油氣管道內(nèi)部智能巡視小車設(shè)計(jì)

江蘇理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 徐 倩 康紹鵬 陳 俊 孫文杰 劉 明

我國(guó)陸上油氣的運(yùn)輸方式以管道運(yùn)輸為主，干線管道運(yùn)力充足，管道網(wǎng)絡(luò)化程度高，對(duì)我國(guó)的發(fā)展極為重要。但部分油氣管道老化，安全隱患突出，管道的安全巡檢不可忽視。目前普通輪式管道檢測(cè)機(jī)器人地形適應(yīng)能力不足，無法完全應(yīng)對(duì)復(fù)雜管路內(nèi)部的環(huán)境，不適合長(zhǎng)距離長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)。對(duì)此，設(shè)計(jì)了一款油氣水管道內(nèi)部智能巡視小車來提高管道巡檢水平。該小車采用STC89C52單片機(jī)為核心，通過紅外傳感器、WiFi模塊、攝像頭等技術(shù)收集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋。經(jīng)模擬測(cè)試，該小車可正常運(yùn)行并及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故隱患，能改善人工工作，降低檢查成本。

隨著我國(guó)油氣進(jìn)口量的不斷增加以及天然氣資源合理開發(fā)利用水平的不斷提高，管道運(yùn)輸業(yè)不斷蓬勃發(fā)展。到2017年底，我國(guó)管道運(yùn)輸年產(chǎn)量在1522萬t左右。油氣管道運(yùn)輸作為五大運(yùn)輸方式之一，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位，但隨著管道建設(shè)速度的加快，長(zhǎng)期使用的油氣管道存在的安全隱患逐漸增多，現(xiàn)已達(dá)到或超出使用年限，便極易出現(xiàn)輸送物泄露、爆炸、污染等事故，這也是管道運(yùn)輸業(yè)所面臨的主要威脅，而現(xiàn)階段的處理方法具有較多的局限性。

綜合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，管道勘測(cè)機(jī)器人研究多年，并取得了豐碩的成果，在管道檢測(cè)中已經(jīng)廣泛應(yīng)用，但由于現(xiàn)存市場(chǎng)中管道檢測(cè)機(jī)器人本身存在的缺點(diǎn)，以及復(fù)雜管道工況、長(zhǎng)距離作業(yè)、地形適應(yīng)能力、效率等問題較為突出，且缺少多方位自動(dòng)感應(yīng)、自動(dòng)/遙控自由切換、飛行/行走模式自由切換等智能化功能。為解決上述問題，針對(duì)高網(wǎng)絡(luò)化程度管道內(nèi)部的復(fù)雜性，結(jié)合輪式機(jī)器人、無人機(jī)等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種低成本、低功耗、可靠性高，能在復(fù)雜環(huán)境下運(yùn)行，并能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控油氣管道內(nèi)部狀態(tài)的小車，對(duì)油氣管道巡檢監(jiān)測(cè)具有重要意義。

1 小車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用三維建模軟件Soliworks對(duì)油氣管道內(nèi)部智能巡視小車機(jī)器人建模，主要由底盤結(jié)構(gòu)、紅外傳感器、多位姿高清攝像頭、麥克納姆輪、四旋翼飛行器及微電控制系統(tǒng)，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 小車整體結(jié)構(gòu)示意圖

