畢業(yè)設計-管道檢測作業(yè)機器人(總體設計)

1、<p>　　本科生畢業(yè)論文（設計）</p><p>　　題 目 管道檢測作業(yè)機器人 </p><p>　　總體設計 </p><p>　　學生姓名 XXXX </p><p>　　指導教師 XXXX </p>

2、<p>　　學 院 機 電 工 程 學 院 </p><p>　　專業(yè)班級 機電XXX班 </p><p>　　完成時間 2010年 6月 8日 </p><p>　　畢業(yè)論文（設計）任務書</p><p>　　畢業(yè)論文（設計）題目 管道檢測作業(yè)機器人總體

3、設計 </p><p>　　題目類型 工程設計 題目來源___教師科研題 </p><p>　　畢業(yè)論文（設計）時間從 2010年 3 月1 日 至2010年 6 月 8 日</p><p>　　畢業(yè)論文（設計）內容要求：</p><p>　?。?）技術指標：（a）自適應管道直徑為270-300mm，驅動力＞800N；（

4、b）在管道內的移動速度大于10cm/s；（c）能通過曲率半徑600mm，總長為10m的倒U型管道；（4）能夠搭載微型CCD和無損檢測傳感器對管道內的裂紋和腐蝕缺陷等進行檢測與修補作業(yè)。</p><p>　　（2）完成總體方案設計、總體布局和結構確定，行走機構原理設計、控制電機選型等。 </p><p>　　（3）要求具有電纜控制和遙控兩種功能。完成傳感檢測原理與檢測作業(yè)功能裝置設計與控制系

5、統(tǒng)方案。</p><p>　　1.具體完成下列設計工作： </p><p>　　（1）查閱文獻和實習，了解國內外管道檢測作業(yè)機器人的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，并翻譯相關資料一篇； </p><p>　?。?）按要求完成管道檢測作業(yè)機器人功能設計與總體方案設計；</p><p>　?。?）完成管道檢測作業(yè)機器人總體布局、結構設計計算與行走方式確定；<

6、;/p><p>　　（4）完成傳感檢測系統(tǒng)方案、傳感器選型與檢測功能布置設計；</p><p>　?。?）整理相關資料，撰寫設計說明書。 </p><p>　　要求設計圖紙不少于4張1#圖，設計說明書不少于50 頁。 </p><p>　　[1]題目類型：(1)理論研究(2)實驗研究(3)工程設計(4)工程技術研究(5)軟件開發(fā)</p>

7、;<p>　　[2]題目來源：(1)教師科研題(2)生產實際題(3)其它</p><p><b>　　2.主要參考資料</b></p><p>　　成大先主編.機械設計手冊.北京：化學工業(yè)出版社，2002</p><p>　　劉政華，何將三.機械電子學.長沙：國防科技大學出版社，1999.10</p><p&g

8、t;　　楊培元,朱福元主編. 液壓系統(tǒng)設計簡明手冊. 北京：機械工業(yè)出版社，1994 </p><p>　　《電氣工程師手冊》第二版編輯委員會編. 電氣工程師手冊. 北京：機械工業(yè)出版社，2000</p><p>　　沈紅衛(wèi)編著. 單片機應用系統(tǒng)設計實例與分析. 北京：北京航空航天大學出版社，2

9、003</p><p>　　黃菊生編著. 單片機原理與接口技術. 北京：國防工業(yè)出版社，2007 </p><p>　　3.畢業(yè)論文（設計）進度安排</p><p>　　指導教師（簽名） ____________ 時間：__________________</p&

10、gt;<p>　　系(所)主任(簽名) ____________ 時間：_________________</p><p>　　主管院長（簽名）______________ 時間：__________________</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　摘要………………………

11、…………………………………………………………………………Ⅰ</p><p>　　ABSTRACT……………………………………………………………………………………………Ⅱ</p><p>　　第1章 緒論…………………………………………………………………………………………1</p><p>　　1.1 研制管道檢測作業(yè)機器人的背景和意義 ………………………………………

12、………1</p><p>　　1.2 國內外管道檢測作業(yè)機器人的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 …………………………………4</p><p>　　1.2.1 幾種主要類型的管道檢測機器人…………………………………………………4</p><p>　　1.2.2 石油管道腐蝕檢測技術現(xiàn)狀………………………………………………………8</p><p>　　1.2

13、.3 管道檢測機器人的發(fā)展趨勢 ……………………………………………………10</p><p>　　1.3 本課題研究思路與主要內容 …………………………………………………………12</p><p>　　1.4 本章小結 ………………………………………………………………………………13</p><p>　　第2章 管道檢測作業(yè)機器人的總體方案設計 ……………………

14、……………………………14</p><p>　　2.1 管道檢測作業(yè)機器人總體設計方案……………………………………………………14</p><p>　　2.1.1 管道檢測作業(yè)機器人總體方案要求的提出 ……………………………………14</p><p>　　2.1.2 管道檢測作業(yè)機器人總體方案的比較 …………………………………………14</p><

15、;p>　　2.2 管道檢測作業(yè)機器人總體方案的組成…………………………………………………17</p><p>　　2.2.1 管道檢測作業(yè)機器人里程輪定位系統(tǒng) …………………………………………18</p><p>　　2.2.2 管道檢測作業(yè)機器人行走機構 …………………………………………………19</p><p>　　2.2.3 管道檢測作業(yè)機器人檢測控制系

16、統(tǒng) ……………………………………………21</p><p>　　2.3 本章小結…………………………………………………………………………………22</p><p>　　第3章 管道檢測作業(yè)機器人的機械本體設計 …………………………………………………23</p><p>　　3.1 機械本體的結構設計……………………………………………………………………23</p

17、><p>　　3.2 里程輪工作原理…………………………………………………………………………24</p><p>　　3.3 里程輪系統(tǒng)的結構設計…………………………………………………………………26</p><p>　　3.3.1 里程輪系統(tǒng)的總體結構 …………………………………………………………27</p><p>　　3.3.2 超聲波檢測

18、系統(tǒng)驅動電機的選擇 ………………………………………………28</p><p>　　3.3.3 里程輪系統(tǒng)箱體的結構設計 ……………………………………………………28</p><p>　　3.4 里程輪系統(tǒng)各零件的參數(shù)設計與驗算…………………………………………………29</p><p>　　3.4.1 里程輪的結構設計 ………………………………………………………………

19、30</p><p>　　3.4.2 里程輪用螺紋軸結構設計與驗算 ………………………………………………33</p><p>　　3.4.3 里程輪平鍵連接強度計算與驗算 ………………………………………………37</p><p>　　3.4.4 管道檢測機器人自適應壓縮彈簧的設計校核 …………………………………39</p><p>　　3.5

