基于低频电磁信号的管道清堵机器人定位方法研究

发布时间：2017-12-19 17:21

本文关键词：基于低频电磁信号的管道清堵机器人定位方法研究　出处：《中国矿业大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：管道清堵机器人是用来清理管道的专用工具,工作中它时常会发生卡堵或跑飞现象,容易造成管道运输的安全事故。因此需要对管道清堵机器人进行实时跟踪和定位,从而保证管道运输的安全。本文以极低频磁信号为通信手段,通过管内机器人发射极低频磁信号,管外磁电传感器接收磁信号的方式,在前人研究的基础上,进一步开展管道清堵机器人的定位研究。论文主要工作和研究成果如下:在磁场分布模型方面,目前采用的磁偶极子模型仅把发射线圈等效为一电流环,忽略了线圈的尺寸、形状和电流分布,针对此问题,从磁矢势出发,通过对磁矢势的旋度求解得到一般情况下的磁场分布模型,提高了空间磁场强度计算精度。在此基础上,进一步对管内磁发射线圈缠绕方式进行了优化。针对管道清堵机器人一维坐标定位问题,分析磁电传感器速度、角度对输出电压信号的影响,推导出了传感器理论输出电压方程。通过对传感器实际输出电压信号和理论电压信号进行两信号的互相关卷积运算,建立机器人一维坐标自动化、快速定位的模型,分析两信号相关卷积平均阈值对定位精度的影响,并进行数值实验分析。针对管道机器人的三维坐标定位问题,首先建立三维坐标定位模型,在此基础上,通过把管道厚度、外界环境等物理量的变化等效为传感器电压放大倍数的变化,采用对称阵列式磁电传感器结构,提出三维坐标自适应定位模型,避免了由外部环境变化导致定位误差增大的问题。针对自适应三维坐标方程求解问题,通过综合利用粒子群算法(PSO)的全局空间寻优能力和拟牛顿算法(BFGS)的局部精细搜索能力,设计基于粒子群拟牛顿混合算法的管道机器人定位方程求解方法,并进行数值计算分析。数值实验结果表明,采用改进后的算法,平均定位误差在x,y,z三个方向上比单纯使用PSO和BFGS分别降低了4.2 cm、3.8 cm、4.6 cm和3.4 cm、2.6 cm、3.8 cm。管内磁信号发射装置能源供给方面,分析了碱电池、锂电池的各自优缺点,针对管道机器人长期定位的需求,提出了采用高能量密度的液体电池供电方法,搭建了基于甲酸燃料电池的供电系统,并对电池材料进行了优化设计研究。对系统硬件电路进行了设计,分别制作了管内发射天线、发射控制电路、接收天线、接收信号调理和控制电路,进行了样机的组装和实验。实验结果表明,设计的一维坐标和三维坐标定位系统均能满足管道机器人的定位需求。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242

【参考文献】

中国期刊全文数据库前10条

1 李秀美;陈国明;朱红卫;方娜;燕冰川;;老龄油气管道安全寿命综合评估方法研究[J];工业安全与环保;2016年08期

2 魏明生;童敏明;张春亚;夏静;;管道清堵机器人电磁定位系统[J];工矿自动化;2016年06期

3 李海英;贾永丽;张丹;刘海云;;动力磷酸铁锂电池产热特性研究[J];电源技术;2016年05期

4 张克;梁昔明;;基于Lagrange乘子法的一种新型改进粒子群优化算法[J];北京建筑大学学报;2016年01期

5 邵琦;谢哲东;;管道机器人的发展与展望[J];农业与技术;2016年05期

6 陈奔;王俊;涂正凯;潘牧;沈俊;刘志春;刘伟;;基于高氢气利用率的质子交换膜燃料电池运行特性研究[J];工程热物理学报;2016年02期

7 郝丽莎;赵媛;;中国石油资源利用的区域经济效应差异分析[J];自然资源学报;2016年02期

8 刘清友;;油气管道机器人技术现状及发展趋势[J];西华大学学报(自然科学版);2016年01期

9 陈奕颖;;管道机器人的发展现状及其趋势[J];科技创新与应用;2015年36期

10 薛润斌;赵文峰;刘远东;赵凯华;;清管器在线监测预警装置研制与应用[J];油气田地面工程;2015年12期