文摘

管道机器人,作为一种新型的设备管道清管和检测等操作,将扮演越来越重要的角色在石油和天然气管道网络的运行和维护。跟踪和定位技术在其操作过程中是一个必不可少的话题提高管道机器人的操作性能和消除潜在的管道事故。介绍了无线跟踪和定位系统的总体设计管道机器人基于极低频(精灵)电磁方法使用无人机(UAV)。从经典的电磁理论,数学模型精灵电磁场的分布建立了埋地金属管道的环境。根据精灵电磁波收发机的特点和基于经典理论模型,推导出等效磁偶极子的传输模型。基于等效模型,ELF电磁波的衰减特征分析了管道的外部空间的数值模拟。几何尺寸的影响,环境和工作参数,和其他因素对管道外的电磁场强度在同一时间。最后,精灵电磁场的分布在管道环境下讨论了horizontal-laying管道和inclined-laying管道和管道机器人的跟踪方法在此基础上提出了。该方案是实用和有效的,适用于实时跟踪和定位机器人在管道的坡度不超过60度与已知或未知分布。

1。介绍

随着石油和天然气运输的主要方式,在工业生产和民用管道起着至关重要的作用。铺设期间和长期操作,管道不可避免地会产生污垢沉积,变形、腐蚀、和其他隐藏的问题,这不仅降低了运输能力和提高生产成本,还可能导致石油或天然气泄漏,甚至导致严重的安全事故。因此,加强定期清洗、测试和维护的石油和天然气管道具有重要意义,确保安全运行,延长管道的使用寿命。管道机器人,由智能猪和内部探测器,已经被越来越多的用于日常维护管道由于其独特的优势,日益成为一个重要的应用载体管道安全保证体系。然而,当管道机器人在管道,它可能会卡在管道由于管道变形、沉积物积累,其系统的失败,等等,这可能会导致管道堵塞,影响正常运输石油和天然气,甚至危及管道安全的网络(1]。因此,当管道机器人执行清管或检查操作,技术人员需要掌握它的运动状态和实时精确位置通过有效的跟踪和定位技术,以便采取相应的措施,快速、准确地处理事故和恢复生产。

管道机器人技术的发展,其跟踪和定位技术经历了一个过程从“通过指令”,“精确定位”“跟踪”[2,3]。“通过指令”意味着管道机器人发送一个特定提示当管道的通过一个特定的位置4]。典型的实现方法是机械方法,使用的设备是通过指标。这个方法有更低的运营成本,但误警率高。它只能获得的信息是否机器人通过一个特定的位置,但不能在运行时获得准确的位置信息。“精确定位”是确定机器人的确切位置通过使用设备,如发射器和接收器基于“通过指令”,以应对事故如机器人的干扰。典型的实现方法包括磁法、声波法、压力法、放射性同位素法。磁的原理方法是安装一个电磁脉冲信号发射机发出一个精灵的机器人,检测管外的脉冲信号通过接收线圈,和显示处理后的管道机器人的位置(5- - - - - -7]。这种方法的优点是,信号有很强的穿透能力,可以穿透管壁的土壤。适用于很多场合,但它具有较高的灵敏度要求,响应速度,接收设备的可移植性。Acoustic-based定位方法包括噪声法、声波特性歧视方法和超声波方法。其原则是记录和分析产生的声波特性管道机器人运行时或者接收脉冲信号发出的超声波发射器安装在机器人定位。缺点是信号衰减快,噪声信号干扰具有重要意义,应用范围是有限的(8,9]。压力的方法是通过不同的压力值实现定位检测到两个发射器当机器人通过压力。压力的方法可以使用压力和流动领域所取得的数据来判断机器人的操作,但监测距离相对较短,为运营商工作经验要求高,其实用性需要进一步的研究。放射性同位素法的原则是安装一个放射源的机器人和机器人指示的位置通过检测放射性同位素发出的射线示踪剂(10]。方法抗干扰能力强,测量精度也近,但它会对人类健康和生态环境造成威胁。