20、 超聲波系統(tǒng)、里程輪系統(tǒng)的聯(lián)軸器選擇及萬向聯(lián)軸器的選擇 ………………………43</p><p>　　3.6 本章小結…………………………………………………………………………………44</p><p>　　第4章 基于ADAMS與SolidWorks的管道機器人聯(lián)合仿真……………………………………45</p><p>　　4.1 管道檢測作業(yè)機器人的SolidWork

21、s建?！?5</p><p>　　4.2 管道檢測作業(yè)機器人的ADAMS虛擬樣機建立 …………………………………………46</p><p>　　4.3 管道檢測作業(yè)機器人的ADAMS仿真與結果分析 ………………………………………48</p><p>　　4.4 本章小結…………………………………………………………………………………4

22、9</p><p>　　第5章 結論 ………………………………………………………………………………………50</p><p>　　致 謝……………………………………………………………………………………………51</p><p>　　參考文獻……………………………………………………………………………………………52</p><p>　　附

23、錄Ⅰ 工程圖清單 ………………………………………………………………………………53</p><p>　　附錄Ⅱ 英文翻譯 …………………………………………………………………………………54</p><p>　　附錄Ⅲ 英文翻譯原文 ……………………………………………………………………………63</p><p><b>　　摘 要</b><

24、;/p><p>　　管道是輸送石油、天然氣等介質的最經濟手段，但石油輸油管道受蝕后，管壁變薄，容易產生裂縫，造成漏油的問題。我國大量的油氣輸送管道分布在人口較稠密的地區(qū)，一旦發(fā)生腐蝕泄漏事故，其后果不堪設想。</p><p>　　本文設計了一種新型石油管道檢測機器人，分析了其總體機械結構、檢測原理及方法，討論了檢測機器人在管道中的定位問題和能源系統(tǒng)。為了提高機器人的穩(wěn)定性和靈活性，通過萬向節(jié)的

25、設計保證了機器人能夠順利通過曲率半徑為600的彎道；對檢測機器人在管道中的運動特性和行走阻力進行了分析；在此基礎上提出了動態(tài)超聲波掃描的檢測方法，提高了檢測的效率，能夠滿足實際的需要。設計了檢測機器人的控制系統(tǒng)，進行了相關的硬件選型、電路設計和軟件設計。硬件設計包括里程輪信號采集、超聲信號采集模塊、電機控制模塊以及時鐘、存儲器以及通訊接口等外圍電路；最后在SolidWorks2007環(huán)境下對管道檢測作業(yè)機器人進行了三維建模，并在ADAM

26、S 環(huán)境下對機器人進行了運動學和動力學仿真，對管道檢測機器人的后期研制具有至關重要的意義。</p><p>　　關鍵詞：管道機器人；里程輪定位；管道自適應；超聲波檢測</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Pipelines provide the most efficient means of carryi

27、ng oil and gas. But the failures are often occurred by internal corrosion in pipeline. When oil pipelines were corroded, their walls would become thin and result in cracks and oil leak. Once the leaks happened, the damag

28、es are more serious because most of them are in densely populated areas.</p><p>　　This paper is to design an adaptive oil pipe inspection robot with crack positioning system and energy systems in pipelines a

29、nd analyze its machine structure as well as inspection principle and method. Firstly,the overall structure of pipe inspection robot with wheel flexing mechanism to adapt to the change of pipe diameter and the universal j

30、oints for the robot to successfully pass the turn with curvature radius was brought forward. To ensure the robot’s stability and flexibility, the dynamic p</p><p>　　Key Words：Pipeline Robot；Mileage Wheel Po

31、sitioning；Piping Adaptive；Ultrasonic Inspection</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　管道檢測技術是最近幾十年間隨著工業(yè)管道、生活管道在各種地方的鋪設，然而其環(huán)境的惡劣性使管道內外部均受到侵蝕而發(fā)展起來的急需的一門技術。本章主要對管道檢測技術的發(fā)展現(xiàn)狀進行概述和管道機器人的幾種主要成品進行

32、了分析對比。</p><p>　　研制管道檢測作業(yè)機器人的背景和意義</p><p>　　近些年來，人們對自然環(huán)境、工作環(huán)境、工作工具及其方式的要求逐步提高。隨著中國城市化建設事業(yè)的發(fā)展推進，中國西氣東輸工程的全面啟動，特別是大型化工廠、大型天然氣廠、大型地下管道處理系統(tǒng)的建成，大型管道（或類似管道裝置）組合處理系統(tǒng)設施以其高質量的工作效率、圓形管道結構，占地少、有效工作空間大、美化生活環(huán)

33、境等優(yōu)點得到了廣泛的應用。隨著計算機技術的廣泛普及和應用，國內外檢測技術都得到了迅猛發(fā)展，管道檢測技術逐漸形成管道內、外檢測技術（涂層檢測、智能檢測）兩個分枝。通常情況下涂層破損、失效處下方的管道同樣受到腐蝕，管道外檢測技術的目的是檢測涂層及陰極保護有效性的基礎上，通過挖坑檢測，達到檢測管體腐蝕缺陷的目的，對于目前大多數(shù)布局內檢測條件的管道是十分有效的。管道內檢測技術主要用于發(fā)現(xiàn)管道內外腐蝕、局部變形以及焊縫裂紋等缺陷，也可間接判斷涂層

34、的完好性。</p><p>　　因此，各種大口徑天然氣管道、大口徑石油運輸管道、大口徑自來水管道、大孔徑地下污水處理管道，鍋爐廠、硫酸廠、核電站、液化氣站、印刷廠、酒廠、食品加工廠、東風二汽長管道系統(tǒng)等，各種大型廠房中的大孔徑管道系統(tǒng)隨處可見。但是，它們在為人們工作所利用時，也帶來了很多問題，如人們肆意向管道內投放廢品塑料、易拉罐、粘性物品、玻璃廢品等，長期下去導致管道內部因淤積較多廢棄物從而使管道堵塞；冬天北方

35、天氣寒冷，裸露在外部的自來水管道（或其他化工管道）因溫度太低內部自來水會產生凝固凍結，從而導致自來水不能正常流動，影響城市居民正常的生活；酒精廠（或其它化工廠）燃料燃燒所產生的粉塵會黏附在管道（或煙囪）內壁，長時間越積越多吹產生靜電效應，甚至引發(fā)火災和爆炸事故；長期處于露天環(huán)境，大多數(shù)大型輸油管道、天然氣管道等都會產生內部泄露和腐蝕現(xiàn)象，嚴重影響自然環(huán)境并且產生安全隱患等等。</p><p>　　一套完整的中央空

