專利名稱：一種定位海底管道機(jī)器人方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于管道檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種定位海底管道機(jī)器人方法及裝置。
背景技術(shù)：
管道在石油、化工、天然氣等領(lǐng)域的運(yùn)輸業(yè)中被廣泛應(yīng)用，發(fā)揮著不可替代的作 用。伴隨著管道運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，管道機(jī)器人逐漸廣泛地應(yīng)用于管道清理、缺陷檢測等方面。 準(zhǔn)確測定管道機(jī)器人的位置是機(jī)器人完成工作的重要保證。管道機(jī)器人的定位技術(shù)就是確 定管道機(jī)器人在管道內(nèi)位置的技術(shù)。實(shí)現(xiàn)管道機(jī)器人定位的方法很多，目前主要應(yīng)用的有 GPS導(dǎo)航定位、CCD視覺定位及光電碼盤定位等。GPS導(dǎo)航定位是衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時(shí)間信息，用戶接收到這些 信息后，經(jīng)過計(jì)算求出接收機(jī)三維位置、三維方向以及運(yùn)動(dòng)速度和時(shí)間信息。通過GPS定位 系統(tǒng)，可以定位出管道機(jī)器人位置。但由于海底輸油管線埋藏很深、管線很長且周圍環(huán)境很 惡劣，用GPS很難實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位。電荷藕合器件圖像傳感器CCD (Charge Coupled Device)，它使用一種高感光度的 半導(dǎo)體材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，數(shù)字信號經(jīng) 過壓縮以后由相機(jī)內(nèi)部的閃速存儲(chǔ)器或內(nèi)置硬盤卡保存，因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸 給計(jì)算機(jī)。但由于管道內(nèi)油污很多，受到油污的影響，基于視覺的CCD定位無法提取有效的 視覺特征。光電碼盤是由光學(xué)玻璃制成，在上面刻有許多同心碼道，每個(gè)碼道上都有按一定 規(guī)律排列的透光和不透光部分。工作時(shí)，光投射在碼盤上，碼盤隨運(yùn)動(dòng)物體一起旋轉(zhuǎn)，透過 亮區(qū)的光經(jīng)過狹縫后由光敏元件接受，光敏元件的排列與碼道一一對應(yīng)，當(dāng)碼盤旋轉(zhuǎn)在不 同位置時(shí)，光敏元件輸出信號的組合反映出一定規(guī)律的數(shù)字量，代表了碼盤軸的角位移，根 據(jù)角位移與碼盤的直徑可以計(jì)算出碼盤前進(jìn)的距離，這樣可以測得管道機(jī)器人的位置。但 管道內(nèi)油污的存在同樣影響光電碼盤的應(yīng)用，使其顛簸和打滑而無法定位。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供一種定位海底管道機(jī)器人方法及裝置。本發(fā)明的方法通過本發(fā)明海底管道機(jī)器人壓力波定位裝置實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明海底管 道機(jī)器人壓力波定位裝置包括壓力波發(fā)射裝置和壓力波采集與處理裝置；其中壓力波發(fā)射裝置包括有兩個(gè)工作間、活塞、彈簧、步進(jìn)電機(jī)、齒輪、鏈條、彈片 和單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)芯片。壓力波發(fā)射裝置各部件的連接兩個(gè)圓柱狀的工作間分別位于壓力波發(fā)射裝置的 兩側(cè)，兩個(gè)工作間沿軸向中空，用以向管道兩側(cè)發(fā)出壓力波；每個(gè)工作間中各設(shè)置有一個(gè)活 塞，活塞外側(cè)(背離裝置中心位置的方向)的圓周上均勻安裝四根彈簧，彈簧的一端連接在 活塞外側(cè)上，彈簧的另一端安裝在工作間兩端，并且彈簧與活塞的圓形截面相垂直，每個(gè)活 塞上裝有四根彈簧，活塞的初始位置靠近工作間外側(cè)邊緣，彈簧處于緊縮狀態(tài)；步進(jìn)電機(jī)位于兩個(gè)活塞內(nèi)側(cè)中心，步進(jìn)電機(jī)軸上安裝有小于工作間直徑的齒輪，在齒輪任意一條直徑 兩端的位置上各安裝有一根鏈條，鏈條一端安裝在齒輪任意直徑與齒輪圓周交點(diǎn)處，鏈條 的另一端分別對應(yīng)安裝在一個(gè)活塞的內(nèi)側(cè)(指向裝置中心位置的方向)的圓心位置，彈片 安裝在步進(jìn)電機(jī)的側(cè)面，控制步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)下面安裝有單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)芯片。