CN114352845A - 一种用于油气管道内部检测的漂浮球系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于油气管道内部检测的漂浮球系统及方法，漂浮球系统中：漂浮球机器人配备有传感器系统以及能够沿管道行走的动力子系统；漂浮球机器人能够将自身的状态数据和传感器数据包发出，接收并执行控制指令；管道配套设施包括沿管道间隔分布的多个收发器，收发器用于接收漂浮球机器人发送的状态数据和传感器数据包并传送给发射控制台系统，以及接收控制台系统发出的控制指令信息并发射给漂浮球机器人；控制台系统用于接收收发器发射的状态数据以及传感器数据包，并根据状态数据发出控制指令，收发器将控制指令发送给漂浮球机器人。本发明能够使漂浮球机器人行进时不受线缆的约束，而且与控制台系统之间实现实时有效高质量的通讯。

Description

一种用于油气管道内部检测的漂浮球系统及方法

技术领域

本发明属于机械设计与自动化控制领域，具体涉及一种用于油气管道内部检测的漂浮球系统及方法。

背景技术

目前城市管线建设规模与日俱增，城市地下管道网络错综复杂，包括给水、排水、供热、燃气等管线在内，各种管道延伸至城市的各个角落，这一系列管道共同组成了城市的“毛细血管网络”，提高了城市物资分配的效率，维持着城市各部分的正常运转。然而，由于部分管线安装位置位于地下，地下酸性土壤和管线内部的腐蚀性气体和液体都会导致管壁遭到腐蚀等因素的威胁。此外，管道的地上部分由于常年暴露在野外环境下，这使得管线直接面临着阳光暴晒、风沙侵蚀、动物破坏、灾害天候和地震等不利因素，加之管道材料自身的老化、疲劳等因素都容易导致管线出现腐蚀、破损乃至断裂的情况，对城市的正常运转构成了一定程度上的隐患。当管道自身用于运输腐蚀性气体、液体或者有毒、易燃易爆的气体与液体时，管道的损坏就会导致管道周边环境遭到污染，资源遭到浪费，管道周边居民的生命财产安全与重要设施运行安全受到威胁，因此，实现对管道的定期巡检成为当下的迫切需求。

目前对管道巡检主要存在两种巡检方式，一种为管道外部巡检，另一种为管道内部巡检。管道外部巡检这类巡检方式适用于长距离的地上管线巡检，目前管道外部巡检多为人工手持仪器逐段巡检，检测记录由工作人员手动记录并存档。当前有通过无人机等方式对管线进行外部辅助巡检的设计方案，针对于地下管线网络的巡检，该方法主要使用超声波探测仪、地表穿透雷达、光纤传感器以及压力传感器等手段进行检测，上述手段能够可以迅速的估算地下管道大致的泄漏区间。当采用人工巡检时，其优势在于失误率、漏检率低，能够最大程度的保证检测结果的准确性，避免使用机械无人巡检过程中造成误判的情况。然而当管线用途自身存在安全隐患，如高压运输、运输易燃易爆气体液体、运输有毒或者腐蚀性气体液体等情况下，采用人工巡检的巡检方式会将巡检人员直接暴露在安全隐患之下，且由于巡检人员自身更接近于泄露段管道，一旦操作不慎或者在泄露段引发静电等危险因素，会对巡检人员与巡检设备的安全构成严重威胁。当采用无人设备进行巡检时，由无人设备自行采集数据，交由计算机或者人工进行判断是否泄漏，并且所收集的大量数据不经手动记录即可直接存储，实现了“无纸化”作业。采用无人设备进行巡检时，其优势在于其成本低廉，能够大量装备管道巡检一线现场，且无人作业，在保障了操作人员生命安全的同时，节约了人力资源，提高了工作效率，能够用更短的时间巡检更大范围的管道，其劣势在于巡检速度快，容易造成漏检误检情况，检测相较于人工检测错误率相对较高。

针对地下管道的检测任务，目前地下管道巡检与维护主要面临着以下两个问题：其一、地下管道网络管理较为复杂。分层管理与区域划分管理相交杂，导致地下管道网络巡检和维护较为复杂混乱；其二、地下管道网络数据失佚或者数据不准确。该问题成因如下：一、前期施工过程中存在偏差的纸质资料，及城市规划变动所引起的数据不准确或缺失；二、以往用于地下管线测量的仪器(如探地雷达、管线仪等)获取的检测数据不可靠，其易于受到地下复杂电磁环境下的电磁干扰、对象管道的埋设深度和地质因素、管道使用材质等影响，导致管线的基础数据位置数据的不准确。