36、調管道清掃機器人30萬元左右，其形狀如下為履帶式，但是只能在水平管道中運行，而且其清掃不充分(如：履帶下面部分不能被清掃)，對于立體空間中的斜管道和豎直管道更是望塵莫及，而我們的管道檢測維護機器人不僅可以實現(xiàn)對于立體空間中的斜管道和豎直管道作業(yè)，而且價格僅需一萬左右。</p><p>　　目前的主要辦法是人工分段清潔維護、管道外部檢測，這種辦法耗費人力物力、效率低下、管道內部診斷情況不充分，而且存在較大的危險，對

37、它們的維護無論在工具還是技術上都跟不上設施的發(fā)展速度。傳統(tǒng)的管道內部清潔機器只能進行水平方向工作，無法進行豎直方向工作，管道內部彎道爬行更是望塵莫及。傳統(tǒng)的管道內部清潔機器就是利用四輪小車驅動方式沿著水平管道內部前進步。它們都存在不同程度的缺點，如機器笨重、攀爬效率低、有危險、工作不穩(wěn)定、工作環(huán)境極大地受到限制等；而且豎直管道和彎曲管道內部工作的機器較少！</p><p>　　目前國外較有名的檢測公司有美國的Tu

38、boscopc GE PII、英國的British Gas、德國的Pipetronix、加拿大的Corrpro，且其產品已基本上達到了系列化和多樣化。</p><p>　　雖然國內同行在管道外檢測技術方面已取得了飛速發(fā)展，但管道內檢測技術研究和應用仍有待加強。由于管道內檢測器使用的清管器比日常生產中普遍使用的清潔清管器要長得多，國內早期的油氣管道，不具備管道內智能檢測的條件，應用前需對站場收、發(fā)裝置及部分管道、管

39、件進行改造。因此在標準中也未對此做出強制要求，致使該項技術的應用和研究發(fā)展較慢，限制了它的廣泛推廣與應用。盡管目前國內一些管道公司也引進了內檢測設備，但因為未形成系列化，應用效果還不十分理想。可喜的是，國內部分管道公司已認識到此方面的不足，并開始著手研究和發(fā)展管道內檢測技術。目前中國石油新疆油田分公司與長輸管道檢測評價中心聯(lián)合開發(fā)了φ377mm漏磁通智能檢測儀，現(xiàn)已生產出樣機并分別在烏魯木齊架構—706泵站、中國石油西南油氣田分公司輸氣

40、管理出臥兩線等管道上進行了應用，雖然在解釋某些測試數(shù)據(jù)方面還不夠完善，但畢竟填補了管道內檢測技術的空白，為管道內檢測技術國產化奠定了基礎。我相信，通過引進、消化、吸收、創(chuàng)新，國內的油氣長輸管道檢測技術將會逐步接近或達到發(fā)達國家水平。</p><p>　　石油及天然氣開采后，往往需要異地輸送，其距離可達數(shù)千公里。輸送管道作為一種經濟、高效而安全的物料輸送手段一直為人們所關注。但管道經過長期使用，金屬管壁因受流體沖刷

41、、電化學腐蝕等作用會出現(xiàn)機械裂紋和腐蝕穿孔，最終導致輸送效率降低、輸送介質泄漏等惡性事故。由于多數(shù)管道都鋪設與地下或海底，所以一旦出現(xiàn)事故，管道的維修和搶修成本非常高。因此，做好管道在役檢測工作已成為各國所關注的重大課題。我國大量的輸油管道為中、小口徑管道，與主干道一樣需進行各種安全檢測，鋪設的油氣輸送管道已達30×104km，且正以每年1000-2000km的速度鋪設新管道。由于建成投入使用的年限長，大部分達到或接近20年的

42、使用年限，且由于原設計、施工標準不高，管道年久腐蝕，又缺乏正常的檢測維修，己進入事故多發(fā)期，或接近事故多發(fā)期。這一點在南方油田尤為突出。在南方油田管徑φ273mm以下的管道約2×104km，這些管道往往分布在人口較稠密的地區(qū)，一旦發(fā)生事故，其后果將更為嚴重，而中、小口徑管道智能檢測技術在國外尚無成熟技術可以引進。我國的地下管道檢測技術仍處于起步探索階段，各種檢測管道腐蝕的技術也大都停留在管外檢測，方法傳統(tǒng)</p>

43、<p>　　2008年的汶川地震給我們帶來了巨大的損失，很多城市的地下水管道內腔被堵塞，影響人們的正常飲水。同時每年大型工廠因管道泄露產生的化學污染、經濟損失和事故也比較嚴重，這些都對我們產生很大沖擊，發(fā)人深思。所以我們想研制一套可操行性強、成本較低、工作環(huán)境適應性較強的價格低廉的管道檢測維護機器人，由它來代替人力完成各種管道檢測維護工作。</p><p>　　開展管道超聲檢測技術的研究，并在此基礎上

44、開展管道檢測工作，通過對管道的安全性評價和風險分析，可以制定科學的維修計劃，改變過去的“事后維修”、“不足維修”、“過剩維修”為“視情維修”,保證管道的安全高效運行。</p><p>　　1.2 國內外管道檢測作業(yè)機器人的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢</p><p>　　管道檢測機器人是一種可沿管道內部或外部自動行走、攜帶一種或多種傳感器及操作機械，在工作人員的遙控操作或計算機自動控制下，進行一系列

45、管道作業(yè)的機、電、儀一體化系統(tǒng)。</p><p>　　目前，用于管道檢測、探傷、維護等用途的機器人試驗樣機及商業(yè)化產品的種類和數(shù)量不斷增加。美國、英國、日本等國家的管道檢測機器人技術處于世界領先地位，其中又以日本的管道檢測機器人總體技術水平和研究成果格外引人注目。</p><p>　　1.2.1 幾種主要類型的管道檢測機器人</p><p>　?。?）車輪式管道檢測

46、作業(yè)機器人</p><p>　　輪式移動機構是一個古老而至今仍得到廣泛應用的移動機構。它結構簡單，在相對平坦的路面上有相當優(yōu)越的性能，可是在地形復雜的情況下就不適用，輪子很容易陷到坑洼里而不能前進。</p><p><b>　?、僖话爿喪?lt;/b></p><p>　　美國Everst Vit公司的管道產生了多種輪式移動機構的派生機構式派生機構

47、。如圖1-1所示，采用輪式移動機構，這種移動機構在管道接頭部分或者管道里污垢沉積較多時就不能行走自如。</p><p>　　圖1-1 Everst Vit公司Rovver60管道機器人</p><p>　　由于基本輪式機構在環(huán)境適應性上有很多不足之處，尤其是不能在圓管、垂直管和彎管中行走。于是又出現(xiàn)了許多輪式管道機器人派生機構。</p><p><b>　