“精确定位”技术通常是只有当机器人使用干扰事故。管道工程的复杂性和多样性促进管道机器人技术的发展向“自主运动,”“内部和外部的交流,”和“可测量的位置,以扩大其应用范围,降低流水线操作的风险。在清洗的过程中,探伤和其他程序的管道机器人,当它检测到管壁缺陷或其系统故障,管外的员工需要知道其准确位置的管道,以便快速、准确地诊断和恢复操作。因此,实现无线、可靠、实时的“跟踪”管道机器人已经成为重要的话题提高管道机器人的操作性能和实用价值。在理论上,磁法和压力法可以实现“跟踪”功能。近年来,基于光纤振动的跟踪和定位技术也吸引了研究者的注意(11]。这项技术需要躺一个光纤同时作为管道,这将大大增加成本和限制工程测试。信号处理方法和振动干扰问题仍然需要进一步的研究。总之,当前各种实时跟踪和定位技术问题需要解决,比如减少错误,可操作性和成本问题。进一步的研究需要的基本理论和应用的水平。

以满足实时跟踪和定位的要求,本文提出了一种无线跟踪和定位系统的设计方案管道机器人基于精灵使用无人机电磁方法,建立了精灵电磁场的分布模型在一个复杂的管道环境下,精灵电磁波的传播和衰减特性的研究通过数值模拟分析方法,并讨论了机器人的跟踪算法的两个条件下horizontal-laying管道和inclined-laying管道,为未来的实际应用奠定了理论基础。

2。管道机器人跟踪和定位系统使用无人机

跟踪和定位技术研究包括两个方面:实时监测机器人的运动状态,指示其精确位置。为了实现目标,精灵电磁方法具有较强的穿透能力金属管壁和土壤是一个更好的选择。不过,传统技术需要技术人员按照管道趋势进行检查。当管道部分的表面是一个恶劣的地理环境,如河流、湖泊、高山丛林、沼泽,峡谷,它将带来巨大困难的跟踪和定位。为了设计一个系统,它不需要人员跟踪,可以准确地掌握机器人的实时位置信息,本文介绍了无人机技术,最近已成为一个研究热点。利用它的优点,如灵活性,检测范围宽,充分和及时的信息传递,管道机器人可以实时跟踪和定位,准确、迅速。

无线跟踪和定位系统的管道机器人使用无人机如图1。其工作原理如下:一个精灵电磁波发射器安装在管道机器人,和精灵实现电磁脉冲的周期发射发射天线(电磁线圈);建立了时变电磁场精灵在埋pipeline-ground环境ELF波的穿透性强;接收天线(电磁线圈)由跟踪无人机转换电磁信号穿透金属管壁,上覆土壤和空气进入电压信号。放大和滤波后,电磁场强度测量,和精灵的位置确定电磁波发射器,然后确定机器人的位置。

管道机器人卡住时,无人机可以快速找到和方法事故点精灵电磁场信号检测并报告显示的位置和环境事故上游和下游的运营商站通过机载无线通信系统。运营商可以快速制定事故处理计划基于位置、环境事故现场的照片,和其他信息收到并及时采取行动,大大节省了人力和时间。如果条件允许,无人机可以在跟踪模式下工作。机载接收设备检测到精灵电磁场信号实时设置飞行控制系统的参数根据解决方案结果保持飞行的同步跟踪路径和机器人,并同时报告路径和速度等信息通过无线通讯运营商,运营商可以跟踪无人驾驶飞机和管道机器人的运动状态。在跟踪过程中,如果发现机器人的运动状态异常,例如移动较为缓慢,等等,可以发出警报,提醒操作员紧急行动计划。

系统的硬件部分可以实现通过安装精灵在无人机上信号传输和接收模块在现有的机器人。无人机配备一个接收机来跟踪和定位机器人可以灵活选择携带一个接收模块根据工作环境和条件,如监测距离和飞行环境,没有开发独特的无人机系统,这将大大降低系统的初始成本。同时,该系统可以根据选择事故位置定位,实时追踪操作的目的。基于经验,机器人不需要每次实时跟踪工作,更重要的是,机器人在发生故障或发现异常的管道可以准确地获取其位置信息。与当前的精确定位方法相比,无人机可以更快速、准确地找到目标。操作范围是无与伦比的其他方法,总运营成本低。目前,最新的光纤预警系统也有近精度,广泛的监控范围,和更低的运营成本,但初始成本是巨大的。它需要躺的纤维管道同时需要构建一个分布式光传统系统(12]。尤其是对埋地管道已经铺设,reexcavation铺设纤维在额外成本并不是最好的选择。因此,考虑到定位效果,应用困难,和经济因素,管道机器人跟踪和定位系统基于无人机具有独特的优势。

