管道智能球因结构灵活、检测灵敏度高、不易卡堵等优点,近年来成为管道结构健康检测的重要载体。智能球受内部空间、电池容量、配载等多种因素制约,长航时检测需求对供电提出了比较高的要求,基于机械能收集技术实现智能球自供能是有效的技术途径。本文针对智能球内空间受限、旋转频率低、转速不稳定等特点,根据管道输送工艺要求开展集能器设计,从理论建模、数值计算及实验验证等方面研究了智能球自供能能量收集关键技术,主要创新工作包括:分析了智能球在管道约束运动条件下的三轴加速度变化规律,采用压电旋转能量收集方案,建立了集能器的集总参数机电耦合模型,明确了智能球旋转角频率、集能器结构参数与系统响应之间的关系,明确了智能球集能器的低频段、宽频带设计需求。建立了压电旋转集能器调谐因子模型,利用调谐因子表征离心力对集能器的影响,实现了参数无量纲归一化设计。提出了自调谐式宽频带能量收集方案,利用离心力对集能器的轴向拉力,实现共振频率自动跟随激励频率,适用于10 Hz以上宽频带能量收集。提出了离心式低频能量收集方案,利用离心距离调节共振频率,适用于5-10 Hz低转速能量收集。提出了冲击升频式低频旋转能量收集方案,利用低共振频率激励梁冲击压电收集梁产生激励,突破压电梁的共振条件限制,实现了集能器在低速旋转激励下的升频响应。具有频带宽、频段更低的特点,适用于2-5 Hz低速旋转条件下的能量收集。提出了非共振式超低频旋转能量收集方案,利用非固定基座与固定端碰撞产生激励,突破集能器共振条件限制,实现了集能器在超低频非共振状态下的高效集能。具有频带宽、频段超低、输出倍频的特点,适用于0-2 Hz超低速旋转条件下的能量收集。针对智能球运动过程中的姿态随机性,利用三轴旋转平台模拟智能球实际运行的复杂工况,对稳定无扰动、姿态随机、姿态频繁扰动等条件进行测试,验证了智能球集能器的性能。