姜向遠, 任　鵬, 陳鴻龍, 呂新榮, 張　斌

(1. 中國石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院,山東 青島 266580;2. 青島市黃島區(qū)交通運輸局, 山東 青島　266555)

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基于組合導(dǎo)航機器人的輸油管道監(jiān)測實驗平臺

姜向遠1, 任鵬1, 陳鴻龍1, 呂新榮1, 張斌2

(1. 中國石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院,山東 青島 266580;2. 青島市黃島區(qū)交通運輸局, 山東 青島266555)

介紹了輸油管道泄漏監(jiān)測的工作原理,設(shè)計了一套基于組合導(dǎo)航機器人的輸油管道監(jiān)測實驗平臺。該實驗平臺以嵌入式系統(tǒng)、機器人操作系統(tǒng)和組合導(dǎo)航算法為基礎(chǔ),實現(xiàn)管道泄漏檢測和泄漏點實時定位。該實驗平臺涵蓋了管道泄漏監(jiān)測的信息采集、傳輸、處理以及機器人運動控制等內(nèi)容,有助于學(xué)生深入學(xué)習(xí)和理解機器人技術(shù)在石油領(lǐng)域中的應(yīng)用和設(shè)計方法,掌握輸油管道泄漏監(jiān)測的工作原理,能夠培養(yǎng)和提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實踐能力。

輸油管道監(jiān)測； 組合導(dǎo)航機器人； 嵌入式系統(tǒng)； 設(shè)計方法

隨著移動機器人應(yīng)用環(huán)境日趨復(fù)雜和非結(jié)構(gòu)化,同時定位和地圖構(gòu)建(simultaneous localization and map building,SLAM)技術(shù)[1]已成為移動機器人完全自主化的關(guān)鍵,日益受到國內(nèi)學(xué)者的關(guān)注，并取得了許多研究成果和應(yīng)用[2-3]。SLAM使得機器人在未知區(qū)域的地形輔助導(dǎo)航更為有效。當(dāng)機器人被放置在陌生環(huán)境中,其移動過程根據(jù)航位推算和自己攜帶的傳感器進行定位,并不斷構(gòu)建與周圍環(huán)境具有相合性的增量式地圖。這種地形輔助定位方法誤差不隨時間增加,與慣導(dǎo)系統(tǒng)(inertial navigation system,INS)進行組合可以降低定位的誤差,實現(xiàn)精確的SLAM/INS組合導(dǎo)航,從而可為長輸石油管道的泄漏點定位提供有效解決方案[4-5]。

輸油管道泄漏檢測是實施管道完整性管理的基本任務(wù),如何準(zhǔn)確定位、找出漏油位置是國家油氣供應(yīng)安全的基本保證[6]。然而,我國管道進入老齡期的比例越來越高,爆管、斷管、腐蝕、打孔偷油等事故隱患成高發(fā)態(tài)勢。由于輸油管道儲運的介質(zhì)多是原油、輕油、液化氣等易燃、易爆、易揮發(fā)和易于靜電聚集的流體,有時還會含有毒物質(zhì),一旦管道發(fā)生事故,泄漏油氣極易起火、爆炸,釀成人員傷亡及財產(chǎn)損失的惡性事故,2013年青島市黃島區(qū)中石化輸油管道爆炸事件就是一例。因此研究穩(wěn)定可靠的泄漏監(jiān)測系統(tǒng),對管道的運營建立預(yù)警報警機制很有必要[7-8]。

本文所設(shè)計的實驗平臺[9-12]將機器人組合導(dǎo)航SLAM/INS技術(shù)應(yīng)用到輸油管道的監(jiān)測過程中,實現(xiàn)輸油管道泄漏檢測和泄漏點實時定位。該實驗平臺有助于學(xué)生，尤其是石油院校的自動化和電子等相關(guān)專業(yè)的高年級本科生和研究生深入學(xué)習(xí)和理解機器人技術(shù),包括傳感器技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)和定位導(dǎo)航技術(shù),以及在石油領(lǐng)域中的應(yīng)用和設(shè)計方法,有助于學(xué)生掌握輸油管道泄漏監(jiān)測的工作原理,并且能夠培養(yǎng)和提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實踐能力[13],使學(xué)生能夠更快地適應(yīng)將來的工作。

1　輸油管道泄漏監(jiān)測的原理

輸油管道泄漏監(jiān)測主要包含泄漏檢測和泄漏點定位兩項關(guān)鍵技術(shù)。這兩項技術(shù)密切相關(guān),在現(xiàn)有研究成果中各有側(cè)重,有的側(cè)重泄漏檢測手段研究,有的側(cè)重泄漏點定位技術(shù)開發(fā)。根據(jù)不同管道泄漏監(jiān)測的實際情況,選擇兩種技術(shù)聯(lián)合使用,互相配合,往往可以取得良好的監(jiān)測效果。