根据系统的工作原理,可以看出,建立管道环境中的精灵电磁场的数学模型并分析其分布和衰减特性研究的理论基础是信号接收到无人机之间的位置关系(接收线圈)和管道机器人(发射线圈)来实现跟踪和定位,以及发展的基础算法的跟踪和定位系统的应用软件。

3所示。ELF磁场的分布模型埋Pipe-Ground环境

3.1。电磁场分布模型的建立

跟踪和定位系统的环境几何图所示2。在管道传输介质(石油和天然气),管壁铁磁材料,管道上方的上覆土,是空气层,防腐绝缘层被忽略。每一层的电磁参数 ( ,2、3、4),介电常数,磁导率,是导电率,假设每一层是均匀和各向同性。埋地管道的内径 ,外直径是 ,表面和管道轴之间的距离 ,和埋介质的厚度(上覆土壤) 。发送电磁线圈在机器人放在中央轴上的管道在默认情况下,表面的距离 ;它的半径远小于发射线圈和接收线圈之间的距离,远低于发射线圈的长度2 l;线圈的数量 ,和单位长度的圈数 ;励磁电流是 ,在哪里是当前角频率。建立了圆柱坐标系统与线圈中心为原点,和管道轴的中心轴。无人机上的接收线圈的坐标 ,发射线圈的空间矢量中心接收线圈 ,距离是 。发射线圈产生的磁场分布是轴对称。

但是介质的电场强度 , , ,和 ,和磁场强度 , , ,和 ,分别。由于这两种媒体的不同属性,字段数量不同的接口。从电磁理论知道,电场的切向和正常组件E、D和H,磁场B是连续的界面传输medium-pipe墙,管wall-overlying土壤,和上覆土壤空气圆柱坐标系统。当传输电磁线圈沿着管轴水平放置,对轴对称介质环境,只有电场强度组件,而磁场强度和组件。根据亥姆霍兹方程,电场强度的表达式在每一层可以通过采用分离变量的方法如下:

从 ,磁场强度的表达在每一层可以得到如下:

精灵电磁场分布的数学模型获得埋管道环境下通过扩大表达式如下: 在哪里 传输电磁线圈的磁矩,是一个任意的真正的变量,和第一种修正贝塞尔函数,和第二种修正贝塞尔函数,和是源于最初的待定系数激发条件和边界条件, 。

因此,当接收线圈 垂直放置在无人机(发射线圈平行管轴和接收线圈垂直于发射线圈,如图3(一个)),的磁场分量方向主要是收到,感生电动势获得如下:

当接收线圈 无人机水平放置(发射线圈管轴平行,与接收线圈发射线圈平行,如图3 (b)),的磁场分量方向主要是收到,感生电动势获得如下: 在哪里是接收线圈的截面积,横截面之间的角正常,管道轴向当接收线圈垂直放置在地面上,然后呢横截面之间的角正常,管道径向水平放置时,接收线圈。

3.2。等效偶极子磁场模型

从上面的推导过程可以看出,发射源位置的反演方法,利用精确的模型来计算电磁分布在一定程度上为后续研究提供了理论基础。然而,计算过程过于复杂,不利于实时分析。因此,有必要寻求一个等效模型进行分析和计算。

当发射线圈的几何尺寸(电磁)比探测范围小得多,电磁的长度远远大于电磁的半径,励磁磁场是精灵字段(或准静态字段);所产生的电磁场产生的励磁电源可以相当于一个磁偶极子组成的一对点磁荷以同样的数量和反号(13]。