48、?、趦戎屋喪?lt;/b></p><p>　　此類管道機器人多數(shù)適用于圓管，一般是用三個互成120°的腳撐在管道內，也可稱之為三輪式管道機器人。這是最開始研究圓管管道機器人時常用的機構。這種機構不能很好的適應管徑，而且不容易通過彎管。因此又出現(xiàn)了許多派生結構。</p><p>　　圖1-2所示為韓國Sung Kyun Kwan大學Roh G、Ryew M等人研制的管道檢

49、測機器人。它是由前后兩節(jié)組成，中間萬向節(jié)連接，每節(jié)由三組行星驅動輪均勻支撐在管壁上，可調連桿調節(jié)驅動輪以適應不同的管徑，前端帶CCD攝像頭。</p><p>　　圖1-2 內支撐輪式管道機器人 圖1-3 螺旋推動機器人</p><p>　　圖1-3為東京工業(yè)大學開發(fā)出了基于螺旋輪式運動原理的管道機器人，該機器人的本體由幾個單元體通過彈簧連接而成。每個單元體上均

50、布有三只支撐臂，用螺旋彈簧將支撐臂上的小輪緊壓在管道內壁上，產生預壓力。小輪的軸線相對單元體的軸線傾斜了一個角度，通過軟軸將扭矩作用于單元體上使微機器人運動。機器人采用可調整的三輪驅動機構，解決了機器人垂直爬升、轉彎等行走方面的問題，可視為基本三輪式管道機器人的派生機構。</p><p>　?。?）履帶式管道檢測作業(yè)機器人</p><p>　　履帶式移動機構適合于未加工的天然路面行走，它是

51、輪式移動機構的拓展，履帶本身起著給車輪連續(xù)鋪路的作用。相對于輪式機構，履帶式移動機構有著諸多優(yōu)點，如:支承面積大，接地比壓小;適合于松軟或泥濘場地進行作業(yè)，下陷度小，滾動阻力小，通過性能較好;越野機動性好;履帶支承面上有履齒，不易打滑，牽引附著性能好，有利于發(fā)揮較大的牽引力。</p><p>　　與輪式管內機器人移動機構類似，履帶式管內機器人移動機構也可分為一般履帶式管內機器人移動機構及其派生機構。</p&

52、gt;<p><b>　　①一般履帶式</b></p><p>　　一般履帶式移動機構多指雙履帶移動機構，其由左右兩側兩條履帶負責支撐整個機體，通過調整兩側履帶的運動方向和轉速來實現(xiàn)前進、后退和轉彎。圖1-4為一種采用普通履帶式移動機構的管內移動機器人</p><p>　　圖1-4 普通履帶式管內移動機器人</p><p>　　雙

53、履帶移動機構雖然較一般的輪式機構更適應復雜環(huán)境，但其不適應圓形管道是不爭的缺點。所以針對這個缺點，產生了很多改善其特性的派生機構。</p><p>　?、谧兾宦膸揭苿訖C構</p><p>　　變位履帶式移動機構通過改變履帶的位置或履帶的機構形式以達到適應不同環(huán)境的要求，如圖1-5所示的一種雙履帶式管內機器人行走機構，履帶采用剛性支承結構，兩履帶的夾角可以調節(jié)，以適應不同的作業(yè)管徑。兩履帶

54、調節(jié)到平行位置時，可以在平地或矩形管道內行走。這樣就大大改觀了普通履帶式機器人只能在水平管道內行走的缺陷，但是這種機器人仍然有不能再圓管中行走的缺點。</p><p>　　圖1-5 變位雙履帶式管道機器人</p><p>　?、勐膸ё冃问揭苿訖C構</p><p>　　履帶變形式移動機構通過改變履帶形狀及相關措施增加機構的適應性。雙履帶式管內機器人采用楔形截面的履帶(

55、圖1-6 )，以增加履帶與壁面的接觸面積，并可通過車寬調整塊調節(jié)兩側楔形履帶的距離以適應管徑變化，但與上述雙履帶式管內機器人行走機構一樣不適應作業(yè)管徑變化的場合。</p><p>　　圖1-6 一種變形履帶式結構示意圖</p><p>　　根據(jù)具體應用場合，可以相應的變化履帶的形狀為正梯形、平行四邊形、倒三角形等等。</p><p>　　（3）其他類型管道檢測作業(yè)機

56、器人</p><p>　　管道機器人常采用輪式和履帶式的移動機構，但也有其他類型的移動機構，如蠕動式機構、步行機構等。</p><p>　　圖1-7 蠕動式管道機器人 圖1-8 步行式管內機器人</p><p>　　圖1-7所示為一種蠕動式管內機器人機構，由美國斯坦福大學研制。蠕動式管道機器人主要的應用領域是小型管道，而正常的輪式和履帶式移

57、動機構能夠適用于小型、中小型和大型的管道。</p><p>　　一種管內步行式機器人，其行走過程如圖1-8，通過左右兩側腳鎖死和前后腿的機構變化實現(xiàn)機器人在管內的行進。但該機構較復雜，而且控制起來較繁瑣。</p><p>　　1.2.2 石油管道腐蝕檢測技術現(xiàn)狀</p><p>　　管道發(fā)生腐蝕后，通常表現(xiàn)為管道的管壁變薄，出現(xiàn)局部的凹坑和麻點等。管道內腐蝕檢測技術

58、就是主要針對管壁的變化來進行測量分析的。在沒有開挖管道的情況下進行的管道內腐蝕檢測技術一般有漏磁通法、超聲波法、渦流法、激光法、電視法等。其中激光檢測法和電視測量法需和其他方法配合才能得出有效準確的腐蝕數(shù)據(jù)，而渦流檢測法雖然可適用于多種黑色和有色金屬，探測蝕孔、裂紋、全面腐蝕和局部腐蝕，但是渦流對于鐵磁材料的穿透力很弱，只能用來檢查表面腐蝕。而且，如果在金屬表面的腐蝕產物中有磁性垢層或存在磁性氧化物，就可能給測量結果帶來難以避免的誤差。

59、另外，由于渦流法的檢測結果與被測金屬的電導率有密切關系，為了提高測量精度還要求被測體系最好保持恒溫。所以，現(xiàn)在使用較為廣泛的管道腐蝕檢測方法是超聲波檢測法和漏磁檢測法。</p><p>　　其中，超聲檢測具有直接測量和定量化的特點，檢測精度高。漏磁檢測則局限于材料表面和近表面的檢測，被測管壁不能太厚，且檢測干擾因素多，精度較低，但是漏磁檢測能夠適應比較惡劣的檢測環(huán)境。</p><p>　　

