管道機器人速度采集實驗裝置設(shè)計與誤差分析

串俊剛 曾欣 代艷霞 張銳麗 張仕民

摘 要：管道機器人運行速度對管道作業(yè)任務(wù)有重大影響，而速度采集系統(tǒng)將為管道機器人速度控制提供速度數(shù)據(jù)。本文設(shè)計了一套里程輪速度采集系統(tǒng)實驗裝置，該裝置包括一個里程輪，計數(shù)輪、里程輪安裝架，計數(shù)傳感器及數(shù)據(jù)采集電路板。通過該實驗裝置進行實驗，對實驗結(jié)果進行誤差分析，檢驗了管道機器人速度采集系統(tǒng)的有效性。

關(guān)鍵詞：管道機器人; 速度采集 ;實驗裝置 ;誤差分析

大口徑高流速管道進行檢測時，控制管道機器人運行速度的前提是隨時檢測瞬時速度，并通過控制電路比較，一般利用里程輪裝置的脈沖頻率來實現(xiàn)。

1.實驗?zāi)康?/p>

設(shè)計一個試驗用的里程輪數(shù)據(jù)采集的調(diào)速裝置，模擬管道機器人不同運行速度時候，里程輪和計數(shù)齒輪的轉(zhuǎn)速。試驗?zāi)康挠腥龡l：

第一：以模擬管道機器人在管道內(nèi)不同的運行速度。此時，里程輪和計數(shù)齒輪將有不同的轉(zhuǎn)速。為了模擬這種大區(qū)間的速度變化（例如，速度變化范圍為0.2～12m/s），在高速下大量脈沖的發(fā)出（當(dāng)V=12 m/s時，脈沖數(shù)為277個每秒），電路是否有誤判或丟失脈沖的情況。

第二：任何傳感器都有誤差存在，檢驗里程輪中轉(zhuǎn)速傳感器（耐壓型）在高壓環(huán)境下，其變化特征。另外，需要進行誤差檢測和標(biāo)定數(shù)據(jù)的獲取。以期望在里程輪的數(shù)據(jù)解釋算法內(nèi)，進行有效的校正和誤差剔除。所以，模擬裝置的設(shè)計及數(shù)據(jù)的獲取將十分重要。

第三，檢測傳感器安裝距離對脈沖數(shù)量、幅值的影響等，可以通過本試驗得到適合的安裝距離（相對計數(shù)齒輪的表面）。還有，導(dǎo)磁材料對該轉(zhuǎn)速傳感器的影響等。

2里程輪試驗裝置設(shè)計

根據(jù)設(shè)計的計數(shù)齒輪的結(jié)構(gòu)和外購電機的參數(shù)，設(shè)計如下圖所示的試驗裝置。

其中，試驗裝置的參數(shù)：

可調(diào)直流電源：0～50V;

直流調(diào)速電機：瑞士MAXON直流電機，24V;

轉(zhuǎn)速傳感器：霍爾式齒輪轉(zhuǎn)速傳感器，上海富興測控科技公司

最大測量距離S=4mm;

計數(shù)齒輪材料：45號鋼;

傳感器支架的材料：45號鋼和鋁板（做對比試驗）;

通電并試驗后，將電控部分存儲芯片內(nèi)，試驗中采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到計算機內(nèi)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，得到里程輪的傳感器檢測出模擬速度的曲線，如圖所示：

3誤差分析

里程輪在管道內(nèi)表面轉(zhuǎn)動當(dāng)遇到障礙時會導(dǎo)致里程輪產(chǎn)生一個跳動從而使里程輪與管道內(nèi)表面失去接觸。里程輪在管道內(nèi)表面移動，當(dāng)它碰到焊縫時里程輪會跳起與內(nèi)壁不再接觸。在這一時刻，里程輪在慣性力的作用下將會繼續(xù)轉(zhuǎn)動，但是脈沖的速率將不再符合管道機器人真實的速度、位移情況。然后，在彈簧力的作用下里程輪回到管道內(nèi)表面從而再次撞擊表面并彈起，產(chǎn)生錯誤的脈沖值。這在山區(qū)的管道，較大坡度的管道內(nèi)，氣流的速度加快，且有管道機器人與管道彎頭撞擊、氣蝕等，將使得里程輪檢測瞬時速度的難度更大。

在管道機器人行進過程中，通過輪上的金屬凸起所產(chǎn)生的脈沖可以輸出機器人所處的位置，但是由于里程輪在滾動過程中不可避免的會受到打滑等因素的影響，因此，該方法存在累積誤差，使用多里程輪的定位方法可大大降低該累積誤差。

由于里程輪安裝在機器人定為單元的從動輪上，因此在產(chǎn)生打滑現(xiàn)象后，里程輪的計數(shù)值會小于檢測器行走距離的真實值，而采用多里程輪計數(shù)后，由于在檢測器的行進過程中，每個里程輪的打滑程度均不同，導(dǎo)致其計數(shù)值也不同，因此可選取采樣時間段內(nèi)里程輪最大計數(shù)值進行累加，最后通過加權(quán)平均，得出定位數(shù)據(jù)。

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宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級科研項目資助（項目編號：ZRKY21YB-26）;

宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院科技創(chuàng)新團隊建設(shè)計劃資助（項目編號：ybzy20cxtd01）