海底管道检测机器人仿真系统

摘要

一种计算机应用技术领域的海底管道检测机器人仿真系统，在使用中用仿真模块取代相应的实际机器人单元即能开展调试、测试工作，所述的爬行器仿真模块、电池监控及里程计仿真模块、检测仿真模块和定位仿真模块都是接受来自实际的机器人智能控制器的指令，进行仿真计算，并按照仿真计算处理的结果向实际的机器人智能控制器发送反馈信息，实际的机器人智能控制器接受所有其他机器人单元发送的信息，并向其他单元或对应的仿真模块发送控制指令，各模块之间采用CAN总线连接和通信，且CAN总线及其通信协议和海底管道检测机器人相同。本发明真实反映系统运行功能和性能，以供研制过程中进行调试，以及功能测试，也可用于人员培训等方面。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种仿真技术领域的系统，特别是一种海底管道检测机器人仿真系统。

背景技术

在海洋油气资源开发中，海底高压管线是实现油气集输必不可少的重要设备。而海底管道因介质腐蚀、疲劳、外力损伤等因素的影响会产生缺陷。缺陷积累到一定程度就会发生油气泄漏，不仅影响油田的正常生产，还会造成海洋环境污染。定期进行管道缺陷检测是确保管道安全高效运行的必要手段。

海底管道检测机器人是我国独立研发的一种海底管道检测装备，该装备主要由电动爬行器，电池监控及里程计单元，智能控制器，超声与漏磁检测单元，超低频定位单元等部分构成，各部分功能相对独立，采用CAN总线实现通信。

系统的基本工作方式有两种：在线检测和定位检测。在线检测是不停产的普查方式，机器人采用压差驱动方式，在输油管中随着原油的流动前进，沿途对管线进行测量并记录数据。定位检测是停产复查和定位，由爬行器驱动机器人行进到严重缺陷处，反复几次复查，确认缺陷等级后，发射超低频电磁波，召唤工程船对缺陷管道进行维修更换。因为该技术比较复杂，在调试和测试过程中对运行中可能出现的各种情况进行长时间、反复的模拟是非常必要的，可以发现各种设计缺陷，防止因此造成巨大损失。而实验管道很难对各种复杂情况进行模拟，比如阻力变化、坡度变化、压力变化、传感器失效等，尤其是各种情况的组合，而且真实系统在实际运行中要模拟各种故障情况也很困难。因此，开发一个仿真系统用于管道检测机器人的调试、测试和训练等用途是非常必要的。

经对现有技术的文献检索发现，清华大学申请的中国发明专利(申请号200510011107.7)：一种整车控制器仿真测试系统，它包括实时监控系统，待测整车控制器，可配置的信号处理装置和工控机模拟平台以及数据采集卡、CAN网络等。该仿真测试系统除待测整车控制器为实际车用控制器以外，所有的测试环境均为仿真测试平台模拟真实环境得到，并从控制器角度上看与整车真实环境完全一致，实现了低成本、便捷、快速地对整车控制器进行各种测试，提高了整车控制器得开发效率。但由于仿真的对象与本发明完全不同，两套仿真系统的结构、原理、功能也是完全不同的。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种海底管道检测机器人仿真系统，使其能方便的模拟实际海底管道检测机器人运行情况，真实反映系统运行功能和性能，以供研制过程中进行调试，以及工程机完成后进行功能测试的，也可用于人员培训等方面。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：爬行器仿真模块、电池监控及里程计仿真模块、检测仿真模块和定位仿真模块，上述各仿真模块分别对应于海底管道检测机器人的电动爬行器、电池监控及里程计单元、超声与漏磁检测单元和超低频定位单元，实现对这四个单元功能和性能的仿真，并与机器人智能控制器相结合构成完整的仿真系统。机器人系统中的单元采用CAN总线连接，在使用中可以用仿真模块取代相应的机器人单元开展调试、测试工作。

