基于組合導(dǎo)航機(jī)器人的輸油管道監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

姜向遠(yuǎn), 任　鵬, 陳鴻龍, 呂新榮, 張　斌

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院,山東 青島 266580;2. 青島市黃島區(qū)交通運(yùn)輸局, 山東 青島　266555)

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基于組合導(dǎo)航機(jī)器人的輸油管道監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

姜向遠(yuǎn)1, 任鵬1, 陳鴻龍1, 呂新榮1, 張斌2

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院,山東 青島 266580;2. 青島市黃島區(qū)交通運(yùn)輸局, 山東 青島266555)

介紹了輸油管道泄漏監(jiān)測(cè)的工作原理,設(shè)計(jì)了一套基于組合導(dǎo)航機(jī)器人的輸油管道監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以嵌入式系統(tǒng)、機(jī)器人操作系統(tǒng)和組合導(dǎo)航算法為基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)管道泄漏檢測(cè)和泄漏點(diǎn)實(shí)時(shí)定位。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)涵蓋了管道泄漏監(jiān)測(cè)的信息采集、傳輸、處理以及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制等內(nèi)容,有助于學(xué)生深入學(xué)習(xí)和理解機(jī)器人技術(shù)在石油領(lǐng)域中的應(yīng)用和設(shè)計(jì)方法,掌握輸油管道泄漏監(jiān)測(cè)的工作原理,能夠培養(yǎng)和提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力。

輸油管道監(jiān)測(cè)； 組合導(dǎo)航機(jī)器人； 嵌入式系統(tǒng)； 設(shè)計(jì)方法

隨著移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用環(huán)境日趨復(fù)雜和非結(jié)構(gòu)化,同時(shí)定位和地圖構(gòu)建(simultaneous localization and map building,SLAM)技術(shù)[1]已成為移動(dòng)機(jī)器人完全自主化的關(guān)鍵,日益受到國(guó)內(nèi)學(xué)者的關(guān)注，并取得了許多研究成果和應(yīng)用[2-3]。SLAM使得機(jī)器人在未知區(qū)域的地形輔助導(dǎo)航更為有效。當(dāng)機(jī)器人被放置在陌生環(huán)境中,其移動(dòng)過(guò)程根據(jù)航位推算和自己攜帶的傳感器進(jìn)行定位,并不斷構(gòu)建與周圍環(huán)境具有相合性的增量式地圖。這種地形輔助定位方法誤差不隨時(shí)間增加,與慣導(dǎo)系統(tǒng)(inertial navigation system,INS)進(jìn)行組合可以降低定位的誤差,實(shí)現(xiàn)精確的SLAM/INS組合導(dǎo)航,從而可為長(zhǎng)輸石油管道的泄漏點(diǎn)定位提供有效解決方案[4-5]。

輸油管道泄漏檢測(cè)是實(shí)施管道完整性管理的基本任務(wù),如何準(zhǔn)確定位、找出漏油位置是國(guó)家油氣供應(yīng)安全的基本保證[6]。然而,我國(guó)管道進(jìn)入老齡期的比例越來(lái)越高,爆管、斷管、腐蝕、打孔偷油等事故隱患成高發(fā)態(tài)勢(shì)。由于輸油管道儲(chǔ)運(yùn)的介質(zhì)多是原油、輕油、液化氣等易燃、易爆、易揮發(fā)和易于靜電聚集的流體,有時(shí)還會(huì)含有毒物質(zhì),一旦管道發(fā)生事故,泄漏油氣極易起火、爆炸,釀成人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失的惡性事故,2013年青島市黃島區(qū)中石化輸油管道爆炸事件就是一例。因此研究穩(wěn)定可靠的泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng),對(duì)管道的運(yùn)營(yíng)建立預(yù)警報(bào)警機(jī)制很有必要[7-8]。

