管道機器人速度采集實驗裝置設計與誤差分析

串俊剛 曾欣 代艷霞 張銳麗 張仕民

摘 要：管道機器人運行速度對管道作業任務有重大影響，而速度采集系統將為管道機器人速度控制提供速度數據。本文設計了一套里程輪速度采集系統實驗裝置，該裝置包括一個里程輪，計數輪、里程輪安裝架，計數傳感器及數據采集電路板。通過該實驗裝置進行實驗，對實驗結果進行誤差分析，檢驗了管道機器人速度采集系統的有效性。

關鍵詞：管道機器人; 速度采集 ;實驗裝置 ;誤差分析

大口徑高流速管道進行檢測時，控制管道機器人運行速度的前提是隨時檢測瞬時速度，并通過控制電路比較，一般利用里程輪裝置的脈沖頻率來實現。

1.實驗目的

設計一個試驗用的里程輪數據采集的調速裝置，模擬管道機器人不同運行速度時候，里程輪和計數齒輪的轉速。試驗目的有三條：

第一：以模擬管道機器人在管道內不同的運行速度。此時，里程輪和計數齒輪將有不同的轉速。為了模擬這種大區間的速度變化（例如，速度變化范圍為0.2～12m/s），在高速下大量脈沖的發出（當V=12 m/s時，脈沖數為277個每秒），電路是否有誤判或丟失脈沖的情況。

第二：任何傳感器都有誤差存在，檢驗里程輪中轉速傳感器（耐壓型）在高壓環境下，其變化特征。另外，需要進行誤差檢測和標定數據的獲取。以期望在里程輪的數據解釋算法內，進行有效的校正和誤差剔除。所以，模擬裝置的設計及數據的獲取將十分重要。

第三，檢測傳感器安裝距離對脈沖數量、幅值的影響等，可以通過本試驗得到適合的安裝距離（相對計數齒輪的表面）。還有，導磁材料對該轉速傳感器的影響等。

2里程輪試驗裝置設計

根據設計的計數齒輪的結構和外購電機的參數，設計如下圖所示的試驗裝置。

其中，試驗裝置的參數：

可調直流電源：0～50V;

直流調速電機：瑞士MAXON直流電機，24V;

轉速傳感器：霍爾式齒輪轉速傳感器，上海富興測控科技公司

最大測量距離S=4mm;

計數齒輪材料：45號鋼;

傳感器支架的材料：45號鋼和鋁板（做對比試驗）;

通電并試驗后，將電控部分存儲芯片內，試驗中采集數據轉換到計算機內，經過數據處理后，得到里程輪的傳感器檢測出模擬速度的曲線，如圖所示：

3誤差分析

里程輪在管道內表面轉動當遇到障礙時會導致里程輪產生一個跳動從而使里程輪與管道內表面失去接觸。里程輪在管道內表面移動，當它碰到焊縫時里程輪會跳起與內壁不再接觸。在這一時刻，里程輪在慣性力的作用下將會繼續轉動，但是脈沖的速率將不再符合管道機器人真實的速度、位移情況。然后，在彈簧力的作用下里程輪回到管道內表面從而再次撞擊表面并彈起，產生錯誤的脈沖值。這在山區的管道，較大坡度的管道內，氣流的速度加快，且有管道機器人與管道彎頭撞擊、氣蝕等，將使得里程輪檢測瞬時速度的難度更大。

在管道機器人行進過程中，通過輪上的金屬凸起所產生的脈沖可以輸出機器人所處的位置，但是由于里程輪在滾動過程中不可避免的會受到打滑等因素的影響，因此，該方法存在累積誤差，使用多里程輪的定位方法可大大降低該累積誤差。

由于里程輪安裝在機器人定為單元的從動輪上，因此在產生打滑現象后，里程輪的計數值會小于檢測器行走距離的真實值，而采用多里程輪計數后，由于在檢測器的行進過程中，每個里程輪的打滑程度均不同，導致其計數值也不同，因此可選取采樣時間段內里程輪最大計數值進行累加，最后通過加權平均，得出定位數據。

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