所述的爬行器仿真模块、电池监控及里程计仿真模块、检测仿真模块和定位仿真模块都是接受来自机器人智能控制器的指令，进行仿真计算，并按照仿真计算处理的结果向机器人智能控制器发送反馈信息，机器人智能控制器接受所有其他机器人单元发送的信息，并向其他单元或对应的仿真模块发送控制指令。系统各模块之间采用CAN总线连接和通信，且CAN总线接口及其通信协议和实际的海底管道检测机器人相同，这样使得任何一个被调试/测试的海底管道检测机器人单元在替代相应仿真单元接入到整个仿真系统时，获得与真实系统完全一致的网络环境，各仿真模块之间也是以完全真实的物理通信线路实现通信功能。

所述的爬行器仿真模块，实现对机器人电动爬行器单元的功能和性能的仿真，能正确响应智能控制器发来的各项指令，包括：自检，启动，以指定速度向前爬行、向后爬行，停止爬行，支撑轮张紧、放松等；能模拟各种故障状态，包括：无应答，自检失败，启动失败，不能前进，不能后退，无法停止，支撑轮无法张紧，支撑轮不能放松，爬行电机过载，支撑轮张紧电机过载等。

所述的爬行器仿真模块，由第一CAN总线驱动子模块、第一指令应答子模块、第一图形化界面子模块和爬行器功能模拟子模块构成。其中第一CAN总线驱动子模块用于实现CAN总线通信。第一指令应答子模块用于解析从CAN总线接收到的，来自智能控制器的指令，并转发至爬行器功能模拟子模块。第一指令应答子模块可以对从CAN总线接收到的信号做出应答，即回复正确的握手信号，也可以根据用户的设置模拟通信故障情况，包括三种情况：完全无应答，请求重复，回复随机乱码。第一图形化界面子模块用于设置爬行单元的性能、故障情况，显示爬行器仿真模块所收到的指令以及爬行器仿真模块所发出的反馈信息。其中性能参数包括指令反馈时间，爬行阻力，坡度，张紧阻力，各电机状态等，其中阻力、坡度等可以设定为在一定范围内随机变化；故障情况可以设置通信故障(包括前述三种情况)，自检失败，启动失败，不能前进，不能后退，无法停止，支撑轮无法张紧，支撑轮不能放松，爬行电机过载，支撑轮张紧电机过载等各种情况。从第一CAN总线驱动子模块接收到的指令以及爬行器仿真模块所发出的反馈信息都以文本方式显示在第一图形化界面子模块上，并自动在每条信息后面添加注释行，方便那些对指令系统不熟悉的用户使用。爬行器功能模拟子模块是爬行器仿真模块的核心，该子模块内建有爬行器的动力学模型，能根据阻力变化、坡度变化等情况计算爬行器的速度、电流等，模拟真实爬行器运行情况做出反馈。实际使用中，用户在第一图形化界面子模块上设置的故障情况要优先于动力学模型的计算结果。例如根据阻力、坡度等信息的计算，爬行器工作正常，但用户强制设置爬行电机过载，则爬行器功能模拟子模块仍然判断为爬行电机过载故障，并向控制器发送故障信息；反之，在用户没有指定相应故障的情况下则以动力学模型的计算为准。

所述的电池监控及里程计仿真模块，实现对机器人电池监控及里程计单元的功能和性能的仿真，能正确响应智能控制器发来的各项指令，包括：自检，启动，残余电量报告，供电状态报告，里程报告等；能模拟各种故障状态，包括：无应答，自检失败，启动失败，电源故障，里程计故障，供电异常等。

所述的电池监控及里程计仿真模块，由第二CAN总线驱动子模块、第二指令应答子模块、第二图形化界面子模块、电池监控及里程计功能模拟子模块构成。其中第二CAN总线驱动子模块，第二指令应答子模块与前述爬行器仿真模块中的同名子模块功能结构相似，不再赘述。第二图形化界面子模块用于设置电池监控及里程计单元的性能、故障情况，显示所收到的指令以及电池监控及里程计仿真模块所发出的反馈信息，以图形化方式显示残余电量、里程等信息。其中性能参数包括耗电速度，残余电量，里程计速度，里程计打滑率、漏报率等；故障情况可以设置通信故障，自检失败，启动失败，对某单元供电异常，里程计失效等各种情况。从第二CAN总线驱动子模块接收到的指令以及电池监控及里程计仿真模块所发出的反馈信息都以文本方式显示在第二图形化界面子模块上，并自动在每条信息后面添加注释行，方便那些对指令系统不熟悉的用户使用。电池监控及里程计功能模拟子模块是本模块的核心，该子模块内建有电源电量计算模型和里程计动力学模型，能根据系统工况，给定条件等情况计算电源工作情况和里程计信息，模拟真实电源监控及里程计单元的运行情况。与爬行器仿真模块类似，用户可以在第二图形化界面子模块上强行设置故障情况。

