魏明生，　童敏明，　張春亞，　夏靜

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院， 江蘇 徐州　221008； 2.江蘇師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，江蘇 徐州　221116； 3.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 南京　210094)

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科研成果

管道清堵機(jī)器人電磁定位系統(tǒng)

魏明生1,2，童敏明1，張春亞2，夏靜3

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院， 江蘇 徐州221008； 2.江蘇師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，江蘇 徐州221116； 3.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 南京210094)

介紹了管道清堵機(jī)器人的定位原理，依據(jù)磁偶極子模型分析了管道外極低頻電磁信號(hào)的分布規(guī)律，建立了管道清堵機(jī)器人一維定位方法，并設(shè)計(jì)了管道清堵機(jī)器人電磁定位系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的有效定位，當(dāng)接收天線分別以5 m/s和10 m/s的速度移動(dòng)時(shí)，定位誤差范圍分別為-20.7～19.8 cm和-24.3～27.1 cm，完全滿足工程的精度要求。

機(jī)器人； 管道清堵； 磁偶極子模型； 電磁定位

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160601.1009.001.html

0　引言

礦井水災(zāi)是煤礦常見(jiàn)的主要災(zāi)害之一，一旦礦井發(fā)生透水，會(huì)影響礦井的正常生產(chǎn)，同時(shí)還會(huì)淹沒(méi)礦井和采區(qū)，造成人員傷亡，危害十分嚴(yán)重。煤礦主排水系統(tǒng)是煤礦水害防治的主要手段，它的安全可靠性直接關(guān)系到礦井作業(yè)人員的安全。煤礦主排水管線經(jīng)過(guò)一定年限排水工作后，其管道內(nèi)壁會(huì)結(jié)垢從而造成通流面積減小、排水阻力加大及電耗增加，最終導(dǎo)致主排水系統(tǒng)的排水能力大大下降。同時(shí)由于沉積物會(huì)不同程度地腐蝕管道內(nèi)壁，直接影響排水安全和工作效率。利用管道機(jī)器人進(jìn)行在線清理是解決上述問(wèn)題的有效途徑[1-2]。為此，筆者設(shè)計(jì)了管道清堵機(jī)器人電磁定位系統(tǒng)。

1　定位系統(tǒng)原理

管道清堵機(jī)器人工作原理如圖1所示。在工作中，管道機(jī)器人依靠高壓水流推進(jìn)，皮碗形狀的前端驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)把管道壁及管道內(nèi)的沉積物等雜質(zhì)依次推出，對(duì)管道進(jìn)行清理。

圖1　管道清堵機(jī)器人工作原理

管道清堵機(jī)器人進(jìn)行在線清理工作時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)故障，造成機(jī)器人堵塞或安全牽引裝置失去作用，這時(shí)需要準(zhǔn)確確定機(jī)器人在管道內(nèi)的具體位置，以便清堵或維修。因此，管道內(nèi)機(jī)器人的定位成為其安全工作的重要保障。要實(shí)現(xiàn)管道機(jī)器人定位，首先要解決管道內(nèi)機(jī)器人和外界的通信問(wèn)題，由于普通鐵質(zhì)管道的屏蔽作用，使得常規(guī)的聲、光、電等通信手段受到屏蔽，傳統(tǒng)的無(wú)線通信手段很難應(yīng)用到管道機(jī)器人的定位中。

極低頻電磁信號(hào)能夠穿透巖石、海水及一定厚度的金屬，適用于管道內(nèi)外的通信，可在管道機(jī)器人定位中應(yīng)用[3-5]。

管道機(jī)器人定位原理如圖2所示。管道機(jī)器人內(nèi)放置1個(gè)通有23.5 Hz交流脈沖的發(fā)射線圈，間斷發(fā)射無(wú)線極低頻電磁脈沖，管道外放置1個(gè)接收線圈，通過(guò)感應(yīng)管道內(nèi)發(fā)射線圈的極低頻電磁信號(hào)，產(chǎn)生交流信號(hào)。當(dāng)管道外接收線圈和管道內(nèi)發(fā)射線圈靠近時(shí)，就會(huì)感應(yīng)出具有一定電動(dòng)勢(shì)的交流脈沖信號(hào)，而且隨著機(jī)器人和接收線圈距離變小，接收線圈感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)越來(lái)越大。發(fā)射線圈發(fā)射出的極低頻電磁信號(hào)在管道外空間的分布規(guī)律是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人定位的關(guān)鍵。

圖2　管道機(jī)器人定位原理

2　發(fā)射線圈的磁場(chǎng)分布模型

極低頻電磁發(fā)射裝置可等效為一個(gè)密繞的螺線管線圈，現(xiàn)以線圈的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立空間柱坐標(biāo)系，如圖3所示。圖3中，L為線圈長(zhǎng)度，根據(jù)比奧—薩法爾定律，坐標(biāo)系中任一點(diǎn)P(x,θ,y)的磁感應(yīng)強(qiáng)度如式(1)所示[6]。

圖3　線圈模型及其磁偶極子簡(jiǎn)化模型

(1)