本文所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[9-12]將機(jī)器人組合導(dǎo)航SLAM/INS技術(shù)應(yīng)用到輸油管道的監(jiān)測(cè)過(guò)程中,實(shí)現(xiàn)輸油管道泄漏檢測(cè)和泄漏點(diǎn)實(shí)時(shí)定位。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有助于學(xué)生，尤其是石油院校的自動(dòng)化和電子等相關(guān)專業(yè)的高年級(jí)本科生和研究生深入學(xué)習(xí)和理解機(jī)器人技術(shù),包括傳感器技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)和定位導(dǎo)航技術(shù),以及在石油領(lǐng)域中的應(yīng)用和設(shè)計(jì)方法,有助于學(xué)生掌握輸油管道泄漏監(jiān)測(cè)的工作原理,并且能夠培養(yǎng)和提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力[13],使學(xué)生能夠更快地適應(yīng)將來(lái)的工作。

1　輸油管道泄漏監(jiān)測(cè)的原理

輸油管道泄漏監(jiān)測(cè)主要包含泄漏檢測(cè)和泄漏點(diǎn)定位兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。這兩項(xiàng)技術(shù)密切相關(guān),在現(xiàn)有研究成果中各有側(cè)重,有的側(cè)重泄漏檢測(cè)手段研究,有的側(cè)重泄漏點(diǎn)定位技術(shù)開發(fā)。根據(jù)不同管道泄漏監(jiān)測(cè)的實(shí)際情況,選擇兩種技術(shù)聯(lián)合使用,互相配合,往往可以取得良好的監(jiān)測(cè)效果。

其中,泄漏檢測(cè)的測(cè)量手段多樣,有依據(jù)泄漏介質(zhì)的可燃性氣體傳感器檢測(cè)方法、依據(jù)負(fù)壓波的壓力傳感器檢測(cè)方法、依據(jù)管壁狀態(tài)參數(shù)的電磁傳感器檢測(cè)方法、依據(jù)質(zhì)量平衡的流量傳感器檢測(cè)方法、依據(jù)應(yīng)力波的聲學(xué)傳感器檢測(cè)方法、依據(jù)干涉原理的光纖傳感器檢測(cè)方法等。考慮實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的可行性和學(xué)生的接受能力,本文輸油管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用可燃性氣體傳感器,其基本原理是:管道輸運(yùn)介質(zhì)大多是可燃性和易揮發(fā)介質(zhì),所以檢測(cè)管道沿線的空氣,若含有油氣的濃度超過(guò)閾值則報(bào)警。

在檢測(cè)到管道泄漏后,如何準(zhǔn)確地判斷長(zhǎng)距離輸油管道的泄漏點(diǎn)是另一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容,按采用的傳感器分類,泄漏點(diǎn)定位技術(shù)可基于捷聯(lián)慣導(dǎo)和里程儀等基本設(shè)備和地面標(biāo)記、GPS、定點(diǎn)磁標(biāo)等輔助設(shè)備。為了提高精度和泄漏點(diǎn)定位的魯棒性,本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用基于捷聯(lián)慣導(dǎo)和激光測(cè)距雷達(dá)的組合導(dǎo)航方法。

2　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的輸油管道監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要包括基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩大部分。其中,基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要包括油氣輸運(yùn)管道模型和四輪驅(qū)動(dòng)機(jī)器人底盤,兩者均是在實(shí)驗(yàn)室原有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)上稍作改造后得到；系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分包含硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng),這是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)開發(fā)的重點(diǎn)和難點(diǎn),也是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中考查學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題等諸多工程實(shí)踐能力的核心單元。

