一种磁悬浮式管道检测系统及方法

本发明涉及管道检测技术领域，尤其涉及一种磁悬浮式管道检测系统及方法。

背景技术：

在利用管道运输的过程中，为了获知管道是否存在缺陷，需要采用管道检测技术对其进行检测，根据检测设备所处位置的不同，管道检测技术可分为内检测和外检测两种。

管道内检测技术是一种常用来有效检测管道的管壁腐蚀、几何凹坑、机械损伤、裂纹等缺陷的技术，通常情况下，在对管道进行内检的过程中，需要将检测装置安装在悬浮磁块上，通过将悬浮磁块伸入到管道内部，对管内壁进行检测，并将采集的数据传递并存在检测器中。

在使用磁悬浮式技术检测管道时，悬浮磁块会因为外界的影响而晃动，从而影响检测精度，现有技术大多无法自适应调整悬浮磁块的位置，以消除因悬浮磁块晃动给检测精度带来的影响。

技术实现要素：

有鉴于此，有必要提供了一种磁悬浮式管道检测系统及方法，用以解决现有技术中无法自适应调整悬浮磁块的位置的问题。

本发明提供一种磁悬浮式管道检测系统，包括环形永磁体、电磁铁阵列、悬浮磁块、检测装置、六轴陀螺仪传感器及电磁铁阵列控制电路；

所述电磁铁阵列上设有线圈，所述电磁铁阵列上设置在环形永磁体上，所述悬浮磁块悬浮在环形永磁体上方，所述检测装置设置于悬浮磁块上，其用于检测管道，所述六轴陀螺仪传感器设置于悬浮磁块上，其用于获取悬浮磁块的原始姿态数据，所述电磁铁阵列控制电路，用于根据所述原始姿态数据，调整电磁铁阵列线圈的电流方向及大小，使悬浮磁块悬浮在环形永磁体正上方。

进一步地，所述磁悬浮式管道检测系统还包括霍尔传感器，所述霍尔传感器设置于环形永磁体上，其用于采集浮悬磁块水平方向的磁感应强度，所述电磁铁阵列控制电路，还用于根据悬浮磁块水平方向的磁感应强度，调整电磁铁阵列的电磁铁线圈的电流方向及大小。

进一步地，所述电磁铁阵列控制电路包括微控制单元，所述微控制单元用于接收六轴陀螺仪传感器获取的原始姿态数据，并对原始姿态数据进行姿态解算，得到悬浮磁块的运动角速度，根据运动角速度调整电磁铁阵列线圈的电流方向及大小。

进一步地，所述电磁铁阵列控制电路还包括h桥驱动电路，所述霍尔传感器采集浮悬磁块水平方向的磁感应强度后输出对应的模拟电压信号，所述微控制单元的adc采样通道对所述模拟电压信号进行采样，输出pwm信号，通过pwm信号控制所述h桥驱动电路的mos管导通，以调整电磁铁阵列的电磁铁线圈的电流方向及大小。

进一步地，所述电磁铁阵列包括4个电磁铁，所述4个电磁铁呈正方形排布在环形永磁体上，所述霍尔传感器个数为2，分别用于采集浮悬磁块水平方向上不同轴向的磁感应强度。

进一步地，所述磁悬浮式管道检测系统还包括底座挡板及底座平台，所述环形永磁体安装在底座挡板上，所述底座挡板固定在底座平台上。

本发明还提供了一种磁悬浮式管道检测方法，包括以下步骤：在电磁铁阵列上设置线圈，将电磁铁阵列设置在环形永磁体上，使悬浮磁块悬浮在环形永磁体上方，使检测装置设置于悬浮磁块上以检测管道；

获取悬浮磁块的原始姿态数据，根据所述原始姿态数据，调整电磁铁阵列线圈的电流方向及大小，使悬浮磁块悬浮在环形永磁体正上方。

进一步地，所述磁悬浮式管道检测方法还包括，采集浮悬磁块水平方向的磁感应强度，根据悬浮磁块水平方向的磁感应强度，调整电磁铁阵列的电磁铁线圈的电流方向及大小。

进一步地，根据所述原始姿态数据，调整电磁铁阵列线圈的电流方向及大小，具体包括，对原始姿态数据进行姿态解算，得到悬浮磁块的运动角速度，根据运动角速度调整电磁铁阵列线圈的电流方向及大小。

进一步地，采集浮悬磁块水平方向的磁感应强度，根据悬浮磁块水平方向的磁感应强度，调整电磁铁阵列的电磁铁线圈的电流方向及大小，具体包括，采集浮悬磁块水平方向的磁感应强度后输出对应的模拟电压信号，对所述模拟电压信号进行采样，输出pwm信号，通过pwm信号控制所述h桥驱动电路的mos管导通，以调整电磁铁阵列的电磁铁线圈的电流方向及大小。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：通过在电磁铁阵列上设有线圈，将电磁铁阵列上设置在环形永磁体上，所述悬浮磁块悬浮在环形永磁体上方，所述检测装置设置于悬浮磁块上，其用于检测管道，将所述六轴陀螺仪传感器设置于悬浮磁块上，其用于获取悬浮磁块的原始姿态数据，所述电磁铁阵列控制电路，根据所述原始姿态数据，调整电磁铁阵列线圈的电流方向及大小，使悬浮磁块悬浮在环形永磁体正上方；实现了悬浮磁块位置的自适应调整。