贝塞尔函数的精确模型,公式(3)是用幂级数第一,汉克尔积分公式的表达式是扩大。在远场条件下,即 ,级数表达式收敛迅速,所以只有 项级数表达式需要的径向和轴向磁场强度,这是使用等效磁偶极子模型的前提。当 ,径向和轴向分量在接收线圈的磁感应强度 可以推导出如下:

也就是说, 在哪里 传输电磁线圈的磁矩。

公式(7)正是一个表达式产生的磁场的磁偶极子磁矩 在圆柱坐标系统。这表明理论上可行的使用时的等效磁偶极子模型计算远场区域的磁场。

根据 , 以上,获得空间磁场分布的数值模拟在X-o-Z平面上进行。所选择的参数如下: , , , ,自由空间渗透 。当接收线圈 远离管道轴,振幅的变化曲线磁场强度的组件如图4。

从图可以看出4(一)组件的空间磁感应强度方向产生的等效磁偶极子模型提出了一种双峰对称分布在轴向方向上的管道。发射线圈的中心附近组件的磁感应强度方向是全球最小值;随着中心点的距离的增加,元素的磁感应强度在这个方向上也会增加,和两个最大信号能被探测到的前后位置发射线圈。单线圈的接待,当接收线圈发射线圈的正上方移动,检测到的信号最弱;当接收线圈远离发射线圈,检测信号加强相应的定位管道机器人的理论基础与精灵电磁波。从图可以看出4 (b)组件的磁感应强度方向提出的主峰对称分布,且在全球最大值附近发射线圈的中心;也就是说,一个全球最大的信号可以测量方向当接收线圈发射天线的正上方,有两个地方最大信号传输线圈的前后位置。可获得的深度信息传输线圈通过测量振幅宽度的全球最大的信号。

4所示。精灵电磁波衰减模型

精灵电磁场在波的形式向外传播。当精灵电磁波通过导电介质,它的一部分被介质吸收,导致电磁波衰减,它的一部分是消耗热量的形式。在本节中,精灵电磁波的衰减模型在地下管环境中使用等效磁偶极子模型推导。

ELF磁场强度的表达在损耗介质可以获得根据波动方程的等效偶极子模型 在哪里是衰减常数,表明波的振幅衰减的传播方向单位长度,然后呢相移常数,意思是波的相位的变化单位长度的方向传播。

在哪里 , ,和 是角频率,磁导率,介质的介电常数,的导电性介质。低频电磁波传输的相位滞后效应可以被忽视,和振幅的衰减是只需要护理。的表达可以简化为不同媒介通过精灵电磁波传播路径。

在实践中,如果 ,媒介可以被认为是良好的导体,如管壁和上覆土壤(特别是潮湿的土壤)、和可以近似为

从公式可以看出(10),增加而增加的和传输频率 。电磁波的穿透皮肤深度描述的导线 ;电磁波传播的厚度,当波的振幅减小初始值的0.37倍。为了穿透金属管壁,必须保证管壁的厚度小于皮肤深度。为了穿透金属管壁,它必须确保壁厚小于皮肤深度。

因此, 表明,增加皮肤深度减少发射频率可以提高电磁波的穿透能力。

如果 ,媒介可以被视为低损耗介电材料,如传输液体和空气,和可以近似为

在低损耗介质,在无损的情况是一样的,然后呢频率无关。在埋地管道环境下,管壁被认为是一种良好的导体,和传输流体,土壤和空气视为低损耗介质。精灵的表达电磁波发射线圈和接收线圈通过使用等效磁偶极子模型如下:

5。精灵电磁场的影响因素分析

基于上述分析,本部分研究环境参数和工作参数的影响,通过数值模拟对精灵电磁场强度。研究结果将提供一个理论依据的选择发射机频率、发射线圈和接收线圈的优化设计,随后的定位算法研究和现场实验。

在埋地管道环境下,每一层的电磁本构参数通过电磁波通过如表所示1。对原油管道和天然气管道, 可以通过替换表中的参数;即管道中的介质不会引起电磁波的衰减。同样,空气层, ;也就是说,空气层也不会导致快速衰减。因此,以下分析主要考虑管壁和上覆土层的影响电磁波传播。发射天线的选择和环境参数如表所示2和3。

