油层电脉冲解堵机器人的建模及仿真研究

论文摘要

伴随着油田开发程度不断深入,油井中各种物理、化学堵塞现象日渐增多,导致原油产量下降,开发成本上升。低频电脉冲解堵技术在油层造缝解堵方面虽具有自身优势,但实际采油生产中仍存在局限性,智能化程度有待进一步提高。管道机器人在油层电脉冲造缝解堵方面具有良好的应用前景。本文在研究分析油层电脉冲解堵技术现状和存在问题之后,采用机器人技术进行油层电脉冲解堵作业。文章根据油井工作环境的需要,结合轮式管道机器人和蠕动管道机器人两者的优点,设计出一种能适应井下工作环境的电脉冲解堵机器人虚拟机方案。阐述了机器人的机械结构和工作原理,分析了机器人运动学和动力学模型,重点包括运动学模型、动力学模型的分析建立,机器人规格尺寸及运动约束的计算。从理论角度分析,该机器人的设计对稳油降水、提高油层采收率、发挥低频脉冲波在强化采油技术方面的优势具有重要意义。文章继而进行机器人的运动仿真。在Visual C++ 6.0环境中引入OpenGL接口技术,针对仿真过程中遇到的碰撞问题,改进和构造了碰撞检测算法,并对算法进行了理论验证和仿真试验,证明其实用性和可行性;针对不同油井的客观环境存在较大差异,提出了一种新的逐点逼近Bezier曲线生成算法,阐述了算法原理、程序实现和实际应用,证明其优越性与实用性;最后介绍了整个仿真系统的功能实现。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.1.1 油层电脉冲解堵技术
• 1.1.2 管道机器人技术
• 1.1.3 计算机仿真技术
• 1.2 本课题的提出及研究意义
• 1.2.1 本课题的提出
• 1.2.2 本课题的研究意义
• 1.3 本论文的研究内容
• 第二章 机器人虚拟样机机械结构设计
• 2.1 机器人整体设计方案
• 2.1.1 整体结构
• 2.1.2 机器人工作原理
• 2.2 变径制动轮总成设计方案
• 2.2.1 结构设计
• 2.2.2 变径原理
• 2.2.3 制动原理
• 2.3 套筒总成设计方案
• 2.3.1 结构设计
• 2.3.2 支撑轮架变径原理
• 2.3.3 支撑轮架支撑扶正原理
• 2.4 柔性丝杠设计方案
• 2.5 电火花送进机构设计方案
• 2.6 旋转检测机构设计方案
• 2.7 本章小结
• 第三章 机器人运动学和动力学模型分析
• 3.1 运动学模型的建立
• 3.1.1 建立坐标系
• 3.1.2 机器人运动轨迹模型
• 3.2 动力学模型的建立
• 3.2.1 分析和求解方法
• 3.2.2 动力学方程式
• 3.2.3 机器人动力学分析
• 3.3 机器人的弯道通过性分析
• 3.3.1 单元体结构尺寸在弯管内的约束
• 3.3.2 运动干涉分析
• 3.4 SMA 制动弹簧速度分析
• 3.4.1 电流对变形速度的影响
• 3.4.2 拉伸长度对变形速度的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 机器人结构参数分析与优化
• 4.1 结构参数对牵引力的影响
• 4.1.1 制动轮倾角对牵引力的影响
• 4.1.2 制动轮直径对牵引力的影响
• 4.1.3 制动轮弹簧预压力对牵引力的影响
• 4.2 结构参数对移动速度的影响
• 4.2.1 制动轮直径对移动速度的影响
• 4.2.2 制动轮倾角对移动速度的影响
• 4.3 结构参数对电机输出转矩的影响
• 4.4 结构参数优化
• 4.5 本章小结
• 第五章 碰撞与干涉检测
• 5.1 直接判断凸多面体相交的算法
• 5.1.1 交边算法的改进
• 5.1.2 交边算法的验证
• 5.1.3 向量定位算法的改进
• 5.1.4 向量定位算法的验证
• 5.1.5 点定位算法的改进
• 5.1.6 点定位算法的验证
• 5.1.7 改进后的算法复杂性比较
• 5.1.8 仿真结果比较
• 5.2 基于神经网络的判断凸多面体相交的BP 算法
• 5.2.1 多层感知器及BP 算法
• 5.2.2 基于BP 算法判断凸多面体相交的算法原理
• 5.2.3 初始神经网络构造
• 5.2.4 神经网络算法步骤
• 5.2.5 神经网络算法实现
• 5.2.6 神经网络分析
• 5.2.7 神经网络参数控制
• 5.2.8 算法举例
• 5.2.9 仿真实验结果
• 5.3 本章小结
• 第六章 油层电脉冲解堵机器人仿真系统的实现
• 6.1 OpenGL 技术
• 6.1.1 OpenGL 概述
• 6.1.2 OpenGL 的功能
• 6.1.3 OpenGL 的绘制原理
• 6.1.4 OpenGL 在Windows 中的实现
• 6.2 利用Bezier 算法绘制水平井弯曲管道
• 6.2.1 仿真工作环境
• 6.2.2 Bezier 曲线
• 6.2.3 基于定义的Bezier 曲线生成算法
• 6.2.4 Bezier 曲线的递推（de Casteljau）算法
• 6.2.5 算法比较
• 6.3 逐点逼近的Bezier 曲线生成算法
• 6.3.1 算法原理
• 6.3.2 算法的程序实现
• 6.3.3 算法举例
• 6.3.4 算法应用于绘制水平井弯曲管道的中心轴线
• 6.4 仿真程序流程
• 6.4.1 仿真系统实现的相关技术说明
• 6.4.2 仿真程序流程图
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果
• 致谢