基于组合导航机器人的输油管道监测实验平台

姜向远, 任　鹏, 陈鸿龙, 吕新荣, 张　斌

(1. 中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院,山东 青岛 266580;2. 青岛市黄岛区交通运输局, 山东 青岛　266555)



基于组合导航机器人的输油管道监测实验平台

姜向远1, 任鹏1, 陈鸿龙1, 吕新荣1, 张斌2

(1. 中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院,山东 青岛 266580;2. 青岛市黄岛区交通运输局, 山东 青岛266555)

介绍了输油管道泄漏监测的工作原理,设计了一套基于组合导航机器人的输油管道监测实验平台。该实验平台以嵌入式系统、机器人操作系统和组合导航算法为基础,实现管道泄漏检测和泄漏点实时定位。该实验平台涵盖了管道泄漏监测的信息采集、传输、处理以及机器人运动控制等内容,有助于学生深入学习和理解机器人技术在石油领域中的应用和设计方法,掌握输油管道泄漏监测的工作原理,能够培养和提高学生的创新能力和工程实践能力。

输油管道监测； 组合导航机器人； 嵌入式系统； 设计方法

随着移动机器人应用环境日趋复杂和非结构化,同时定位和地图构建(simultaneous localization and map building,SLAM)技术[1]已成为移动机器人完全自主化的关键,日益受到国内学者的关注，并取得了许多研究成果和应用[2-3]。SLAM使得机器人在未知区域的地形辅助导航更为有效。当机器人被放置在陌生环境中,其移动过程根据航位推算和自己携带的传感器进行定位,并不断构建与周围环境具有相合性的增量式地图。这种地形辅助定位方法误差不随时间增加,与惯导系统(inertial navigation system,INS)进行组合可以降低定位的误差,实现精确的SLAM/INS组合导航,从而可为长输石油管道的泄漏点定位提供有效解决方案[4-5]。

输油管道泄漏检测是实施管道完整性管理的基本任务,如何准确定位、找出漏油位置是国家油气供应安全的基本保证[6]。然而,我国管道进入老龄期的比例越来越高,爆管、断管、腐蚀、打孔偷油等事故隐患成高发态势。由于输油管道储运的介质多是原油、轻油、液化气等易燃、易爆、易挥发和易于静电聚集的流体,有时还会含有毒物质,一旦管道发生事故,泄漏油气极易起火、爆炸,酿成人员伤亡及财产损失的恶性事故,2013年青岛市黄岛区中石化输油管道爆炸事件就是一例。因此研究稳定可靠的泄漏监测系统,对管道的运营建立预警报警机制很有必要[7-8]。

本文所设计的实验平台[9-12]将机器人组合导航SLAM/INS技术应用到输油管道的监测过程中,实现输油管道泄漏检测和泄漏点实时定位。该实验平台有助于学生，尤其是石油院校的自动化和电子等相关专业的高年级本科生和研究生深入学习和理解机器人技术,包括传感器技术、嵌入式系统技术和定位导航技术,以及在石油领域中的应用和设计方法,有助于学生掌握输油管道泄漏监测的工作原理,并且能够培养和提高学生的创新能力和工程实践能力[13],使学生能够更快地适应将来的工作。

1　输油管道泄漏监测的原理

输油管道泄漏监测主要包含泄漏检测和泄漏点定位两项关键技术。这两项技术密切相关,在现有研究成果中各有侧重,有的侧重泄漏检测手段研究,有的侧重泄漏点定位技术开发。根据不同管道泄漏监测的实际情况,选择两种技术联合使用,互相配合,往往可以取得良好的监测效果。

其中,泄漏检测的测量手段多样,有依据泄漏介质的可燃性气体传感器检测方法、依据负压波的压力传感器检测方法、依据管壁状态参数的电磁传感器检测方法、依据质量平衡的流量传感器检测方法、依据应力波的声学传感器检测方法、依据干涉原理的光纤传感器检测方法等。考虑实验设计的可行性和学生的接受能力,本文输油管道泄漏监测系统采用可燃性气体传感器,其基本原理是:管道输运介质大多是可燃性和易挥发介质,所以检测管道沿线的空气,若含有油气的浓度超过阈值则报警。