附图说明

图1为本发明提供的磁悬浮式管道检测系统的结构示意图；

图2为本发明提供的悬浮磁块的磁场示意图；

图3为本发明提供的悬浮磁块控制示意图；

图4为本发明提供的h桥驱动电路。

附图标记：1-环形永磁体；2-悬浮磁块；3-检测装置；4-电磁铁阵列；5-底座挡板；6-底座平台；7-六轴陀螺仪传感器；8-电磁铁阵列控制电路。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本发明实施例提供了一种磁悬浮式管道检测系统，其结构示意图，如图1所示，其包括环形永磁体1、电磁铁阵列4、悬浮磁块2、检测装置3、六轴陀螺仪传感器7及电磁铁阵列控制电路；

所述电磁铁阵列4上设有线圈，所述电磁铁阵列4上设置在环形永磁体1上，所述悬浮磁块2悬浮在环形永磁体1上方，所述检测装置3设置于悬浮磁块2上，其用于检测管道，所述六轴陀螺仪传感器7设置于悬浮磁块2上，其用于获取悬浮磁块2的原始姿态数据，所述电磁铁阵列控制电路，用于根据所述原始姿态数据，调整电磁铁阵列4线圈的电流方向及大小，使悬浮磁块2悬浮在环形永磁体1正上方。

需要说明的是，通过上述技术方案实现了悬浮磁块位置的自适应调整，使悬浮磁块保持悬浮在环形永磁体正上方，即环形永磁体的中心点与悬浮磁块所在的直线与环形永磁体垂直；

一个具体实施例中，环形永磁体1作为动力部分为悬浮磁块2提供足够的浮力，为使产生的浮力足够大，选择其材料为钕铁硼强永磁材料；悬浮磁块采用同样的材料设计为圆形，内部凹陷；检测装置3(可为深度相机)固定在悬浮磁块2的凸起处；

当磁悬浮式管道检测系统启动时，悬浮磁块2在磁悬浮斥力的影响下实现悬浮，使悬浮磁块2悬浮于pe管道内部起始端，随着管道生产，通过悬浮磁块2上搭载的检测装置开始对管道内部表面缺陷(如裂纹、气泡、凹坑等)进行检测，电磁铁阵列4控制电路对悬浮磁块进行控制调整；

悬浮磁块的磁场示意图，如图2所示，图2中悬浮磁体即为悬浮磁快，图2表示悬浮磁快与环形永磁体共同激发的磁场，图2上方为悬浮磁快激发的磁场，图2下方则为环形永磁体激发的磁场，即定子磁环磁场，悬浮磁快的磁感线方向与环形永磁体磁感线方向相反，因此产生了电磁力，当电磁力等于悬浮磁快和检测装置重力时，悬浮磁快在竖直方向上，将保持稳定，达到一个悬浮的状态；

优选的，所述磁悬浮式管道检测系统还包括霍尔传感器，所述霍尔传感器设置于环形永磁体上，其用于采集悬浮磁块水平方向的磁感应强度，所述电磁铁阵列控制电路，还用于根据悬浮磁块水平方向的磁感应强度，调整电磁铁阵列的电磁铁线圈的电流方向及大小；

需要说明的是，所述磁悬浮式管道检测系统的平衡状态是一种不稳定的状态，当受到外接干扰时，悬浮磁块不具备自行恢复的能力，而导致系统失去平衡，磁场自身的非线性特性决定了磁悬浮系统的强非线性，因此是先天开环不稳定的系统，要实现系统的稳定悬浮，必须进行闭环反馈控制；悬浮磁块控制示意图，如图3所示，图3中，悬浮磁体即为悬浮磁块，通过霍尔磁场传感器可以感应磁场强度；

当悬浮磁块向左侧偏移时，位于左侧的电磁铁会对悬浮体产生斥力，而位于右侧的电磁铁对悬浮体产生吸力，因此悬浮体所受的合力向右，随着悬浮体越来越接近中心，电磁体的大小也随之改变，最后使悬浮体稳定在中心位置，若悬浮体向右偏移，则需要改变电磁线圈的电流方向，使得右侧电磁体产生斥力，左侧电磁体产生斥力，以此实现悬浮磁块位置的自适应调整；

优选的，所述电磁铁阵列控制电路包括微控制单元，所述微控制单元用于接收六轴陀螺仪传感器获取的原始姿态数据，并对原始姿态数据进行姿态解算，得到悬浮磁块的运动角速度，根据运动角速度调整电磁铁阵列线圈的电流方向及大小；