不失一般性,仿真计算与接收天线进行发射天线的正上方。不同的管道厚度和上覆土厚度的影响在接收到的磁场强度进行了分析,如图5和6。

图5显示接收到的磁场强度的指数衰减曲线随着管道厚度的增加,当发射频率是25 Hz和上覆土厚度是2米。图6显示接收到的磁场强度的指数衰减曲线随上覆土厚度的增加,当发射频率是25 Hz和管厚度是12毫米。它可以从两个衰减曲线的梯度管厚度有一个更重要的磁场强度的衰减。在设计发射和接收天线时,管道尺寸和埋深的影响在机器人定位应充分考虑。

图7显示接收到的磁场强度的衰减曲线与传输频率的增加,当管厚度是12毫米,上覆土厚度是3米。磁场强度的衰减更线性和流畅。然而,频率不是越低越好。发射天线在移动状态,频率过低会降低接收天线信号处理的分辨率。图8显示了指数衰减曲线得到了磁场强度的相对磁导率和电导率的增加25赫兹,发射频率时管厚度是12毫米,上覆土厚度是3米。电磁参数,如相对磁导率和电导率,取决于管道的材料特性,包括碳含量和合金的兴奋剂。此外,周围的电导率和磁导率的变化特征的管道阴极保护或腐蚀需要特别注意。

6。在不同管道条件下跟踪和定位方法

进行演绎和分析当发射天线和接收天线是垂直或平行于对方,在同一个平面上。不过,在更一般的,埋或海底管道的铺设更为复杂和多变。机器人在管道中运行时,轴的方向发射线圈可以大约平行于轴方向的管道,但管道的方向本身是不断变化的,因此管道外的接收天线之间的相对位置(横向和纵向)和发射线圈也改变,和空间磁场的分布规律也在改变。然后,讨论了管道机器人的定位方法在更一般的情况下针对水平铺设管道和倾斜管道的铺设。

6.1。水平管道环境

磁场的分布在水平铺设的管道进行了分析。传输电磁线圈的轴线默认总是平行于管道轴线;也就是说,发射天线在水平位置。接收天线仍在垂直或水平方向上测量磁场强度的水平和垂直分量,但它不一定是在同一个平面上发射天线。的结合水平传播和垂直接待如图9。为方便直观的分析,接收机的输出电压直接用于表示接收到的磁场强度,和不同的相对位置的影响电压变化主要是讨论。

基于精灵电磁场分布的分析模型、组件在三个方向(无论接收天线的位置)

传感器的输出电压之间的关系和相对位置的发射天线和接收天线(代表 , , ,和 )如下: 在哪里是接收传感器的信号增益系数,在这种情况下, ; 相当于磁矩考虑衰减造成的管道厚度和上覆土壤,在吗 ; ,α [0,180°) 。

分布及平面等值线图与相对位置的变化水平transmission-vertical接待如图10。它可以看到从图的分布显示了一个双峰特征,这是一样的X-o-Z平面上的分布特征在前面获得的。无人机在定位过程中接收电磁场信号。根据分布规律图所示,无人机总是沿梯度方向移动(下降最快的方向或提升信号强度),探讨了图中所示的波峰和波谷的位置。高峰和低谷的中点位置机器人的正上方。如果电压被认为是一个绝对值,槽变成一个峰值,机器人在两座山峰的中点。

采用horizontal-receiving模式时,接收天线平行于地面飞行期间,但过程并不一定与管道的方向相同;即轴的接收天线和发射天线的轴可能会产生一定的角度在同一水平面。 ,接收天线的轴,是发射天线平行轴, ,接收天线的轴,是发射天线垂直轴,如图11。

传感器的输出电压下的工作状态

分布及平面等值线图与相对位置的变化水平transmission-horizontal接待如图12。当 ,可以看出的分布单峰值和双槽和绝对的输出电压有一个全球最大价值,两边两个局部极大值,也就是二维平面上的分析结论。跟踪和定位时,无人机搜索全球最大值沿陡上升曲线的输出电压幅值来定位管道机器人。当逐渐增加,轮廓偏转和局部极大值的位置旋转。代表全球最大的低谷逐渐从单一槽连接槽,最后形成双槽。当 ;也就是说,接收天线的轴是垂直于管的方向;两个全局最大值和两个局部极大值分布的相等的间隔45°。总之,垂直接待应主要用于定位过程发现的高峰和低谷的中点。水平接待是用作补充通过搜索传感器输出信号的最大值来调整的无人机和协助位置验证。

