基于視覺與激光融合的柔性壓裂管線檢測機(jī)器人

摘要：柔性壓裂管線作為一種新型壓裂管匯，能有效提升壓裂作業(yè)時(shí)管線連接效率。為了保障柔性壓裂管線安全服役，并面向現(xiàn)場使用需求，研制了一種基于視覺與激光融合的柔性壓裂管線檢測機(jī)器人。機(jī)器人主要由爬行裝置、視頻檢測裝置、激光旋轉(zhuǎn)檢測裝置和控制模塊組成，并基于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)提高機(jī)器人檢測交互體驗(yàn)。機(jī)器人通過視頻檢測和激光測量分別獲得柔性壓裂管線的圖像信息與輪廓信息，在此基礎(chǔ)上綜合評(píng)估管線內(nèi)部橡膠層磨損狀況，從而有效預(yù)測和規(guī)避柔性壓裂管線失效風(fēng)險(xiǎn)。最后，通過試制樣機(jī)開展試驗(yàn)，驗(yàn)證了該機(jī)器人能夠滿足設(shè)計(jì)需求，具備較好的推廣前景。

關(guān)鍵詞：檢測機(jī)器人；壓裂管線；視頻檢測；橢圓度測量；混合現(xiàn)實(shí)

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.09.011

文章編號(hào)：1006-0316 （2024） 09-0074-07

Abstract：As a new type of fracturing pipeline manifold， flexible fracturing pipeline can effectively improve the efficiency of pipeline connection during fracturing operation. In order to ensure the safe service of flexible fracturing pipeline and to meet the field requirements， this paper proposes and develops a flexible fracturing pipeline inspection robot based on vision and laser fusion. The robot is mainly composed of a crawling mechanism， a video inspection system， a laser rotation inspection system and a control module. The interactive experience of the robot inspection is improved based on mixed reality technology . The robot obtains image and contour information of the flexible fracturing pipeline through video inspection and laser measurement respectively， based on which it comprehensively evaluates the wear condition of the internal rubber layer of the pipeline and thus effectively predicts and avoids the failure risk of the flexible fracturing pipeline. Finally， the prototype is tested to verify that the robot can meet the design requirements and has good prospects for popularization.

Key words：inspection robot；fracturing pipeline；video inspection；ellipticity measurement；mixed reality

壓裂管匯是一種用于在地下巖層中注入高壓液體以破裂巖石并釋放能源資源（如石油或天然氣）的管道系統(tǒng)[1]。柔性壓裂管線作為一種新型壓裂管匯，由于其柔性連接的特點(diǎn)能夠顯著減少壓裂現(xiàn)場管線的連接數(shù)量，能有效提升壓裂作業(yè)時(shí)管線連接效率，目前正逐步在壓裂現(xiàn)場推廣應(yīng)用。

壓裂作業(yè)時(shí)，壓裂管線內(nèi)膠層需要承受壓裂液等輸送介質(zhì)長時(shí)間的沖刷磨損。一旦磨損程度超過一定限度，在管線內(nèi)部高壓環(huán)境下，壓裂管線失效將造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故，危及現(xiàn)場人員的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，開展柔性壓裂管線檢測對(duì)于保障柔性壓裂管匯的安全服役具有重要意義。

針對(duì)壓裂管匯檢測技術(shù)的研究，國內(nèi)一些學(xué)者開展了相關(guān)的研究工作，取得了一定的研究成果，而國外的研究成果報(bào)導(dǎo)較少。楊國輝[2]研究了聲發(fā)射檢測技術(shù)在壓裂管匯無損檢測中的應(yīng)用。遲連聲等[3]分析了超聲檢測、聲發(fā)射檢測、磁粉探傷檢測和內(nèi)窺鏡檢測在水平井大規(guī)模壓裂管匯無損檢測中的應(yīng)用及前景。孫秉才等[4]開發(fā)了基于磁記憶檢測的高壓管匯損傷檢測系統(tǒng)。范春春等[5]通過新增檢測部位對(duì)壓裂管匯無損檢測方法進(jìn)行了改進(jìn)。李杰等[6]對(duì)高壓管匯沖蝕缺陷脈沖渦流檢測進(jìn)行了數(shù)值分析。然而，柔性壓裂管線內(nèi)膠層為橡塑合金材料，現(xiàn)有的電磁檢測方法難以有效地檢出管線內(nèi)部缺陷，缺乏針對(duì)現(xiàn)場的柔性壓裂管線檢測手段。