60、管內漏磁檢測的工作原理如圖1-9所示，當對管道進行內部檢測時，線圈產生交變磁場進入被測管壁。此時，若被測管壁沒有受損，即不存在缺陷，則磁力線將不外溢；若被測管壁已受損減薄或存在裂縫，部分磁力線將外溢，此時，利用磁敏探頭采集信號，通過對信號的分析，即可確定管道壁的受損情況。</p><p>　　圖1-9 管內漏磁檢測原理</p><p>　　由于漏磁法不是直接測定管壁厚度，且漏磁信號和缺陷之

61、間為非線性關系，檢測信號易受到管壁腐蝕缺陷的長度、深度和缺陷形狀等因素的影響。因此，使用漏磁法檢測管壁厚度時要求被測管壁較薄，它不適合于厚壁管道的無損檢測。當腐蝕缺陷的面積大于探頭的靈敏區(qū)時，壁厚的檢測精度高，而當腐蝕缺陷的面積小于探頭的靈敏區(qū)時，壁厚的檢測精度難以得到保證。因此，漏磁檢測分為高分辨率檢測和低分辨率檢測兩種方法。高、低分辨率的劃分以所用探頭數(shù)的多少，或各探頭間的周向間距而定，一般為8-60mm。探頭數(shù)愈多，各探頭之間的周

62、向間距愈小，分辨率愈高，則檢測精度愈高。高分辨率漏磁檢測法對槽型缺陷具有良好的檢測效果，對長寬比大于2，寬度小于探頭周向間距的槽型缺陷(約30×10mm)而言，當采用探頭周向間距為30-40mm的漏磁檢測法檢測時，壁厚的檢測值明顯偏小。而采用探頭周向間距為8mm的漏磁檢測法再次對這種缺陷進行檢測時，則能精確測量出壁厚。</p><p>　　圖1-10 超聲波檢測原理圖</p><p&

63、gt;　　超聲波檢測法主要是利用超聲波的脈沖反射原理來測量管壁受蝕后的厚度，其檢測原理如圖1-10所示，檢測時垂直于管道壁的超聲探頭對管壁發(fā)出一個超聲脈沖后，探頭首先接收到由管壁內表面反射的回波，隨后接收到由管壁外表面反射的回波。于是，探頭至內壁的距離A與壁厚T，可以通過內表面反射回波的時間，以及內、外表面反射回波的時間差來確定。管道存在內、外壁受損時，僅僅根據(jù)壁厚T曲線尚無法判別管道屬內壁受損還是外壁受損，還需要參照探頭至內壁的距離A

64、曲線。當外壁受損減薄時，距離A曲線不變；而當內壁受損減薄時，距離T曲線與壁厚A曲線呈反對稱。于是，根據(jù)距離A和壁厚T兩條曲線，即可確定管壁厚度，以及管道是內壁受損減薄還是外壁受損減薄。這種檢測方法是管道腐蝕缺陷深度和位置的直接檢測方法，檢測原理簡單，對管道材料的敏感性小，檢測時不受管道材料雜質的影響。此外，超聲波法的檢測數(shù)據(jù)簡單準確，且無需校驗，檢測數(shù)據(jù)非常適合作為管道最大允許輸送壓力的計算，為檢測后確定管道的使用期限和維修方案提供了極

65、大的方便，并能夠檢測出管道的應腐蝕破裂和管壁內的缺陷如夾雜等。這種方法的不足之處就是超聲波在空氣中衰減很快，檢測時一般要有聲波的傳</p><p>　　1.2.3 管道檢測機器人的發(fā)展趨勢</p><p>　?。?）國外管道腐蝕檢測機器人的發(fā)展趨勢</p><p>　　國外漏磁檢測機器人（Magnetic Flux Leakage Intelligent Pig簡稱

66、MFL Pig）的研制始于70年代中期，至今已發(fā)展到第二代，而超聲波技術是80年代末才引入機器人的。國外最先將超聲波技術引入腐蝕檢測智能機器人的是日本的NKK（日本鋼管株式會社）和德國Pipetroix公司，以后加拿大、美國等也相繼研制了這類超聲機器人。與漏磁檢測機器人相比，超聲檢測機器人(Ultrasonic Intelligent Pig簡稱UT Pig)由于檢測時不受管道壁厚的限制，它的出現(xiàn)被認為是管道檢測技術的一大進步，現(xiàn)在許多

67、國家的管道檢測技術人員也都在致力于這方面的研究。實踐也證明采用超聲波檢測法得出的數(shù)據(jù)確實比漏磁法更為精確?，F(xiàn)在國外的超聲檢測機器人的軸向判別精度可達3.3mm，管道圓周分辨精度可達8mm，機體外徑可由159mm到1504mm，機器人的行程可達50~200km，行走速度最高可達2m/s。目前國外管道公司在長輸管道腐蝕檢測中，廣泛采用的主要是第二代漏磁管道腐蝕檢測器和超聲波管道腐蝕檢測器，世界上接受腐蝕檢測服務的油氣管道已達數(shù)十萬公里，并取

68、得了很好的效果。</p><p>　　隨著現(xiàn)代科學技術的進步，機器人檢測技術有望在以下幾個方面取得進一步發(fā)展：將定位輪的純機械傳動與現(xiàn)有的光、電技術相結合，勢必提高內定位的精度、減少對外定位的依賴；利用現(xiàn)今機器人的一些行走技術，增添檢測機器人的自我行走機構，可大大提高機器人的機動性能。</p><p>　　隨著電池行業(yè)向著高能、高效方向的發(fā)展，以新型電池(如塑料電池)替代理電池將是可能的。

69、這會減少機器人的體積、降低機器人的造價、提高機器人的續(xù)航能力。</p><p>　　在不遠的將來，有望實現(xiàn)以管道為信號載體或利用其它手段將檢測信號傳至地面做到在役管道的實時檢測。</p><p>　　（2）國內管道腐蝕檢測機器人的發(fā)展趨勢</p><p>　　相比較而言，我國的地下管道檢測技術仍處于起步探索階段，大部分管線不僅沒有使用網絡系統(tǒng)進行監(jiān)控，而且各種檢測管

70、道腐蝕的技術也大都停留在管外檢測，方法傳統(tǒng)落后。管道的各種智能檢測機器人仍在研究中，成熟的產品尚未開發(fā)出來。盡管某些科研單位己研制出了幾種功能樣機，但它們只能對空管道進行檢測，很難滿足實際要求。由于國外的智能檢測機器人設計復雜，價格昂貴，通常是幾百萬元一套儀器?，F(xiàn)在我國的大部分油田都沒有引進這種設備，而只是采用傳統(tǒng)的管道外檢測方法，這就無法對埋地管道腐蝕受損情況進行及時準確的檢測，從而造成了一些重大損失。</p><