在检测到管道泄漏后,如何准确地判断长距离输油管道的泄漏点是另一项重要研究内容,按采用的传感器分类,泄漏点定位技术可基于捷联惯导和里程仪等基本设备和地面标记、GPS、定点磁标等辅助设备。为了提高精度和泄漏点定位的鲁棒性,本实验平台采用基于捷联惯导和激光测距雷达的组合导航方法。

2　实验平台设计

本文所设计的输油管道监测实验平台总体结构如图1所示,主要包括基础结构和系统设计两大部分。其中,基础结构主要包括油气输运管道模型和四轮驱动机器人底盘,两者均是在实验室原有实验平台基础上稍作改造后得到；系统设计部分包含硬件系统和软件系统,这是实验平台设计开发的重点和难点,也是实验过程中考查学生发现问题、解决问题等诸多工程实践能力的核心单元。

图1　输油管道监测实验平台结构示意图

基础结构部分主要应用实验室原有设备,在我校的管流技术和油气测控实验室中配备了油气输运管道,如图2所示。该油气输运管道可设定输运压力、泄漏点等,能模拟各种管道泄漏情况。实验室还配置了四轮驱动机器人底盘,如图3(a)所示,该机器人配有四驱步进电机和前后万向轮,同时留有电池、舵机及各类传感器的开槽,方便学生二次开发,锻炼动手能力。如图3(b)所示,在四轮驱动机器人底盘上安装树莓派开发板、CH4等可燃气体传感器、三轴加速度计+三轴陀螺仪的惯导模块、激光测距仪、舵机、编码器等,搭建了机器人测控的硬件电路系统。

图2　油气输运管道模型

2.1硬件系统

机器人测控的硬件电路系统是实现输油管道泄漏检测和泄漏点定位的基础,硬件系统设计的功能框图见图4。首先是输油管道泄漏检测,CH4等可燃气体传感器可实时监测输油管道周围的油气浓度,以判断管道的泄漏情况。同时,可燃气体传感器会将检测数据通过I2C总线上传到树莓派开发板做进一步处理,完成管道泄漏检测。

泄漏点定位技术需要相应的硬件支持,其中惯导模块是一个由ADXL345三轴加速度计和L3G4200D三轴陀螺仪共同构成的混合惯性导航器件,可测量三轴加速度、三轴角速度,并通过SPI总线将上述检测数据发送到树莓派开发板,以获取机器人自身姿态；激光测距仪采用RoboPeak团队的RPLIDAR二维激光雷达,其通过UART协议与树莓派开发板相连,可用于生成环境的二维地图；舵机控制机器人运动,编码器测算机器人行驶里程,两者都通过通用输入输出接口GPIO与树莓派开发板相连。上述惯导模块、激光测距仪、舵机、编码器等共同实现机器人组合导航,不仅可用于泄漏点定位,还能检测泄漏点周围环境,生成环境地图,为泄漏点后续维护提供便利。

图3　四轮驱动机器人底盘和硬件电路系统

图4　硬件系统功能框图

树莓派开发板是该系统核心主控硬件，其CPU采用ARM11内核的芯片,数据处理能力较强,能够满足SLAM/INS组合导航算法的计算要求。同时,该开发板拥有丰富的外围接口,方便学生调试上述各类传感器。

2.2软件系统

本文软件系统以机器人操作系统(robot operating system,ROS)为基础,核心采用基于SLAM/INS的组合导航算法,整体框架见图5。ROS是用于机器人的一种次级操作系统，它提供类似操作系统所提供的功能,包含硬件抽象描述、底层驱动程序管理、共用功能执行、程序间消息传递、程序发行包管理等,它也提供一些工具程序和库用于获取、建立、编写和运行多机整合的程序。

