅動16位DA轉換器MAX541，然后通過DA轉換和放大器輸出23.5 Hz極低頻電壓信號，通過發射線圈發射。采用0.2 mm的漆包線纏繞12 000圈作為發射天線。極低頻電磁信號發射電路如圖6所示。

圖6　極低頻電磁信號發射電路

連續發射12個正弦脈沖后，間斷1.5 s再繼續發送信號，即發送的低頻正弦信號占空比為1:3，管道內電磁信號間斷發射,達到了省電目的。MAX541為低功耗16位DA轉換芯片，無緩沖電壓輸出，轉換時間為1 μs，采用該芯片輸出23.5 Hz極低頻電壓信號，經過運算放大器接發射線圈。極低頻電磁信號如圖7所示。

圖7　極低頻電磁信號

3.2信號接收系統

在實際工況條件下，接收信號極其微弱且含有大量干擾噪聲，因此，需要對信號進行放大和濾波，當信號強度大于一定值時，系統自動判斷和識別機器人的位置。信號接收系統結構如圖8所示。

圖8　信號接收系統結構

接收線圈采用0.1 mm漆包線纏繞24 000圈形成，線圈纏繞后放在由尼龍做成的圓筒內進行封裝，由導線連接到信號調理電路上。磁感應線圈的感應電動勢為

(3)

式中：Φ為磁通量；B為平行于傳感器軸線的磁感應強度。

采用6級濾波和放大電路進行信號調理。首先采用2個無限增益多路反饋巴特沃斯低通濾波器進行低通濾波和放大，低通截止頻率為28 Hz；然后采用切比雪夫高通濾波器進行濾波，高通濾波截止頻率為18 Hz；最后設計了具有高Q值的雙T帶通濾波器進行帶通濾波，并對信號進行放大。雙T帶通濾波電路如圖9所示。

圖9　雙T帶通濾波電路

有源帶通濾波器的關鍵部分是雙T選頻網絡，該濾波器由2個T型電路并聯而成。從圖9可看出，其中一個T型電路由6.77 kΩ電阻和1 μF電容組成，另一個T型電路由3.4 kΩ電阻和1 μF電容組成。陷波帶阻濾波器的輸出信號連接到放大器的負向輸入端，通過運算放大器后達到濾波目的。

濾波器的中心頻率為

(4)

信號采集部分采用施密特觸發器觸發單片機進行采集。當接收天線和管道機器人距離較遠時，接收天線接收到的信號較小，施密特觸發器不被觸發，單片機接收不到采集的有用信號；當距離較近時，接收天線接收的信號被施密特觸發器觸發，被采集為數字量送到單片機中。考慮到信號干擾等影響，程序設定當采集的信號為6個及以上23.5 Hz正弦信號時，單片機認為接收到了機器人的信號。

當接收天線平行于管道時，接收信號最大的時刻就是和管道機器人距離最近的時刻。當接收天線與管道垂直放置時，根據圖5所示的發射線圈電磁特性，接收到的信號先增強，然后變弱，然后再增強。當天線和管道垂直時，接收的信號最弱，機器人處于2個強信號的中間位置。單片機對采集的信號進行識別，當采集的電磁信號大于一定數值時，進行語音提示，同時顯示采集信號的強度，工作人員可以根據采集信號強度的變化規律進行識別定位。

4　實驗分析

采用組合天線與發射機平行和垂直方法進行管道機器人的定位。開始時，操作人員手持天線與管道平行行走，當工作人員靠近機器人發射機時，接收天線接收的磁感應強度逐漸增強，產生的電動勢也漸漸升高；當工作人員走過管道機器人發射機的位置時，感應電動勢逐漸變弱，這時工作人員應該返回到剛才信號最強的位置，把天線調整到和管道垂直的位置，同樣慢慢移動天線；當接收信號完全消失時的位置就是管道機器人的位置。采用此方法，選擇了一段新鋪設的管道進行實驗研究，進行了18個點的定位。實驗管道的材料為合金鋼，管壁厚度為5.74 mm，發射天線距離管道6 m左右，當工作人員以5 m/s的速度移動時，平均定位誤差為-20.7～19.8 cm；當移動速度為10 m/s時，平均定位誤差為-24.3～27.1 cm，完全滿足工程技術要求。

5　結語

介紹了管道清堵機器人定位系統的總體設計,建立了低頻信號電磁空間分布的理論模型,推導出了電磁強度的表達式并進行了數值分析。實驗結果表明,設計的管道清堵機器人定位系統可以實現清堵機器人運動狀態下的快速、精確定位，定位精度滿足工程技術要求。

[1]趙寶華.管道機器人在線清理技術在煤礦的研究與應用[J].能源技術與管理,2015(3):162-164.

[2]劉清友.油氣管道機器人技術現狀及發展趨勢[J].西華大學學報(自然科學版),2016,35(1):1-6.

[3]魏明生,童敏明,訾斌,等.管道機器人無線電磁自適應定位技術[J].光學精密工程,2012,20(4):772-781.

[4]魏明生,童敏明,訾斌,等.基于粒子群-擬牛頓混合算法的管道機器人定位[J].儀器儀表學報,2012,33(11):2594-2600.

[5]郭靜波,蔡雄,胡鐵華, 等.油氣管道中智能機器人跟蹤定位關鍵技術綜述[J].儀器儀表學報,2015,36(3):481-498.

[6]QI H M, YE J R, ZHANG X H, et al. Wireless tracing and locating system for in-pipe robot[J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2010, 159(1):117-125.

Electromagnetic positioning system of pipeline blockage clearing robot

WEI Mingsheng1，2,TONG Minming1,ZHANG Chunya2,XIA Jing3

(1.School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008, China; 2.College of Physics and Electronic Engineering, Jiangsu Normal University,Xuzhou 221116, China; 3.School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Positioning principle of pipeline blockage clearing robot was introduced, the distribution regularities of extremely low frequency electromagnetic signals outside the pipe were analyzed according to magnetic dipole model, one-dimensional positioning method of pipeline blockage clearing robot was established, and electromagnetic positioning system of pipeline blockage clearing robot was designed. Experimental results show that the system can achieve effective positioning of robot, when receiving antennas moves at speed of 5 m/s and 10 m/s, mobile positioning error ranges are -20.7-19.8 cm and -24.3-27.1 cm, which can fully meet project accuracy requirements.

robot; pipeline blockage clearing; magnetic dipole model; electromagnetic positioning

1671-251X(2016)06-0001-04

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.06.001

2016-01-18；

2016-04-18；責任編輯：胡嫻。

國家科技支撐計劃項目(2013BAK06B00)。

魏明生(1976-),男，山東濟寧人，副教授，博士，主要從事傳感器檢測方面的研究工作，E-mail:weims516@163.com。

TD655

A網絡出版時間：2016-06-01 10:09

魏明生，童敏明，張春亞，等.管道清堵機器人電磁定位系統[J].工礦自動化，2016,42(6)：1-4.