車體前段設(shè)置四個(gè)紅外傳感器，分為上下兩對(duì)，下部為紅外尋跡模塊，上部為紅外避障模塊。小車采用高清攝像頭，可對(duì)所拍攝的圖像進(jìn)行壓縮，利于遠(yuǎn)程圖像的傳輸，且攝像頭能夠保存不少于1000幅高質(zhì)量的JPEG圖片。攝像頭底座設(shè)置舵機(jī)與車體相連，可實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)無死角拍攝，攝像頭支架內(nèi)部設(shè)置一舵機(jī)，實(shí)現(xiàn)攝像頭俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)。油氣水管道內(nèi)部存在障礙物、沉淀物，普通輪式管道檢測(cè)機(jī)器人地形適應(yīng)能力差、與管道內(nèi)壁摩擦力小，履帶式管道檢測(cè)機(jī)器人速度相對(duì)較低、效率低、運(yùn)動(dòng)噪聲較大，故使用四輪驅(qū)動(dòng)的方式，且四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪均為麥克納姆輪，減速電機(jī)直接與輪相連，通過左右輪差速旋轉(zhuǎn)的方式，使小車實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)的功能。飛行時(shí)采用微型四旋翼飛行器，旋翼均勻布置在車體兩側(cè)，在直管道以及坡度較大管道時(shí)，可切換成飛行模式，以實(shí)現(xiàn)避障。車體正中為單片機(jī)控制板，STC89C52型單片機(jī)作為主控制器，開關(guān)、電池等輔件進(jìn)行電控硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。應(yīng)用Keil4對(duì)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了尋跡、紅外避障、旋翼飛行、遙控等功能。單片機(jī)控制板下側(cè)放置WiFi藍(lán)牙控制模塊，節(jié)約空間的同時(shí)，保證信號(hào)正常輸出。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主系統(tǒng)

小車主系統(tǒng)采用STC89C52型單片機(jī)為控制核心，開發(fā)板電路如圖2所示。

圖2 主系統(tǒng)電路圖

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

小車動(dòng)力部分采用減速直流電機(jī)，并采用雙L293D芯片電機(jī)驅(qū)動(dòng)板進(jìn)行控制，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

2.3 避障循跡模塊

小車可自行實(shí)現(xiàn)避障、尋跡，均采用紅外傳感器，并由LM339芯片進(jìn)行控制，避障尋跡模塊電路圖如圖4所示。

圖4 避障尋跡模塊電路圖

2.4 WiFi藍(lán)牙模塊

小車可遠(yuǎn)程遙控進(jìn)行人為切入控制。利用安卓手機(jī)作為上位機(jī)發(fā)出命令，無線處理模塊和單片機(jī)協(xié)同操作從而達(dá)到對(duì)車體的中遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)控制和動(dòng)作。無線模塊負(fù)責(zé)接收信號(hào)和數(shù)據(jù)傳輸，安卓客戶端負(fù)責(zé)發(fā)送控制信號(hào)，攝像頭采集圖像通過WiFi模塊的無線信號(hào)傳回手機(jī)，用戶可通過電腦以及手機(jī)端APP實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制智能小車進(jìn)行前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、停止以及速度等輪式行走與旋翼飛行躲避障礙等響應(yīng)。WiFi藍(lán)牙模塊接口電路如圖5所示。

圖5 WiFi藍(lán)牙模塊電路圖

3 程序設(shè)計(jì)

智能巡視小車的地面運(yùn)行方式主要包括自動(dòng)尋跡、自動(dòng)避障和遙控共三種功能。其功能選擇是通過人員按壓開發(fā)板上的按鍵來調(diào)節(jié)小車運(yùn)動(dòng)方式。

科/兒科的經(jīng)驗(yàn)直接挪用至產(chǎn)前檢測(cè)。但是現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)至少可以說明對(duì)于疑難遺傳病，高通量測(cè)序具有較高的輔助診斷價(jià)值，因此，對(duì)于產(chǎn)前發(fā)現(xiàn)胎兒結(jié)構(gòu)畸形或發(fā)育異常，常規(guī)手段無法確診的時(shí)候，應(yīng)用高通量測(cè)序作為補(bǔ)充檢測(cè)是可行的。

