油氣管道機器人相關技術研究

摘 要：隨著我國管道建設速度的加快、 管道數量的增加，管道檢測、維護及運行安全成為近年來研究的熱點。大技術難點進行分析；指出未來油氣管道機器人的研究重點應集中在構造靈活可靠的機械結構、構建實時穩定的控制系統、 提出新的能量供給技術等方面。綜述分析內容對油氣管道機器人的研究具有一定的參考價值。

關鍵詞：油氣管道；管道機器人；檢測維護

1 前言

油氣管道運輸作為全球5大運輸方式之一，在國民經濟中占有重要地位；但是由于油氣管道輸送的介質易燃易爆，油氣管道一旦失效，極易引發重大的安全事故，嚴重危及當地人民的生命財產安全，并可能對當地生態環境等造成災難性后果。為確保油氣管道的安全，過去通常采用人工開挖、巡檢的方式，完成對油氣管道的定期或提前報廢檢測。顯然，這些方法會造成大量經濟損失，并且漏檢率高、效率低。隨著科學技術的發展，研究者把目光轉向于開發一種專門針對油氣管道檢修、維護的特種機器人——管道機器人，并期望結合無損檢測技術和智能化技術實現對油氣管道的在線自動無損檢測和維護。

2 管道機器人存在的技術難題

管道機器人的出現實現了管道作業的自動化，但機器人的運動控制和定位問題，一直是管道機器人領域亟待解決的技術難題。

2.1 管道機器人運動控制問題

管道機器人在作業過程中，其運行速度的快慢、平穩性，以及過彎能力、越障能力等運動性能直接關系到作業效果的好壞；機器人的運動性能又受管道內的障礙、機器人執行機構的輸出誤差和機器人自身載荷的變化等影響：因此，管道機器人的運動控制問題成為管道機器人領域的研究重點和難點之一。

2.1.1 自驅動式管道機器人的運動控制

自驅動式管道機器人與傳統意義上的智能小車控制方式類似，常采用上位機進行運算處理、路徑規劃，下位機與電機、電磁閥等通信實現執行機構動作的方式。

文獻研制的輪式管道機器人，在機器人控制器中采用了模糊控制、復合式學習算法和PID調節，并進行了機器人的模擬仿真，驗證了機器人的實時調速功能。隨著智能控制技術的發展，國內外對自驅動式管道機器人的運動控制水平不斷提高，通過智能控制算法不斷優化機器人機械誤差，能夠實現機器人運行的平穩，具有較強的牽引力、越障能力和過彎能力。

2.1.2 流體驅動式管道機器人的運動控制

流體驅動式管道機器人主要用于長距離、大管徑管道的清管、檢測等作業。這類機器人的動力來自于管道中的流體，機器人的速度與管道內流體的速度相關。一方面，流體的速度一般高于機器人能夠實現精準作業的速度；另一方面，由于流體的速度波動，機器人的運行速度也隨之波動。想要實現這類機器人穩定在適應于作業需求的速度上是十分困難的。多年來，各國都在不斷探索流體驅動式管道機器人的速度控制問題。

近年來出現了管道機器人閉環實時控速系統的理論構想。這種系統利用傳感器檢測機器人實時速度，并反饋給中央處理器單元，由處理器統一計算規劃后發出命令調節機器人旁通閥的開閉程度，以改變其前后壓差，從而實現對機器人速度的實時控制。

2.2 管道機器人定位問題

管道機器人在實施管道作業時，需要對其所在位置進行確定，以便監測機器人在管內工作情況。特別是在管道檢測中，確定管道缺陷位置，這尤為重要。常用的定位方式有里程輪定位、GPS衛星定位和CCD視覺定位。

GPS衛星定位法的實現需要管內機器人與外界保持實時通信，其定位精度高。我國大慶某采油廠就利用這種方式進行管下機器人定位，實際應用效果良好；但是由于需要實時通信，對管道的環境要求較高，在埋藏較深、環境惡劣的情況下很難實現，并且GPS衛星定位系統較復雜，成本較高。

CCD視覺定位基本原理是利用視覺傳感器實現機器人定位。常用的方法是通過識別管道間焊縫的方式，利用視覺傳感器獲得視覺信號，再進行降噪等處理，判定焊縫位置，從而定位機器人。這種方式在管道環境惡劣，如管道內被油污覆蓋時很難提取到視覺特征，并且其成本也相對較高。

3 總結與展望

管道機器人技術是一種集現代制造技術、電子信息技術、先進傳感技術、現代控制技術、通信技術等為一體的智能化機電裝置。目前，國內的油氣管道機器人技術與國外發達國家的技術相比，還處于比較落后的階段。隨著科學技術的發展以及越來越多的科研工作者對油氣管道機器人的重視，未來對于油氣管道機器人的研究將主要集中在以下幾方面。

3.1 靈活可靠的機械結構

未來的油氣管道機器人應具備一機多能的結構形式，將各個功能模塊化，在一臺機器人上融合清洗、檢測、切割、噴涂、焊接等功能。同時，在針對井下作業和具有彎道等特殊形式的油氣管道中，機器人依然能保持良好的通過性。

3.2 實時穩定的控制系統

如前文所述，油氣管道機器人運動控制問題是該領域的一個研究難點，尤其是在長距離、大管徑的管道中，要保證機器人控制系統的穩定性和實時性十分困難。要在復雜多變的管道環境中實現可靠的控制，通信和定位能力也需同時提升。

參考文獻：

[1]胡燈明，駱暉.國內外天然氣管道事故分析[J].石油工業技術監督，2009（9）：8.

作者簡介：

劉佳奇（1993- ），男，滿族，河北承德市人，碩士研究生在讀，研究方向：激光熔覆熱障涂層，非標自動化設備。