6.2。倾斜管道环境

在实际长距离管道过程中,受到崎岖的地形影响,障碍,和其他因素,很难保持与水平面平行的管道很长一段距离,和有很多斜坡和角落。因此,有必要研究电磁场分布特征的倾斜管道。如图13,管道与水平面之间的夹角(倾角)θ, 有以下关系:

组件在三个方向

考虑到vertical-receiving模式如图13垂直磁场强度如下:

传感器的输出电压之间的关系和pipeline-receiving天线的相对位置如下:

分布及平面等值线图与相对位置的变化倾向transmission-vertical接待如图14。从图可以看出,当管道的梯度很小,等 度(见图(14日)和14 (b)),peak-trough特征依然明显,管道机器人可以被发现位于波高峰和低谷的中点;当管道梯度逐渐增加(见图14 (c)),波高峰垮了,落在一边的低谷,和槽上升逐渐(相应的振幅逐渐受到较小的);当 (见图14 (d)),槽消失和峰值只出现在接收机位置远离机器人;当 (图14(e)),波高峰和低谷已经消失了,它是不容易找到机器人的位置。然而,考虑到长输管道的梯度一般不超过45°在实践中,精灵跟踪和定位方法仍然是可用的。

当接收天线与地面平行,如图15,接收天线的轴之间的角度和轴传输仍然是 。水平方向的磁场强度

传感器的输出电压工况下用公式(18)是

有四个变量 , , ,和在上面的公式中,所以的分布是复杂的。图16显示的分布和平面等值线图当 ,40°,60° ,30°、60°、90°,分别。从图可以看出,当 (见图(16日)),全球最大的分布(槽)和局部极大(峰值)明显。的增加 ,两个峰值的位置偏离,槽逐渐分裂成两个波谷,最后演变成双波峰和波谷的两倍。机器人是在波峰和波谷的中点,可用于定位。当 (见图16 (b)),只有一个全局最大值(单槽) 。槽的位置偏转后的机器人,和一个局部最大值(峰值)是生成的,这就增加了 。管道的轴向位置可以判断波的中点和槽。虽然不能定位的精确位置的机器人,它可以考虑是否在前方或后方的无人机。当 (见图16 (c)),如果很小,只有全球最大(单槽)再也不能定位机器人和管道的方向不能确定;如果进一步增加,出现一个局部最大值(峰值),峰值和山谷的边界线是管轴。因此,当管道梯度很大,horizontal-receiving天线很难定位管道机器人。尽管如此,它可以帮助无人机返回管道方向偏航时。同时,正如上面提到的,实际管道没有如此大的梯度。

7所示。结论

管道机器人的跟踪和定位密切相关的安全可靠运行管道清洗和检测设备加载的机器人。跟踪和定位系统使用本文中展示的无人机是提高管道机器人的自动化水平和工程适用性,满足紧急需求的非开挖管道工程中检测和消除风险。精灵电磁场分布的数学模型在金属管道环境建立了经典电磁理论提供了一个理论依据等效磁偶极子模型来描述的系统。等效模型用于分析电磁参数的影响,几何尺寸,传输频率的精灵在工程管道环境电磁场分布特征。精灵电磁场分布规律的调查在两个条件下铺设管道水平和铺设管道倾斜的先决条件是实现管道机器人的精确定位。管道内的移动机器人的跟踪方法在此基础上研究的优点方便,效率和精度高,这不仅保证了机器人的安全运行,也提供了方便的管道开挖等施工条件,维护和机器人的阻止事故发生时删除。跟踪和定位的方法主要研究了数值分析本文的工程应用技术在未来将深入讨论。

数据可用性

原始数据用来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称,关于这项工作他们没有利益冲突。

确认

这项研究支持的重点科研项目的高校河南(批准号23 b440001)和中国国家重点研究和发展计划(批准号2020 yfb1712404)。