为了解决管道外部检测未能解决的问题，拥有实时泄漏点定位功能的管内检测无人设备概念被提出，该方法得到了广泛的探索与应用。此类方法的应用满足了获取地下管道内准确泄漏位置的信息的任务需求，且可以将泄漏点进行分类，节省了发掘并开启对象地下管道的人力成本。相较于传统管道检测方法，该方式具有更加高效、低廉、迅速、准确等优势。因此，我们需要一种新的管道巡检机器人技术以综合上述几种方式的优势，弥补上述几种方式的不足，以求在效益最大化和风险最小化的同时满足地上与地下两种管道工作环境的任务需求，即管道内检测机器人技术。

当前管道内检测的机器人存在着如下技术瓶颈：

包含操纵信号和检测数据在内的数据交互问题。

目前的管道内检测机器人多采用有线通信或无线通信两种方式。有线通信即在机器人后端拖曳一根数据线缆用于数据交互，此类信号交互方式可靠性较高，不易受到外界干扰和信号衰减的影响。然而由于数据通信线缆长度有限，机器人无法实现较远距离的检测，此外，当线缆自身遇到障碍物而发生缠绕、打结现象时容易增加机器人前行阻力，增大电力消耗，降低机器人续航能力。同时缩短任务执行距离，当遇到管道内岔口时对操作人员要求较高，操作不慎易引发卡顿。无线通信即通过天线收发检测数据与控制指令信息，这类通信方式规避了由于线缆自身缺陷引起的故障，行动更加灵活，然而此类通信方式日益受到日趋复杂的地下电磁环境的挑战，信号在管道内部不断反射，信号衰减严重，这严重制约了机器人的任务执行距离，甚至出现机器人失联、失控的情况，且由于无线电信号在管道内的多径传播，接收端受此影响容易引发信号时延和信号失真，降低了巡检机器人的实时性，削弱了管道内机器人巡检的优势。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于油气管道内部检测的漂浮球系统及方法，本发明能够使漂浮球机器人行进时不受线缆的约束，而且与控制台系统之间实现实时有效高质量的通讯。

本发明采用的技术方案如下：

一种用于油气管道内部检测的漂浮球系统，包括控制台系统、管道配套设施和漂浮球机器人，其中：

漂浮球机器人：所述漂浮球机器人配备有用于对不同运输介质的管道进行检测的传感器系统，并且配备有能够沿管道行走的动力子系统；所述漂浮球机器人能够将自身的状态数据和传感器数据包发出，接收并执行控制指令；

管道配套设施：包括沿管道间隔分布的多个收发器，收发器之间通讯连接，收发器用于接收漂浮球机器人发送的状态数据和传感器数据包并传送给发射控制台系统，以及接收控制台系统发出的控制指令信息并发射给漂浮球机器人，每个收发器具各自的编号；

控制台系统：用于接收收发器发射的状态数据以及传感器数据包，并根据所述状态数据发出控制指令，所述收发器将控制指令发送给漂浮球机器人。

优选的，漂浮球机器人包含动力子系统、能源供给子系统、水密舱机体、传感器子系统和通信子系统；

所述水密舱机体包括金属网内壳、设置于金属网内壳外层的隔水层外壳和设置于金属网内壳内的微型机载计算机；

所述动力子系统包括履带底盘，履带底盘设置于水密舱机体的底部；履带底盘与微型机载计算机连接；

所述传感器子系统包括若干传感器组，水密舱机体的六轴方向上均设有所述传感器组，每个传感器组包括视觉传感器和超声波传感器；所述视觉传感器和超声波传感器均与微型机载计算机连接；

