２０１３年５月 第４１卷第９期 机床与液压
ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｍａｖ ２０１３ Ｖｏ１．４１ Ｎｏ．９
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—３８８１．２０１３．０９．０４７
管道内检测机器人定位技术研究现状与展望
许红，李著信，苏毅，张镇，李媛媛
（解放军后勤工程学院，重庆４０１３１１）
摘要：随着管道里程的快速增长、管道检测技术的发展以及管道检测机器人的广泛应用，管道内移动机器人的定位技 术凸显出了更加重要的作用。分析国内外管道内检测机器人几种主要定位技术与方法的基本原理及优缺点，从４个方面提 出管道内检测机器人定位技术与方法的发展趋势，为进一步研究不同环境条件下管道内检测机器人的定位问题提供参考和
指导。 关键词：管内机器人；定位；里程轮；测力定位；数据融合 中图分类号：ＴＱ０５０ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—３８８１（２０１３）９—１７２—４
Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｔａｔｕｓ ａｎｄ Ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｆ Ｐｉｐｅｌｉｎｅ Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ Ｒｏｂｏｔ Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ＸＵ Ｈｏｎｇ，ＬＩ Ｚｈｕｘｉｎ，ＳＵ Ｙｉ。ＺＨＡＮＧ Ｚｈｅｎ。ＬＩ Ｙｕａｎｙｕａｎ
（Ｔｈｅ Ｌｏｇｉｓｔｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ ＰＬＡ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０１３１ １，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒａｐｉｄ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｍｉｌｅａｇｅ，ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｗｉｄｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ｒｏｂｏｔ，ｔｈｅ ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ｒｏｂｏｔ ｈａｓ ｐｌａｙｅｄ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅ．Ｔｈｅ
ｂａｓｉｃ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ，ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｓｅｖｅｒａｌ ｍａｊｏｒ ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ａｎｄ ｆｏｒｅｉｇｎ ｗｅｒｅ ａｎ— ａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ｒｏｂｏｔ ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ．ｉｔ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ ｇｕｉｄａｎｃｅ ｆｏｒ ｓｔｕｄｙｉｎｇ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ｒｏｂｏｔ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｆｕｒｔｈｅｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ｒｏｂｏｔ；Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ；Ｍｉｌｅａｇｅ ｗｈｅｅｌ；Ｆｏｒｃｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ；Ｄａｔａ ｆｕｓｉｏｎ
目前，我国管道里程达到６万公里，其中原油管
道１．７万公里，天然气管道３．１万公里…。预计到
２０２０年，中国长距离油气管道的建设里程将至少达
到１０～１５万公里。管道对人们生活的影响与作用越
来越重要。随着时间的推移，管道可能发生腐蚀穿
孔、泄漏污染、堵塞爆管等恶性事故，造成生命与财
产的重大损失。为防止事故发生，需要定期对其进行
检测与清理。随着超声、涡流、声发射等缺陷检测技
术的发展以及各类清管设备的产生 ，管道机器人
开始应用于管道工程的定期检测与维修工程。所谓管
道机器人就是一种可沿管道内部或外部自动行走、携
带一种或多种传感器件如位置和姿态传感器、超声传
感器、涡流传感器等以及操作机械如管道裂纹与管道
接口焊接装置、防腐喷涂装置、操作手、喷枪、刷子
等，在工作人员的遥控操纵或计算机控制下，在极其
恶劣的环境中，能够完成一系列管道检测维修作业的
机电一体化系 。机器人自身携带仪器设备检测
管道内壁，当发现管壁缺陷或机器人出现故障时，管
外人员需要知道机器人在管道内的准确位置，以便快