圖1　輸油管道監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)部分主要應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室原有設(shè)備,在我校的管流技術(shù)和油氣測(cè)控實(shí)驗(yàn)室中配備了油氣輸運(yùn)管道,如圖2所示。該油氣輸運(yùn)管道可設(shè)定輸運(yùn)壓力、泄漏點(diǎn)等,能模擬各種管道泄漏情況。實(shí)驗(yàn)室還配置了四輪驅(qū)動(dòng)機(jī)器人底盤,如圖3(a)所示,該機(jī)器人配有四驅(qū)步進(jìn)電機(jī)和前后萬(wàn)向輪,同時(shí)留有電池、舵機(jī)及各類傳感器的開槽,方便學(xué)生二次開發(fā),鍛煉動(dòng)手能力。如圖3(b)所示,在四輪驅(qū)動(dòng)機(jī)器人底盤上安裝樹莓派開發(fā)板、CH4等可燃?xì)怏w傳感器、三軸加速度計(jì)+三軸陀螺儀的慣導(dǎo)模塊、激光測(cè)距儀、舵機(jī)、編碼器等,搭建了機(jī)器人測(cè)控的硬件電路系統(tǒng)。

圖2　油氣輸運(yùn)管道模型

2.1硬件系統(tǒng)

機(jī)器人測(cè)控的硬件電路系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)輸油管道泄漏檢測(cè)和泄漏點(diǎn)定位的基礎(chǔ),硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能框圖見(jiàn)圖4。首先是輸油管道泄漏檢測(cè),CH4等可燃?xì)怏w傳感器可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸油管道周圍的油氣濃度,以判斷管道的泄漏情況。同時(shí),可燃?xì)怏w傳感器會(huì)將檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)I2C總線上傳到樹莓派開發(fā)板做進(jìn)一步處理,完成管道泄漏檢測(cè)。

泄漏點(diǎn)定位技術(shù)需要相應(yīng)的硬件支持,其中慣導(dǎo)模塊是一個(gè)由ADXL345三軸加速度計(jì)和L3G4200D三軸陀螺儀共同構(gòu)成的混合慣性導(dǎo)航器件,可測(cè)量三軸加速度、三軸角速度,并通過(guò)SPI總線將上述檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到樹莓派開發(fā)板,以獲取機(jī)器人自身姿態(tài)；激光測(cè)距儀采用RoboPeak團(tuán)隊(duì)的RPLIDAR二維激光雷達(dá),其通過(guò)UART協(xié)議與樹莓派開發(fā)板相連,可用于生成環(huán)境的二維地圖；舵機(jī)控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng),編碼器測(cè)算機(jī)器人行駛里程,兩者都通過(guò)通用輸入輸出接口GPIO與樹莓派開發(fā)板相連。上述慣導(dǎo)模塊、激光測(cè)距儀、舵機(jī)、編碼器等共同實(shí)現(xiàn)機(jī)器人組合導(dǎo)航,不僅可用于泄漏點(diǎn)定位,還能檢測(cè)泄漏點(diǎn)周圍環(huán)境,生成環(huán)境地圖,為泄漏點(diǎn)后續(xù)維護(hù)提供便利。

圖3　四輪驅(qū)動(dòng)機(jī)器人底盤和硬件電路系統(tǒng)

圖4　硬件系統(tǒng)功能框圖

樹莓派開發(fā)板是該系統(tǒng)核心主控硬件，其CPU采用ARM11內(nèi)核的芯片,數(shù)據(jù)處理能力較強(qiáng),能夠滿足SLAM/INS組合導(dǎo)航算法的計(jì)算要求。同時(shí),該開發(fā)板擁有豐富的外圍接口,方便學(xué)生調(diào)試上述各類傳感器。

2.2軟件系統(tǒng)

本文軟件系統(tǒng)以機(jī)器人操作系統(tǒng)(robot operating system,ROS)為基礎(chǔ),核心采用基于SLAM/INS的組合導(dǎo)航算法,整體框架見(jiàn)圖5。ROS是用于機(jī)器人的一種次級(jí)操作系統(tǒng)，它提供類似操作系統(tǒng)所提供的功能,包含硬件抽象描述、底層驅(qū)動(dòng)程序管理、共用功能執(zhí)行、程序間消息傳遞、程序發(fā)行包管理等,它也提供一些工具程序和庫(kù)用于獲取、建立、編寫和運(yùn)行多機(jī)整合的程序。