所述通信子系统包括安装于所述水密舱机体上的发射天线和接收天线，发射天线和接收天线均与微型机载计算机连接，发射天线和接收天线还能够与所述收发器连接；

所述能源供给子系统包括机载可充电蓄电池，机载可充电蓄电池与所述动力子系统、传感器子系统和通信子系统连接，用于提供电能；

所述漂浮球机器人的重心位于其中下部。

优选的，每个视觉传感器均设有照明装置；管道上每隔预设距离设有检修点。

优选的，所述收发器之间通过总线相连，收发器之间的间隔设置要满足无线电信号在管道运输介质中传播衰减条件下，至少有两个收发器能够接收到漂浮球机器人发送数据的要求。

本发明还提供了一种用于油气管道内部检测的方法，该方法采用本发明如上所述的用于油气管道内部检测的漂浮球系统进行包括如下过程；

控制台系统向距离任务区域最近的漂浮球机器人发射操纵指令，唤醒该漂浮球机器人，并向漂浮球机器人发送任务区域位置信息，以及将任务区域附近管道内的收发器开启；

漂浮球机器人接收到操纵指令后启动，随后向收发器发送应答信号，并开启传感器系统；

漂浮球机器人根据接收的任务区域位置信息、已存储的储管道网络图信息规划路径并确定行进方式，之后漂浮球机器人在管道内开始行走；

漂浮球机器人在行走过程中向外发送状态信号，能够接收到该状态信号的收发器将该状态信号发送给控制台系统，控制台系统在接收到该状态信号后判断是否需要更改控制指令，若不更改则修改控制信号中当前收发器编号后发送，漂浮球每次比对收发器编号与任务管段收发器编号是否相同，若相同则表明到达任务管段，不相同则表明未到达任务管段，当漂浮球机器人到达任务管段后，控制台系统向漂浮球机器人发出自巡检控制指令；

漂浮球机器人接收自动巡检控制指令后，在任务管段利用传感器系统对管道进行检测并将检测信号通过收发器发送给控制台系统，控制台系统对检测信号进行分析，判断管道是否有缺陷，则根据检测信号获取管道缺陷的具体位置；当漂浮球机器人在任务管段内行进完成后，管道检测完成。

优选的，漂浮球机器人行走的动力子系统采用履带底盘，漂浮球机器人确定行进方式时，当管道内介质均为液体或液体深度高于设定阈值时，漂浮球机器人关闭履带底盘，采用顺流飘浮的方式行进，当液体深度低于设定阈值或无液体存在时，通过履带底盘行进。

优选的，传感器子系统包括若干传感器组，每个传感器子组包含视觉传感器和超声波传感器，当管道内介质均为液体或液体深度高于设定阈值时，漂浮球机器人顺流飘浮过程中，液面以下以超声波传感器数据进行检测为主、视觉传感器数据为辅，液面以上结合视觉传感器与超声传感器数据进行检测；

当液体深度低于设定阈值或无液体存在时，漂浮球机器人通过履带底盘行进过程中，通过视觉传感器和超声波传感器一起进行检测，当视觉传感器和超声传感器均检测到管道异常且彼此能够二次印证时，漂浮球机器人立即停止前进，并再次确认是否存在管道缺陷，若确定存在缺陷则向收发器发送状态信号，信号中异常标志位置，控制台系统接收到该信号后发送控制指令，令漂浮球机器人发送数据包，并利用控制台系统机进行数据分析，通过读取视觉传感器数据获取管道缺陷相对于漂浮球机器人的相对位置，并根据漂浮球机器人位置确定泄漏点确切位置。

优选的，控制台系统与漂浮球机器人进行信息交互时，每个信号交互周期中，控制台系统利用漂浮球机器人发送数据的时间戳选择最先接收到信号的收发器，向漂浮球机器人发送数据接收反馈信号与控制指令信号，漂浮球机器人在接收到该信号后，漂浮球机器人向收发器天线返回接收成功应答信号，随后执行控制指令，若控制指令中数据包发送位置，则漂浮球机器人将加入了数据包识别码的各个传感器数据包依次向管道内的收发器发送；若管道收发器未接收到漂浮球机器人接收成功应答信号，则收发器重复发送，直到得到应答信号为止；当管道内的收发器发送同一控制指令超过预设次数未能接收应答信号时，则该收发器向控制台发送故障信号。

优选的，当漂浮球机器人到达任务管段后，控制台系统提示选择巡检方式，巡检方式包括人工手动巡检或自动巡检，当采用人工手动巡检方式时，则漂浮球机器人移交全部作动器操作权限和数据包读取权限，并实时发送包括电量在内的自身状态数据和传感器数据，该数据在控制台系统的操作界面显示。

优选的，管道上每隔预设距离设有检修点，当漂浮球机器人自身电量不足时，漂浮球机器人将提前向控制台系统发送信号中故障识别位置，通知控制台系统选择漂浮球机器人时避免选择该漂浮球机器人，并前往附近的检修点等候更换电池。