71、p>　　此外，從國內管道技術公司買進的超聲波機器人和漏磁機器人的使用情況來看，使用超聲機器人檢測的過程中存在的最大問題是:與國外的石油品質相比，我國的石油大部分是稠油，石油在管道內的結蠟較厚，每次探測都需清洗數(shù)次。但檢測時在管壁上和液體介質中仍會有少量的蠟片存在，這些蠟片往往嚴重影響檢測結果的準確性，從而導致檢測精度的降低;而漏磁機器人檢測時不受蠟片的影響，但其檢測精度不如超聲機器人高，對管道上的軸向裂縫檢測還有一定的困難，而且由

72、于漏磁技術是檢測管道壁厚的間接檢測方法，用其檢測的數(shù)據(jù)實現(xiàn)直觀顯示管壁的缺陷也比較困難。</p><p>　　從上述分析可知，用智能機器人在管道內檢測管道腐蝕狀況己成為現(xiàn)在世界石油天然氣行業(yè)的趨勢，而且目前管道內智能機器人在國內尚屬一項空白技術。因國外對智能機器人技術施行技術保密，所以我國應針對國外智能機器人的不足之處，結合國內的實際情況，在管道內腐蝕檢測技術方面加大研究的力度，研制開發(fā)出自己的適合我國國情的智能

73、檢測機器人，并進一步提高機器人檢測時的抗干擾能力，完善檢測數(shù)據(jù)的視圖工具。</p><p>　　1.3 本課題研究思路與主要內容</p><p>　　本論文結合石油管道裂紋檢測作業(yè)機器人設計要求，擬完成φ300mm石油管道裂紋檢測作業(yè)機器人總體設計，主要內容如下：</p><p>　　第1章：根據(jù)石油管道的特殊環(huán)境與行走、檢測作業(yè)要求，提出了一種基于萬向節(jié)聯(lián)接的驅動

74、電機與旋轉電機共同作用的兩段式內螺旋推進行走管道機器人總體方案；</p><p>　　第2章：對機器人內螺旋推進行走機構與驅動電機進行設計計算與選型的基礎上，保證機器人在管內正常行走；</p><p>　　第3章：設計里程輪機構，以實現(xiàn)管內定位，即確定所檢測到裂紋缺陷的位置，然后提出了采用超聲波檢測技術從內部對管道進行檢測，并完成了超聲波檢測探頭的固定與檢測裝置的設計；提出了超聲波檢測管道

75、裂紋的軟硬件測控系統(tǒng)方案；</p><p>　　第4章：對管道機器人總結結構進行了SolidWorks三維建模，通過導入到ADAMS 2005中，建立管道機器人虛擬樣機模型，并對其運動學與動力學進行了仿真，以驗證所設計的總體方案是否符合φ300mm石油管道裂紋超聲波檢測的需要。</p><p><b>　　1.4本章小結</b></p><p>

76、;　　智能機器人在管道內檢測管道腐蝕狀況己成為現(xiàn)在世界石油天然氣行業(yè)的趨勢，而且目前管道內智能機器人在國內尚屬一項空白技術。因國外對智能機器人技術施行技術保密，所以我國應針對國外智能機器人的不足之處，結合國內的實際情況，在管道內腐蝕檢測技術方面加大研究的力度，研制開發(fā)出自己的適合我國國情的智能檢測機器人，并進一步提高機器人檢測時的抗干擾能力，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化。</p><p>　　第2章 管道檢測作業(yè)機器人的

77、總體方案設計</p><p>　　本機器人的設計目標是：符合φ300mm石油管道的適用要求和工作環(huán)境，研究石油管道超聲檢測技術。本章將對機器人的總體結構、檢測系統(tǒng)的設計以及機器人動力系統(tǒng)和機器人在管道中的定位系統(tǒng)進行設計。由于采用超聲波檢測技術從內部對管道進行檢測，因此本文考慮檢測探頭的固定，即要完成對檢測裝置的設計；其次要考慮機器人的推進動力和機械結構，以保證機器人在管內正常行走；再次要確定所檢測到缺陷的位置，

78、這就要設計一個里程機構（管內定位）；最后還要建立一個數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。</p><p>　　2.1 管道檢測作業(yè)機器人總體設計方案</p><p>　　2.1.1 管道檢測作業(yè)機器人總體方案要求的提出</p><p>　　機器人在沿石油管道檢測時，需要克服石油管道截面變形、內壁不平產生突起或凹坑、過彎管等因素的影響，這就需要機器人對管道直徑變化有一定的適應能力。

79、</p><p>　　此次設計的要求如下：①管道內徑D=300mm，驅動力F=800N；②行進速度v=0.1m/s，能通過U型管道；③能夠搭載微型CCD和無損檢測傳感器對管道內的裂紋和腐蝕缺陷等進行檢測。</p><p>　　在設計之前，通過比較多種目前比較成熟的管道機器人的設計方案，并進行設計方案的優(yōu)選，以便設計出最適合石油管道、生活用管道的檢測機器人。</p><p

80、>　　2.1.2 管道檢測作業(yè)機器人總體方案的比較</p><p>　?。?）車輪式管道機器人</p><p>　　該機器人具有如下優(yōu)點：采用了一種簡單的運動方式，并且只用了一個電機；能耗低；可以在水平的、垂直的、彎曲的管道中工作；可以自適應變直徑的管道，并且能夠通過管道內的小障礙物。</p><p>　　圖2-1 管道內輪式機器人</p>&l

81、t;p>　　該機器人結構特點：采用輪式載體，牽引力強，速度快，轉向容易，能夠實現(xiàn)垂直行走及90°彎管，對管徑的變化具有一定適應性；由三個或多個行走單元組成，在管道截面上平均分布。每個行走單元由電機、減速傳動系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)和行走系統(tǒng)組成；減速傳動系統(tǒng)由一對蝸輪蝸桿副組成，能夠輸出較大的扭矩；支撐系統(tǒng)采用剪刀式結構，依靠拉伸彈簧將行走單元緊壓在管道內壁上，依靠車輪與內壁的摩擦力前進或后退；每個單元的行走系統(tǒng)由一個主動輪和一個

82、被動輪組成。</p><p>　?。?）腳式管道檢測作業(yè)機器人</p><p>　　西門子公司Werner Neubauer等人研制的管道機器人有4、6、8支腳三種類型，可在各種類型的管里移動，其基本原理是利用腿推壓管壁來支撐個體，多腿可以便地在各種形狀的彎管內移動。</p><p>　　圖2-2 管內腳式機器人</p><p>　　國內的太