其中壓力波采集與處理裝置包括壓力變送器、信號調(diào)理板、A/D模塊、ARM處理器、 FLASH模塊和鍵盤顯示設(shè)備；上述壓力波發(fā)射裝置安裝在海底管道機(jī)器人上；輸油管道的始端和終端的管道壁 上安裝有壓力變送器；壓力變送器的輸出端與信號調(diào)理板的輸入端連接；信號調(diào)理板的輸 出端連接到A/D模塊；A/D模塊連接到ARM處理器中；FLASH模塊、鍵盤顯示設(shè)備的輸出端分 別連接ARM處理器。本發(fā)明裝置的工作原理是在海底管道機(jī)器人上安裝壓力波發(fā)射裝置，當(dāng)機(jī)器人 在管道中時(shí)，壓力波發(fā)射裝置分別向管道的兩端按固定頻率發(fā)出壓力信號，在管道的兩側(cè) 安裝壓力變送器，用以接收壓力波發(fā)射裝置發(fā)出的壓力信號，并通過模擬信號轉(zhuǎn)換模塊對 此壓力信號進(jìn)行放大、濾波處理，而后將信號傳遞給微處理器，通過小波變換理論和神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)算法等數(shù)據(jù)處理方式對信號進(jìn)行處理，最后通過壓力波測距理論計(jì)算出管道機(jī)器人的定 位距離數(shù)據(jù)并保存。本發(fā)明裝置的工作過程如下裝置安裝在海底管道機(jī)器人上，隨機(jī)器人在管道中 前進(jìn)，當(dāng)按既定方式要求發(fā)射壓力波時(shí)，單片機(jī)通過驅(qū)動(dòng)芯片控制步進(jìn)電機(jī)，使步進(jìn)電機(jī)上 裝有兩根鏈條的齒輪按既定頻率正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)齒輪絞緊鏈條，鏈條拉動(dòng)活 塞向內(nèi)側(cè)移動(dòng)，活塞外側(cè)的彈簧處于拉伸狀態(tài)；反轉(zhuǎn)時(shí)齒輪放松鏈條，這時(shí)活塞外側(cè)的彈簧 將活塞拉回到原來位置。隨著電機(jī)規(guī)則地正反轉(zhuǎn)，鏈條被規(guī)則地絞緊和放松，活塞在工作間 的空腔內(nèi)按設(shè)定的頻率往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這樣，裝置就向管道的始端和終端不斷發(fā)出一定頻率的 壓力波，要停止發(fā)射壓力波時(shí)，單片機(jī)通過驅(qū)動(dòng)芯片使電機(jī)停轉(zhuǎn)。壓力波的發(fā)射可設(shè)置兩種方式(1)停步發(fā)射方式壓力波發(fā)射裝置采集管道機(jī) 器人的速度信號，當(dāng)機(jī)器人速度信號不為零時(shí)，即機(jī)器人在移動(dòng)時(shí)不發(fā)射壓力波，當(dāng)速度信 號為零時(shí)，裝置發(fā)射一定頻率的壓力波；(2)實(shí)時(shí)發(fā)射方式壓力波發(fā)射裝置采集管道機(jī)器 人的速度信號，裝置一直發(fā)射壓力波，壓力波的頻率與機(jī)器人的速度信號成反比，即機(jī)器人 移動(dòng)速度越慢，壓力波頻率越高。在實(shí)際應(yīng)用中，上述壓力波發(fā)射裝置長度不宜過長，但要滿足下面的條件當(dāng)壓力 波發(fā)射裝置隨機(jī)器人在管道中向前移動(dòng)時(shí)，不能在管道中橫向轉(zhuǎn)動(dòng)以至壓力波不能沿正向 向管道兩側(cè)發(fā)出。一般來講，安裝壓力波發(fā)生裝置前要對其進(jìn)行預(yù)處理，使其外形盡量符合 流體的標(biāo)準(zhǔn)，這樣就可以保證其不為機(jī)器人的移動(dòng)增加阻力。在使用前要對其進(jìn)行檢測，檢 查工作間的空腔是否封閉，活塞是否移動(dòng)正常，以及是否發(fā)生變形等其他問題。