本发明具有如下有益效果：

本发明用于油气管道内部检测的漂浮球系统中，通过在漂浮球机器人上配备有能够沿管道行走的动力子系统，因此能够为漂浮球机器人在管道内的行走提供更多的方式，以满足运充满液体、充满气体以及既有液体又有气体的管道，使得本发明的适用性更强。管道配套设施中，沿管道间隔分布的多个收发器，漂浮球机器人在行走的过程中能够与其附近的收发器进行无线通讯，而不用与所有的收发器进行无线通讯，既保证了漂浮球机器人与控制台系统之间实时有效的通讯，而且使得解决了无线通信远距离传播的衰减与多径传输造成时延和失真的问题，同时解决了有线通信带来的线缆缠绕、对检测机器人的拖曳阻滞问题，使得该漂浮球机器人可以进行全任务区域通信，最大程度的降低了信号传输时延和失真问题的影响，保证了漂浮球机器人与控制台之间数据流的实时准确传输。

附图说明

图1为本发明的漂浮球机器人的整体结构示意图；

图2为本发明用于油气管道内部检测的漂浮球系统的结构框图；

图3(a)为本发明用于油气管道内部检测的漂浮球系统的工作流程图，图3(b)为本发明用于油气管道内部检测的漂浮球系统的自动巡检时工作流程图。

1、超声传感器，2-视觉传感器，3-水密舱机体，4-履带底盘。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来对本发明做进一步的说明。

如图1和图2所示，本发明用于油气管道内部检测的漂浮球系统包括控制台系统、管道配套设施和漂浮球机器人，其中：

控制台系统用于接收漂浮球机器人发送的状态数据，并发送控制信号，接收漂浮球机器人发送的数据包；控制台系统通过总线与管道收发器相连，具备自主应答与控制指令编写能力，同时支持操作人员实行手动操作；控制指令采用特定格式和包含特定信息的控制指令信号；控制台能够实现与多台漂浮球机器人的通信。控制台系统定向开启管线网络中任务执行区域的通信设备；在漂浮球机器人经过某收发器时，自动向收发器发送自身状态信号；所述控制台系统在无人工介入的情况下，自动生成并发送控制指令；所述管道网络收发器组中各个收发器均具备独立编码并加入到控制指令中。

管道配套设施用于接收和传送漂浮球机器人发送的状态信息和数据包，接收和发射控制台的控制指令信息，并利用收发器作为管段划分点以保证漂浮球机器人的区域定位；具体的，管道配套设施上设有通信系统和检修点；所述通信系统包括收发器组、收发天线、通信总线，用于实现漂浮球机器人在管道内全航程全时段的实时通信，同时各个收发器作为管道分段标志，为漂浮球机器人实现自身定位提供参考；所述检修点在管道网络中特定位置设置，位置存储在漂浮球机器人存储器中。

漂浮球机器人包含动力子系统、能源供给子系统、水密舱机体、传感器子系统和通信子系统，漂浮球机器人的核心组成部分为一个水密舱机体3，水密舱机体3的舱壳为椭球型，舱壳包括两层材料，内层为金属网，能够吸收撞击能量，提供系统阻尼的同时构成一个法拉第笼，避免了内部电子元器件产生的电荷在泄漏点由于与空气的混合引发管道内易燃易爆气体液体的爆燃事故，外层为软质光滑隔水层，用以防止水密舱渗水和遭到腐蚀，两层材料紧密贴合。内部各个元器件均经过独立的防水设计，以此保证当水密舱发生渗水时机器人依然能够正常工作。整个漂浮球机器人的重心位于垂向偏下位置，当发生倾覆时能够利用重力自动翻转。在水密舱机体3的底部安装有轻质的履带底盘4，该履带底盘能够在不同的管道环境下驱动漂浮球机器人前进、后退与转向，满足漂浮球机器人在无液体或少量液体情况下的行进，此外，履带底盘能够翻越管道内障碍物，悬挂系统提供了阻尼，提高了系统稳定性，且能够原地转向，适合在狭小的管道内部运行。漂浮球机器人可对搭载的各个设备与微型机载计算机进行上电自测试和容错控制；所述上电自测试流程可以重复检测；容错控制用于支持漂浮球机器人自行前往管道内配备的检修点。

当漂浮球机器人在充满液体的环境中运行时，漂浮球机器人在液体中顺流飘浮，由管道内高压驱动前进，因此当管道内部充满液体时，可以沿垂直管道段进行爬升或下降。

传感器子系统：

机器人的传感器系统包括微型多方向视觉传感器和超声波传感器，每个方向上的微型多方向视觉传感器和超声波传感器组成一个传感器组，置于漂浮球机器人球壳六个轴向上。漂浮球机器人用于凭借配备的两种传感器，对不同运输介质的管道进行检测，向控制台系统发送自身状态数据和传感器数据包，并执行控制台发送信号中的控制指令。