其中,泄漏檢測的測量手段多樣,有依據(jù)泄漏介質(zhì)的可燃性氣體傳感器檢測方法、依據(jù)負(fù)壓波的壓力傳感器檢測方法、依據(jù)管壁狀態(tài)參數(shù)的電磁傳感器檢測方法、依據(jù)質(zhì)量平衡的流量傳感器檢測方法、依據(jù)應(yīng)力波的聲學(xué)傳感器檢測方法、依據(jù)干涉原理的光纖傳感器檢測方法等。考慮實驗設(shè)計的可行性和學(xué)生的接受能力,本文輸油管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)采用可燃性氣體傳感器,其基本原理是:管道輸運介質(zhì)大多是可燃性和易揮發(fā)介質(zhì),所以檢測管道沿線的空氣,若含有油氣的濃度超過閾值則報警。

在檢測到管道泄漏后,如何準(zhǔn)確地判斷長距離輸油管道的泄漏點是另一項重要研究內(nèi)容,按采用的傳感器分類,泄漏點定位技術(shù)可基于捷聯(lián)慣導(dǎo)和里程儀等基本設(shè)備和地面標(biāo)記、GPS、定點磁標(biāo)等輔助設(shè)備。為了提高精度和泄漏點定位的魯棒性,本實驗平臺采用基于捷聯(lián)慣導(dǎo)和激光測距雷達的組合導(dǎo)航方法。

2　實驗平臺設(shè)計

本文所設(shè)計的輸油管道監(jiān)測實驗平臺總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要包括基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)計兩大部分。其中,基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要包括油氣輸運管道模型和四輪驅(qū)動機器人底盤,兩者均是在實驗室原有實驗平臺基礎(chǔ)上稍作改造后得到；系統(tǒng)設(shè)計部分包含硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng),這是實驗平臺設(shè)計開發(fā)的重點和難點,也是實驗過程中考查學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題等諸多工程實踐能力的核心單元。

圖1　輸油管道監(jiān)測實驗平臺結(jié)構(gòu)示意圖

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)部分主要應(yīng)用實驗室原有設(shè)備,在我校的管流技術(shù)和油氣測控實驗室中配備了油氣輸運管道,如圖2所示。該油氣輸運管道可設(shè)定輸運壓力、泄漏點等,能模擬各種管道泄漏情況。實驗室還配置了四輪驅(qū)動機器人底盤,如圖3(a)所示,該機器人配有四驅(qū)步進電機和前后萬向輪,同時留有電池、舵機及各類傳感器的開槽,方便學(xué)生二次開發(fā),鍛煉動手能力。如圖3(b)所示,在四輪驅(qū)動機器人底盤上安裝樹莓派開發(fā)板、CH4等可燃?xì)怏w傳感器、三軸加速度計+三軸陀螺儀的慣導(dǎo)模塊、激光測距儀、舵機、編碼器等,搭建了機器人測控的硬件電路系統(tǒng)。

圖2　油氣輸運管道模型

2.1硬件系統(tǒng)

機器人測控的硬件電路系統(tǒng)是實現(xiàn)輸油管道泄漏檢測和泄漏點定位的基礎(chǔ),硬件系統(tǒng)設(shè)計的功能框圖見圖4。首先是輸油管道泄漏檢測,CH4等可燃?xì)怏w傳感器可實時監(jiān)測輸油管道周圍的油氣濃度,以判斷管道的泄漏情況。同時,可燃?xì)怏w傳感器會將檢測數(shù)據(jù)通過I2C總線上傳到樹莓派開發(fā)板做進一步處理,完成管道泄漏檢測。

泄漏點定位技術(shù)需要相應(yīng)的硬件支持,其中慣導(dǎo)模塊是一個由ADXL345三軸加速度計和L3G4200D三軸陀螺儀共同構(gòu)成的混合慣性導(dǎo)航器件,可測量三軸加速度、三軸角速度,并通過SPI總線將上述檢測數(shù)據(jù)發(fā)送到樹莓派開發(fā)板,以獲取機器人自身姿態(tài)；激光測距儀采用RoboPeak團隊的RPLIDAR二維激光雷達,其通過UART協(xié)議與樹莓派開發(fā)板相連,可用于生成環(huán)境的二維地圖；舵機控制機器人運動,編碼器測算機器人行駛里程,兩者都通過通用輸入輸出接口GPIO與樹莓派開發(fā)板相連。上述慣導(dǎo)模塊、激光測距儀、舵機、編碼器等共同實現(xiàn)機器人組合導(dǎo)航,不僅可用于泄漏點定位,還能檢測泄漏點周圍環(huán)境,生成環(huán)境地圖,為泄漏點后續(xù)維護提供便利。