图5　软件系统功能框图

软件系统设计过程中,首先在树莓派开发板上移植Linux嵌入式操作系统,并安装ROS次级系统,以ROS为基础,设定可燃气体传感器、惯导模块、激光测距仪和编码器等各类传感器的底层驱动。这一过程能够锻炼学生对嵌入式系统开发的能力,加深他们对Linux和ROS系统的认识。

然后,调用ROS的各类功能包,实现各种传感器数据的数据转换、信息融合、坐标变换和SLAM等操作。该过程能够培养自动化和电子等专业的高年级本科生和研究生的编程能力,同时也使他们对Kalman滤波、信息融合等算法有更直观的了解。

最后,编写节点程序和配置文件,最终实现输油管道漏油检测和泄漏点定位,节点程序完成管道泄漏监测的同时,还会发出机器人的姿态控制信息,通过控制舵机进一步调整机器人的运动。

3　结语

本文以石油院校的专业特色为出发点,设计了一套基于组合导航机器人的输油管道监测实验平台。该实验平台能够监测输油管道泄漏情况,并实时定位泄漏点,整个实验内容涵盖了输油管道泄漏信息采集、环境地图生成、嵌入式系统设计、机器人操作系统开发、基于SLAM/INS的组合导航以及机器人运动控制等。该实验平台有助于石油院校的自动化和电子等相关专业的学生深入了解输油管道监测的关键技术,有助于培养和提高学生的创新能力和工程实践能力,使学生将来能够更好地胜任在石油领域的相关工作。

References)

[1] 王耀南,余洪山. 未知环境下移动机器人同步地图创建与定位研究进展[J]. 控制理论与应用,2008,25(1):57-65.

[3] 孙枫,王文晶,刘付强,等. 基于SLAM的水下导航算法及仿真分析[J]. 仪器仪表学报,2008,29(10):2072-2077.

[4] 袁赣南,王丹丹,魏延辉,等. 水下石油管道漏油检测定位的粒子滤波SLAM算法[J]. 中国惯性技术学报,2013,21(2):204-208.

[5] Lim H,Choi J Y,Kwon Y S,et al. SLAM in indoor pipelines with 15mm diameter[C]//IEEE International Conference on Robotics and Automation. Pasadena,CA,USA,2008:4005-4011.

[6] Jiang X Y,Zhang H S. NLOS error mitigation with information fusion algorithm for UWB ranging systems [J]. The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications,2012,19(2):22-29.

[7] 王忠巍. 基于多传感器数据融合的管道机器人精确定位技术[J]. 机器人,2008,30(3):238-241.

[8] 崔进起,于晓勇,郭泽荣. 基于ANSYS有限元法的长输油气腐蚀管道剩余强度与剩余寿命研究[J]. 实验技术与管理,2010,27(10):56-59.

[9] 黄志华,屠大维,赵其杰. 基于人机交互的移动服务机器人导航系统[J]. 机器人,2009,31(3):248-253.

[10] 刘延飞,李琪,毕经存,等. 一种全自主移动机器人实验平台的设计与研究[J]. 实验技术与管理,2009,26(2):67-70.

[11] 柳进,杨成,罗强,等. 基于模糊控制的输油管道中检测机器人的避障研究[J]. 石油工业计算机应用,2010,65(1):43-45.

[12] 王立坤,王洪超,熊敏,等. 长距离输油管道泄漏监测技术分析及研究建议[J]. 油气储运,2014,33(11):1198-1201.

[13] 陈鸿龙,涂玲,孙良,等. 基于无线传感器网络的抽油机监控实验平台[J]. 实验技术与管理,2014,31(9):95-97.

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

国家自然科学基金项目(60171009)；山东省自然科学基金项目(ZR2015FL027)；中央高校基本科研业务费专项资金项目；中国石油大学(华东)校级青年教改项目

姜向远(1983—)：男，山东胶州，博士，讲师，研究方向为无线传感网络、分布式估计和多机器人SLAM.

E-mail：jxy@upc.edu.cn

TP242; G484

A

1002-4956(2016)9-0096-04