所述的检测仿真模块，实现对机器人超声与漏磁检测单元的功能和性能的仿真，能正确响应智能控制器发来的各项指令，包括：自检，启动，启动检测，缺陷报告，发现焊缝报告等；能模拟各种故障状态，包括：无应答，自检失败，启动失败，启动检测失败，发现故障等。

所述的检测仿真模块，由第三CAN总线驱动子模块、第三指令应答子模块、第三图形化界面子模块、检测功能模拟子模块构成。其中第三CAN总线驱动子模块，第三指令应答子模块与前述爬行器仿真模块中的同名子模块功能结构相似，不再赘述。第三图形化界面子模块用于设置超声与漏磁检测单元的性能、故障情况，显示所收到的指令以及发出的反馈信息。其中性能参数包括标准管道长度，漏检率和误检率；故障情况可以设置通信故障，自检失败，启动失败，启动检测失败，发现缺陷，发现焊缝等情况。从第四CAN总线驱动子模块接收到的指令以及检测仿真模块所发出的反馈信息都以文本方式显示在第三图形化界面子模块上，并自动在每条信息后面添加注释行，方便那些对指令系统不熟悉的用户使用。检测功能模拟子模块相对比较简单，由于发现缺陷的信号是无规律出现的，所以设计为用户通过第三图形化界面人工触发。而焊缝的发现由管道长度与运行速度计算得出，并计算漏检率和误检率。发现焊缝信息也可以由用户通过第三图形化界面人工触发和屏蔽。

所述的定位仿真模块，实现对机器人超低频定位单元的功能和性能的仿真，能正确响应智能控制器发来的各项指令，包括：自检，启动，发送定位信号，发送求救信号等；能模拟各种故障状态，包括：无应答，自检失败，启动失败，发送定位信号失败，发送求救信号失败等。

所述的定位仿真模块，由第四CAN总线驱动子模块、第四指令应答子模块、第四图形化界面子模块和定位功能模拟子模块构成。其中第四CAN总线驱动子模块，第四指令应答子模块与前述爬行器仿真模块中的同名子模块功能结构相似，不再赘述。第四图形化界面子模块用于设置超低频定位单元的性能、故障情况，显示所收到的指令以及发出的反馈信息。其中性能参数包括信号持续时间；故障情况可以设置通信故障，自检失败，启动失败，发送定位信号失败，发送求救信号失败等情况。从第四CAN总线驱动子模块接收到的指令以及定位仿真模块所发出的反馈信息都以文本方式显示在第四图形化界面子模块上，并自动在每条信息后面添加注释行，方便那些对指令系统不熟悉的用户使用。定位功能模拟子模块相对比较简单，只是根据信号持续时间反馈信号发送完成的反馈信息。与爬行器仿真模块类似，用户可以在第四图形化界面子模块上强行设置故障情况。

本发明在实际使用中，还可以包括控制器仿真模块，用控制器仿真模块替代实际机器人智能控制器构成系统。由于智能控制器本身就是一台独立的工控机，通过CAN总线与其他单元相连接，与仿真系统模块的结构是一致的，因此直接用智能控制器与其他仿真模块一起构成完整系统。而使用中也可使用控制器仿真模块实现其功能。

所述的控制器仿真模块，包括实际控制模块和指令发生模块。直接将实际机器人控制程序移植到控制器仿真模块即可构成实际控制模块，在功能上与实际机器人智能控制器完全一致，其内容见于中国发明专利：海底管道内爬行器智能控制器(申请号200610117886.3)。但其他单元在进行调试或测试时，有时还需要单独测试该单元对某些指令的反应情况，此时不能按照正常的控制流程来控制，因此又单独设计了一个指令发生模块。该模块的功能仅限于手工发送各项指令，对其他模块发来的信息正确应答(发送握手信号)。用户根据需要选择实际控制模块或者指令发生模块投入使用。