采用壓力波定位裝置進(jìn)行定位的方法，步驟如下步驟1、壓力波發(fā)射裝置獲取到機(jī)器人移動(dòng)速度信號，判斷發(fā)射方式是停步發(fā)射還 是實(shí)時(shí)發(fā)射，然后壓力波發(fā)射裝置按設(shè)定方式以固定頻率分別向管道始端和終端發(fā)送壓力 信號；步驟2、利用壓力變送器在現(xiàn)場采集壓力信號，壓力信號為1 5V電壓信號；步驟3、利用阻容濾波除去干擾和采樣噪聲，將濾波后的壓力信號利用非抽樣小波濾波進(jìn)行精過濾，進(jìn)一步還原被檢測信號；步驟4、將固定時(shí)間的濾波信號分為一組，此為一組壓力時(shí)間序列，是不依賴于環(huán) 境的常量；步驟5、運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對這時(shí)間段數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)辨識；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的在線學(xué)習(xí)的設(shè)計(jì)分為如下幾個(gè)步驟完成1).確定嵌入延遲τ和最佳嵌入維d，利用歷史時(shí)間序列V重構(gòu)相空間Xt = (xt，χ +τ，χ +2τ，'··, Xt^d-D τ)式中t = 1，2，-Md, Md = N-(d-l) τ，xt代表歷史被測壓力信號，xt+x代表其他 某個(gè)時(shí)刻的被測信號，Md代表最佳嵌入維，N代表歷史數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，Md個(gè)d維矢量在d維相 空間描述出的軌跡把混沌吸引子完全展開，在拓?fù)涞葍r(jià)的意義下恢復(fù)原來系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行 為；2).把歷史壓力時(shí)間序列作為訓(xùn)練樣本，對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，使BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 具有在線短期預(yù)測的能力；3).實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)Xt聯(lián)合歷史數(shù)據(jù)組成輸入向量，作為當(dāng)前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，得到預(yù)測 的下一步輸出；4).對包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)Xt在內(nèi)共k個(gè)向量Xt，Xt+ -XtL1進(jìn)行實(shí)時(shí)訓(xùn)練BP網(wǎng)絡(luò)， 得到的權(quán)值用來實(shí)時(shí)更新下一步預(yù)測的BP網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值；5). Xt和其預(yù)測值L的預(yù)測誤差值err作為故障判斷的依據(jù)，如果err > RT,則 說明當(dāng)前數(shù)據(jù)有超出規(guī)定數(shù)據(jù)，否則繼續(xù)判斷，RT為預(yù)先設(shè)定或者通過自動(dòng)識別得到的閾 值；其中，第1)、2)步利用歷史壓力時(shí)間序列離線完成，為了保證信號辨識的實(shí)時(shí)性， 3)、4)、5)步應(yīng)同時(shí)進(jìn)行；步驟6、依照BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識結(jié)果、壓力波發(fā)射裝置發(fā)出的壓力波的采集頻率，來 判斷管內(nèi)機(jī)器人的移動(dòng)狀態(tài)；步驟7、應(yīng)用壓力波測距理論計(jì)算機(jī)器人在管內(nèi)的位置，并采用先進(jìn)先出的方式實(shí) 時(shí)更新時(shí)間段數(shù)據(jù)組；步驟8、當(dāng)機(jī)器人前進(jìn)至管道終端時(shí)結(jié)束，否則不斷重復(fù)步驟4-步驟7。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)海底管道機(jī)器人的定位功能。通過獨(dú)立地采集數(shù)據(jù)并完 成對數(shù)據(jù)的分析和處理，實(shí)時(shí)測定海底管道機(jī)器人的具體位置。管線周圍的惡劣環(huán)境對本 方法影響較小。