如图1所示，微型多方向视觉传感器沿六个轴向安装于漂浮球机器人球壳上，每个微型视觉传感器均具备照明功能，该传感器系统用于自主构建三维地图以实现路径规划和人工操纵时为操作人员提供无死角的全视角实时视频影像，同时结合最近的收发器编号确定自身精确位置。

水密舱机体3上安装的超声波传感器共有六个，分别位于各个视觉传感器旁边，以获取管道裂缝处发出的声发射信号。压力管道泄漏所产生的声发射信号是广义的声发射信号，管壁本身不释放能量，而只是作为一种传播介质。泄漏过程中，在泄漏点处由于管内外压差，使管道中的流体在泄漏处形成多相湍射流，这一射流不但使流体的正常流动发生紊乱，而且与管道及周围介质相互作用向外辅射能量，在管壁上产生高频应力波。该应力波携带着泄漏点信息(泄漏孔形状和大小等)沿管壁向两侧传播，对这种声发射信号进行采集和分析处理，就可以对泄漏及其位置进行判断。

当在气体管道中执行检测任务时，由于空气对于超声波的衰减，在气体中利用声发射技术收集超声信号对管壁进行检测效果要稍逊于液体环境，因此为了保证检测精度，在使用超声波传感器的同时通过微型多方向视觉传感器进行视觉观测的方法进行检测，此时结合超声波传感器数据探测管壁情况。当在液体管道中执行检测任务时，由于液体自身可能存在密度不均、杂质较多、浑浊的情况，微型多方向视觉传感器容易受到环境干扰，加之液体环境下漂浮球机器人采用顺流飘浮的运动方式，可能频繁出现旋转、碰撞等情况，影响视觉分析效果，故此情况下以超声检测方法为主执行任务，微型多方向视觉传感器此时进行辅助探测，利用该传感器的数据判断漂浮球自身姿态，以判断超声探测收集到结果在管道中的位置。当在运行环境中同时具有气体和液体的条件下工作时，液面以下以超声检测为主，液面以上结合微型多方向视觉传感器和超声波传感器同时进行检测。

能源供给子系统包括机载可充电蓄电池，用于提供漂浮球机器人所需能源，扩大任务执行范围，为了避免有缆供电缺点，同时结合其优点，本发明作如下设计：

管线内部每隔预设距离设置一个检修点，每次仅开启任务执行段附近的检修点即可。在漂浮球机器人配备蓄电池，当漂浮球机器人自身电量不足时将提前向控制台系统发送信号中故障识别位置1，以通知控制台系统选择漂浮球机器人时避免选择该漂浮球机器人，该漂浮球机器人前往附近的检修点等候工作人员取出和更换电池。该设计解决了有缆供给导致的任务半径过小的问题，同时解决了有缆供电带来的线缆缠绕、对检测机器人的拖曳阻滞问题，使得该漂浮球机器人可以进行全时段大航程作业，避免了执行任务过程中需要打开管道的缺陷，提高了工作效率，节约了时间和人力成本。

通信子系统包括机载收发器、机载收发天线、数据串口，用于与管道收发器组及其通过总线连接的控制台传输状态参数、控制指令和传感器数据包，为了避免有线通信与无线通信缺点，同时结合二者优点，本发明作如下设计：

漂浮球机器人水密舱中安装具有收发功能的发射天线，通过数据串口将各个传感器信号以及漂浮球机器人自身状态数据向管道收发器天线发送，发送的信号中包含任务标志位、异常标志位等信息。在管线内每隔一段距离即放置一个收发器，各个收发器通过总线相连，收发器之间的间隔设置满足无线电信号在管道运输介质中传播衰减条件下，至少有两个管线收发器能够接收到漂浮球机器人天线发送数据的要求。每个信号交互周期中，利用漂浮球机器人发送数据的时间戳选择最先接收到信号的收发器，向漂浮球机器人发送数据接收反馈信号与控制指令信号，在接收到该信号后，漂浮球机器人向收发器天线返回接收成功应答信号，随后执行控制指令，若控制指令中数据包发送位置1，则漂浮球机器人将加入了数据包识别码的各个传感器数据包依次向管道的收发器发送。若管道的收发器未接收到漂浮球机器人接收成功应答信号，则重复发送，直到得到应答信号为止，此外，当管道的收发器发送同一控制指令超过一百次未能接收回应信号时，则向控制台发送故障信号。