綜上所述，為了保障柔性壓裂管線安全服役，并面向現(xiàn)場使用需求，論文研制了一種視覺與激光融合的柔性壓裂管線檢測機(jī)器人。機(jī)器人通過輪式爬行結(jié)構(gòu)在管道內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)，通過視頻檢測和橢圓度測量，評(píng)估管線內(nèi)部橡膠層磨損狀況，從而有效預(yù)測和規(guī)避柔性壓裂管線失效風(fēng)險(xiǎn)。為了進(jìn)一步提高檢測過程交互體驗(yàn)，引入混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人敏捷交互。通過試制樣機(jī)開展試驗(yàn)，驗(yàn)證了該機(jī)器人能夠滿足設(shè)計(jì)需求，具備較好的推廣前景。

1"設(shè)計(jì)方案

1.1"需求分析

檢測機(jī)器人適用于管徑125～220"mm的柔性壓裂管線（如圖1所示）檢測，能夠貼合管線內(nèi)壁進(jìn)行自由運(yùn)動(dòng)和精確定位，檢測速度可調(diào)。通過柔性壓裂管線高清視頻檢測和柔性壓裂管線內(nèi)部橡膠壁厚磨損及橢圓度測量，實(shí)現(xiàn)對(duì)管線內(nèi)部橡膠層磨損狀況有效評(píng)估。并結(jié)合混合現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)將視頻數(shù)據(jù)與測量數(shù)據(jù)結(jié)合顯示，并且操作人員可以在檢測過程中通過混合現(xiàn)實(shí)軟件與機(jī)器人進(jìn)行交互。

1.2 總體方案

機(jī)器人主要由爬行裝置、視頻檢測裝置、激光旋轉(zhuǎn)檢測裝置和控制模塊組成。機(jī)器人功能樹如圖2所示。由此設(shè)計(jì)的機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，其在柔性壓裂管線內(nèi)檢測的示意圖如圖4所示。爬行裝置能夠使機(jī)器人在柔性壓裂管線內(nèi)部自由運(yùn)動(dòng)，視頻檢測裝置和激光旋轉(zhuǎn)檢測裝置可獲取管道內(nèi)部視頻檢測數(shù)據(jù)和橢圓度測量數(shù)據(jù)，通信及控制電路模塊實(shí)現(xiàn)檢測過程控制，與上位機(jī)工作站和混合現(xiàn)實(shí)設(shè)備進(jìn)行交互，上傳檢測數(shù)據(jù)以進(jìn)行后處理分析。

2"機(jī)器人運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)

機(jī)器人在柔性壓裂管線內(nèi)的掃查運(yùn)動(dòng)通過爬行裝置完成。爬行裝置由調(diào)整螺母、預(yù)緊調(diào)節(jié)彈簧、驅(qū)動(dòng)輪及從動(dòng)輪組成。調(diào)整螺母能夠根據(jù)不同管匯內(nèi)徑的大小，預(yù)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)輪裝置沿管道直徑方向的尺寸同步收縮，從而保證驅(qū)動(dòng)輪裝置緊緊貼合在管道的內(nèi)壁，為檢測機(jī)器人的前進(jìn)、后退提供抓地驅(qū)動(dòng)力。預(yù)緊調(diào)節(jié)彈簧能夠主動(dòng)退讓，同步縮小驅(qū)動(dòng)輪的貼合內(nèi)徑，防止管線發(fā)生局部變形導(dǎo)致檢測出現(xiàn)卡死情況，保證檢測機(jī)器人在管線內(nèi)部通行順利。驅(qū)動(dòng)輪主要由6套驅(qū)動(dòng)模塊組成，主要由6套驅(qū)動(dòng)模塊組成，如圖5所示，分為前3套和后3套，它的主要作用是為檢測機(jī)器人提供前進(jìn)的動(dòng)力。單套驅(qū)動(dòng)模塊主要由驅(qū)動(dòng)行星減速電機(jī)、輪子、軸承、錐齒輪等組成，如圖6所示。從動(dòng)輪由周向布置的4個(gè)滑輪組成，與主動(dòng)輪一起支撐機(jī)器人結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人掃查爬行運(yùn)動(dòng)。

