輸煤系統(tǒng)軌道式巡檢機(jī)器人輔助定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

文/牟志凌

輸煤系統(tǒng)軌道式巡檢機(jī)器人主要完成輸煤沿線設(shè)備的日常巡檢，例如輸煤皮帶是否跑偏撕裂；輸煤皮帶機(jī)是否滲漏油；落煤口是否發(fā)生堵煤；輸煤沿線是否有無(wú)關(guān)人員出現(xiàn)等等。軌道式巡檢機(jī)器人為了完成上述檢測(cè)，往往需要行走至被測(cè)設(shè)備附近，調(diào)節(jié)攝像機(jī)機(jī)位和角度，采集視頻信息，并最終利用機(jī)器視覺(jué)有關(guān)算法準(zhǔn)確識(shí)別上述故障和異常。目前，實(shí)現(xiàn)軌道機(jī)器人視覺(jué)定位的方法有基于激光的定位檢測(cè)、基于磁性標(biāo)記的定位手段等等。本文設(shè)計(jì)了基于機(jī)器視覺(jué)的定位檢測(cè)系統(tǒng)，只需在初始化階段，人工標(biāo)定輸煤沿線的被測(cè)設(shè)備，系統(tǒng)可自動(dòng)記錄每一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的合理拍攝機(jī)位和角度，后續(xù)巡檢工作即可自主完成，無(wú)需人工干預(yù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 嵌入式云臺(tái)控制器

嵌入式云臺(tái)控制器包含樹(shù)莓派B+控制器，該控制器具備體積小、運(yùn)算速度快等優(yōu)點(diǎn)。可構(gòu)建機(jī)器視覺(jué)算法處理平臺(tái)，支持opencv視覺(jué)庫(kù)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺(jué)有關(guān)智能算法的嵌入式應(yīng)用；利用以太網(wǎng)通信接口，控制云臺(tái)角度調(diào)節(jié)；設(shè)計(jì)以太網(wǎng)接口單元，可將云臺(tái)攝像機(jī)采集的視頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至樹(shù)莓派控制器。因軌道式巡檢機(jī)器人在初始化階段，需要人工參與完成第一次被檢設(shè)備的標(biāo)定，因此，需要在樹(shù)莓派控制器本體上擴(kuò)展液晶顯示單元，便于操作人員觀察和設(shè)置。

圖1：技術(shù)路線圖

1.2 高精度編碼器控制單元

軌道式巡檢機(jī)器人利用兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪、兩個(gè)從動(dòng)輪實(shí)現(xiàn)軌道行走，為了實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人在軌道上的準(zhǔn)確定位，本文在主動(dòng)輪上安裝高精度編碼器，通過(guò)記錄主動(dòng)輪正反轉(zhuǎn)圈數(shù)，實(shí)時(shí)測(cè)得軌道式巡檢機(jī)器人的位置。同時(shí)，為了消除系統(tǒng)的累積誤差，在軌道上間隔安裝基準(zhǔn)點(diǎn)，提高機(jī)器人的定位精度。本文采用了絕對(duì)型旋轉(zhuǎn)編碼器，具備位置唯一、抗干擾、無(wú)需掉電記憶。該編碼器通過(guò)串行接口與嵌入式云臺(tái)控制器相連接，控制器將獲取的位置信息存儲(chǔ)至EEPROM。當(dāng)軌道式巡檢機(jī)器人自主巡檢時(shí)，只需按照存儲(chǔ)的既定巡檢任務(wù)，行走至對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，控制云臺(tái)，獲取正確的視頻圖像信息。

1.3 輔助照明控制單元

因輸煤現(xiàn)場(chǎng)照明條件差，不利于圖像的采集，本文設(shè)計(jì)了可調(diào)節(jié)多色溫的輔助照明單元，該照明單元采用三種色溫的LED燈珠，可實(shí)現(xiàn)被測(cè)設(shè)備在不同色溫照明條件下的成像。上述設(shè)計(jì)針對(duì)的是輸煤現(xiàn)場(chǎng)會(huì)有一定程度的粉塵污染，低色溫的光穿透性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)較好的照明。當(dāng)粉塵濃度較低時(shí)，可切換至色溫較高的照明條件。更利于圖像的有效采集。因本文在輸煤沿線設(shè)備的表面配套安裝了熒光反射光標(biāo)，所以利用輔助照明單元有提高熒光光標(biāo)的反射效果，更利于光標(biāo)圖像的采集。

2 算法設(shè)計(jì)

軌道式巡檢機(jī)器人在初始化階段，操作人員手動(dòng)操作機(jī)器人行走至需要進(jìn)行針對(duì)性檢測(cè)的被測(cè)設(shè)備附近，調(diào)節(jié)云臺(tái)角度和攝像機(jī)焦距，完成檢測(cè)位置的標(biāo)定。同時(shí)為了進(jìn)一步提高定位精度，在被測(cè)設(shè)備表面配套安裝了熒光反射光標(biāo)，以便利用機(jī)器視覺(jué)功能，準(zhǔn)確識(shí)別與定位被測(cè)設(shè)備。其流程如圖1所示。