一个具体实施例中，六轴陀螺仪固定在悬浮磁块上，获取悬浮磁块空间坐标信息，通过iic通信协议将原始数据传输至mcu，mcu利用kalman滤波算法和mahony互补滤波算法对原始数据进行姿态解算，从而得出悬浮平台实时的姿态(即四元数或欧拉角)，得到除去陀螺仪偏差的精确角速度及角度变化值，根据角速度得到悬浮磁块运动角速度；

然后，原始数据以及姿态解算后得到的数据通过自定义的数据帧传输协议经由2.4g无线协议传输至底座mcu，mcu通过数据包解析得到悬浮磁块的实时姿态，综合霍尔传感器输出的模拟电压信号对悬浮磁块进行双环pid的控制；双环pid的控制的内环是由姿态解算得到的悬浮磁块水平方向加速度环，外环为霍尔元器件测得的悬浮磁块相对位置环；

优选的，所述电磁铁阵列控制电路还包括h桥驱动电路，所述霍尔传感器采集浮悬磁块水平方向的磁感应强度后输出对应的模拟电压信号，所述微控制单元的adc采样通道对所述模拟电压信号进行采样，输出pwm信号，通过pwm信号控制所述h桥驱动电路的mos管导通，以调整电磁铁阵列的电磁铁线圈的电流方向及大小。

优选的，所述电磁铁阵列包括4个电磁铁，所述4个电磁铁呈正方形排布在环形永磁体上，所述霍尔传感器个数为2，分别用于采集浮悬磁块水平方向上不同轴向的磁感应强度；

一个具体实施例中，为了获得浮悬磁块的偏移情况，对浮子水平方向的磁感应强度进行实时采样，输出模拟电压信号；微控制单元(mcu)的adc采样通道对霍尔传感器输出的模拟电压信号进行采样，通过pid算法进行计算，输出两路pwm信号；再通过mcu输入的pwm信号控制h桥驱动电路内的mos管导通，从而实现电流的正反向及大小的控制，其输出电流直接接入电磁铁线圈；为了减少h桥驱动电路对mcu的影响，mcu与h桥驱动电路的连接选用光电耦合器进行隔离，所述h桥驱动电路，如图4所示，所述h桥驱动电路包括ir2104strpbf信号的整流器u1、u2、mos管q1、q2、q3、q4，电阻r1、r2、r5、r6，所述整流器u1的in引脚接收一路pwm信号，整流器u1的的ho引脚通过r1接mos管q1的栅极，整流器u1的的lo引脚通过r2接mos管q2的栅极；所述整流器u2的in引脚接收另一路pwm信号，整流器u2的的ho引脚通过r6接mos管q3的栅极，整流器u2的的lo引脚通过r5接mos管q4的栅极；

优选的，所述磁悬浮式管道检测系统还包括底座挡板及底座平台，所述环形永磁体安装在底座挡板上，所述底座挡板固定在底座平台上；

需要说明的是，底座挡板焊接在底座平台上，起到固定和保护环形永磁体的作用，环形永磁体使用六角螺母与底座平台固定。

实施例2

本发明还提供了一种磁悬浮式管道检测方法，包括以下步骤：在电磁铁阵列上设置线圈，将电磁铁阵列设置在环形永磁体上，使悬浮磁块悬浮在环形永磁体上方，使检测装置设置于悬浮磁块上以检测管道；

获取悬浮磁块的原始姿态数据，根据所述原始姿态数据，调整电磁铁阵列线圈的电流方向及大小，使悬浮磁块悬浮在环形永磁体正上方。

优选的，所述磁悬浮式管道检测方法还包括，采集浮悬磁块水平方向的磁感应强度，根据悬浮磁块水平方向的磁感应强度，调整电磁铁阵列的电磁铁线圈的电流方向及大小。

优选的，根据所述原始姿态数据，调整电磁铁阵列线圈的电流方向及大小，具体包括，对原始姿态数据进行姿态解算，得到悬浮磁块的运动角速度，根据运动角速度调整电磁铁阵列线圈的电流方向及大小。

优选的，采集浮悬磁块水平方向的磁感应强度，根据悬浮磁块水平方向的磁感应强度，调整电磁铁阵列的电磁铁线圈的电流方向及大小，具体包括，采集浮悬磁块水平方向的磁感应强度后输出对应的模拟电压信号，对所述模拟电压信号进行采样，输出pwm信号，通过pwm信号控制所述h桥驱动电路的mos管导通，以调整电磁铁阵列的电磁铁线圈的电流方向及大小。

本发明提供了一种磁悬浮式管道检测系统及方法，通过在电磁铁阵列上设有线圈，将电磁铁阵列上设置在环形永磁体上，所述悬浮磁块悬浮在环形永磁体上方，所述检测装置设置于悬浮磁块上，其用于检测管道，将所述六轴陀螺仪传感器设置于悬浮磁块上，其用于获取悬浮磁块的原始姿态数据，所述电磁铁阵列控制电路，根据所述原始姿态数据，调整电磁铁阵列线圈的电流方向及大小，使悬浮磁块悬浮在环形永磁体正上方；实现了悬浮磁块位置的自适应调整，从而提高了对管道的检测精度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。