式中:μ0為自由空間中的磁導(dǎo)率;N為匝數(shù)；I為線圈電流；R為螺線管電磁發(fā)射線圈的半徑。

在實(shí)際的工程應(yīng)用中，因?yàn)榘l(fā)射線圈半徑一般遠(yuǎn)小于發(fā)射線圈長(zhǎng)度L，所以空間某點(diǎn)的電磁分布模型可采用磁偶極子模型對(duì)線圈模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化。將半徑為R、長(zhǎng)為L(zhǎng)的線圈等效為一對(duì)相距L的磁偶極子±qm，磁偶極子模型下的空間磁感應(yīng)強(qiáng)度分布為

(2)

根據(jù)式(2)，對(duì)空間內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)值分析，得到磁感應(yīng)信號(hào)的分布規(guī)律，如圖4、圖5所示。

圖4　線圈垂直方向的磁場(chǎng)

圖5　線圈平行方向的磁場(chǎng)

由圖4、圖5可知，垂直方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度包絡(luò)線關(guān)于發(fā)射機(jī)中心呈雙峰對(duì)稱分布，左右兩邊的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向相反，垂直發(fā)射線圈中心方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零。平行于發(fā)射線圈中心的磁感應(yīng)強(qiáng)度包絡(luò)線在發(fā)射機(jī)的中心處強(qiáng)度最大，相對(duì)于發(fā)射機(jī)呈主峰對(duì)稱分布。根據(jù)發(fā)射機(jī)磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布規(guī)律，通過(guò)管道外接收天線的移動(dòng)產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小和變化規(guī)律可以對(duì)管道機(jī)器人進(jìn)行精確定位。

3　定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)管道外極低頻電磁信號(hào)空間分布的分析，采用圖2所示的方案對(duì)已知走向管道內(nèi)的機(jī)器人實(shí)現(xiàn)一維定位。管道清堵機(jī)器人電磁定位系統(tǒng)主要分為2個(gè)部分，一是管道內(nèi)的極低頻電磁信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)，二是管道外的信號(hào)接收系統(tǒng)。

3.1極低頻電磁信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)

極低頻電磁信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)采用單片機(jī)控制電路，在線圈中通入時(shí)變電流I(t)=Imexp(iωt)，發(fā)射23.5 Hz極低頻電磁信號(hào)。單片機(jī)將極低頻正弦脈沖信號(hào)離散化，并發(fā)射離散的數(shù)字信號(hào)，驅(qū)動(dòng)16位DA轉(zhuǎn)換器MAX541，然后通過(guò)DA轉(zhuǎn)換和放大器輸出23.5 Hz極低頻電壓信號(hào)，通過(guò)發(fā)射線圈發(fā)射。采用0.2 mm的漆包線纏繞12 000圈作為發(fā)射天線。極低頻電磁信號(hào)發(fā)射電路如圖6所示。

圖6　極低頻電磁信號(hào)發(fā)射電路

連續(xù)發(fā)射12個(gè)正弦脈沖后，間斷1.5 s再繼續(xù)發(fā)送信號(hào)，即發(fā)送的低頻正弦信號(hào)占空比為1:3，管道內(nèi)電磁信號(hào)間斷發(fā)射,達(dá)到了省電目的。MAX541為低功耗16位DA轉(zhuǎn)換芯片，無(wú)緩沖電壓輸出，轉(zhuǎn)換時(shí)間為1 μs，采用該芯片輸出23.5 Hz極低頻電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器接發(fā)射線圈。極低頻電磁信號(hào)如圖7所示。

圖7　極低頻電磁信號(hào)

3.2信號(hào)接收系統(tǒng)

在實(shí)際工況條件下，接收信號(hào)極其微弱且含有大量干擾噪聲，因此，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和濾波，當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度大于一定值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)判斷和識(shí)別機(jī)器人的位置。信號(hào)接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8　信號(hào)接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

接收線圈采用0.1 mm漆包線纏繞24 000圈形成，線圈纏繞后放在由尼龍做成的圓筒內(nèi)進(jìn)行封裝，由導(dǎo)線連接到信號(hào)調(diào)理電路上。磁感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為

(3)

式中：Φ為磁通量；B為平行于傳感器軸線的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

采用6級(jí)濾波和放大電路進(jìn)行信號(hào)調(diào)理。首先采用2個(gè)無(wú)限增益多路反饋巴特沃斯低通濾波器進(jìn)行低通濾波和放大，低通截止頻率為28 Hz；然后采用切比雪夫高通濾波器進(jìn)行濾波，高通濾波截止頻率為18 Hz；最后設(shè)計(jì)了具有高Q值的雙T帶通濾波器進(jìn)行帶通濾波，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。雙T帶通濾波電路如圖9所示。

圖9　雙T帶通濾波電路

有源帶通濾波器的關(guān)鍵部分是雙T選頻網(wǎng)絡(luò)，該濾波器由2個(gè)T型電路并聯(lián)而成。從圖9可看出，其中一個(gè)T型電路由6.77 kΩ電阻和1 μF電容組成，另一個(gè)T型電路由3.4 kΩ電阻和1 μF電容組成。陷波帶阻濾波器的輸出信號(hào)連接到放大器的負(fù)向輸入端，通過(guò)運(yùn)算放大器后達(dá)到濾波目的。