該過(guò)程需要人工設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)，并將位置信息存儲(chǔ)至機(jī)載的控制器，此外，人工亦可設(shè)置巡檢的頻率和數(shù)據(jù)上傳的時(shí)間間隔等信息。因輸煤現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員較多，人員復(fù)雜，為了保證系統(tǒng)的安全性，本文設(shè)計(jì)了基于人臉識(shí)別的授權(quán)管理功能，只有通過(guò)認(rèn)證的操作人員，才可以完成初始化設(shè)置功能。

全部檢測(cè)位置標(biāo)定后，巡檢機(jī)器人可自主完成巡檢，行走至被測(cè)設(shè)備附近，按照既定的檢測(cè)角度和焦距，采集視頻圖像。采集的視頻圖像傳輸至機(jī)器視覺(jué)處理單元，利用小波變換、邊緣檢測(cè)、圖像分割，獲取準(zhǔn)確的故障特征。

Opencv是一個(gè)在業(yè)界被廣泛應(yīng)用的跨平臺(tái)機(jī)器視覺(jué)庫(kù)。其擁有強(qiáng)大的跨平臺(tái)、多語(yǔ)言支持能力，已經(jīng)成為機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域最影響力的研發(fā)工具之一。目前，opencv已經(jīng)成功應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域，例如人臉識(shí)別、車牌識(shí)別、智慧交通、智慧城市等。本文在充分學(xué)習(xí)與研究opencv視覺(jué)庫(kù)的基礎(chǔ)上，并結(jié)合火電廠輸煤系統(tǒng)輸煤皮帶跑偏檢測(cè)的工藝要求，成功將其移植至嵌入式平臺(tái)。

攝像機(jī)采集的圖像，依次經(jīng)過(guò)圖像去噪、圖像增強(qiáng)，獲得圖像的灰度圖。圖像平滑可有效去除圖像噪聲，原理是利用領(lǐng)域的平均值代替該點(diǎn)像素，有效去除椒鹽噪聲。與此同時(shí)，會(huì)引起圖像邊緣模糊，因此需要后續(xù)處理。本文亦采用中值濾波作為去噪的手段，可有效去除脈沖噪聲。圖像增強(qiáng)則采用直方圖均衡化作為主要算法，實(shí)現(xiàn)推向的銳化，對(duì)圖像空間中的分量進(jìn)行均勻性分布處理，不僅改善了圖像的視覺(jué)效果，有增強(qiáng)了圖像的區(qū)域特征。

圖2：上位機(jī)運(yùn)行界面

圖像經(jīng)過(guò)上述處理后，獲取灰度圖像，并利用Canny邊緣檢測(cè)算法獲取被測(cè)設(shè)備形態(tài)特征，如果有滲漏油發(fā)生，則可以有效提取油漬所形成的圖像輪廓。Canny邊緣檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)原理是：從圖像中的不同物體中提取有關(guān)結(jié)構(gòu)信息，減少對(duì)其他非關(guān)鍵信息的處理，大大減少需要處理的數(shù)據(jù)總量。不同的視覺(jué)對(duì)象，其邊緣特征會(huì)有較大差異，Canny算子便提供了一種標(biāo)準(zhǔn)化的邊緣檢測(cè)技術(shù)。其實(shí)現(xiàn)流程一般如下：對(duì)處理得來(lái)的灰度圖像進(jìn)行高斯濾波處理，進(jìn)一步去除噪聲；接著計(jì)算被測(cè)對(duì)象圖像中每一個(gè)像素的梯級(jí)強(qiáng)度和方向；選取適宜的雙邊閾值，獲取被測(cè)對(duì)象的邊緣特征。因本文配套安裝的熒光反射裝置具有明顯的形態(tài)特征，所以算法只需在圖像中尋找該熒光點(diǎn)。

經(jīng)上述算法，可準(zhǔn)確提取熒光標(biāo)簽的準(zhǔn)確輪廓，本文利用重心法，進(jìn)一步計(jì)算所檢測(cè)的輪廓的幾何中心。為了減小因操作人員的個(gè)體差異，或者是被測(cè)設(shè)備的位置或者姿態(tài)發(fā)生變化所帶來(lái)的不利影響，本文采用機(jī)器學(xué)習(xí)有關(guān)算法，建立被測(cè)物體狀態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)與檢測(cè)模型，可在一定程度上，自主修正檢測(cè)機(jī)位，優(yōu)化視頻采集角度。

3 上位機(jī)軟件簡(jiǎn)介

本文設(shè)計(jì)了基于QT集成開(kāi)發(fā)的上位機(jī)監(jiān)控軟件，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)圖像顯示、位置標(biāo)定、云臺(tái)角度調(diào)節(jié)、輔助照明管理等功能，亦可實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)IP遠(yuǎn)程設(shè)定、熱像儀溫標(biāo)設(shè)定等功能。如圖2所示。

4 小結(jié)

本文設(shè)計(jì)的輸煤系統(tǒng)軌道式巡檢機(jī)器人輔助定位系統(tǒng)，智慧化程度高、安裝簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)可輔助巡檢機(jī)器人實(shí)現(xiàn)位置定位，該裝置將目前較為前沿的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用到了傳統(tǒng)的火電廠輸煤領(lǐng)域，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智慧電廠，奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。