多傳感器大鶴管快速精準對位系統(tǒng)設計

顧亞雄，劉漢文，白 洋，李洪宇，陳 濤，解 淼，徐 淋

（西南石油大學 機電工程學院，成都 610500）

目前，國內油品儲運企業(yè)裝載油料多采用遙控對位系統(tǒng)。這種對位系統(tǒng)需要一名現(xiàn)場控制人員利用肉眼觀察進行手動遙控大鶴管與油罐車罐口對位，一名油罐車操作員才能完成整個對位過程。人員需求較多，且工作強度很大，容易出現(xiàn)疲勞，引起事故，整個過程只能做到半自動化。對位方式單一不穩(wěn)定，導致大鶴管控制系統(tǒng)存在對位自動化程度低、對位速度慢等問題。因此，研發(fā)出符合國內現(xiàn)狀的大鶴管自動對位控制系統(tǒng)迫在眉睫，對位效率的提高必將帶來一定的經濟效益，提高各個地區(qū)油庫儲運的自動化程度，對整個石油行業(yè)的發(fā)展具有重要意義[1]。

圖1 系統(tǒng)總體結構圖Fig.1 System overall structure diagram

圖2 溫度測量電路圖Fig.2 Temperature measurement circuit diagram

針對上述情況，本系統(tǒng)將大鶴管轉向技術與超聲波檢測技術相結合先進行大鶴管粗對位，再通過計算機圖像處理技術將大鶴管與油罐車罐口精準對位。本系統(tǒng)可實現(xiàn)大鶴管對位過程全自動化操作，極大簡化大鶴管對位過程操作步驟，消除人工操作管理帶來的不穩(wěn)定因素，進一步提升油品儲運企業(yè)的整體效益。

1 系統(tǒng)方案設計

當油罐車在小爬車的牽引下抵達大鶴管附近后，在粗對位階段利用超聲波檢測罐口，將脈沖信號通過MCU轉換為控制信號進而控制大鶴管快速轉向油罐車罐口。再利用計算機視覺圖像處理技術檢測罐口邊緣，并對算法進行研究優(yōu)化，得到罐口準確位置。最后控制轉向結構使大鶴管準確對位至罐口中心。當油料裝載完畢，系統(tǒng)自動復位使大鶴管回到初始位置。圖1為系統(tǒng)總體結構圖。

2 對位系統(tǒng)組成

2.1 超聲波檢測模塊

超聲波具有頻率高、波長短等特性，在空氣中沿直線傳播，方向性和束射性好，體積小，費用低，易于小型化。用其測量一定范圍內是否有油罐車罐口出現(xiàn)：當檢測到油罐車罐口時，MCU將控制大鶴管轉向結構進行快速粗對位。但溫度對超聲波檢測精度有一定影響，故需借助圖2所示溫度測量電路進行溫度補償[2]。

圖3所示超聲波檢測模塊由MCU和超聲波傳感器組成，該模塊可實時獲得超聲波傳感器與罐口距離，通過數(shù)字溫度計DS18B20采集溫度進行溫度補償后，最后計算出的罐口坐標精度得到進一步提升。

圖3 超聲波檢測模塊結構圖Fig.3 Structure diagram of ultrasonic testing module

圖4 計算機視覺模塊組成圖Fig.4 Computer vision module composition diagram

圖5 大鶴管轉向結構圖Fig.5 Steering structure diagram of big crane tube

2.2 計算機視覺模塊

計算機視覺模塊能夠在目標邊緣和背景間提高對比度，具有消除相對于獲取目標圖像無意義的特征點、圖像紋理平滑化等功能。因此，具有優(yōu)異的圖像數(shù)據處理能力，該模塊捕捉罐口精確度高、適用性強。

計算機視覺模塊由圖像采集單元、圖像處理單元、工業(yè)計算機等構成，該模塊先利用CCD相機和圖像采集卡獲得油罐圓形罐口圖像轉換為模擬/數(shù)字圖像，再將信號輸出至圖像處理單元進行實時存儲，然后通過圖像處理單元將圖像幾何邊緣實時處理，獲得連續(xù)圖像。最后工業(yè)計算機對獲得的罐口圖像進行算法分析，得到油罐罐口準確位置[3]。

圖6 舵機與MCU連接圖Fig.6 Diagram of connection between steering gear and MCU

2.3 大鶴管轉向結構

圖5 所示大鶴管轉向結構利用舵機實現(xiàn)大鶴管進行X、Y、Z 3個方向運動。舵機1在水平面內運動，舵機2在豎直平面內運動，舵機3通過對渦輪渦桿的控制，實現(xiàn)大鶴管升降。MCU在得到罐口位置后，驅動大鶴管不同關節(jié)處的舵機轉動，最終實現(xiàn)三維空間的大鶴管與油罐罐口精準對位功能。在大鶴管轉向結構中，油料在管道內進行密封運輸，轉動處采用剛性旋轉接頭過渡，利用舵機傳遞動力，圖6為舵機與MCU連接圖，舵機控制器與MCU采用TTL電平通信。

3 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)MCU選用STM 32F103ZET6作為控制核心，STM 32F103ZET6是一種功能強大的32位單片機，擁有集成USB，與工業(yè)計算機連接方便，適用于小型化智能控制系統(tǒng)，其復位功能適用于大鶴管回到初始位置。系統(tǒng)粗對位程序流程圖如圖7所示。

4 結束語

圖7 系統(tǒng)粗對位程序流程圖Fig.7 System coarse program flow chart

本系統(tǒng)通過超聲波檢測技術與計算機視覺圖像處理技術相結合，具有對位精度高、對位速度快等優(yōu)點，克服了現(xiàn)有油料裝載過程中自動化程度低、人工操作不穩(wěn)定等弊端，可實現(xiàn)大鶴管對位過程全自動化操作，并且能夠自動復位大鶴管初始位置。極大提高油品儲運管理作業(yè)效率，在避免安全事故的基礎上進一步增加經濟效益。