圖1為本發(fā)明壓力波發(fā)射裝置縱向截面圖；圖2為本發(fā)明壓力波發(fā)射裝置橫向截面圖；圖3為本發(fā)明壓力波發(fā)射裝置側(cè)視圖；圖4為本發(fā)明壓力波發(fā)射裝置中的單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)原理圖；圖5為本發(fā)明海底管道機(jī)器人壓力波采集與處理裝置的連接圖；圖6為本發(fā)明壓力波采集與處理裝置中的信號調(diào)理板電原理圖；圖7為本發(fā)明壓力波采集與處理裝置中的FLASH模塊和ARM處理器的電原理圖8為本發(fā)明海底管道機(jī)器人壓力波定位方法的流程圖；圖中1步進(jìn)電機(jī)，2彈簧，3活塞，4鏈條，5工作間側(cè)壁，6工作間外壁，7彈片，8單 片機(jī)與驅(qū)動(dòng)芯片，9齒輪，10工作間。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明一種定位海底管道機(jī)器人方法和裝置結(jié)合實(shí)例加以說明。本發(fā)明定位海底管道機(jī)器人的壓力波定位裝置包括壓力波發(fā)射裝置和壓力波采 集與處理裝置；其中壓力波發(fā)射裝置包括有兩個(gè)工作間10、活塞3、彈簧2、步進(jìn)電機(jī)1、齒輪9、鏈 條4、彈片7和單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)芯片8。壓力波發(fā)射裝置各部件的連接如圖1、圖2和圖3所示，兩個(gè)圓柱狀的工作間10 分別位于壓力波發(fā)射裝置的兩側(cè)，所述工作間10沿軸向中空，用以向管道兩側(cè)發(fā)出壓力 波；每個(gè)工作間10中各設(shè)置有一個(gè)活塞3，活塞3的外側(cè)(背離裝置中心位置的方向)的 圓周上每隔90度角安裝有一根彈簧2，彈簧2的另一側(cè)安裝在工作間外壁6上，并使彈簧7 與活塞3的圓形截面保持垂直。每個(gè)活塞3上裝有四根彈簧2，活塞3的初始位置靠近工作 間10外側(cè)邊緣，彈簧2處于緊縮狀態(tài)；壓力波發(fā)射裝置的中心位置是一個(gè)步進(jìn)電機(jī)1，步進(jìn) 電機(jī)1軸上安裝有小于工作間10直徑的齒輪9，在齒輪9任意一條直徑兩端的位置上各安 裝有一根鏈條4，每個(gè)鏈條4的另一端分別對應(yīng)安裝在一個(gè)活塞3的內(nèi)側(cè)(指向裝置中心位 置的方向)的圓心位置，壓力波發(fā)射裝置中安裝有應(yīng)用于控制步進(jìn)電機(jī)1停轉(zhuǎn)的彈片7、控 制步進(jìn)電機(jī)1的單片機(jī)以及驅(qū)動(dòng)芯片8，單片機(jī)以及驅(qū)動(dòng)芯片8如圖4所示。其中壓力波采集與處理裝置如圖5所示，包括壓力變送器、信號調(diào)理板、A/D模塊、 ARM處理器、FLASH模塊和鍵盤顯示設(shè)備；其中壓力波發(fā)射裝置中的單片機(jī)選擇AT89S52，驅(qū) 動(dòng)芯片選擇TA8435 ；壓力波采集與處理裝置中的ARM處理器選擇S3C2440型號。所述壓力波發(fā)射裝置安裝在海底管道機(jī)器人上；輸油管道的始端和終端的管道壁 上安裝有壓力變送器；壓力變送器的輸出端連接信號調(diào)理板的輸入端DINO DIN7 ；利用壓 力變送器在現(xiàn)場采集壓力波發(fā)射裝置發(fā)出的壓力信號；信號調(diào)理板的輸出端AINO AIN7 分別連接到ARM處理器自帶的A/D模塊的輸入端AINO AIN7 ；經(jīng)過信號調(diào)理板進(jìn)行濾波處 理后，并將濾波后的信號調(diào)整為能夠被A/D模塊接受的范圍；由A/D模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號， 將該數(shù)字信號發(fā)送到ARM處理器，利用ARM處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷所測管道內(nèi)機(jī)器人 狀態(tài)，確定機(jī)器人位置一個(gè)FLASH模塊的8、18、17、16、9、7和29 44接口分別連接ARM處 理器的 E1、F3、D1、F5、F4、G6 和 D12 A14 接口，另一個(gè) FLASH 模塊的 26、11、28、9、16、17、 48、1 8、18 25和29 45接口分別連接ARM處理器的C5、E6、F6、DlO E7和D12 B17接口，鍵盤顯示設(shè)備的輸出端分別連接ARM處理器，通過串口將圖文信息在裝置外設(shè)的 鍵盤顯示設(shè)備上直接顯示，信號調(diào)理板如圖6所示，APRM處理器與兩個(gè)FLASH模塊的連接 如圖7所示。本發(fā)明裝置的工作過程是將壓力波發(fā)射裝置安裝在海底管道機(jī)器人上，隨機(jī)器 人在管道中前進(jìn)。