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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(jì)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(jī)器人。
以DSP為核心開發(fā)基于機(jī)器視覺的嵌入式實(shí)時系統(tǒng)，用于完成高性能的管道焊縫的實(shí)時自動定位和檢測任務(wù)；介紹了機(jī)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(yùn)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(dá)國家，管道檢測機(jī)器人已經(jīng)誕生并投入使用，但是進(jìn)口設(shè)備昂貴，并且維護(hù)費(fèi)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(xiàng)目的研發(fā)可以向產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展，加強(qiáng)工業(yè)管道的檢測和管理。
機(jī)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(jī)器人運(yùn)行情況。當(dāng)監(jiān)視器屏幕顯示焊縫時，操作者控制機(jī)器人點(diǎn)進(jìn)和點(diǎn)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(jī)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(jī)器人系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一套焊縫檢測機(jī)器人系統(tǒng)，可將機(jī)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(jī)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(jī)器人外形如圖1所示：
圖1 機(jī)器人外形圖
1、管道焊縫檢測機(jī)器人系統(tǒng)的工作原理
管道焊縫檢測機(jī)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(jī)器人放入外部管道的固定軌道上，通過計(jì)算機(jī)發(fā)出指令讓機(jī)器人在管道中以一定速度運(yùn)行，這時驅(qū)動在機(jī)器人軸線上的CCD傳感器采集信號與現(xiàn)有計(jì)算機(jī)中存儲的缺陷信號匹配時，計(jì)算機(jī)發(fā)出指令將此時的圖像記錄下來，并傳到人機(jī)界面，利用已編制的軟件給出缺陷的位置和圖像。這樣運(yùn)行下去，直到計(jì)算機(jī)發(fā)出停止命令為止。工作原理如圖2所示：
圖2 機(jī)器人工作原理圖
2、電機(jī)選型
選擇執(zhí)行電機(jī)要根據(jù)被控對象的運(yùn)動形式，運(yùn)動的變化規(guī)律，運(yùn)動負(fù)載的性質(zhì)和具體數(shù)量，運(yùn)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(jī)驅(qū)動器。該驅(qū)動器可對電機(jī)的參數(shù)進(jìn)行自動識別和測試，包括：電機(jī)的極對數(shù)、電機(jī)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(jī)的運(yùn)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(jī)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(jìn)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(jī)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(diǎn)所在窗口圖像與模板a進(jìn)行匹配。求得匹配相似度，取相似度最大時所在點(diǎn)x坐標(biāo)為該行的焊縫左邊緣點(diǎn)。于是可得一系列左邊緣點(diǎn)，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(diǎn)所在窗口圖像與b模塊進(jìn)行匹配運(yùn)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(yùn)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(jī)器人，將會帶來很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
[1] 李彥明，馬培蓀，高雪官，魯守銀.承壓管道外檢測機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造. 2002,(06):50—52.
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