圖3　四輪驅(qū)動機器人底盤和硬件電路系統(tǒng)

圖4　硬件系統(tǒng)功能框圖

樹莓派開發(fā)板是該系統(tǒng)核心主控硬件，其CPU采用ARM11內(nèi)核的芯片,數(shù)據(jù)處理能力較強,能夠滿足SLAM/INS組合導(dǎo)航算法的計算要求。同時,該開發(fā)板擁有豐富的外圍接口,方便學(xué)生調(diào)試上述各類傳感器。

2.2軟件系統(tǒng)

本文軟件系統(tǒng)以機器人操作系統(tǒng)(robot operating system,ROS)為基礎(chǔ),核心采用基于SLAM/INS的組合導(dǎo)航算法,整體框架見圖5。ROS是用于機器人的一種次級操作系統(tǒng)，它提供類似操作系統(tǒng)所提供的功能,包含硬件抽象描述、底層驅(qū)動程序管理、共用功能執(zhí)行、程序間消息傳遞、程序發(fā)行包管理等,它也提供一些工具程序和庫用于獲取、建立、編寫和運行多機整合的程序。

圖5　軟件系統(tǒng)功能框圖

軟件系統(tǒng)設(shè)計過程中,首先在樹莓派開發(fā)板上移植Linux嵌入式操作系統(tǒng),并安裝ROS次級系統(tǒng),以ROS為基礎(chǔ),設(shè)定可燃?xì)怏w傳感器、慣導(dǎo)模塊、激光測距儀和編碼器等各類傳感器的底層驅(qū)動。這一過程能夠鍛煉學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的能力,加深他們對Linux和ROS系統(tǒng)的認(rèn)識。

然后,調(diào)用ROS的各類功能包,實現(xiàn)各種傳感器數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、信息融合、坐標(biāo)變換和SLAM等操作。該過程能夠培養(yǎng)自動化和電子等專業(yè)的高年級本科生和研究生的編程能力,同時也使他們對Kalman濾波、信息融合等算法有更直觀的了解。

最后,編寫節(jié)點程序和配置文件,最終實現(xiàn)輸油管道漏油檢測和泄漏點定位,節(jié)點程序完成管道泄漏監(jiān)測的同時,還會發(fā)出機器人的姿態(tài)控制信息,通過控制舵機進一步調(diào)整機器人的運動。

3　結(jié)語

本文以石油院校的專業(yè)特色為出發(fā)點,設(shè)計了一套基于組合導(dǎo)航機器人的輸油管道監(jiān)測實驗平臺。該實驗平臺能夠監(jiān)測輸油管道泄漏情況,并實時定位泄漏點,整個實驗內(nèi)容涵蓋了輸油管道泄漏信息采集、環(huán)境地圖生成、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計、機器人操作系統(tǒng)開發(fā)、基于SLAM/INS的組合導(dǎo)航以及機器人運動控制等。該實驗平臺有助于石油院校的自動化和電子等相關(guān)專業(yè)的學(xué)生深入了解輸油管道監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù),有助于培養(yǎng)和提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實踐能力,使學(xué)生將來能夠更好地勝任在石油領(lǐng)域的相關(guān)工作。

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An experimental platform for monitoring of pipeline with robot based on integrated navigation

Jiang Xiangyuan1, Ren Peng1, Chen Honglong1, Lü Xinrong1, Zhang Bin2

(1. College of Information and Control Engineering,China University of Petroleum,Qingdao 266580,China;2. Huangdao District Bureau of Transportation,Qingdao 266555,China)

The working principles of the monitoring of pipeline leak are firstly introduced and then an experimental platform for pipeline leak monitoring with robot based on integrated navigation is designed. The designed experimental platform is based on the embedded system,robot operating system and the integrated navigation algorithm. In the experimental platform,the contents of information collection of the pipeline leak,transmission,processing and dynamic control of the robot are covered. The experimental platform designed will help the experimenters learn and understand the applications and design methods of the robotic technology in the petroleum field,grasp the working principles of the monitoring of pipeline leak,cultivate and improve their innovation capacity and engineering practice capacity.

monitoring of pipeline; integrated navigation robot; embedded system; design methods

10.16791/j.cnki.sjg.2016.09.025

2016-03-04

國家自然科學(xué)基金項目(60171009)；山東省自然科學(xué)基金項目(ZR2015FL027)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金項目；中國石油大學(xué)(華東)校級青年教改項目

姜向遠(1983—)：男，山東膠州，博士，講師，研究方向為無線傳感網(wǎng)絡(luò)、分布式估計和多機器人SLAM.

E-mail：jxy@upc.edu.cn

TP242; G484

A

1002-4956(2016)9-0096-04