3"機(jī)器人通信及控制

機(jī)器人通信示意圖如圖7所示。檢測機(jī)器人、工作站和混合現(xiàn)實(shí)設(shè)備依托無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。檢測機(jī)器人和混合現(xiàn)實(shí)設(shè)備位于檢測現(xiàn)場，工作站位于遠(yuǎn)程。混合現(xiàn)實(shí)設(shè)備選用Hololens2，這是微軟公司研發(fā)的最新一代混合現(xiàn)實(shí)頭顯全息計(jì)算機(jī)，搭載的多種傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)深度環(huán)境感知，可完成復(fù)雜的三維全息成像。檢測時(shí)，現(xiàn)場操作人員頭戴混合現(xiàn)實(shí)設(shè)備與機(jī)器人進(jìn)行交互，通過虛擬按鍵或語音遙控機(jī)器人進(jìn)行掃查運(yùn)動(dòng)；機(jī)器人將檢測數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程工作站進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，遠(yuǎn)程分析結(jié)果同步顯示在混合現(xiàn)實(shí)設(shè)備上；檢測過程中現(xiàn)場操作人員同樣可以通過虛擬按鍵或語音方式和遠(yuǎn)程工作站進(jìn)行交互。通過引入混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)，能夠盡可能解放雙手，提高機(jī)器人檢測過程中的交互敏捷性。機(jī)器人內(nèi)部PCB板卡通過編碼器、陀螺儀等傳感器獲取機(jī)器人檢測各個(gè)時(shí)刻的位姿信息，主控芯片選用STM32G474，嵌入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)FreeRTOS，通過CAN、LAN和UART數(shù)據(jù)總線與電機(jī)、相機(jī)和激光裝置進(jìn)行通信，完成電機(jī)控制、數(shù)據(jù)回傳任務(wù)和遙控解析等機(jī)器人檢測控制任務(wù)。

4"檢測數(shù)據(jù)采集及后處理

4.1"視頻檢測

柔性壓裂管線視頻檢測功能基于機(jī)器人視頻檢測裝置完成。相機(jī)選用緊湊型工業(yè)相機(jī)，搭配視場角184.6°的魚眼鏡頭。相機(jī)分辨率為2848×2848（800萬像素），2K視頻錄制幀率15"幀/秒，支持自動(dòng)曝光、自動(dòng)增益、自動(dòng)白平衡和自適應(yīng)噪聲校正。視頻檢測過程中通過LED燈條進(jìn)行補(bǔ)光。開發(fā)了配套的分析軟件，如圖8所示，軟件能夠?qū)崿F(xiàn)管線內(nèi)部橡膠層磨損狀況實(shí)時(shí)分析。

4.2"橢圓度測量

柔性壓裂管線橢圓度測量基于機(jī)器人激光旋轉(zhuǎn)檢測裝置完成。激光傳感器測距基準(zhǔn)距離為30"mm，測量范圍為20～45"mm，顯示分辨率為0.001"mm，重復(fù)精度為0.001"mm，采樣周期為 ""5"ms。如圖9所示，橢圓度測量過程中，在旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)下，激光傳感器高速旋轉(zhuǎn)并采集到四周管壁的距離數(shù)據(jù)，設(shè)定旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為300"r/min。

電滑環(huán)用于傳輸激光檢測數(shù)據(jù)。若某一時(shí)刻激光傳感器采集得到的距離為r，旋轉(zhuǎn)電機(jī)所在角度為φ，同時(shí)定位得到機(jī)器人所在位置為z，則可建立柔性管線內(nèi)壁關(guān)于柱坐標(biāo) （r， φ， z）的輪廓信息。