自動(dòng)循跡，自動(dòng)尋跡采用紅外傳感器，置于智能巡視小車車頭下端兩側(cè)，小車沿著黑線行駛，當(dāng)黑線位于車頭兩側(cè)紅外傳感器的中間時(shí)，則小車直行；當(dāng)小車頭部左側(cè)的紅外傳感器感應(yīng)到黑線時(shí)，右側(cè)沒有感應(yīng)到黑線，小車將會(huì)向左微轉(zhuǎn)一定角度，當(dāng)右側(cè)紅外傳感器感應(yīng)到黑線時(shí)，左側(cè)紅外傳感器沒有感應(yīng)到黑線，小車將會(huì)向右微轉(zhuǎn)一定角度，循環(huán)此類過程，左右兩側(cè)紅外傳感器不斷檢測(cè)是否感應(yīng)到黑線。程序設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖6 自動(dòng)尋跡

自動(dòng)避障，自動(dòng)避障傳感器位于車頭上端兩側(cè)，當(dāng)車頭左右兩側(cè)的紅外傳感器都無信號(hào)時(shí)，則小車前方無障礙，此時(shí)小車直行；當(dāng)小車左側(cè)傳感器接收到信號(hào)，右側(cè)無信號(hào)時(shí)，則小車左前方有障礙，右前方?jīng)]有障礙，此時(shí)小車右轉(zhuǎn)一定角度；當(dāng)左右兩側(cè)傳感器都接收到信號(hào)時(shí)，則表示小車左右兩側(cè)都有障礙，此時(shí)小車旋轉(zhuǎn)180°，并通過左右兩個(gè)傳感器檢測(cè)小車兩側(cè)是否有障礙，如果左前方無障礙，小車左轉(zhuǎn)，右前方無障礙，右轉(zhuǎn)，循環(huán)此類過程，程序設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

圖7 自動(dòng)避障

紅外遙控是通過對(duì)應(yīng)按鍵碼完成相應(yīng)動(dòng)作，按下不同的方向鍵就可以實(shí)現(xiàn)小車的前后左右等移動(dòng)。在函數(shù)中定義Type參數(shù)的值為紅外遙控器上的按鍵的碼值，各鍵碼值所對(duì)應(yīng)的功能如圖8所示。

圖8 紅外控制

4 模糊控制器

在模糊控制系統(tǒng)中，傳感器將采集到的信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，與設(shè)定值進(jìn)行比較，得到偏差，再輸入到模糊控制器中，偏差經(jīng)模糊化處理為模糊集合，根據(jù)模糊規(guī)則對(duì)其進(jìn)行模糊推理，便可得到模糊控制量，再進(jìn)行解模糊后精確輸出，并作用于被控對(duì)象。模糊控制流程如圖9所示。

圖9 模糊控制流程

4.1 模糊化

當(dāng)小車行進(jìn)發(fā)生偏移時(shí)，控制系統(tǒng)通過調(diào)整兩側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，對(duì)小車行進(jìn)路線的偏移進(jìn)行糾正，并讓其回到正確的行駛位置。將巡視小車的車頭方向相對(duì)于原行進(jìn)方向的偏移角E作為模糊控制器的輸入量，驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速差U作為模糊控制器的輸出量。

在輸入變量E的論域中，令語言值“NB”為重左偏、“NS”為左偏、“Z”為無偏移、“PS”為右偏、“PB”為重右偏；在輸出語言變量U的論域中，取語言值：“NB”為左驅(qū)動(dòng)輪速度比右驅(qū)動(dòng)輪速度轉(zhuǎn)速差較大、“NS”為左驅(qū)動(dòng)輪速度比右驅(qū)動(dòng)輪速度轉(zhuǎn)速差較小、“Z”為左驅(qū)動(dòng)輪速度與右驅(qū)動(dòng)輪速度相等、“PS”為右驅(qū)動(dòng)輪速度比左驅(qū)動(dòng)輪速度轉(zhuǎn)速差較小、“PB”為右驅(qū)動(dòng)輪速度比左驅(qū)動(dòng)輪速度轉(zhuǎn)速差較大；隸屬函數(shù)分布如圖10所示。