速准确地排除故障，恢复运行。管道内检测机器人的
工作空间是复杂、封闭的各种管道，包括水平直管、 垂直管、斜坡管、各角度弯管以及变径管接口等，其
运行距离一般也较长。受现有通讯设备与定位技术的
制约，管道状况多数不明，往往造成模糊开挖、盲目
报废，资源浪费严重。因此，管道内检测机器人的定
位技术已经成为管道工程亟待解决的问题。
１ 定位技术与方法
目前，国际上关于管道检测机器人定位方法有很
多，主要有以下几种。
１．１里程轮定位法
利用里程轮定位是目前管道检测机器人中使用最
多的定位方法，通常多采用基于光电式转速传感器里
程轮定位 。如图１所示，光电式速度传感器主要由
光源、透镜、带缝隙圆盘、指示缝隙盘、光电器件、
转轴等组成，带缝隙圆盘和里程轮联接于转轴上，形
成固联体同速转动。工作原理为：光源发出的光通过
缝隙圆盘和指示缝隙照射到光电器件上，当缝隙圆盘
随里程轮和转轴转动时，由于圆盘的缝隙间距与指示
缝隙的间距相同，因此圆盘每转一周，光电器件输出
与圆盘缝隙数相等的电脉冲，根据测量单位时间内的
脉冲数，可得到单位时问滚过的距离，单位时间的滚
过距离累计起来就是里程轮的行走距离。
收稿日期：２０１２—０４一ｏ９ 基金项目：中国人民解放军总后勤部科研项目（油２００４０２０７） 作者简介：许红（１９８４一），男，博士研究生，从事油气储运工程控制技术及系统研究。Ｅ—ｍａｉｌ：５０４６７３００３＠ｑｑ．ＣＯｒｎ。
第９期 许红等：管道内检测机器人定位技术研究现状与展望 ・１７３・
图１光电式速度传感器测速原理
这种定位方式比较简单，适用于距离较短、管道
内壁状态较好的情况。但是这种计程原理是基于里程
轮与管壁之间无滑动摩擦，不仅传感器的分辨率影响
其计程精度，里程轮与管壁间的作用环境对计程精度
的影响更大，事实上，难以保证里程轮与管壁间无滑
动摩擦。因此，定位精度较低，特别是对中长距离管
道的定位更不能满足精度要求，需要寻求其他定位方
式，这也是目前管道检测定位面临的困难和挑战。文
献［９］中，提出一种新的里程轮信号优选算法，设
计了单片机控制系统，编制该算法程序，并用实验验
证该里程脉冲优选算法的有效性，给出实验数据。结
果表明：该系统可以高效、准确地选择最佳里程轮脉
冲信号；不足之处是这种冗余择优的计程方式使管道
机器人的机构变得复杂，能耗增大，影响机器人的通
过性能。
１．２测力定位法
根据牛顿力学和运动学原理，测力定位法是一种
受管道内部环境影响，１１￣ｔＪ，的管道机器人定位法，能够
保证高精度地独立完成定位。但是，测力定位法还有
很多后续工作需要完成，如：机器人对管道中异常情
况（上下坡、碰撞和剧烈颠簸等）的处理、爬行过
程中由于管道内壁的不平整以及本身运行带来的加速
度测量噪声的滤除等。尤其是，要将测力定位法应用
于长距离管道的独立定位，就得克服其天然的缺
陷——误差的时间累积性，且是以时间的二次方递增
的。因此，可以说测力定位法不适合超长管道的检测
定位，只适合短距离的恶劣环境下高精度定位。因
此，可以考虑利用测力定位法的这一优势使其与其他
定位法取长补短综合运用，提高长距离运行的检测定 位精度 。
１．３视觉ＣＣＤ定位法
视觉定位，是利用视觉传感器来实现运动机械的
位置闭环控制。设计中，视觉传感器是取代传统
“射线定位”的关键技术之一。通过实时识别焊缝图
像来判断焊缝的准确位置，以此构成位置反馈，最终 实现机器人的准确定位 。ＣＣＤ摄像机安装在与焊
缝横截面平行的平面内。通过标定，当ＣＣＤ摄像机
正对焊缝时，使焊缝的视觉图像位于计算机屏幕的正
中间位置。可以利用图像处理的方法实时识别焊缝在
视觉中的位置，并得到焊缝在屏幕中的位置，对其进
行坐标变换确定管内探伤机器人离焊缝的相对位置。
Ｓｕｇｅｎｏ模糊推理算法又称为“代数积一加法一
重心法” ，可以较简洁地解决基于视觉的管道机器
人自主定位控制问题。由前提和各模糊规则得到各子
推理结果，然后采用“加法”将各子推理结果合成
为综合推理结果，由“重心法”得到模糊集合的
“重心”；其输出模糊变量的隶属函数一般是常数或
者一条直线。与常规方法相比，它具有计算效率高、
能够与ＰＩＤ控制器等线性装置较好地配合、输出量具
有线性连续而且可以用数学矩阵的方法进行运算等特
点。由于视觉传感器比码盘测量更直接，而且基于规
则的模糊控制技术是建立在人工经验的基础上的，二
者的结合可使管内作业机器人的“停车定位过程”
具有快速、准确的特点。
１．４基于光纤光栅空间曲率传感器定位方法
这种基于光纤光栅空间曲率传感器全程定位的递
推算法，是为了实现管道机器人在工作时对自身位置
的全程定位¨ 。它是利用光纤光栅空间曲率传感器
检测出管道内检测机器人所处测量点的曲率和相邻测
量点密切平面间夹角，并根据前一测量点的空间位
置、密切平面、切向矢量方向、机器人移动步距等参
数计算当前测量点的空间位置、密切平面和切向矢量
方向。因此，只要给定初始测量点的空间位置、曲
率、切向矢量方向和密切平面，就可以实现管道机器
人的全程定位。同时由该算法得到每一个测量点的管
孔轴心坐标，然后通过曲线拟合求出管孔的轴心轨迹
曲线，从而实现管道内表面形貌的三维重建。
１．５ ＧＰＳ卫星定位法
通过ＧＰＳ定位系统，不但可以实现对管道内检
测机器人的精确定位，还可以定位出该管线附近障碍
物、道路及建筑物等的相对坐标位置。根据定位坐
标，可准确在ＣＡＤ图上绘制出管线的走向、机器人
的位置以及周围参照物的相对位置，根据绘制的图纸
和定出的坐标，可指导在后续的维修施工中准确找到
管线各个损伤点。此定位方法在大庆某采油厂的管线
中得到了很好的应用。但此方法定位费用高，系统较
为复杂，特别是对管线环境要求较高，必须时刻与外
界保持通讯联系，在某些环境恶劣的地段并不适
用 。
１．６基于低频电磁波定位法
由于低频电磁波对金属、土层、海水等介质具有