濾波器的中心頻率為

(4)

信號(hào)采集部分采用施密特觸發(fā)器觸發(fā)單片機(jī)進(jìn)行采集。當(dāng)接收天線和管道機(jī)器人距離較遠(yuǎn)時(shí)，接收天線接收到的信號(hào)較小，施密特觸發(fā)器不被觸發(fā)，單片機(jī)接收不到采集的有用信號(hào)；當(dāng)距離較近時(shí)，接收天線接收的信號(hào)被施密特觸發(fā)器觸發(fā)，被采集為數(shù)字量送到單片機(jī)中?？紤]到信號(hào)干擾等影響，程序設(shè)定當(dāng)采集的信號(hào)為6個(gè)及以上23.5 Hz正弦信號(hào)時(shí)，單片機(jī)認(rèn)為接收到了機(jī)器人的信號(hào)。

當(dāng)接收天線平行于管道時(shí)，接收信號(hào)最大的時(shí)刻就是和管道機(jī)器人距離最近的時(shí)刻。當(dāng)接收天線與管道垂直放置時(shí)，根據(jù)圖5所示的發(fā)射線圈電磁特性，接收到的信號(hào)先增強(qiáng)，然后變?nèi)酰缓笤僭鰪?qiáng)。當(dāng)天線和管道垂直時(shí)，接收的信號(hào)最弱，機(jī)器人處于2個(gè)強(qiáng)信號(hào)的中間位置。單片機(jī)對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，當(dāng)采集的電磁信號(hào)大于一定數(shù)值時(shí)，進(jìn)行語(yǔ)音提示，同時(shí)顯示采集信號(hào)的強(qiáng)度，工作人員可以根據(jù)采集信號(hào)強(qiáng)度的變化規(guī)律進(jìn)行識(shí)別定位。

4　實(shí)驗(yàn)分析

采用組合天線與發(fā)射機(jī)平行和垂直方法進(jìn)行管道機(jī)器人的定位。開(kāi)始時(shí)，操作人員手持天線與管道平行行走，當(dāng)工作人員靠近機(jī)器人發(fā)射機(jī)時(shí)，接收天線接收的磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)也漸漸升高；當(dāng)工作人員走過(guò)管道機(jī)器人發(fā)射機(jī)的位置時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)逐漸變?nèi)?，這時(shí)工作人員應(yīng)該返回到剛才信號(hào)最強(qiáng)的位置，把天線調(diào)整到和管道垂直的位置，同樣慢慢移動(dòng)天線；當(dāng)接收信號(hào)完全消失時(shí)的位置就是管道機(jī)器人的位置。采用此方法，選擇了一段新鋪設(shè)的管道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)行了18個(gè)點(diǎn)的定位。實(shí)驗(yàn)管道的材料為合金鋼，管壁厚度為5.74 mm，發(fā)射天線距離管道6 m左右，當(dāng)工作人員以5 m/s的速度移動(dòng)時(shí)，平均定位誤差為-20.7～19.8 cm；當(dāng)移動(dòng)速度為10 m/s時(shí)，平均定位誤差為-24.3～27.1 cm，完全滿足工程技術(shù)要求。

5　結(jié)語(yǔ)

介紹了管道清堵機(jī)器人定位系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì),建立了低頻信號(hào)電磁空間分布的理論模型,推導(dǎo)出了電磁強(qiáng)度的表達(dá)式并進(jìn)行了數(shù)值分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,設(shè)計(jì)的管道清堵機(jī)器人定位系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)清堵機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的快速、精確定位，定位精度滿足工程技術(shù)要求。

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Electromagnetic positioning system of pipeline blockage clearing robot

WEI Mingsheng1，2,TONG Minming1,ZHANG Chunya2,XIA Jing3

(1.School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008, China; 2.College of Physics and Electronic Engineering, Jiangsu Normal University,Xuzhou 221116, China; 3.School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Positioning principle of pipeline blockage clearing robot was introduced, the distribution regularities of extremely low frequency electromagnetic signals outside the pipe were analyzed according to magnetic dipole model, one-dimensional positioning method of pipeline blockage clearing robot was established, and electromagnetic positioning system of pipeline blockage clearing robot was designed. Experimental results show that the system can achieve effective positioning of robot, when receiving antennas moves at speed of 5 m/s and 10 m/s, mobile positioning error ranges are -20.7-19.8 cm and -24.3-27.1 cm, which can fully meet project accuracy requirements.

robot; pipeline blockage clearing; magnetic dipole model; electromagnetic positioning

1671-251X(2016)06-0001-04

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.06.001

2016-01-18；

2016-04-18；責(zé)任編輯：胡嫻。

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAK06B00)。

魏明生(1976-),男，山東濟(jì)寧人，副教授，博士，主要從事傳感器檢測(cè)方面的研究工作，E-mail:weims516@163.com。

TD655

A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-06-01 10:09

魏明生，童敏明，張春亞，等.管道清堵機(jī)器人電磁定位系統(tǒng)[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(6)：1-4.