當(dāng)按既定方式要求發(fā)射壓力波時(shí)，裝置中的單片機(jī)通過驅(qū)動(dòng)芯片控制步 進(jìn)電機(jī)1，使電機(jī)上裝有兩根鏈條4的齒輪9按既定頻率正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)1正轉(zhuǎn)時(shí)齒 輪9絞緊鏈條4，鏈條4拉動(dòng)活塞3向內(nèi)側(cè)移動(dòng)，活塞3外側(cè)的彈簧4處于拉伸狀態(tài)；反轉(zhuǎn)時(shí)齒輪9放松鏈條4，這時(shí)活塞3外側(cè)的彈簧4將活塞3拉回到原來位置，隨著步進(jìn)電機(jī)1 規(guī)則地正反轉(zhuǎn)，鏈條4被規(guī)則地絞緊和放松，活塞3在工作間的空腔內(nèi)按設(shè)定的頻率往復(fù)運(yùn) 動(dòng)，這樣，裝置就向管道的始端和終端不斷發(fā)出一定頻率的壓力波，要停止發(fā)射壓力波時(shí)， 單片機(jī)停止發(fā)出驅(qū)動(dòng)脈沖，由單片機(jī)控制的彈片7彈出，使步進(jìn)電機(jī)1停轉(zhuǎn)，裝置中的單片 機(jī)及驅(qū)動(dòng)芯片8控制步進(jìn)電機(jī)原理圖如圖4所示。本發(fā)明具體實(shí)現(xiàn)過程是在海底管道機(jī)器人上安裝壓力波發(fā)射裝置，當(dāng)機(jī)器人在 管道中時(shí)，壓力波發(fā)射裝置分別向管道的兩端按一定頻率發(fā)出壓力信號，在管道的兩側(cè)安 裝壓力變送器，用以接收壓力波發(fā)射裝置發(fā)出的壓力信號，并通過模擬信號轉(zhuǎn)換模塊對此 壓力信號進(jìn)行放大、濾波處理，而后將信號傳遞給微處理器，通過小波變換理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 算法等數(shù)據(jù)處理方式對信號進(jìn)行處理，最后通過壓力波測距理論計(jì)算出管道機(jī)器人的定位 距離數(shù)據(jù)并保存。與其它海底管道機(jī)器人定位方法相比，本發(fā)明利用壓力信號進(jìn)行定位，這樣可以 大大減少管道長度及深度對機(jī)器人定位所造成的困難。本發(fā)明受油污的影響也較小。本發(fā)明一種定位海底管道機(jī)器人方法，具體步驟如下如圖8所示，步驟1、壓力波發(fā)射裝置獲取到機(jī)器人移動(dòng)速度信號，判斷發(fā)射方式是停步發(fā)射還 是實(shí)時(shí)發(fā)射，然后壓力波發(fā)射裝置按設(shè)定方式以每10秒一次頻率分別向管道始端和終端 發(fā)送壓力信號。步驟2、利用壓力變送器在現(xiàn)場采集壓力信號，壓力信號為1 5V電壓信號；步驟3、利用阻容濾波除去干擾和采樣噪聲，將濾波后的壓力信號利用非抽樣小波 濾波進(jìn)行精過濾，進(jìn)一步還原被檢測信號；步驟4、把每10分鐘的濾波信號分為一組，此為一組壓力時(shí)間序列，是不依賴于環(huán)
境的常量；步驟5、運(yùn)用已經(jīng)得到的管道壓力時(shí)間序列，進(jìn)行在線學(xué)習(xí)，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對當(dāng) 前時(shí)間段數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)辨識；步驟6、依照BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識結(jié)果、壓力波發(fā)射裝置發(fā)出的壓力波的采集頻率，來 判斷管內(nèi)機(jī)器人的移動(dòng)狀態(tài)；步驟7、應(yīng)用壓力波測距理論計(jì)算機(jī)器人在管內(nèi)的位置，并采用先進(jìn)先出的方式實(shí) 時(shí)更新時(shí)間段數(shù)據(jù)組；步驟8、當(dāng)機(jī)器人前進(jìn)至管道終端時(shí)結(jié)束，否則不斷重復(fù)步驟4-步驟7。其中，步驟5按如下步驟1).確定嵌入延遲τ和最佳嵌入維d，利用歷史時(shí)間序列重構(gòu)相空間Xt = (xt，χ +τ，χ +2τ，'··, Xt^d-D τ)式中t = 1，2，-Md, Md = N-(d-l) τ，xt代表歷史被測壓力信號，xt+x代表其他 某個(gè)時(shí)刻的被測信號，Md代表最佳嵌入維，N代表歷史數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，Md個(gè)d維矢量在d維相 空間描述出的軌跡把混沌吸引子完全展開，在拓?fù)涞葍r(jià)的意義下恢復(fù)原來系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行 為；2).把歷史壓力時(shí)間序列作為訓(xùn)練樣本，對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，使BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 具有在線短期預(yù)測的能力；3).