油氣管道飛行器檢測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

倪靖雄+馬瑞東+張志華+向明尚

摘 要：簡要介紹了一種以ARM處理器為核心控制單元，以飛行器為載體的油氣管道檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)將嵌入式技術(shù)、紅外熱成像技術(shù)和無線傳輸技術(shù)結(jié)合起來，不僅可以實現(xiàn)視頻采集、無線傳輸和圖像壓縮等，還可以利用光譜分析紅外成像儀拍攝的圖像。在檢測過程中，系統(tǒng)將紅外成像儀拍攝到的圖像傳輸?shù)降孛婵刂朴嬎銠C上，相關(guān)工作人員通過圖像判斷油氣管道的泄漏情況，并確定泄漏點。

關(guān)鍵詞：ARM處理器；嵌入式技術(shù)；紅外熱成像；無線傳輸

中圖分類號：TE973.6 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.05.017

隨著我國石油行業(yè)的迅猛發(fā)展，我國油氣管道工程也進入了黃金建設(shè)期。油氣管道作為輸送石油的主要通道之一，其檢測技術(shù)直接影響著石油管道的輸送能力和輸送安全。泄漏是影響輸油管道安全的主要因素之一。管道投入使用后，每年都需要作例行檢查，以確保油氣的運輸安全。尤其是當(dāng)管道使用了多年后，由于輸送的油品中含有硫元素和酸性物質(zhì)，管道常年裸露在外，風(fēng)吹雨淋，很容易被腐蝕。特別是近幾年，輸油管道經(jīng)常會被盜油者打孔或者發(fā)生腐蝕穿孔的情況，導(dǎo)致油氣泄漏事故頻繁發(fā)生，影響其正常使用，不僅給國家造成巨大的經(jīng)濟損失，而且還破壞了生態(tài)環(huán)境。因此，研究高效、可靠的管道檢測技術(shù)有非常重要的現(xiàn)實意義。

對于現(xiàn)有的油氣管道泄漏檢測技術(shù)，在檢測過程中，因為檢測裝置所處的位置不同，所以，可將其分為外部檢測技術(shù)和內(nèi)部檢測技術(shù)。國內(nèi)普遍采用的負壓波法、放射性示蹤劑法等內(nèi)部檢測技術(shù)并不適用于微小泄漏、泄漏點定位能力差的地方；外部檢測技術(shù)中的氣體敏感法、激光掃描法等又因為傳感器布置困難，檢測裝備過于笨重、昂貴而無法普遍推廣。近年來，由美國公司OILTON開發(fā)的紅外熱成像技術(shù)能夠檢測微小泄漏。這項技術(shù)是利用直升機吊裝一部精密的紅外攝像機，然后直升機沿管道飛行，并作相應(yīng)的檢測。但是，這樣的紅外攝像機具有費用高、設(shè)備笨重等缺點。雖然本文提出的油氣管道飛行器檢測系統(tǒng)借鑒了此技術(shù)，它使用了價格便宜、容易控制的檢測飛行器搭載新型迷你光譜成像儀，解決了設(shè)備昂貴的問題。利用該檢測系統(tǒng)可以將檢測數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)降孛婵刂朴嬎銠C上，以及時發(fā)現(xiàn)泄漏、準確定位泄漏點。該系統(tǒng)具有快速高效、實用經(jīng)濟等特點。

1 檢測原理

埋地輸油管道及其周圍環(huán)境會向空氣中散發(fā)不規(guī)則的熱輻射，并經(jīng)空氣向大氣傳播?？諝庾鳛橐环N傳輸介質(zhì)，它會吸收和衰減輻射。當(dāng)輸油管道發(fā)生泄漏時，泄漏的液體極易揮發(fā)，形成氣體（主要是碳氫化合物），進而衰減特定頻率的紅外輻射。

這時，可利用光譜分析紅外攝像的結(jié)果，形成圖像信息，并將這些信息和檢測系統(tǒng)上傳感器接收到的溫度、濕度和與地面的距離等信息用基于ZigBee的無線傳輸技術(shù)傳輸給地面控制計算機，由地面控制計算機分析其具體的泄漏情況。ZigBee是一種新興的低功耗、低成本的無線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，傳輸速率為10～250 kB/s，工作頻段靈活、安全，適用于油氣管道飛行器檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)檢

測流程如圖1 所示。

在工作過程中，飛行器沿著管道在其上方5～25 m處飛行，一路用視頻壓縮卡將紅外成像儀拍攝的視頻圖像按照H264標(biāo)準壓縮后存入飛行器搭載的硬盤中，另一路則利用ZigBee無線傳輸技術(shù)將相關(guān)數(shù)據(jù)實時傳輸給地面控制計算機。

紅外成像技術(shù)主要分為主動式和被動式兩類。飛行器搭載的紅外成像儀使用的是被動式紅外成像技術(shù)，并且采用FLIR公司開發(fā)的高靈敏度攝像模式（HSM）實現(xiàn)紅外成像。它不僅能遠距離檢測，還能減少濾光片自身熱輻射對成像的影響，抑制圖像噪聲。

2 機載檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

機載檢測系統(tǒng)主要由飛行器模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊和地面控制模塊組成。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

