专利摘要

一种定位海底管道机器人方法及装置，属于管道检测技术领域。本发明海底管道机器人压力波定位装置包括压力波发射装置和压力波采集与处理装置；定位方法，包括如下步骤：步骤1、判断发射方式并按设定方式发送压力信号；步骤2、采集压力信号；步骤3、将滤波后的压力信号进行精过滤；步骤4、将固定时间的滤波信号分为一组；步骤5、这时间段数据进行实时辨识；步骤6、判断管内机器人的移动状态；步骤7、计算机器人在管内的位置；步骤8、当机器人前进至管道终端时结束，否则不断重复步骤4-7。本发明的优点：实现海底管道机器人的定位功能，完成对数据的分析和处理，实时测定海底管道机器人的具体位置。管线周围的恶劣环境对本方法影响小。

说明书

技术领域：

本发明属于管道检测技术领域，特别涉及一种定位海底管道机器人方法及装置。

背景技术：

管道在石油、化工、天然气等领域的运输业中被广泛应用，发挥着不可替代的作用。伴随着管道运输业的发展，管道机器人逐渐广泛地应用于管道清理、缺陷检测等方面。准确测定管道机器人的位置是机器人完成工作的重要保证。管道机器人的定位技术就是确定管道机器人在管道内位置的技术。实现管道机器人定位的方法很多，目前主要应用的有GPS导航定位、CCD视觉定位及光电码盘定位等。

GPS导航定位是卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，经过计算求出接收机三维位置、三维方向以及运动速度和时间信息。通过GPS定位系统，可以定位出管道机器人位置。但由于海底输油管线埋藏很深、管线很长且周围环境很恶劣，用GPS很难实现导航定位。

电荷藕合器件图像传感器CCD(Charge Coupled Device)，它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机。但由于管道内油污很多，受到油污的影响，基于视觉的CCD定位无法提取有效的视觉特征。

光电码盘是由光学玻璃制成，在上面刻有许多同心码道，每个码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分。工作时，光投射在码盘上，码盘随运动物体一起旋转，透过亮区的光经过狭缝后由光敏元件接受，光敏元件的排列与码道一一对应，当码盘旋转在不同位置时，光敏元件输出信号的组合反映出一定规律的数字量，代表了码盘轴的角位移，根据角位移与码盘的直径可以计算出码盘前进的距离，这样可以测得管道机器人的位置。但管道内油污的存在同样影响光电码盘的应用，使其颠簸和打滑而无法定位。

发明内容：

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种定位海底管道机器人方法及装置。

本发明的方法通过本发明海底管道机器人压力波定位装置实现的：本发明海底管道机器人压力波定位装置包括压力波发射装置和压力波采集与处理装置；

其中压力波发射装置包括有两个工作间、活塞、弹簧、步进电机、齿轮、链条、弹片和单片机与驱动芯片。

压力波发射装置各部件的连接：两个圆柱状的工作间分别位于压力波发射装置的两侧，两个工作间沿轴向中空，用以向管道两侧发出压力波；每个工作间中各设置有一个活塞，活塞外侧(背离装置中心位置的方向)的圆周上均匀安装四根弹簧，弹簧的一端连接在活塞外侧上，弹簧的另一端安装在工作间两端，并且弹簧与活塞的圆形截面相垂直，每个活塞上装有四根弹簧，活塞的初始位置靠近工作间外侧边缘，弹簧处于紧缩状态；步进电机位于两个活塞内侧中心，步进电机轴上安装有小于工作间直径的齿轮，在齿轮任意一条直径两端的位置上各安装有一根链条，链条一端安装在齿轮任意直径与齿轮圆周交点处，链条的另一端分别对应安装在一个活塞的内侧(指向装置中心位置的方向)的圆心位置，弹片安装在步进电机的侧面，控制步进电机停转，步进电机下面安装有单片机与驱动芯片。

其中压力波采集与处理装置包括压力变送器、信号调理板、A/D模块、ARM处理器、FLASH模块和键盘显示设备；

上述压力波发射装置安装在海底管道机器人上；输油管道的始端和终端的管道壁上安装有压力变送器；压力变送器的输出端与信号调理板的输入端连接；信号调理板的输出端连接到A/D模块；A/D模块连接到ARM处理器中；FLASH模块、键盘显示设备的输出端分别连接ARM处理器。