實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)Xt聯(lián)合歷史數(shù)據(jù)組成輸入向量，作為當(dāng)前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，得到預(yù)測的下一步輸出；4).對包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)Xt在內(nèi)共k個(gè)向量Xt，Xt+ -XtL1進(jìn)行實(shí)時(shí)訓(xùn)練BP網(wǎng)絡(luò)， 得到的權(quán)值用來實(shí)時(shí)更新下一步預(yù)測的BP網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值；5). Xt和其預(yù)測值孓的預(yù)測誤差值err作為故障判斷的依據(jù)，如果err > RT,則 說明當(dāng)前數(shù)據(jù)有超出規(guī)定數(shù)據(jù)，否則繼續(xù)判斷，RT為預(yù)先設(shè)定或者通過自動(dòng)識別得到的閾 值；其中，第1)、2)步利用歷史壓力時(shí)間序列離線完成，為了保證信號辨識的實(shí)時(shí)性， 3)、4)、5)步應(yīng)同時(shí)進(jìn)行。
權(quán)利要求
一種定位海底管道機(jī)器人方法，其特征在于包括如下步驟，步驟1、壓力波發(fā)射裝置獲取到機(jī)器人移動(dòng)速度信號，判斷發(fā)射方式是停步發(fā)射還是實(shí)時(shí)發(fā)射，然后壓力波發(fā)射裝置按設(shè)定方式以固定頻率分別向管道始端和終端發(fā)送壓力信號；步驟2、利用壓力變送器在現(xiàn)場采集壓力信號，壓力信號為1～5V電壓信號；步驟3、利用阻容濾波除去干擾和采樣噪聲，將濾波后的壓力信號利用非抽樣小波濾波進(jìn)行精過濾，進(jìn)一步還原被檢測信號；步驟4、將固定時(shí)間的濾波信號分為一組，此為一組壓力時(shí)間序列，是不依賴于環(huán)境的常量；步驟5、運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對這時(shí)間段數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)辨識；步驟6、依照BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識結(jié)果、壓力波發(fā)射裝置發(fā)出的壓力波的采集頻率，來判斷管內(nèi)機(jī)器人的移動(dòng)狀態(tài)；步驟7、應(yīng)用壓力波測距理論計(jì)算機(jī)器人在管內(nèi)的位置，并采用先進(jìn)先出的方式實(shí)時(shí)更新時(shí)間段數(shù)據(jù)組；步驟8、當(dāng)機(jī)器人前進(jìn)至管道終端時(shí)結(jié)束，否則不斷重復(fù)步驟4-步驟7。
2.按權(quán)利要求1所述的定位海底管道機(jī)器人方法，其特征在于所述的步驟5，按如下 步驟1).確定嵌入延遲τ和最佳嵌入維d，利用歷史時(shí)間序列重構(gòu)相空間Xt — (Xt， Xt+ τ ，Xt+2 τ ， ...，Xt+(d—1) τ )式中t = 1,2,…Md，Md = N-(d-l) τ，xt代表歷史被測壓力信號，xt+x代表其他某個(gè)時(shí) 刻的被測信號，Md代表最佳嵌入維，N代表歷史數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，Md個(gè)d維矢量在d維相空間描 述出的軌跡把混沌吸引子完全展開，在拓?fù)涞葍r(jià)的意義下恢復(fù)原來系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為；2).把歷史壓力時(shí)間序列作為訓(xùn)練樣本，對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，使BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有 在線短期預(yù)測的能力；3).實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)Xt聯(lián)合歷史數(shù)據(jù)組成輸入向量，作為當(dāng)前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，得到預(yù)測的下 一步輸出；4).