圖10 輸入輸出變量的三角函數(shù)分布

隸屬度函數(shù)的離散化如表1所示。

表1 輸入輸出的語言變量值

4.2 模糊規(guī)則

控制規(guī)則是模糊控制器中模糊推理的依據(jù)，是模糊控制的核心。模糊規(guī)則表如表2所示。

表2 控制規(guī)則

4.3 模糊推理

根據(jù)模糊控制輸入量和模糊控制規(guī)則，可通過模糊推理對(duì)模糊關(guān)系進(jìn)行求解。采用推理查表法，將輸入量偏轉(zhuǎn)角與控制規(guī)則進(jìn)行比較，最終得出輸出量轉(zhuǎn)速差。

4.4 解模糊

解模糊的方法有多重，主要有中位數(shù)法、加權(quán)平均法（即重心法）和最大隸屬度法。本次采用加權(quán)平均法（重心法）對(duì)模糊量進(jìn)行清晰化。模糊輸出為權(quán)值，計(jì)算公式如下：

式中，Uu為各個(gè)輸出模糊子集對(duì)應(yīng)的模糊單點(diǎn)集的值；Ui為輸出對(duì)該子集的隸屬度；n為輸出模糊子集數(shù)。

5 小車功能測(cè)試

5.1 地面與飛行測(cè)試

在地面能正常行駛，并能夠自動(dòng)躲避障礙物。在摩擦系數(shù)較小的，并有較小傾斜角度的管道中，能平穩(wěn)行駛，并有足夠動(dòng)力完成上坡。

智能巡視小車在室內(nèi)進(jìn)行了大量的飛行測(cè)試，飛行器均能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)的起飛、懸停。并且飛行器在空中能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定懸停，不會(huì)發(fā)生較大幅度的抖動(dòng)或者偏移，也模擬小車在通道中的實(shí)際工作環(huán)境下，測(cè)試發(fā)現(xiàn)飛行器在較狹小的空間小，針對(duì)氣旋等因素，飛行器仍舊可以穩(wěn)定工作，可以在傾斜角度較大，甚至直管道中正常運(yùn)行。

5.2 信號(hào)傳輸測(cè)試

在攝像頭正常工作的情況下，測(cè)試手機(jī)上接受信號(hào)的穩(wěn)定性和延時(shí)性，進(jìn)行了大量的測(cè)試后得出，手機(jī)接收畫面的延時(shí)很短，不會(huì)影響對(duì)小車的操作，畫面也一直十分穩(wěn)定，偶爾出現(xiàn)較為模糊的情況，在夜晚打開探照燈的情況下同時(shí)也進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果基本一致。

5.3 遠(yuǎn)程操控測(cè)試

測(cè)試攝像頭與探照燈進(jìn)行圖像實(shí)時(shí)傳輸，觀察到小車接收到的動(dòng)作指令與手機(jī)上所接收到的圖像畫面基本一致，延時(shí)很小，但當(dāng)手機(jī)與小車距離很遠(yuǎn)的情況下，圖像的延時(shí)有所加長(zhǎng)，但基本不影響小車的具體操作指令，依然能順利靈活完成所發(fā)出的所有指令。

結(jié)束語：油氣管道內(nèi)部智能巡視小車可以很好地適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境，在坡度較大的管道和豎直管道工況下行駛，并在運(yùn)行過程中可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)油氣管道內(nèi)部問題，通過PC機(jī)等智能終端連接無線路由器遠(yuǎn)程傳輸信息至客戶端。用戶可通過臺(tái)式機(jī)或手機(jī)客戶端遠(yuǎn)程連接實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，拍攝圖片，操作簡(jiǎn)單，顯示直觀。解決了特殊環(huán)境下人工檢測(cè)的隱患，降低了檢查成本，具有一定的推廣價(jià)值，市場(chǎng)前景廣闊。