紅外成像儀搭載在飛行器模塊的增穩(wěn)云臺上，云臺可以根據(jù)控制人員的操作、飛行器的位置和姿態(tài)調(diào)整其角度，以確保檢測圖像的質(zhì)量。而數(shù)據(jù)采集與處理模塊可以根據(jù)預(yù)設(shè)的程序和接收到的地面控制命令壓縮紅外成像儀和其他傳感器傳輸來的數(shù)據(jù)，一路存入系統(tǒng)的外接硬盤中，另一路則利用無線傳輸技術(shù)實時傳給地面控制計算機。地面控制模塊包括紅外成像儀控制模塊、飛行器控制模塊、GPS信息和姿態(tài)信息實時顯示模塊。其中，紅外成像儀控制模塊可以實時接收飛行器傳回的視頻圖像，控制紅外成像儀的對焦參數(shù)等；飛行器控制模塊可以實時控制飛行器的飛行高度、飛行速度、搭載了紅外成像儀的增穩(wěn)云臺的角度和視頻拍攝角度；GPS信息和姿態(tài)信息實時顯示模塊則可以顯示飛行器所處的高度、溫度、濕度和時間等信息。

2.1 檢測系統(tǒng)處理器

作為檢測系統(tǒng)的核心控制單元，檢測系統(tǒng)處理器擔(dān)負著安全、穩(wěn)定地完成數(shù)據(jù)、指令的調(diào)用，圖像的實時傳輸和與I/O設(shè)備完成信息交互等任務(wù)。該系統(tǒng)選用了S3C6410芯片的ARM處理器，具有性能好、功耗低、成本低等優(yōu)點，而功耗低的特點又保證了飛行器的待機時間。

2.2 紅外成像儀

紅外成像儀是用來采集輸油管道紅外圖像的儀器，可選用FLIR公司GasFindIR系列的成像儀。該儀器用的是窄帶濾光片，其圖像分辨率為320×240，工作波段為3.2～3.4 μm，可實現(xiàn)1～8倍數(shù)字的連續(xù)變焦。將紅外成像儀搭載在飛行器的增穩(wěn)平臺上，可以實時調(diào)整拍攝角度。

2.3 存儲器設(shè)備

存儲設(shè)備采用的是256 M的RAM，它為系統(tǒng)的高效運行提供了必要的條件。由于RAM不支持掉電后的數(shù)據(jù)保護，所以，當(dāng)系統(tǒng)啟動時，可以把存儲在片外ROM中的數(shù)據(jù)程序重新調(diào)入RAM中執(zhí)行。這個工作由引導(dǎo)程序Bootloader完成。為了提高系統(tǒng)存儲方面的靈活性，可用外擴的SD卡存儲采集到的環(huán)境信息、操作信息和檢測視頻信息等容量較大的文件。

2.4 飛行器

飛行器控制芯片選用S3C6410處理器，它能夠高速處理數(shù)據(jù)，高效率地執(zhí)行指令；傳感器選用ENC-03MB單軸角速度傳感器和LIS344ALH三軸加速度計。數(shù)據(jù)處理模塊在飛行器中起到了銜接各模塊的作用，它使用的是A/D轉(zhuǎn)換器。在選擇A/D器件時，主要要考慮轉(zhuǎn)換精度，轉(zhuǎn)換速率，信號輸入范圍，芯片的接口、價格、功耗等多方面因素。電機是飛行器中非常重要的部件之一，其性能直接影響著飛行器的飛行狀態(tài)，綜合考慮技術(shù)、性能和成本等方面的因素，特選擇航模專用新西達A2212型號的無刷直流電機。在選擇配漿時，特選用了型號為GWS1060HD的三葉螺旋槳。飛行器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.5 GPS定位模塊

GPS定位模塊選用定位精度較高的UBLOX系列的LEA-6H.它是通過衛(wèi)星定位獲得數(shù)據(jù)信息，利用串口將接收到的數(shù)據(jù)信息讀入MCU中，并將拍攝到的紅外圖像實時傳輸給地面控制計算機，從而進行相應(yīng)的分析和定位。

2.6 傳感器模塊

溫濕度傳感器采用的是瑞士公司推出的數(shù)字溫度濕度傳感器芯片SHT11.該芯片內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器，具有高度集成、能夠提供二線數(shù)字串行接口SCK和DATA等特點，可以通過編程操作調(diào)節(jié)其測量精度。激光測距傳感器選用的是SICK公司的DMT10-2長量程激光測距傳感器，其漫反射測量量程為0.5～155 m，可自由編程參數(shù)。該傳感器用于測量飛行器距地面的高度。

3 實驗測試

將機載檢測系統(tǒng)放置在模擬飛行平臺上綜合檢測輸油管道，以完成相關(guān)實驗。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠遠程控制，圖像實時傳輸、溫濕度傳感器信息的傳輸?shù)榷寄軌蛘＿M行，而且圖像傳輸穩(wěn)定，無明顯抖動。

4 結(jié)束語

本文介紹了油氣管道飛行器檢測系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容，以期為日后的相關(guān)研究提供借鑒。該系統(tǒng)利用紅外成像技術(shù)和傳感器技術(shù)能夠檢測出大部分管道的泄漏情況，而且它還有GPS，能夠準確定位故障點。這個系統(tǒng)的出現(xiàn)為輸油管道日常泄漏檢測提供了一種快速、方便、節(jié)省人力和成本的巡檢方式。

參考文獻

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