本发明用于油气管道内部检测的漂浮球系统支持气体、液体和气液混合的运行环境；可在较长管道网络中执行任务；支持人工手动操作与机器人自动操作；漂浮球机器人的能源供给与通信均依赖于管道配备设施；漂浮球机器人根据存储的管线网络图与自身位置自动规划路径，并结合微型多方向视觉传感器的视觉数据自行前进与转向。

参照图1-图3(b)，本发明用于油气管道内部检测的漂浮球系统的工作原理如下：

多个漂浮球机器人被同时置入管道中，管道内部利用各个收发器作为划分点被划分为多个管段，每个管段内的收发器通过在控制信号上添加收发器编码的方式，负责漂浮球机器人对自身所在位置的识别。

当任务管段划定，控制台系统通过总线向距离任务区域最近的漂浮球机器人通过收发器天线发射操纵指令以唤醒该漂浮球机器人，通知漂浮球机器人任务区域位置信息，并将任务区域附近通信系统开启。漂浮球机器人在接收到指令信息后启动，随后向收发器发送应答信号，开启各个机载设备与传感器，进行开机上电自测试，若发生故障未通过自测试则重新启动，启动成功通过自测试则进行下一步，启动失败或电量不足则进入容错控制程序，利用传感器前往检修点位置，并将向控制台系统发送的状态信号中的故障识别位置1，控制台系统重新选择漂浮球机器人执行任务。

当通过上电自测试程序后，漂浮球机器人的微型机载计算机根据控制台系统发来的任务区域与存储管道网络图信息规划路径并判断行进方式，该信息包含管道内介质与深度数据。当管道内介质均为液体或液体深度高于设定阈值时，漂浮球机器人关闭履带底盘，采用顺流飘浮的方式行进，当液体深度低于设定阈值或无液体存在时，开启履带底盘。

漂浮球机器人每经过一个收发器即向收发器发送状态信号，控制台系统在接收到该信号后回判断是否需要更改控制指令，若不更改则修改控制信号中当前收发器编号后发送，漂浮球每次比对收发器编号与任务管段收发器编号是否相同。当漂浮球机器人到达任务管段后，控制台系统提示工作人员选择巡检方式，选择人工手动巡检或机器人自动巡检。

若开启人工手动巡检方式，则漂浮球机器人移交全部作动器操作权限和数据包读取权限，并实时通过串口发送包括电量在内的自身状态数据和传感器数据，该数据在控制台系统操作界面显示。

若开启自动巡检，漂浮球机器人首先根据控制台系统指令信号中的信息判断任务执行管段是否存在液体，若存在液体则根据控制信号中的管段液体深度信息进一步判断任务执行方式，若均为液体，则不启动履带底盘，通过超声波传感器进行各个方向上的探测，当超声波传感器的超声波接收信号出现较大波动时，漂浮球机器人立即记录反射信号出现较大变动的位置，并对照微型多方向视觉传感器进行管道缺陷进行二次判断，当管道缺陷的存在被确定，则向收发器发送状态信号，信号中异常标志位置1，控制台接收到该信号后发送控制指令，令漂浮球机器人发送数据包，并利用控制台系统计算机进行数据分析，计算泄漏点精确位置，随后通过控制台系统向操作人员报警并提供相应数据。若气液并存，则根据控制台系统发来的控制信息中的管道环境数据判断液体深度，若液体深度高于设定阈值，则操作流程与均为液体相同，微型多方向视觉传感器与超声波传感器同时负责检测非液体区域的管道情况，若液体深度低于设定阈值，不满足漂浮球的漂浮条件，则开启履带底盘并开始记录数据，液面以下以超声波传感器数据进行检验为主，微型多方向视觉传感器数据为辅，液面以上结合微型多方向视觉传感器与超声传感器数据进行检测。若不存在液体则开启履带底盘，同时收集全部传感器数据，而后沿管道方向前进，当微型多方向视觉传感器和超声传感器均检测到管道异常且彼此能够二次印证时，漂浮球机器人立即停止前进，并再次确认是否存在管道缺陷，若确定存在则向收发器发送状态信号，信号中异常标志位置1，控制台系统接收到该信号后发送控制指令，令漂浮球机器人发送数据包，并利用控制台系统的计算机进行数据分析，通过读取微型多方向视觉传感器数据获取管道缺陷相对于漂浮球机器人的相对位置，并根据漂浮球机器人位置进行坐标转换，确定泄漏点确切位置。