橢圓度定義為管道橫截面上最大最小直徑之差[7]。對(duì)于柔性管線某一界面的橢圓度，取該截面上旋轉(zhuǎn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈得到的激光測距數(shù)據(jù)組成極坐標(biāo)（r， φ），代入上述計(jì)算得來的橢圓參數(shù)值，由最小二乘法擬合橢圓計(jì)算得到[8-10]，以下是橢圓擬合計(jì)算過程：

設(shè)橢圓的錐面方程為：

式中：a、b、c、d、e、f為待計(jì)算的參數(shù)；x和y為測量值。

設(shè)估計(jì)值函數(shù)為：

定義曲線擬合的損失函數(shù)為：

式中：H為橢圓的參數(shù)，H＝[a b c d e]。

最小二乘法原理是式采集點(diǎn)到擬合曲線距離的殘差平方和最小，即式（3）損失函數(shù)取得最小值。因此對(duì)損失函數(shù)求導(dǎo)，可得：

其中：。

對(duì)式（4）進(jìn)行變換，得到參數(shù)估計(jì)值為：

式（5）代入測量值可即求得H。

在坐標(biāo)系中，擬合得到的橢圓可能會(huì)出現(xiàn)傾斜的情況，即橢圓的長短軸不與坐標(biāo)軸平行，進(jìn)行變換去除橢圓傾斜，可得：

將式（6）代入式（1），計(jì)算得到去除傾斜后的橢圓錐面方程：

由于已去除傾斜，故新橢圓方程中b'＝0，代入最終求得α的值，如下所示：

由此可得新橢圓方程a、c、d、e的值，至此新橢圓方程的參數(shù)全部已知。橢圓度為擬合橢圓長軸與短軸之差，測量效果如圖10所示。

5"檢測試驗(yàn)

為了驗(yàn)證論文提出的視覺與激光融合柔性壓裂管線檢測機(jī)器人設(shè)計(jì)可行性，制作了檢測機(jī)器人樣機(jī)，并開展柔性管線檢測試驗(yàn)，如圖11所示。柔性壓裂樣管長1.2"m，內(nèi)徑130"mm。機(jī)器人檢測速度設(shè)定為50"mm/s，樣管用時(shí)24"s檢測完成。視頻檢測圖像如圖12所示，管線內(nèi)部成像較為清晰，可以進(jìn)一步通過機(jī)器視覺算法識(shí)別和量化缺陷。橢圓度測量采集得到4800個(gè)采樣點(diǎn)，管線內(nèi)部輪廓重建圖像如圖13所示，橢圓度變化曲線圖如圖14所示，基于橢圓度測量結(jié)果可以預(yù)測柔性壓裂管線內(nèi)部橡膠層磨損趨勢(shì)。混合現(xiàn)實(shí)顯示效果如圖15所示，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)將視頻數(shù)據(jù)與測量數(shù)據(jù)結(jié)合顯示，檢測過程中通過混合現(xiàn)實(shí)設(shè)備和檢測機(jī)器人交互體驗(yàn)良好。綜上所述，研制的柔性壓裂管線檢測機(jī)器人可行性得到驗(yàn)證。

6"結(jié)論

（1）為了保障柔性壓裂管線安全服役，并面向現(xiàn)場使用需求，研制了一種基于視覺與激光融合的柔性壓裂管線檢測機(jī)器人。檢測機(jī)器人包括爬行裝置、視頻檢測裝置、激光旋轉(zhuǎn)檢測裝置和通信及控制電路模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)視頻檢測和橢圓度測量，評(píng)估管線內(nèi)部橡膠層磨損狀況，從而有效預(yù)測和規(guī)避柔性壓裂管線失效風(fēng)險(xiǎn)。

（2）通過需求分析，總體方案設(shè)計(jì)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)、通信及控制設(shè)計(jì)及檢測數(shù)據(jù)采集及后處理方法研究，研制得到的柔性壓裂管線檢測機(jī)器人能滿足設(shè)計(jì)需求。特別是創(chuàng)新性引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使檢測交互體驗(yàn)得到顯著提升。

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