所述的指令发生模块，由第五CAN总线驱动子模块、第五指令应答子模块、第五图形化界面子模块构成。其中第五CAN总线驱动子模块、第五指令应答子模块与前述爬行器仿真模块中的同名子模块功能结构相似，不再赘述。第五图形化界面子模块用于手工发送控制指令，显示所发出的指令以及收到的反馈信息。其中指令发送部分包含全部指令的分类列表，以及其他单元的地址列表，可以手动选择向其他单元发送指令，发出的指令以及收到的反馈信息都以文本方式显示在第五图形化界面子模块上，并自动在每条信息后面添加注释行，方便那些对指令系统不熟悉的用户使用。

与现有技术相比，本发明的突出特点是简单和方便，对系统的调试，尤其是机器人智能控制器的调试作用巨大。使用本发明可以随时模拟各部分真实的运行条件调试和改进，而不必采用所有部门联合调试的方式，大大节省了时间和人力，提高了工作效率。而一般的功能调试和性能测试，如果都在实际管道中实测，不仅耗资巨大，而且实际管道也无法遇到各种可能的故障情况，无法对智能控制器的功能做全面的考验，有了本仿真系统则可以解决这一难题。此外，本发明系统还可以作为培训系统用于操作人员的教学和培训。

附图说明

图1为海底管道检测机器人的结构框图；

图2为本发明仿真系统的结构框图。

图3为本发明一个具体实施例的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明是对海底管道检测机器人进行仿真的系统，如图1所示，所述的海底管道检测机器人主要由电动爬行器，电池监控及里程计单元，智能控制器，超声与漏磁检测单元，超低频定位单元等部分构成。各部分功能相对独立，采用CAN总线实现通信。其中电动爬行器拖动机器人在管内移动；电池监控及里程计单元对电池供电情况进行监测和控制，同时负责处理里程传感器信息；智能控制器根据各单元状态和传感器信息对机器人行为进行决策，并向其他各单元发送指令；超声与漏磁检测单元使用超声和涡流两种传感器对管壁进行检测，并对信号进行分析；超低频定位单元在确定管壁缺陷或者机器人本身出现严重故障的时候，发送超低频电磁波，为工程救援船提供定位信号。

以下提供本发明仿真系统实现对上述海底管道检测机器人仿真的实施例。

实施例一

如图3所示，本实施例用于对机器人智能控制器进行调试和测试，所涉及的部件包括四个仿真模块，作为被调试、测试对象的机器人智能控制器及其调试工具，以及各部分之间的CAN总线通信电缆。

本实施例中海底管道检测机器人仿真系统用到了其中四个主要的仿真模块：爬行器仿真模块，电池监控及里程计仿真模块，检测仿真模块和定位仿真模块。如图3所示。

其中爬行器仿真模块模拟机器人电动爬行器的功能与性能，电池监控及里程计仿真模块模拟机器人电池监控及里程计单元的功能和性能，检测仿真模块模拟机器人超声与漏磁监测单元的功能和性能，定位仿真模块模拟机器人超低频定位单元的功能和性能。这四个仿真模块与实际的机器人智能控制器相结合构成完整系统，模拟整个机器人的工作情况，以实现对机器人智能控制器的调试和测试。