漂浮球机器人在沿任务管段行进的同时会不断判断是否到达下一收发器，当到达下一收发器则如前文所述进行一轮数据交互，并根据收发器编号判断当前途经的收发器是否为任务管段最后一个收发器。当漂浮球机器人行进至任务管段末端，则发送漂浮球机器人状态信息，并在发送的状态信号中将任务标志位置0，控制台接收该信号后发送操纵指令，将数据包读取位置1，漂浮球机器人即发送全部数据包，发送完成后操作人员可选择重新执行巡检任务或终止本次任务，若重新执行则存储全部参数，进行状态参数重置，并重新选择漂浮球机器人开始检测流程，若终止任务则漂浮球机器人进入休眠状态，并关闭全部机器人管道配属设备。

从上述技术方案可以看出，本发明设计的管道内部检测的漂浮球机器人系统及实现方法，通过管线配套检修点与漂浮球机器人安装蓄电池解决了有缆供给供电方式的弊端；通过管线配套收发器及总线系统与漂浮球机器人内置收发器、串口以及收发天线组成的通信系统解决了现有两种通信方式的弊端；通过履带底盘和顺流飘浮的运动方式解决了现有管道内检测机器人行动受限的弊端；控制台系统用于接收漂浮球机器人发送的状态数据，并发送控制信号，接收漂浮球机器人发送的数据包；漂浮球机器人利用配备的各个传感器，对不同运输介质的管道进行检测，向控制台系统发送自身状态数据和传感器数据包，并执行控制台发送信号中的控制指令。本发明的漂浮球机器人利用微型多方向视觉传感器、收发器编码、控制指令和存储的管道网络图进行自动航迹规划。本发明同时支持人工与手动两种检测方式，配备有两种传感器，具备高度的任务可靠性和任务执行灵活性。

Claims (10)

1.一种用于油气管道内部检测的漂浮球系统，其特征在于，包括控制台系统、管道配套设施和漂浮球机器人，其中：

漂浮球机器人：所述漂浮球机器人配备有用于对不同运输介质的管道进行检测的传感器系统，并且配备有能够沿管道行走的动力子系统；所述漂浮球机器人能够将自身的状态数据和传感器数据包发出，接收并执行控制指令；

管道配套设施：包括沿管道间隔分布的多个收发器，收发器之间通讯连接，收发器用于接收漂浮球机器人发送的状态数据和传感器数据包并传送给发射控制台系统，以及接收控制台系统发出的控制指令信息并发射给漂浮球机器人，每个收发器具各自的编号；

控制台系统：用于接收收发器发射的状态数据以及传感器数据包，并根据所述状态数据发出控制指令，所述收发器将控制指令发送给漂浮球机器人。

2.根据权利要求1所述的一种用于油气管道内部检测的漂浮球系统，其特征在于，漂浮球机器人包含动力子系统、能源供给子系统、水密舱机体、传感器子系统和通信子系统；

所述水密舱机体包括金属网内壳、设置于金属网内壳外层的隔水层外壳和设置于金属网内壳内的微型机载计算机；

所述动力子系统包括履带底盘(4)，履带底盘设置于水密舱机体的底部；履带底盘(4)与微型机载计算机连接；

所述传感器子系统包括若干传感器组，水密舱机体的六轴方向上均设有所述传感器组，每个传感器组包括视觉传感器和超声波传感器；所述视觉传感器和超声波传感器均与微型机载计算机连接；

所述通信子系统包括安装于所述水密舱机体上的发射天线和接收天线，发射天线和接收天线均与微型机载计算机连接，发射天线和接收天线还能够与所述收发器连接；

所述能源供给子系统包括机载可充电蓄电池，机载可充电蓄电池与所述动力子系统、传感器子系统和通信子系统连接，用于提供电能；

所述漂浮球机器人的重心位于其中下部。

3.根据权利要求2所述的一种用于油气管道内部检测的漂浮球系统，其特征在于，每个视觉传感器均设有照明装置；管道上每隔预设距离设有检修点。

4.根据权利要求1所述的一种用于油气管道内部检测的漂浮球系统，其特征在于，所述收发器之间通过总线相连，收发器之间的间隔设置要满足无线电信号在管道运输介质中传播衰减条件下，至少有两个收发器能够接收到漂浮球机器人发送数据的要求。