對包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)&在內(nèi)共k個(gè)向量Xt，Xw，進(jìn)行實(shí)時(shí)訓(xùn)練BP網(wǎng)絡(luò)，得到 的權(quán)值用來實(shí)時(shí)更新下一步預(yù)測的BP網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值；5).xt和其預(yù)測值的預(yù)測誤差值err作為故障判斷的依據(jù)，如果err > RT，則說明當(dāng) 前數(shù)據(jù)有超出規(guī)定數(shù)據(jù)，否則繼續(xù)判斷，RT為預(yù)先設(shè)定或者通過自動(dòng)識別得到的閾值；其中，第1)、2)步利用歷史壓力時(shí)間序列離線完成，為了保證信號辨識的實(shí)時(shí)性，3)、 4)、5)步應(yīng)同時(shí)進(jìn)行。
3.權(quán)利要求1所述的定位海底管道機(jī)器人方法所采用的壓力波定位裝置，其特征在 于包括壓力波發(fā)射裝置和壓力波采集與處理裝置；其中壓力波發(fā)射裝置包括有兩個(gè)工作間、活塞、彈簧、步進(jìn)電機(jī)、齒輪、鏈條、彈片和單 片機(jī)與驅(qū)動(dòng)芯片；壓力波發(fā)射裝置各部件的連接兩個(gè)工作間分別位于壓力波發(fā)射裝置的兩側(cè)，兩個(gè)工 作間沿軸向中空，每個(gè)工作間中各設(shè)置有一個(gè)活塞，活塞外側(cè)的圓周上均勻安裝四根彈簧，彈簧的一端連接在活塞外側(cè)上，彈簧的另一端安裝在工作間兩端，并且彈簧與活塞的圓形 截面相垂直，每個(gè)活塞上裝有四根彈簧，活塞的初始位置靠近工作間外側(cè)邊緣，彈簧處于緊 縮狀態(tài)；步進(jìn)電機(jī)位于兩個(gè)活塞內(nèi)側(cè)中心，步進(jìn)電機(jī)軸上安裝有小于工作間直徑的齒輪，在 齒輪任意一條直徑兩端的位置上各安裝有一根鏈條，鏈條一端安裝在齒輪任意直徑與齒輪 圓周交點(diǎn)處，鏈條的另一端分別對應(yīng)安裝在一個(gè)活塞內(nèi)側(cè)的圓心位置，彈片安裝在步進(jìn)電 機(jī)的側(cè)面，步進(jìn)電機(jī)下面安裝有單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)芯片；其中壓力波采集與處理裝置包括壓力變送器、信號調(diào)理板、A/D模塊、ARM處理器、 FLASH模塊和鍵盤顯示設(shè)備；壓力波采集與處理裝置各部件的連接壓力變送器的輸出端與信號調(diào)理板的輸入端連 接；信號調(diào)理板的輸出端連接到A/D模塊；A/D模塊連接到ARM處理器中；FLASH模塊、鍵盤 顯示設(shè)備的輸出端分別連接ARM處理器。
4.按照權(quán)利要求3所述的定位海底管道機(jī)器人方法所采用的壓力波定位裝置，其特征 在于所述的工作間為圓柱狀。
全文摘要
一種定位海底管道機(jī)器人方法及裝置，屬于管道檢測技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明海底管道機(jī)器人壓力波定位裝置包括壓力波發(fā)射裝置和壓力波采集與處理裝置；定位方法，包括如下步驟步驟1、判斷發(fā)射方式并按設(shè)定方式發(fā)送壓力信號；步驟2、采集壓力信號；步驟3、將濾波后的壓力信號進(jìn)行精過濾；步驟4、將固定時(shí)間的濾波信號分為一組；步驟5、這時(shí)間段數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)辨識；步驟6、判斷管內(nèi)機(jī)器人的移動(dòng)狀態(tài)；步驟7、計(jì)算機(jī)器人在管內(nèi)的位置；步驟8、當(dāng)機(jī)器人前進(jìn)至管道終端時(shí)結(jié)束，否則不斷重復(fù)步驟4-7。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)海底管道機(jī)器人的定位功能，完成對數(shù)據(jù)的分析和處理，實(shí)時(shí)測定海底管道機(jī)器人的具體位置。管線周圍的惡劣環(huán)境對本方法影響小。
文檔編號F16L101/30GK101886743SQ20101021290
公開日2010年11月17日 申請日期2010年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月30日
發(fā)明者馮健, 劉振偉, 劉金海, 張化光, 李濟(jì)磊, 馬大中, 魏向向 申請人:東北大學(xué)