83、原理工大學研制成功管內腳式行走機器人。該機器人可在管內雙向行走，自動隨管道彎度轉向。該機器人由撐腳機構、牽引機構和轉向機構構成，如圖2-2。該機器人主要適用于較大管徑的管道，尤其以非圓形管道為主，在圓形管道方面不如輪式機器人的適應性強。</p><p>　?。?）蠕動式管道檢測作業(yè)機器人</p><p>　　基于爬行生物的運動原理，以各種驅動器為動力，專家們設計并研制出多種形式的蠕動式管道

84、檢測機器人。由于蠕動式管道機器人行動較為緩慢，不適合于需要迅速查清管道內部缺陷的要求，在設計方面也需要一些生物知識，較難實現(xiàn)。</p><p>　　圖2-3 蠕動式管道檢測作業(yè)機器人</p><p>　　清華大學研制了一套小型蠕動機器人系統(tǒng)，其機構如圖2-3，由1 蠕動體和2、3、4電致伸縮微位移器組成。蠕動體的蠕動變形形態(tài)由粘貼于柔性鉸鏈部位的電阻應變實時感應，機器人的外形尺寸為150&

85、#215;61×46mm，重2kg，最大步距10，行程40mm，運動精度0.2。</p><p>　?。?）利用介質壓差驅動的管道檢測機器人</p><p>　　利用管道流體壓力對管道進行直接檢測和清理技術的研究始于上世紀 50年代，最具代表性的是美國研制的一種介質壓差驅動的管內清理及檢測設備，由于該檢測機器人是靠管道內部流體在其前后所形成的壓力差作用下在管道內運行的，因此被稱為

86、介質壓差驅動的管道檢測機器人，如圖2-4所示。</p><p>　　圖2-4 美國的PIG（Pipeline Inspection Gauge）</p><p>　　利用介質壓差驅動的管道檢測機器人結構需要較為輕巧，而且要求機械本體密封性較高，在使用的過程中需要管內的流體有一定流速，對管道的自適應不是很強。</p><p>　?。?）通過彈性桿外加推力的管道檢測機器

87、人</p><p>　　日本東京科技學院利用外加推力研制成“螺旋原理”的微型機器人，如圖2-5。利用在管外的電機推動帶有彈性的線推動驅動部件前進，該驅動部件可以越過小的臺階。該管道機器人的結構較為簡單，但是其對于較長管道的適應性不如輪式。</p><p>　　圖2-5 通過彈性桿外加推力的管道檢測機器人</p><p>　　2.2 管道檢測作業(yè)機器人總體方案的組成&

88、lt;/p><p>　　經過對以上幾種行走、驅動方案的比較，決定采用以下的設計方案來實現(xiàn)設計要求，示意圖如2-6所示。</p><p>　　1旋轉體1 2支撐體1 3驅動電機 4萬向節(jié)1</p><p>　　5探測倉 6里程輪 7旋轉電機 8超聲波探頭</p><p>　　9萬向節(jié)2 10驅動電機11支撐體2

89、 12旋轉體2</p><p>　　圖2-6 管道檢測作業(yè)機器人本體結構圖</p><p>　　圖2-6所示的管道檢測作業(yè)機器人主要包含三個部分：驅動行走部分、里程輪定位部分和超聲波探測缺陷部分。驅動電機的旋轉帶動旋轉體上面的6個驅動輪沿著管壁進行螺旋旋轉，前端和后端的驅動電機旋轉方向相反，在與管壁的摩擦作用下，使整體的前進方向一致。驅動電機在啟動后，帶動行星齒輪系進行減速后，以穩(wěn)定

90、的速度驅動整個機器人進行管道內部檢測。</p><p>　　石油管道檢測環(huán)境要求機器人的行程很長，這就對機器人的動力提出了要求。為了適應長距離的行走，這里采用雙驅動電機來提供動力，以實現(xiàn)在管道內部的正常行走和檢控。在此基礎上，需要在機器人的尾端使用線索連接上，這是為了防止機器人在計策過程中出現(xiàn)卡死現(xiàn)象時，可以采用人工拖拉將機器人帶回安全的地面環(huán)境并進行檢修。</p><p>　　2.2.1

91、 管道檢測作業(yè)機器人里程輪定位系統(tǒng)</p><p>　　管道檢測作業(yè)機器人里程輪定位系統(tǒng)是在機器人通過超聲波檢測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)裂紋、腐蝕等缺陷之后，能夠準確定位缺陷的位置，從而便于修復設備對所在管道段進行修復。</p><p>　　由于管道內檢測器拾取的管道腐蝕或者形變信號是同管道位置一一對應的。因此對于判斷管道腐蝕位置,選擇開挖地點,要依據(jù)管道內檢測器在管道中運行時對自身位置的測量。管道內檢測

92、器的定位方法由2部分組成:一是里程輪定位,二是地面標記系統(tǒng)。里程輪是固定在檢測器上的裝置。在檢測過程中,它沿著管道壁滾動,輪子每轉過一定角度(對應檢測器走過一定距離) ,安裝在輪子上的傳感器發(fā)出一個脈沖信號,計算機連續(xù)收集此信號可以計算出檢測器相對位置。但是,里程輪在轉動過程中可能出現(xiàn)打滑等現(xiàn)象,造成里程計量的誤差,檢測距離越長,累計的誤差就越大,地面標記系統(tǒng)的作用是將幾十千米的長輸管道分成幾千米的小段,在管道內檢測器經過這些小段的端點

93、時,檢測器記錄下自身計量的里程值。因為已知這些端點的準確位置,據(jù)此對檢測器計量的里程值進行修正。</p><p>　　管道內情況復雜,里程輪可能出現(xiàn)打滑、故障等情況,因此一般在管道徑向圓周內安裝3個或者4個里程輪,每個里程輪在轉動過程中都會發(fā)出1路脈沖信號,此信號攜帶管道內檢測器運行速度信息。這里必須選擇其中1路誤差最小的信號作為里程計量信號進行跟蹤。在實際運行過程中所跟蹤信號可能出現(xiàn)故障,比如打滑、停轉,因此,

94、要通過實時比較幾路信號的方法來確定當前跟蹤的信號是否正常。若正常,則繼續(xù)跟蹤此路信號；若不正常,則要選擇其他的里程輪信號進行跟蹤。里程輪工作狀態(tài)的判斷要快速準確,這樣才能減少里程計量誤差。</p><p>　　2.2.2 管道檢測作業(yè)機器人行走機構</p><p>　　目前國內外的管道中既有圓管又有方管，同時還有垂直方向的管道，針對各種管道和不同工況，提出了螺旋式和履帶式兩種機器人移動機構