5.一种用于油气管道内部检测的方法，其特征在于，该方法采用权利要求1-4任意一项所述的用于油气管道内部检测的漂浮球系统进行，包括如下过程；

控制台系统向距离任务区域最近的漂浮球机器人发射操纵指令，唤醒该漂浮球机器人，并向漂浮球机器人发送任务区域位置信息，以及将任务区域附近管道内的收发器开启；

漂浮球机器人接收到操纵指令后启动，随后向收发器发送应答信号，并开启传感器系统；

漂浮球机器人根据接收的任务区域位置信息、已存储的储管道网络图信息规划路径并确定行进方式，之后漂浮球机器人在管道内开始行走；

漂浮球机器人在行走过程中向外发送状态信号，能够接收到该状态信号的收发器将该状态信号发送给控制台系统，控制台系统在接收到该状态信号后判断是否需要更改控制指令，若不更改则修改控制信号中当前收发器编号后发送，漂浮球每次比对收发器编号与任务管段收发器编号是否相同，若相同则表明到达任务管段，不相同则表明未到达任务管段，当漂浮球机器人到达任务管段后，控制台系统向漂浮球机器人发出自巡检控制指令；

漂浮球机器人接收自动巡检控制指令后，在任务管段利用传感器系统对管道进行检测并将检测信号通过收发器发送给控制台系统，控制台系统对检测信号进行分析，判断管道是否有缺陷，则根据检测信号获取管道缺陷的具体位置；当漂浮球机器人在任务管段内行进完成后，管道检测完成。

6.根据权利要求5所述的一种用于油气管道内部检测的方法，其特征在于，漂浮球机器人行走的动力子系统采用履带底盘(4)，漂浮球机器人确定行进方式时，当管道内介质均为液体或液体深度高于设定阈值时，漂浮球机器人关闭履带底盘，采用顺流飘浮的方式行进，当液体深度低于设定阈值或无液体存在时，通过履带底盘行进。

7.根据权利要求6所述的一种用于油气管道内部检测的方法，其特征在于，传感器子系统包括若干传感器组，每个传感器子组包含视觉传感器和超声波传感器，当管道内介质均为液体或液体深度高于设定阈值时，漂浮球机器人顺流飘浮过程中，液面以下以超声波传感器数据进行检测为主、视觉传感器数据为辅，液面以上结合视觉传感器与超声传感器数据进行检测；

当液体深度低于设定阈值或无液体存在时，漂浮球机器人通过履带底盘行进过程中，通过视觉传感器和超声波传感器一起进行检测，当视觉传感器和超声传感器均检测到管道异常且彼此能够二次印证时，漂浮球机器人立即停止前进，并再次确认是否存在管道缺陷，若确定存在缺陷则向收发器发送状态信号，信号中异常标志位置，控制台系统接收到该信号后发送控制指令，令漂浮球机器人发送数据包，并利用控制台系统机进行数据分析，通过读取视觉传感器数据获取管道缺陷相对于漂浮球机器人的相对位置，并根据漂浮球机器人位置确定泄漏点确切位置。

8.根据权利要求5所述的一种用于油气管道内部检测的方法，其特征在于，控制台系统与漂浮球机器人进行信息交互时，每个信号交互周期中，控制台系统利用漂浮球机器人发送数据的时间戳选择最先接收到信号的收发器，向漂浮球机器人发送数据接收反馈信号与控制指令信号，漂浮球机器人在接收到该信号后，漂浮球机器人向收发器天线返回接收成功应答信号，随后执行控制指令，若控制指令中数据包发送位置，则漂浮球机器人将加入了数据包识别码的各个传感器数据包依次向管道内的收发器发送；若管道收发器未接收到漂浮球机器人接收成功应答信号，则收发器重复发送，直到得到应答信号为止；当管道内的收发器发送同一控制指令超过预设次数未能接收应答信号时，则该收发器向控制台发送故障信号。

9.根据权利要求5所述的一种用于油气管道内部检测的方法，其特征在于，当漂浮球机器人到达任务管段后，控制台系统提示选择巡检方式，巡检方式包括人工手动巡检或自动巡检，当采用人工手动巡检方式时，则漂浮球机器人移交全部作动器操作权限和数据包读取权限，并实时发送包括电量在内的自身状态数据和传感器数据，该数据在控制台系统的操作界面显示。

10.根据权利要求5所述的一种用于油气管道内部检测的方法，其特征在于，管道上每隔预设距离设有检修点，当漂浮球机器人自身电量不足时，漂浮球机器人将提前向控制台系统发送信号中故障识别位置，通知控制台系统选择漂浮球机器人时避免选择该漂浮球机器人，并前往附近的检修点等候更换电池。

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