本发明装置的工作原理是：在海底管道机器人上安装压力波发射装置，当机器人在管道中时，压力波发射装置分别向管道的两端按固定频率发出压力信号，在管道的两侧安装压力变送器，用以接收压力波发射装置发出的压力信号，并通过模拟信号转换模块对此压力信号进行放大、滤波处理，而后将信号传递给微处理器，通过小波变换理论和神经网络算法等数据处理方式对信号进行处理，最后通过压力波测距理论计算出管道机器人的定位距离数据并保存。

本发明装置的工作过程如下：装置安装在海底管道机器人上，随机器人在管道中前进，当按既定方式要求发射压力波时，单片机通过驱动芯片控制步进电机，使步进电机上装有两根链条的齿轮按既定频率正转和反转，步进电机正转时齿轮绞紧链条，链条拉动活塞向内侧移动，活塞外侧的弹簧处于拉伸状态；反转时齿轮放松链条，这时活塞外侧的弹簧将活塞拉回到原来位置。随着电机规则地正反转，链条被规则地绞紧和放松，活塞在工作间的空腔内按设定的频率往复运动，这样，装置就向管道的始端和终端不断发出一定频率的压力波，要停止发射压力波时，单片机通过驱动芯片使电机停转。

压力波的发射可设置两种方式：(1)停步发射方式：压力波发射装置采集管道机器人的速度信号，当机器人速度信号不为零时，即机器人在移动时不发射压力波，当速度信号为零时，装置发射一定频率的压力波；(2)实时发射方式：压力波发射装置采集管道机器人的速度信号，装置一直发射压力波，压力波的频率与机器人的速度信号成反比，即机器人移动速度越慢，压力波频率越高。

在实际应用中，上述压力波发射装置长度不宜过长，但要满足下面的条件：当压力波发射装置随机器人在管道中向前移动时，不能在管道中横向转动以至压力波不能沿正向向管道两侧发出。一般来讲，安装压力波发生装置前要对其进行预处理，使其外形尽量符合流体的标准，这样就可以保证其不为机器人的移动增加阻力。在使用前要对其进行检测，检查工作间的空腔是否封闭，活塞是否移动正常，以及是否发生变形等其他问题。

采用压力波定位装置进行定位的方法，步骤如下：

步骤1、压力波发射装置获取到机器人移动速度信号，判断发射方式是停步发射还是实时发射，然后压力波发射装置按设定方式以固定频率分别向管道始端和终端发送压力信号；

步骤2、利用压力变送器在现场采集压力信号，压力信号为1～5V电压信号；

步骤3、利用阻容滤波除去干扰和采样噪声，将滤波后的压力信号利用非抽样小波滤波进行精过滤，进一步还原被检测信号；

步骤4、将固定时间的滤波信号分为一组，此为一组压力时间序列，是不依赖于环境的常量；

步骤5、运用BP神经网络对这时间段数据进行实时辨识；

BP神经网络的在线学习的设计分为如下几个步骤完成：

1).确定嵌入延迟τ和最佳嵌入维d，利用历史时间序列V重构相空间：

X_t＝(x_t，x_t+τ，x_t+2τ，…，x_t+(d-1)τ)

式中t＝1，2，…M_d，M_d＝N-(d-1)τ，x_t代表历史被测压力信号，x_t+x代表其他某个时刻的被测信号，M_d代表最佳嵌入维，N代表历史数据的个数，M_d个d维矢量在d维相空间描述出的轨迹把混沌吸引子完全展开，在拓扑等价的意义下恢复原来系统的动力学行为；

2).把历史压力时间序列作为训练样本，对BP神经网络进行训练，使BP神经网络具有在线短期预测的能力；

3).实时数据x_t联合历史数据组成输入向量，作为当前神经网络的输入，得到预测的下一步输出

4).对包括实时数据x_t在内共k个向量X_t，X_t-1，…X_t-k+1进行实时训练BP网络，得到的权值用来实时更新下一步预测的BP网络的权值；

5).x_t和其预测值 的预测误差值err作为故障判断的依据，如果err＞RT，则说明当前数据有超出规定数据，否则继续判断，RT为预先设定或者通过自动识别得到的阈值；

