油氣管道機(jī)器人相關(guān)技術(shù)研究

摘 要：隨著我國(guó)管道建設(shè)速度的加快、 管道數(shù)量的增加，管道檢測(cè)、維護(hù)及運(yùn)行安全成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。大技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行分析；指出未來(lái)油氣管道機(jī)器人的研究重點(diǎn)應(yīng)集中在構(gòu)造靈活可靠的機(jī)械結(jié)構(gòu)、構(gòu)建實(shí)時(shí)穩(wěn)定的控制系統(tǒng)、 提出新的能量供給技術(shù)等方面。綜述分析內(nèi)容對(duì)油氣管道機(jī)器人的研究具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：油氣管道；管道機(jī)器人；檢測(cè)維護(hù)

1 前言

油氣管道運(yùn)輸作為全球5大運(yùn)輸方式之一，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位；但是由于油氣管道輸送的介質(zhì)易燃易爆，油氣管道一旦失效，極易引發(fā)重大的安全事故，嚴(yán)重危及當(dāng)?shù)厝嗣竦纳?cái)產(chǎn)安全，并可能對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境等造成災(zāi)難性后果。為確保油氣管道的安全，過(guò)去通常采用人工開挖、巡檢的方式，完成對(duì)油氣管道的定期或提前報(bào)廢檢測(cè)。顯然，這些方法會(huì)造成大量經(jīng)濟(jì)損失，并且漏檢率高、效率低。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，研究者把目光轉(zhuǎn)向于開發(fā)一種專門針對(duì)油氣管道檢修、維護(hù)的特種機(jī)器人——管道機(jī)器人，并期望結(jié)合無(wú)損檢測(cè)技術(shù)和智能化技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)油氣管道的在線自動(dòng)無(wú)損檢測(cè)和維護(hù)。

2 管道機(jī)器人存在的技術(shù)難題

管道機(jī)器人的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了管道作業(yè)的自動(dòng)化，但機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制和定位問(wèn)題，一直是管道機(jī)器人領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)難題。

2.1 管道機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題

管道機(jī)器人在作業(yè)過(guò)程中，其運(yùn)行速度的快慢、平穩(wěn)性，以及過(guò)彎能力、越障能力等運(yùn)動(dòng)性能直接關(guān)系到作業(yè)效果的好壞；機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能又受管道內(nèi)的障礙、機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出誤差和機(jī)器人自身載荷的變化等影響：因此，管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題成為管道機(jī)器人領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。

2.1.1 自驅(qū)動(dòng)式管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制

自驅(qū)動(dòng)式管道機(jī)器人與傳統(tǒng)意義上的智能小車控制方式類似，常采用上位機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理、路徑規(guī)劃，下位機(jī)與電機(jī)、電磁閥等通信實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的方式。

文獻(xiàn)研制的輪式管道機(jī)器人，在機(jī)器人控制器中采用了模糊控制、復(fù)合式學(xué)習(xí)算法和PID調(diào)節(jié)，并進(jìn)行了機(jī)器人的模擬仿真，驗(yàn)證了機(jī)器人的實(shí)時(shí)調(diào)速功能。隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外對(duì)自驅(qū)動(dòng)式管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制水平不斷提高，通過(guò)智能控制算法不斷優(yōu)化機(jī)器人機(jī)械誤差，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人運(yùn)行的平穩(wěn)，具有較強(qiáng)的牽引力、越障能力和過(guò)彎能力。

2.1.2 流體驅(qū)動(dòng)式管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制

流體驅(qū)動(dòng)式管道機(jī)器人主要用于長(zhǎng)距離、大管徑管道的清管、檢測(cè)等作業(yè)。這類機(jī)器人的動(dòng)力來(lái)自于管道中的流體，機(jī)器人的速度與管道內(nèi)流體的速度相關(guān)。一方面，流體的速度一般高于機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)作業(yè)的速度；另一方面，由于流體的速度波動(dòng)，機(jī)器人的運(yùn)行速度也隨之波動(dòng)。想要實(shí)現(xiàn)這類機(jī)器人穩(wěn)定在適應(yīng)于作業(yè)需求的速度上是十分困難的。多年來(lái)，各國(guó)都在不斷探索流體驅(qū)動(dòng)式管道機(jī)器人的速度控制問(wèn)題。