圖5　軟件系統(tǒng)功能框圖

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中,首先在樹莓派開發(fā)板上移植Linux嵌入式操作系統(tǒng),并安裝ROS次級(jí)系統(tǒng),以ROS為基礎(chǔ),設(shè)定可燃?xì)怏w傳感器、慣導(dǎo)模塊、激光測(cè)距儀和編碼器等各類傳感器的底層驅(qū)動(dòng)。這一過(guò)程能夠鍛煉學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的能力,加深他們對(duì)Linux和ROS系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。

然后,調(diào)用ROS的各類功能包,實(shí)現(xiàn)各種傳感器數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、信息融合、坐標(biāo)變換和SLAM等操作。該過(guò)程能夠培養(yǎng)自動(dòng)化和電子等專業(yè)的高年級(jí)本科生和研究生的編程能力,同時(shí)也使他們對(duì)Kalman濾波、信息融合等算法有更直觀的了解。

最后,編寫節(jié)點(diǎn)程序和配置文件,最終實(shí)現(xiàn)輸油管道漏油檢測(cè)和泄漏點(diǎn)定位,節(jié)點(diǎn)程序完成管道泄漏監(jiān)測(cè)的同時(shí),還會(huì)發(fā)出機(jī)器人的姿態(tài)控制信息,通過(guò)控制舵機(jī)進(jìn)一步調(diào)整機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

3　結(jié)語(yǔ)

本文以石油院校的專業(yè)特色為出發(fā)點(diǎn),設(shè)計(jì)了一套基于組合導(dǎo)航機(jī)器人的輸油管道監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠監(jiān)測(cè)輸油管道泄漏情況,并實(shí)時(shí)定位泄漏點(diǎn),整個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涵蓋了輸油管道泄漏信息采集、環(huán)境地圖生成、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、機(jī)器人操作系統(tǒng)開發(fā)、基于SLAM/INS的組合導(dǎo)航以及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制等。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有助于石油院校的自動(dòng)化和電子等相關(guān)專業(yè)的學(xué)生深入了解輸油管道監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù),有助于培養(yǎng)和提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力,使學(xué)生將來(lái)能夠更好地勝任在石油領(lǐng)域的相關(guān)工作。

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An experimental platform for monitoring of pipeline with robot based on integrated navigation

Jiang Xiangyuan1, Ren Peng1, Chen Honglong1, Lü Xinrong1, Zhang Bin2

(1. College of Information and Control Engineering,China University of Petroleum,Qingdao 266580,China;2. Huangdao District Bureau of Transportation,Qingdao 266555,China)

The working principles of the monitoring of pipeline leak are firstly introduced and then an experimental platform for pipeline leak monitoring with robot based on integrated navigation is designed. The designed experimental platform is based on the embedded system,robot operating system and the integrated navigation algorithm. In the experimental platform,the contents of information collection of the pipeline leak,transmission,processing and dynamic control of the robot are covered. The experimental platform designed will help the experimenters learn and understand the applications and design methods of the robotic technology in the petroleum field,grasp the working principles of the monitoring of pipeline leak,cultivate and improve their innovation capacity and engineering practice capacity.

monitoring of pipeline; integrated navigation robot; embedded system; design methods

10.16791/j.cnki.sjg.2016.09.025

2016-03-04

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(60171009)；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2015FL027)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目；中國(guó)石油大學(xué)(華東)校級(jí)青年教改項(xiàng)目

姜向遠(yuǎn)(1983—)：男，山東膠州，博士，講師，研究方向?yàn)闊o(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、分布式估計(jì)和多機(jī)器人SLAM.

E-mail：jxy@upc.edu.cn

TP242; G484

A

1002-4956(2016)9-0096-04