油气管道机器人相关技术研究

摘 要：随着我国管道建设速度的加快、 管道数量的增加，管道检测、维护及运行安全成为近年来研究的热点。大技术难点进行分析；指出未来油气管道机器人的研究重点应集中在构造灵活可靠的机械结构、构建实时稳定的控制系统、 提出新的能量供给技术等方面。综述分析内容对油气管道机器人的研究具有一定的参考价值。

关键词：油气管道；管道机器人；检测维护

1 前言

油气管道运输作为全球5大运输方式之一，在国民经济中占有重要地位；但是由于油气管道输送的介质易燃易爆，油气管道一旦失效，极易引发重大的安全事故，严重危及当地人民的生命财产安全，并可能对当地生态环境等造成灾难性后果。为确保油气管道的安全，过去通常采用人工开挖、巡检的方式，完成对油气管道的定期或提前报废检测。显然，这些方法会造成大量经济损失，并且漏检率高、效率低。随着科学技术的发展，研究者把目光转向于开发一种专门针对油气管道检修、维护的特种机器人——管道机器人，并期望结合无损检测技术和智能化技术实现对油气管道的在线自动无损检测和维护。

2 管道机器人存在的技术难题

管道机器人的出现实现了管道作业的自动化，但机器人的运动控制和定位问题，一直是管道機器人领域亟待解决的技术难题。

2.1 管道机器人运动控制问题

管道机器人在作业过程中，其运行速度的快慢、平稳性，以及过弯能力、越障能力等运动性能直接关系到作业效果的好坏；机器人的运动性能又受管道内的障碍、机器人执行机构的输出误差和机器人自身载荷的变化等影响：因此，管道机器人的运动控制问题成为管道机器人领域的研究重点和难点之一。

2.1.1 自驱动式管道机器人的运动控制

自驱动式管道机器人与传统意义上的智能小车控制方式类似，常采用上位机进行运算处理、路径规划，下位机与电机、电磁阀等通信实现执行机构动作的方式。

文献研制的轮式管道机器人，在机器人控制器中采用了模糊控制、复合式学习算法和PID调节，并进行了机器人的模拟仿真，验证了机器人的实时调速功能。随着智能控制技术的发展，国内外对自驱动式管道机器人的运动控制水平不断提高，通过智能控制算法不断优化机器人机械误差，能够实现机器人运行的平稳，具有较强的牵引力、越障能力和过弯能力。

2.1.2 流体驱动式管道机器人的运动控制

流体驱动式管道机器人主要用于长距离、大管径管道的清管、检测等作业。这类机器人的动力来自于管道中的流体，机器人的速度与管道内流体的速度相关。一方面，流体的速度一般高于机器人能够实现精准作业的速度；另一方面，由于流体的速度波动，机器人的运行速度也随之波动。想要实现这类机器人稳定在适应于作业需求的速度上是十分困难的。多年来，各国都在不断探索流体驱动式管道机器人的速度控制问题。

近年来出现了管道机器人闭环实时控速系统的理论构想。这种系统利用传感器检测机器人实时速度，并反馈给中央处理器单元，由处理器统一计算规划后发出命令调节机器人旁通阀的开闭程度，以改变其前后压差，从而实现对机器人速度的实时控制。

2.2 管道机器人定位问题

管道机器人在实施管道作业时，需要对其所在位置进行确定，以便监测机器人在管内工作情况。特别是在管道检测中，确定管道缺陷位置，这尤为重要。常用的定位方式有里程轮定位、GPS卫星定位和CCD视觉定位。

GPS卫星定位法的实现需要管内机器人与外界保持实时通信，其定位精度高。我国大庆某采油厂就利用这种方式进行管下机器人定位，实际应用效果良好；但是由于需要实时通信，对管道的环境要求较高，在埋藏较深、环境恶劣的情况下很难实现，并且GPS卫星定位系统较复杂，成本较高。

CCD视觉定位基本原理是利用视觉传感器实现机器人定位。常用的方法是通过识别管道间焊缝的方式，利用视觉传感器获得视觉信号，再进行降噪等处理，判定焊缝位置，从而定位机器人。这种方式在管道环境恶劣，如管道内被油污覆盖时很难提取到视觉特征，并且其成本也相对较高。

3 总结与展望

管道机器人技术是一种集现代制造技术、电子信息技术、先进传感技术、现代控制技术、通信技术等为一体的智能化机电装置。目前，国内的油气管道机器人技术与国外发达国家的技术相比，还处于比较落后的阶段。随着科学技术的发展以及越来越多的科研工作者对油气管道机器人的重视，未来对于油气管道机器人的研究将主要集中在以下几方面。

3.1 灵活可靠的机械结构

未来的油气管道机器人应具备一机多能的结构形式，将各个功能模块化，在一台机器人上融合清洗、检测、切割、喷涂、焊接等功能。同时，在针对井下作业和具有弯道等特殊形式的油气管道中，机器人依然能保持良好的通过性。

3.2 实时稳定的控制系统

如前文所述，油气管道机器人运动控制问题是该领域的一个研究难点，尤其是在长距离、大管径的管道中，要保证机器人控制系统的稳定性和实时性十分困难。要在复杂多变的管道环境中实现可靠的控制，通信和定位能力也需同时提升。

参考文献：

[1]胡灯明，骆晖.国内外天然气管道事故分析[J].石油工业技术监督，2009（9）：8.

作者简介：

刘佳奇（1993- ），男，满族，河北承德市人，硕士研究生在读，研究方向：激光熔覆热障涂层，非标自动化设备。