其中，第1)、2)步利用历史压力时间序列离线完成，为了保证信号辨识的实时性，3)、4)、5)步应同时进行；

步骤6、依照BP神经网络辨识结果、压力波发射装置发出的压力波的采集频率，来判断管内机器人的移动状态；

步骤7、应用压力波测距理论计算机器人在管内的位置，并采用先进先出的方式实时更新时间段数据组；

步骤8、当机器人前进至管道终端时结束，否则不断重复步骤4-步骤7。

本发明的优点：可以实现海底管道机器人的定位功能。通过独立地采集数据并完成对数据的分析和处理，实时测定海底管道机器人的具体位置。管线周围的恶劣环境对本方法影响较小。

附图说明：

图1为本发明压力波发射装置纵向截面图；

图2为本发明压力波发射装置横向截面图；

图3为本发明压力波发射装置侧视图；

图4为本发明压力波发射装置中的单片机控制步进电机原理图；

图5为本发明海底管道机器人压力波采集与处理装置的连接图；

图6为本发明压力波采集与处理装置中的信号调理板电原理图；

图7为本发明压力波采集与处理装置中的FLASH模块和ARM处理器的电原理图；

图8为本发明海底管道机器人压力波定位方法的流程图；

图中：1步进电机，2弹簧，3活塞，4链条，5工作间侧壁，6工作间外壁，7弹片，8单片机与驱动芯片，9齿轮，10工作间。

具体实施方式：

本发明一种定位海底管道机器人方法和装置结合实例加以说明。

本发明定位海底管道机器人的压力波定位装置包括压力波发射装置和压力波采集与处理装置；

其中压力波发射装置包括有两个工作间10、活塞3、弹簧2、步进电机1、齿轮9、链条4、弹片7和单片机与驱动芯片8。

压力波发射装置各部件的连接：如图1、图2和图3所示，两个圆柱状的工作间10分别位于压力波发射装置的两侧，所述工作间10沿轴向中空，用以向管道两侧发出压力波；每个工作间10中各设置有一个活塞3，活塞3的外侧(背离装置中心位置的方向)的圆周上每隔90度角安装有一根弹簧2，弹簧2的另一侧安装在工作间外壁6上，并使弹簧7与活塞3的圆形截面保持垂直。每个活塞3上装有四根弹簧2，活塞3的初始位置靠近工作间10外侧边缘，弹簧2处于紧缩状态；压力波发射装置的中心位置是一个步进电机1，步进电机1轴上安装有小于工作间10直径的齿轮9，在齿轮9任意一条直径两端的位置上各安装有一根链条4，每个链条4的另一端分别对应安装在一个活塞3的内侧(指向装置中心位置的方向)的圆心位置，压力波发射装置中安装有应用于控制步进电机1停转的弹片7、控制步进电机1的单片机以及驱动芯片8，单片机以及驱动芯片8如图4所示。

其中压力波采集与处理装置如图5所示，包括压力变送器、信号调理板、A/D模块、ARM处理器、FLASH模块和键盘显示设备；其中压力波发射装置中的单片机选择AT89S52，驱动芯片选择TA8435；压力波采集与处理装置中的ARM处理器选择S3C2440型号。

所述压力波发射装置安装在海底管道机器人上；输油管道的始端和终端的管道壁上安装有压力变送器；压力变送器的输出端连接信号调理板的输入端DIN0～DIN7；利用压力变送器在现场采集压力波发射装置发出的压力信号；信号调理板的输出端AIN0～AIN7分别连接到ARM处理器自带的A/D模块的输入端AIN0～AIN7；经过信号调理板进行滤波处理后，并将滤波后的信号调整为能够被A/D模块接受的范围；由A/D模块转换为数字信号，将该数字信号发送到ARM处理器，利用ARM处理器对数据进行处理，判断所测管道内机器人状态，确定机器人位置一个FLASH模块的8、18、17、16、9、7和29～44接口分别连接ARM处理器的E1、F3、D1、F5、F4、G6和D12～A14接口，另一个FLASH模块的26、11、28、9、16、17、48、1～8、18～25和29～45接口分别连接ARM处理器的C5、E6、F6、D10～E7和D12～B17接口，键盘显示设备的输出端分别连接ARM处理器，通过串口将图文信息在装置外设的键盘显示设备上直接显示，信号调理板如图6所示，APRM处理器与两个FLASH模块的连接如图7所示。