所述的爬行器仿真模块，其第一CAN总线驱动子模块用于实现CAN总线通信。第一指令应答子模块用于解析从CAN总线接收到的，来自智能控制器的指令，并转发至爬行器功能模拟子模块。第一指令应答子模块可以对从CAN总线接收到的信号做出应答，即回复正确的握手信号，也可以根据用户的设置模拟通信故障情况，包括三种情况：完全无应答，请求重复，回复随机乱码。第一图形化界面子模块用于设置爬行单元的性能、故障情况，显示爬行器仿真模块所收到的指令以及爬行器仿真模块所发出的反馈信息。其中性能参数包括指令反馈时间，爬行阻力，坡度，张紧阻力，各电机状态等，其中阻力、坡度等可以设定为在一定范围内随机变化；故障情况可以设置通信故障(包括前述三种情况)，自检失败，启动失败，不能前进，不能后退，无法停止，支撑轮无法张紧，支撑轮不能放松，爬行电机过载，支撑轮张紧电机过载等各种情况。从第一CAN总线驱动子模块接收到的指令以及爬行器仿真模块所发出的反馈信息都以文本方式显示在第一图形化界面子模块上，并自动在每条信息后面添加注释行。爬行器功能模拟子模块内建有爬行器的动力学模型，能根据阻力变化、坡度变化等情况计算爬行器的速度、电流等，模拟真实爬行器运行情况做出反馈。实际使用中，用户在第一图形化界面子模块上设置的故障情况要优先于动力学模型的计算结果。例如根据阻力、坡度等信息的计算，爬行器工作正常，但用户强制设置爬行电机过载，则爬行器功能模拟子模块仍然判断为爬行电机过载故障，并向控制器发送故障信息；反之，在用户没有指定相应故障的情况下则以动力学模型的计算为准。

所述的电池监控及里程计仿真模块，其第二CAN总线驱动子模块，第二指令应答子模块与前述爬行器仿真模块中的同名子模块功能结构相似，不再赘述。第二图形化界面子模块用于设置电池监控及里程计单元的性能、故障情况，显示所收到的指令以及电池监控及里程计仿真模块所发出的反馈信息，以图形化方式显示电池电量，里程等信息。其中性能参数包括耗电速度，残余电量，里程计速度，里程计打滑率、漏报率等；故障情况可以设置通信故障，自检失败，启动失败，对某单元供电异常，里程计失效等各种情况。从第二CAN总线驱动子模块接收到的指令以及电池监控及里程计仿真模块所发出的反馈信息都以文本方式显示在第二图形化界面子模块上，并自动在每条信息后面添加注释行。电池监控及里程计功能模拟子模块内建有电源电量计算模型和里程计动力学模型，能根据系统工况，给定条件等情况计算电源工作情况和里程计信息，模拟真实电源监控及里程计单元的运行情况。与爬行器仿真模块类似，用户可以在第二图形化界面子模块上强行设置故障情况。

所述的检测仿真模块，其第三CAN总线驱动子模块，第三指令应答子模块与前述爬行器仿真模块中的同名子模块功能结构相似，不再赘述。第三图形化界面子模块用于设置超声与漏磁检测单元的性能、故障情况，显示所收到的指令以及发出的反馈信息。其中性能参数包括标准管道长度，漏检率和误检率；故障情况可以设置通信故障，自检失败，启动失败，启动检测失败，发现缺陷，发现焊缝等情况。从第四CAN总线驱动子模块接收到的指令以及检测仿真模块所发出的反馈信息都以文本方式显示在第三图形化界面子模块上，并自动在每条信息后面添加注释行。检测功能模拟子模块相对比较简单，由于发现缺陷的信号是无规律出现的，所以设计为用户手工触发。而焊缝的发现由管道长度与运行速度计算得出，并计算一定的漏检率和误检率。发现焊缝信息也可以由用户通过第三图形化界面人工触发和屏蔽。

所述的定位仿真模块，其第四CAN总线驱动子模块，第四指令应答子模块与前述爬行器仿真模块中的同名子模块功能结构相似，不再赘述。第四图形化界面子模块用于设置超低频定位单元的性能、故障情况，显示所收到的指令以及发出的反馈信息。其中性能参数包括信号持续时间；故障情况可以设置通信故障，自检失败，启动失败，发送定位信号失败，发送求救信号失败等情况。从第四CAN总线驱动子模块接收到的指令以及定位仿真模块所发出的反馈信息都以文本方式显示在第四图形化界面子模块上，并自动在每条信息后面添加注释行。定位功能模拟子模块相对比较简单，只是根据信号持续时间反馈信号发送完成的反馈信息。与爬行器仿真模块类似，用户可以在第四图形化界面子模块上强行设置故障情况。