近年來(lái)出現(xiàn)了管道機(jī)器人閉環(huán)實(shí)時(shí)控速系統(tǒng)的理論構(gòu)想。這種系統(tǒng)利用傳感器檢測(cè)機(jī)器人實(shí)時(shí)速度，并反饋給中央處理器單元，由處理器統(tǒng)一計(jì)算規(guī)劃后發(fā)出命令調(diào)節(jié)機(jī)器人旁通閥的開閉程度，以改變其前后壓差，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人速度的實(shí)時(shí)控制。

2.2 管道機(jī)器人定位問(wèn)題

管道機(jī)器人在實(shí)施管道作業(yè)時(shí)，需要對(duì)其所在位置進(jìn)行確定，以便監(jiān)測(cè)機(jī)器人在管內(nèi)工作情況。特別是在管道檢測(cè)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(wèi)星定位和CCD視覺定位。

GPS衛(wèi)星定位法的實(shí)現(xiàn)需要管內(nèi)機(jī)器人與外界保持實(shí)時(shí)通信，其定位精度高。我國(guó)大慶某采油廠就利用這種方式進(jìn)行管下機(jī)器人定位，實(shí)際應(yīng)用效果良好；但是由于需要實(shí)時(shí)通信，對(duì)管道的環(huán)境要求較高，在埋藏較深、環(huán)境惡劣的情況下很難實(shí)現(xiàn)，并且GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)較復(fù)雜，成本較高。

CCD視覺定位基本原理是利用視覺傳感器實(shí)現(xiàn)機(jī)器人定位。常用的方法是通過(guò)識(shí)別管道間焊縫的方式，利用視覺傳感器獲得視覺信號(hào)，再進(jìn)行降噪等處理，判定焊縫位置，從而定位機(jī)器人。這種方式在管道環(huán)境惡劣，如管道內(nèi)被油污覆蓋時(shí)很難提取到視覺特征，并且其成本也相對(duì)較高。

3 總結(jié)與展望

管道機(jī)器人技術(shù)是一種集現(xiàn)代制造技術(shù)、電子信息技術(shù)、先進(jìn)傳感技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、通信技術(shù)等為一體的智能化機(jī)電裝置。目前，國(guó)內(nèi)的油氣管道機(jī)器人技術(shù)與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)相比，還處于比較落后的階段。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及越來(lái)越多的科研工作者對(duì)油氣管道機(jī)器人的重視，未來(lái)對(duì)于油氣管道機(jī)器人的研究將主要集中在以下幾方面。

3.1 靈活可靠的機(jī)械結(jié)構(gòu)

未來(lái)的油氣管道機(jī)器人應(yīng)具備一機(jī)多能的結(jié)構(gòu)形式，將各個(gè)功能模塊化，在一臺(tái)機(jī)器人上融合清洗、檢測(cè)、切割、噴涂、焊接等功能。同時(shí)，在針對(duì)井下作業(yè)和具有彎道等特殊形式的油氣管道中，機(jī)器人依然能保持良好的通過(guò)性。

3.2 實(shí)時(shí)穩(wěn)定的控制系統(tǒng)

如前文所述，油氣管道機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題是該領(lǐng)域的一個(gè)研究難點(diǎn)，尤其是在長(zhǎng)距離、大管徑的管道中，要保證機(jī)器人控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性十分困難。要在復(fù)雜多變的管道環(huán)境中實(shí)現(xiàn)可靠的控制，通信和定位能力也需同時(shí)提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡燈明，駱暉.國(guó)內(nèi)外天然氣管道事故分析[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2009（9）：8.

作者簡(jiǎn)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(biāo)自動(dòng)化設(shè)備。