利用LabVIEW和CompactRIO開發(fā)一個(gè)慣性檢管器

　　我們采用了一個(gè)帶有現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)的NI cRIO-9014控制器，它小巧靈活，抗振性好，并且功能強(qiáng)大，足以滿足PIG任務(wù)的苛刻要求。我們還使用了強(qiáng)大而易用的LabVIEW開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行編程。圖一中展示了慣性PIG的硬件架構(gòu)。

　　圖1 PIG硬件架構(gòu)

　　借助于LabVIEW，我們很容易對(duì)PIG進(jìn)行編程，以滿足任務(wù)要求，并且還開發(fā)一個(gè)后處理程序，以便把采集到的大量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成管道中焊接點(diǎn)的參考位置。CompactRIO的FTP和TCP功能可以簡(jiǎn)化所有采集的數(shù)據(jù)的采集，還可以使用任何計(jì)算機(jī)或者PDA遠(yuǎn)程配置任務(wù)參數(shù)。

　　通過(guò)對(duì)任務(wù)中計(jì)算機(jī)VI進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn)，我們可以很容易診斷原型機(jī)的可能故障。這就使團(tuán)隊(duì)能夠集中精神于開發(fā)數(shù)學(xué)算法，而非通信協(xié)議，來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和統(tǒng)計(jì)分析。最終，借助于LabVIEW對(duì)于多核的支持，這些算法在乘以經(jīng)過(guò)慣性導(dǎo)航和卡爾曼濾波器的狀態(tài)空間估計(jì)的數(shù)千個(gè)矩陣之后，運(yùn)行的更快。

　　項(xiàng)目開發(fā)僅用了18個(gè)時(shí)間，還包括了在完成機(jī)械設(shè)計(jì)之前所進(jìn)行的一系列測(cè)試。因?yàn)槲覀冊(cè)O(shè)計(jì)的是能夠輸送液體而非固體的管道，我們必須實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜的懸浮系統(tǒng)，以保證INS的正常工作。檢管器計(jì)算不正確，在管道內(nèi)會(huì)有很多因素會(huì)導(dǎo)致PIG被破壞，例如閥門、轉(zhuǎn)角、縫隙、限位器、液體流量，甚至是非法安裝的用于偷竊燃料的閥門。因此，硬件和軟件的開發(fā)必須與機(jī)械設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行，以避免造成整個(gè)項(xiàng)目延遲的。

　　在開發(fā)過(guò)程中，我們需要一個(gè)平臺(tái)用于測(cè)試算法。我們?cè)谝惠v自行車上安裝了CompactRIO控制器和傳感器(圖2)，并且按照和在管道內(nèi)使用PIG繪制路徑地圖一樣的方式來(lái)繪制路徑地圖。

　　圖2 使用自行車進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

　　雖然我們從這個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)收集了許多數(shù)據(jù)，但是自行車比管道具有更多的自由度;因此最終我們用軌道小車(圖3)來(lái)代替自行車，它提供了一個(gè)更像最終真實(shí)運(yùn)行條件的試驗(yàn)平臺(tái)。

　　圖3 使用軌道小車進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

　　最后，在裝配好PIG機(jī)械結(jié)構(gòu)后，我們?cè)诠艿郎线M(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。之前所提到的每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)平臺(tái)都具有不同的特性，而LabVIEW可以快速適應(yīng)于每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)平臺(tái)，以保證項(xiàng)目按時(shí)完成。我們利用NI的產(chǎn)品開發(fā)了所有軟件，而一段文本代碼都不用寫。

　　在巴西和哥倫比亞，在投入商業(yè)使用將近一年的時(shí)間里，CompactRIO控制器經(jīng)受了各種苛刻的考驗(yàn)。其中有一次，由于對(duì)接收程序的錯(cuò)誤操作造成慣性PIG與管道底部正面相撞，撞擊力非常大，破環(huán)PIG小車間的聯(lián)軸器。這些由8毫米粗的鋼條制成聯(lián)軸器完全扭曲，并穿透了PIG外殼，到達(dá)了放置CompactRIO的位置。裂口使整個(gè)隔間都充滿40大氣壓的增壓汽油。雖然CompactRIO的數(shù)據(jù)采集卡被破環(huán)了，但是實(shí)時(shí)控制器在弄干并且清潔后仍然能夠運(yùn)行，使得我們搶救回了40小時(shí)任務(wù)的數(shù)據(jù)。這意味著，即使PIG幾乎完全被破環(huán)，我們也能夠收回所有的檢測(cè)數(shù)據(jù)，而無(wú)需進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

　　EngeMOVI和NI工程師已經(jīng)經(jīng)過(guò)了多次合作，實(shí)現(xiàn)了各種不同的項(xiàng)目：包括慣性PIGs、幾何和磁性PIGs、用于深水管道檢查的水下機(jī)器人、具有冗余運(yùn)動(dòng)功能的焊接機(jī)器人以及最近由NI 9505運(yùn)動(dòng)控制模塊驅(qū)動(dòng)的的機(jī)動(dòng)PIG，這些合作獲得了非常積極的結(jié)果。

　　我們開發(fā)的首個(gè)慣性PIG可以在直徑為25.3～35.6厘米、長(zhǎng)度為289.7英里的管道內(nèi)行進(jìn)。最大的可接受曲率是1.5D(D為管道直徑)，在管道內(nèi)部行進(jìn)的最大速度是8米/秒。初始原型正在不斷被改進(jìn)，并在其之上已經(jīng)研制出完整的系列產(chǎn)品，我們深信NI提供的產(chǎn)品將會(huì)不斷地在我們的新產(chǎn)品開發(fā)上扮演重要角色。