上述结构的本发明实施例使用中，基本的流程如下：

首先是各仿真模块完成程序加载，进入工作状态。

第二步，用户在各仿真模块的图形化界面子模块上设置相应的参数以及故障信息，例如该模块自检是否正常？能否启动工作状态？电池的现有电量为多少？爬行阻力为多大？等等。

第三步，智能控制器上电，加载程序，系统开始工作。

如果是进行测试工作，用户根据在各仿真模块的图形化界面子模块上可以看到CAN总线上指令和信息的发送过程，随时了解运行的进度，例如智能控制器何时启动各单元自检，何时启动爬行器以何种速度开始爬行，何时启动检测单元开始检测等等。并通过图形化界面子模块设置各种运行状况，例如电量残余多少，爬行阻力变化，传感器检测缺陷情况，各单元有无故障等等。在运行结束后还可以通过智能控制器以及各仿真模块记录的信息了解整个运行过程，从而实现对智能控制器的测试。

如果是进行调试工作，则智能控制器工作于调试状态，可以通过调试端口监控智能控制器的运行状况，采用单步方式或者断点方式运行控制程序，同时通过各仿真模块的图形化界面子模块操作仿真系统与之配合，模拟运行中可能遇到的各种情况，提供智能控制器所需的各种反馈信息，从而对控制程序各分支进行调试和测试，实现对智能控制器主控程序的调试。

实施例二

如图2所示，本实施例用于对海底管道检测机器人的操作人员以及新的开发人员的教学培训。所涉及的部件包括全部五个仿真模块，以及各部分之间的CAN总线通信电缆。

由爬行器仿真模块、电池监控及里程计仿真模块、检测仿真模块、定位仿真模块、以及控制器仿真模块，构成完整系统，模拟整个机器人的工作情况，以帮助操作人员及新的开发人员深刻理解机器人各单元的功能以及控制流程中的时序关系和逻辑关系。

所述的爬行器仿真模块、电池监控及里程计仿真模块、检测仿真模块、定位仿真模块等四个仿真模块的工作过程与前述实施例一相同，不再赘述。

所述的控制器仿真模块，实现对机器人智能控制器功能的仿真。包括由实际机器人控制程序移植得到的实际控制模块和单独运行的指令发生模块。在对系统控制流程中的时序关系进行学习时，可使用实际控制模块，在学习流程中各单元的逻辑关系时，可使用指令发生模块，如图2所示。

所述的指令发生模块，由第五CAN总线驱动子模块、第五指令应答子模块、第五图形化界面子模块构成。其中第五CAN总线驱动子模块、第五指令应答子模块与前述爬行器仿真模块中的同名子模块功能结构相似，不再赘述。第五图形化界面子模块用于手工发送控制指令，显示所发出的指令以及收到的反馈信息。其中指令发送部分包含全部指令的分类列表，以及其他单元的地址列表，可以手动选择向其他单元发送指令，发出的指令以及收到的反馈信息都以文本方式显示在第五图形化界面子模块上，并自动在每条信息后面添加注释行，方便那些对指令系统不熟悉的用户使用。

上述结构的本发明实施例使用中，基本的流程如下：

首先是除控制器仿真模块之外的各仿真模块完成程序加载，进入工作状态。

第二步，用户在各仿真模块的图形化界面子模块上设置相应的参数以及故障信息，例如该模块自检是否正常？能否启动工作状态？电池的现有电量为多少？爬行阻力为多大？等等。

第三步，启动控制器仿真模块，加载程序，系统开始工作。

如果是选择使用实际控制模块，则整个系统如真实系统一样运行，用户根据在各仿真模块的图形化界面子模块上可以看到CAN总线上指令和信息的发送过程，随时了解运行的进度，例如智能控制器何时启动各单元自检，何时启动爬行器以何种速度开始爬行，何时启动检测单元开始检测等等。并可通过各图形化界面子模块随时设置调整各种运行状况，例如电量残余多少，爬行阻力变化，传感器检测缺陷情况，各单元有无故障等等。在运行结束后还可以通过各仿真模块记录的信息了解整个运行过程。

如果是指令发生模块，则用户手动向其他各单元发送自检指令，启动指令，观察各单元的反馈。各单元进入正常工作状态后，用户可以向任何单元发送任意指令，观察其反应。同时也可以手工设置各单元状态，观察其在不同状态下对各种指令的反应。从而了解整个系统的逻辑关系。