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瑞默生（北京）科技有限公司 劉翔宇 張澤
摘要：本設(shè)計是一種具有穩(wěn)定的牽引力的X—Y移動的復(fù)合管道焊縫檢測機器人。
以DSP為核心開發(fā)基于機器視覺的嵌入式實時系統(tǒng)，用于完成高性能的管道焊縫的實時自動定位和檢測任務(wù)；介紹了機器人系統(tǒng)的工作原理，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；闡述了系統(tǒng)的焊縫識別算法和CCD圖像采集系統(tǒng)。
關(guān)鍵字：焊縫檢測；DSP；CCD圖像采集系統(tǒng)；識別算法
pipeline weld inspection robot based on DSP
Abstract:This design is a kind of stable traction compound X-Y moving pipe weld inspection robot.The embedded real-time machine vision-based system based on DSP was put forward to finish high quality tasks of real-time automatic positioning and detecting.
Keywords: weld inspection; DSP; CCD image capture system; recognition algorithm
0、引言：
工業(yè)管道系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)于化工、石油及城市水暖供應(yīng)等領(lǐng)域，焊縫質(zhì)量是一種重要的工業(yè)管道內(nèi)部潛在缺陷，它的好壞是管道運輸安全、可靠和使用壽命的一個決定性因素。
在國外一些發(fā)達國家，管道檢測機器人已經(jīng)誕生并投入使用，但是進口設(shè)備昂貴，并且維護費用高，需要培訓(xùn)才能正確使用。在我國，這方面的研究工作起步較晚。目前國內(nèi)還沒有成型的、商品化的產(chǎn)品問世，故該項目的研發(fā)可以向產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展，加強工業(yè)管道的檢測和管理。
機器人在管道外面沿著固定的軌跡移動，操作者通過外部的監(jiān)視器監(jiān)視機器人運行情況。當(dāng)監(jiān)視器屏幕顯示焊縫時，操作者控制機器人點進和點退以準(zhǔn)確定位焊縫。人工操作定位準(zhǔn)確率較高，但效率低。為了提高管道焊縫檢測機器人的自動化程度，本文采用了一種基于DSP的管道焊縫檢測機器人系統(tǒng)，設(shè)計了一套焊縫檢測機器人系統(tǒng)，可將機器人可靠、準(zhǔn)確、快速地牽引至焊縫處，從而完成焊縫自動定位任務(wù)。由于該機器人可在X和Y方向移動，所以當(dāng)發(fā)現(xiàn)焊縫時還可以多視角觀察焊縫，以確定焊縫的大小和形狀。
機器人外形如圖1所示：
圖1 機器人外形圖
1、管道焊縫檢測機器人系統(tǒng)的工作原理
管道焊縫檢測機器人由移動小車、CCD圖像采集系統(tǒng)、圖像采集卡、驅(qū)動設(shè)備和控制系統(tǒng)等部分組成。其中移動小車是檢測和控制部分的專業(yè)平臺，所有的檢測與控制裝置都是由小車裝載。
系統(tǒng)工作原理：將機器人放入外部管道的固定軌道上，通過計算機發(fā)出指令讓機器人在管道中以一定速度運行，這時驅(qū)動在機器人軸線上的CCD傳感器采集信號與現(xiàn)有計算機中存儲的缺陷信號匹配時，計算機發(fā)出指令將此時的圖像記錄下來，并傳到人機界面，利用已編制的軟件給出缺陷的位置和圖像。這樣運行下去，直到計算機發(fā)出停止命令為止。工作原理如圖2所示：
圖2 機器人工作原理圖
2、電機選型
選擇執(zhí)行電機要根據(jù)被控對象的運動形式，運動的變化規(guī)律，運動負載的性質(zhì)和具體數(shù)量，運動工作體制，結(jié)合系統(tǒng)的穩(wěn)定性能指標(biāo)要求，做定量分析。本系統(tǒng)選用瑞默森（北京）有限公司生產(chǎn)的ISMD036-5EI的75W伺服電機驅(qū)動器。該驅(qū)動器可對電機的參數(shù)進行自動識別和測試，包括：電機的極對數(shù)、電機內(nèi)阻、電感量、編碼器線數(shù)、霍爾的位置等參數(shù)。另外，電機的運動模式設(shè)置有位置模式、速度模式或轉(zhuǎn)矩模式。
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所選電機參數(shù) |
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參數(shù) |
功率（W） |
轉(zhuǎn)速（r/min） |
工作電壓（V） |
額定電流（A） |
啟動電流（A） |
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參數(shù)值 |
70 |
7000 |
42 |
2.55 |
16.4 |
3、焊縫圖像識別算法
由于管道背景和焊縫亮度值Y差別不大，而色調(diào)Cb相差較大。因此利用圖像的色調(diào)信息就足夠，這樣就不用處理亮度和飽和度信號，提高識別速度，采用圖像的YcbCr信號輸入到DSP后，先采用平滑濾波器進行預(yù)處理以減少噪聲，再取Cb信號作為灰度化處理。圖4是管道焊縫檢測機器人在管道中移動時采集的一張焊縫圖像的灰度圖。
通過對大量現(xiàn)場采集的圖像的觀察，可以發(fā)現(xiàn)所有圖像都有同樣的規(guī)律：將Cb作為灰度值時，焊縫本身像素灰度值較高，呈現(xiàn)灰黑色。而焊縫本身像素偏低，呈灰白色。同時在交界處存在小段過濾帶。針對這個特征，可分別預(yù)先制作2個小模板。焊縫左邊緣模板a和焊縫右邊緣模板b，如圖4所示。系統(tǒng)對圖像逐行從左到右掃描。對各點所在窗口圖像與模板a進行匹配。求得匹配相似度，取相似度最大時所在點x坐標(biāo)為該行的焊縫左邊緣點。于是可得一系列左邊緣點，求均值即得到焊縫左邊緣坐標(biāo)。同理，從上到下，由右到左掃描每一行，各點所在窗口圖像與b模塊進行匹配運算，即可得焊縫右邊緣坐標(biāo)。將左右邊緣坐標(biāo)相加除以2即可得焊縫中心橫坐標(biāo)。
圖3 管道焊縫圖 圖4 焊縫模板匹配圖
4、結(jié)束語
在現(xiàn)代，無論是水力、火力發(fā)電站，還是煤氣、自來水、工業(yè)用水和供熱系統(tǒng)等公共設(shè)施，以及石油、化工等工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，都有縱橫交錯的管道。焊縫質(zhì)量是一種重要的工業(yè)管道內(nèi)部潛在缺陷，它的好壞是管道運輸安全、可靠和使用壽命的一個決定性因素。本文介紹的以DSP為核心的外部管道焊縫檢測機器人，將會帶來很好的經(jīng)濟效益和社會效益。
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