95、方案，但鑒于石油管道和生活用管道大多采用圓形，因此只分析螺旋式移動方案。</p><p>　　螺旋式移動機構由驅動電機、旋轉體和支撐體組成。三組驅動輪均勻分布于旋轉體上，且與管壁呈一定的傾斜角8。隨著電機的轉動，驅動電機帶動旋轉體轉動，使驅動輪沿管壁作螺旋運動，保持機構沿管道中心軸線移動。改變施加于電機的電流極性，可改變機器人的移動方向，從而使機器人在管內進退自如。驅動電機采用內嵌方式安裝在支撐體上。旋轉體和支撐

96、體的輪腿上裝有彈性機構。腿輪與本體之間有彈簧連接，靠螺釘固定，彈簧的伸縮自動調節(jié)位置，腿輪可以伸縮，從而可以自動適應管道內徑的變化，結構如圖2-8所示。</p><p>　　圖2-8 螺旋驅動部分示意圖</p><p>　　本方案僅適用于圓形管道，具有以下優(yōu)點:</p><p>　　(1)前進速度快，運動穩(wěn)定性高;</p><p>　　(2)

97、對管徑大小和管道形狀變化的適應性較強;</p><p>　　(3)壓緊力由機械結構保證，整體機構簡化，而且控制系統(tǒng)易于實現(xiàn);</p><p>　　管道機器人在管道內部實際受力情況很復雜，本文只考慮機器人垂直管道上升時的情況，因為該過程受到的負載最大。機械平臺共有6組12個驅動輪和6組12個支撐輪，為了計算出的負載能力有一定的安全系數(shù)，所以只考慮12個驅動輪的負載能力來平衡機械本體的負載，受

98、力圖如圖2-9所示。</p><p>　　—機器人相對管道軸線下滑趨勢產生的摩擦力；—機器人沿管道螺旋線方向的摩擦力；—管壁對車輪的正壓力；—車輪與管道軸線的夾角；—車輪滾動摩擦力矩；—來自車輪軸的摩擦力矩； —軸承的支反力；—電機輸出角速度；—電機輸出轉矩；—機器人總重量</p><p>　　圖2-9 驅動部分受力簡圖</p><p>　　2.2.3 管道檢測作業(yè)

99、機器人檢測控制系統(tǒng)</p><p>　　在役輸油管道檢測機器人的研制開發(fā)中，很重要的環(huán)節(jié)就是機器人要能準確檢測到管道缺陷，即通過傳感器的作用，在管道機器人的運動過程中測定管道的壁厚厚度，準確處理測到的數(shù)據(jù)。本文主要介紹了旋轉超聲探頭的檢測原理以及處理方法。超聲波檢測是目前應用最為廣泛的一種無損檢測方法，它具有靈敏度高、穿透力強、探傷靈活、效率高、成本低，對人體無傷害等優(yōu)點，不僅可探測金屬及非金屬材料的缺陷（內部和

100、表面的），還可以測定材料的厚度及強度。</p><p>　　超聲測距的原理也是通過檢測超聲波從發(fā)射到反射的時間來進行測距的，通常其所選擇的基本頻率與所要測量的距離相關。在移動機器人研究中，單個超聲波傳感器的測量開角有限，為獲取平面內更大范圍信息，通常將多個傳感器排著環(huán)形或其他形狀陣列。超聲傳感器的環(huán)境適應能力相對較強，體積小，價格低廉，在早期的移動機器人研究中使用較多，但它同激光測距儀相比在性能和精度上存在明顯不

101、足:(1)由于超聲波在空氣中的傳播時能量會有較大的衰減，因此如果反射的超聲能量太弱以至于低于某一門限值，那就會得不到距離信息，而且通常超聲的返回信號會有比較大的噪聲干擾，導致難以得到準確的距離信息。Birsel和Barshan等人為超聲反射信號的幅度建立了模型，并采用了證據(jù)推理方法來得到相對可靠的距離;(2)超聲的波長一般在幾個毫米級別，比一般室內環(huán)境表面的粗糙度要大很多，因此容易發(fā)生鏡面反射現(xiàn)象。這樣換能器發(fā)射出去的聲波往往要經過多次

102、鏡面反射才能到達接收器，導致測得距離出錯;(3)超聲波波束角較大，且存在不同傳感器間交叉干擾的問題，使得反射目標點的準確方位難以確定。相對激光雷達，超聲測距的數(shù)據(jù)采集延遲也比較大。因此，超聲波傳感器一般僅</p><p>　　超聲波是指頻率在2000以上，不能引起正常人聽覺反應的機械振動波，是物體的機械振動在彈性介質中的傳播所形成的機械振動波。由于聲源在介質中施力方向與波在介質中的傳播方向不同，聲波的波形也不同，

103、聲波的波形可分為：縱波、橫波、表面波、蘭姆波。</p><p>　　縱波、橫波及表面波的速度取決于介質的彈性常數(shù)及介質密度。在役石油管道的受蝕缺陷主要是管壁的受蝕減薄，用超聲檢測技術來探測輸油管道壁厚的厚度最為簡便和直接，其檢測原理如圖2-7。</p><p>　　圖2-7 管道機器人測量壁厚的原理圖</p><p>　　當超聲探頭對管壁發(fā)出一個超聲脈沖后，探頭首先

104、接收到由管壁的內表面反射回來的脈沖，這個脈沖與基準脈沖之間的間距是很容易測量的，該間距值表示為。然后，超聲探頭又會接收到由管壁的外表面反射回來的脈沖，這個脈沖與內表面產生的脈沖之間的間距為值就反映了管壁的厚度。對于反射波，要經處理、整形后形成厚度方波，為了達到預求的精度，該方波還要被放大數(shù)十倍，另外還需對放大的方波進行脈沖填充，脈沖填充的個數(shù)的多少就構成了所測厚度的具體數(shù)據(jù)，在檢測時，這些數(shù)據(jù)需實時存入機器人體內的存儲器中，最終的數(shù)據(jù)分

105、析由地面的計算機完成。</p><p><b>　　2.3 本章小結</b></p><p>　　本章在分析各種管道檢測機器人各種方案的基礎上，結合本課題設計目標，提出了基于內螺旋推進管道檢測機器人總體方案，其中行走機構采用行星齒輪系傳遞動力和膠輪式可轉橡膠輪，裂紋位置確定采用里程輪定位系統(tǒng)，裂紋檢測采用超聲波檢測方案，為后續(xù)具體設計與仿真實驗提供了理論基礎。<