本发明装置的工作过程是：将压力波发射装置安装在海底管道机器人上，随机器人在管道中前进。当按既定方式要求发射压力波时，装置中的单片机通过驱动芯片控制步进电机1，使电机上装有两根链条4的齿轮9按既定频率正转和反转，步进电机1正转时齿轮9绞紧链条4，链条4拉动活塞3向内侧移动，活塞3外侧的弹簧4处于拉伸状态；反转时齿轮9放松链条4，这时活塞3外侧的弹簧4将活塞3拉回到原来位置，随着步进电机1规则地正反转，链条4被规则地绞紧和放松，活塞3在工作间的空腔内按设定的频率往复运动，这样，装置就向管道的始端和终端不断发出一定频率的压力波，要停止发射压力波时，单片机停止发出驱动脉冲，由单片机控制的弹片7弹出，使步进电机1停转，装置中的单片机及驱动芯片8控制步进电机原理图如图4所示。

本发明具体实现过程是：在海底管道机器人上安装压力波发射装置，当机器人在管道中时，压力波发射装置分别向管道的两端按一定频率发出压力信号，在管道的两侧安装压力变送器，用以接收压力波发射装置发出的压力信号，并通过模拟信号转换模块对此压力信号进行放大、滤波处理，而后将信号传递给微处理器，通过小波变换理论和神经网络算法等数据处理方式对信号进行处理，最后通过压力波测距理论计算出管道机器人的定位距离数据并保存。

与其它海底管道机器人定位方法相比，本发明利用压力信号进行定位，这样可以大大减少管道长度及深度对机器人定位所造成的困难。本发明受油污的影响也较小。

本发明一种定位海底管道机器人方法，具体步骤如下：如图8所示，

步骤1、压力波发射装置获取到机器人移动速度信号，判断发射方式是停步发射还是实时发射，然后压力波发射装置按设定方式以每10秒一次频率分别向管道始端和终端发送压力信号。

步骤2、利用压力变送器在现场采集压力信号，压力信号为1～5V电压信号；

步骤3、利用阻容滤波除去干扰和采样噪声，将滤波后的压力信号利用非抽样小波滤波进行精过滤，进一步还原被检测信号；

步骤4、把每10分钟的滤波信号分为一组，此为一组压力时间序列，是不依赖于环境的常量；

步骤5、运用已经得到的管道压力时间序列，进行在线学习，采用BP神经网络对当前时间段数据进行实时辨识；

步骤6、依照BP神经网络辨识结果、压力波发射装置发出的压力波的采集频率，来判断管内机器人的移动状态；

步骤7、应用压力波测距理论计算机器人在管内的位置，并采用先进先出的方式实时更新时间段数据组；

步骤8、当机器人前进至管道终端时结束，否则不断重复步骤4-步骤7。

其中，步骤5按如下步骤：

1).确定嵌入延迟τ和最佳嵌入维d，利用历史时间序列重构相空间：

X_t＝(x_t，x_t+τ，x_t+2τ，…，x_t+(d-1)τ)

式中t＝1，2，…M_d，M_d＝N-(d-1)τ，x_t代表历史被测压力信号，x_t+x代表其他某个时刻的被测信号，M_d代表最佳嵌入维，N代表历史数据的个数，M_d个d维矢量在d维相空间描述出的轨迹把混沌吸引子完全展开，在拓扑等价的意义下恢复原来系统的动力学行为；

2).把历史压力时间序列作为训练样本，对BP神经网络进行训练，使BP神经网络具有在线短期预测的能力；

3).实时数据x_t联合历史数据组成输入向量，作为当前神经网络的输入，得到预测的下一步输出

4).对包括实时数据x_t在内共k个向量X_t，X_t-1，…X_t-k+1进行实时训练BP网络，得到的权值用来实时更新下一步预测的BP网络的权值；

5).x_t和其预测值 的预测误差值err作为故障判断的依据，如果err＞RT，则说明当前数据有超出规定数据，否则继续判断，RT为预先设定或者通过自动识别得到的阈值；

其中，第1)、2)步利用历史压力时间序列离线完成，为了保证信号辨识的实时性，3)、4)、5)步应同时进行。

一种定位海底管道机器人方法及装置专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。