基于超长波的管内移动机器人示踪定位系统研究

论文摘要

随着石油化工行业的快速发展,管道作为一种经济、高效的长距离物料运输手段备受关注,其日常检测、清理和维护也越来越受到人们的重视,因此管内移动机器人在管道工程中发挥着日益重要的作用。示踪定位技术是指操作人员可以对管内移动机器人所在位置、工作状态、管道环境等信息实施在线跟踪判断,提高工作效率。传统示踪定位技术采用拖缆工作方式,由于电缆与管壁间存在摩擦且信号长距离输送不稳定,严重限制了管内移动机器人的行走距离,过去采用射线定位的方法可以解决这一问题,但其较强的放射性会对人体与环境造成较大的伤害。因此,示踪定位技术已经成为管道工程领域亟待解决的难题。本文以国家“863”计划智能机器人专题“基于超长波的管道机器人示踪定位技术”项目为背景,利用超长波的传播损耗小及空间磁场分布的特点,提出了基于超长波的管内移动机器人示踪定位系统研究方案。本文首先从电磁学麦克斯韦方程组出发,分析了超长波的空间传播特性及实际的应用状况。根据传统天线理论设计的超长波发射天线过长,无法满足工作需求,因此本文将发射天线等效成有限长度致密螺线管,并提出了超长波的磁偶极子模型。该模型可准确描绘超长波的空间磁场分布,并且计算简单方便,因此利用其建立了基于超长波的示踪定位系统模型。根据示踪定位系统模型,本文将超长波示踪定位系统分为发射和接收两部分进行设计研制。发射系统通过超低频信号发生器、功率放大器和发射天线产生足够强度的23Hz超长波信号,控制器利用CAN总线实现与其他单元的通讯功能。超长波在传播过程中会有一定程度的衰减且受到外界的干扰,因此本文设计的接收系统通过滤波放大器对接收天线采集的信号进行处理,并利用USB2000A数据采集卡将信号传送至上位机,通过示踪定位算法,判断管内移动机器人在管道内的位置。最后在示踪定位系统实物平台上,对研制的超长波发射和接收系统性能进行测试,验证了超长波磁偶极子模型空间磁场“双峰对称”分布特点的正确性,实现了管内移动机器人的管道外部示踪定位功能,并且具有较高的定位精度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 管内移动机器人的研究意义
• 1.1.2 示踪定位技术在管道工程中的应用
• 1.2 管内移动机器人的国内外研究现状
• 1.2.1 管内移动机器人的分类
• 1.2.2 管内移动机器人的国外研究现状
• 1.2.3 管内移动机器人的国内研究现状
• 1.3 管内移动机器人示踪定位技术的国内外研究现状
• 1.3.1 示踪定位技术的国外研究现状
• 1.3.2 示踪定位技术的国内研究现状
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第2章 基于超长波的示踪定位系统理论分析
• 2.1 超长波的空间传播特性及应用
• 2.1.1 电磁波的基本理论
• 2.1.2 超长波的空间传播特性
• 2.1.3 超长波的实际应用
• 2.2 基于超长波的示踪定位系统模型建立
• 2.2.1 超长波的磁偶极子模型
• 2.2.2 基于超长波的示踪定位系统模型
• 2.2.3 基于超长波的示踪定位系统构成
• 2.3 本章小结
• 第3章 超长波发射系统的设计与实现
• 3.1 超长波发射系统整体介绍
• 3.2 超低频信号发生器设计
• 3.3 发射系统功率放大器设计
• 3.3.1 功率放大器基本原理
• 3.3.2 功率放大器的设计实现
• 3.4 超长波发射天线设计
• 3.4.1 天线基本理论
• 3.4.2 发射天线的设计实现
• 3.5 超长波发射系统控制器设计
• 3.5.1 电源系统设计
• 3.5.2 基于CAN总线的管内通讯
• 3.6 本章小结
• 第4章 超长波接收系统的设计与实现
• 4.1 超长波接收系统整体介绍
• 4.2 超长波接收天线设计
• 4.3 超长波信号滤波放大器设计
• 4.4 USB数据采集卡实现
• 4.4.1 USB数据采集卡简介
• 4.4.2 USB数据采集卡工作实现
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于超长波的示踪定位系统实验研究
• 5.1 超长波示踪定位系统实验平台介绍
• 5.2 超长波磁偶极子模型的实验验证
• 5.3 超长波示踪定位系统的整体实验调试
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