输气管线泄漏遥测激光器姿态控制装置的设计与实现

论文摘要

近年来,天然气管道运输蓬勃发展,但随着管网的增多和管线老化,泄漏问题也不可避免。基于光谱技术和自然目标散射的激光气体检测技术具有灵敏度高、精确定位等特点,但人工及车辆承载平台移动速度慢,并不适合长输管线的监测。因此根据已研制成功的甲烷探测激光器,开发了一套基于空中移动平台的激光器承载装置,自动进行天然气泄漏的空中巡检具有重要的实际价值。首先分析了机载检测的工作原理,选择吊舱搭载泄漏检测装置,对激光器装夹机构和吊舱总体布局进行了方案设计。激光器姿态控制算法是整个系统的灵魂,对于检测精度、可靠性等都有很大的影响,它包括吊舱所在管网区域自动识别算法和装夹机构转角调整算法。通过调节激光器姿态克服吊舱与管道相对位置变化和吊舱姿态变化的影响,使扫描光束对准管道,完成检测任务,。其次,考虑天然气现场检测的需求,对吊舱的机械结构进行了分析与设计,机构既要有良好的承载能力,又能灵活调整激光方向。考虑到空中复杂的环境以及直升机的振动,对该结构进行了静力学和模态分析。控制系统的硬件方面,根据控制系统功能的需求,采用上下位机为主体的分层式控制系统结构,确定所需的控制器件,完成了关键部件的配置和连线。对吊舱的软件系统进行了设计。确定了其主要工作流程以及分层、模块化的设计思想,设计了功能合理、操作简单的人机交互界面,对软件系统中的主要模块进行了介绍。最后,在上述研究的基础上,研制了系统的样机,并对整个激光器姿态控制装置分别进行了室内模拟、高处扫描模拟管道、定点泄漏和车载移动泄漏检测的试验。结果表明该机构可以实现吊舱下半球空间内全角度扫描,其静态定点对准精度在1m以内,动态对准扫描精度在10m范围内,经光束微调机构作用后其精度能够满足天然气检测的需要。在加载甲烷探测激光器的实验中能在给定距离内检测出天然气泄漏,验证了装备设计和控制系统的可行性。此系统能够快捷地确定泄漏位置,具有定位精度高、运动可靠、自动化程度高等优点,有利于提高天然气管道泄漏检测的效率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的背景和意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 研究的背景和意义
• 1.2 天然气管线泄漏检测方法研究现状
• 1.2.1 基于硬件的检漏方法
• 1.2.2 基于软件的检漏方法
• 1.3 机载天然气检测系统的研究现状
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 遥测激光器姿态控制系统工作原理
• 2.1 遥测系统方案设计
• 2.1.1 检测原理分析
• 2.1.2 激光器装夹机构工作原理分析
• 2.1.3 吊舱系统总体布局
• 2.1.4 光束微调机构扫描周期和扫描角
• 2.2 激光器姿态控制算法
• 2.2.1 吊舱所在管网区域自动识别算法
• 2.2.2 装夹机构转角调整算法
• 2.3 本章小结
• 第3章 吊舱结构与控制系统硬件设计
• 3.1 吊舱机构设计
• 3.1.1 需求分析
• 3.1.2 结构设计
• 3.2 机械结构静力学及模态分析
• 3.2.1 关键部件静力学分析
• 3.2.2 机械结构模态分析
• 3.3 吊舱控制系统设计
• 3.3.1 控制系统工作需求分析
• 3.3.2 控制系统硬件总体结构
• 3.3.3 控制系统硬件的选型
• 3.3.4 PMAC卡的配置
• 3.4 本章小结
• 第4章 吊舱软件系统设计
• 4.1 软件系统工作流程
• 4.2 软件系统总体框架设计
• 4.3 人机交互界面设计
• 4.4 各主要模块开发设计
• 4.4.1 PMAC运动控制模块
• 4.4.2 外部设备与IPC通讯模块
• 4.4.3 天然气管道信息数据库
• 4.4.4 飞行姿态3D仿真模块
• 4.5 本章小结
• 第5章 样机的搭建与实验研究
• 5.1 吊舱实验系统的搭建
• 5.2 数字罗盘的标定
• 5.3 实验测试
• 5.3.1 室内模拟实验
• 5.3.2 高处扫描模拟管道实验
• 5.3.2 定点泄漏检测实验
• 5.3.4 车载移动泄漏检测实验
• 5.4 实验结果分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