常壓儲罐表面形貌視覺檢測機器人技術研究

孔 強 黃元鳳 李彥樺 桑 森 周國慶 江建博 袁 濤

（1.山東特種設備檢驗檢測集團有限公司；2.山東金特裝備科技發(fā)展有限公司）

隨著時代的發(fā)展，機器人越來越多地出現(xiàn)在工業(yè)現(xiàn)場。 磁性爬壁機器人是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中解決高空作業(yè)的一種新途徑。

目前，我國各類大型儲罐的安全運行成為重點監(jiān)控對象，其安全隱患大多是焊縫缺陷，而焊縫缺陷主要通過焊縫表面的微形貌展現(xiàn)。 傳統(tǒng)的表面輪廓掃描方式多采用搭建高空平臺，攜帶攝像頭或激光傳感器進行掃描，成本高，使用起來很復雜，不利于普及，已經(jīng)無法滿足應用需求。 使用爬壁機器人攜帶表面輪廓掃描傳感器作業(yè)，替代傳統(tǒng)方案，在當下機器人時代具有強大的便利性和實用性。

在輪廓掃描機器人平臺上搭載輪廓掃描傳感器和可視化攝像頭，對儲罐表面進行快速視頻可視化檢測，實現(xiàn)中速掃描拼接和低速重點風險掃 描［1，2］，通 過 上 位 機 軟 件 實 現(xiàn) 多 種 工 作 模 式 并存，使得儲罐表面檢測過程實現(xiàn)智能化。 近年來，磁性爬壁機器人作為機器人的一種，其研發(fā)工作已在歐美、日本和我國取得重要成果［3～5］。 隨著時代的進步， 爬壁機器人負載作業(yè)工具日趨復雜，潛在任務變化多端，使用者和開發(fā)者開始對爬壁機器人提出了更多更高更廣的要求。 為此，筆者設計了磁性爬壁機器人，攜帶激光輪廓掃描傳感器，對在役儲罐的外部損傷、焊縫形狀等微觀三維形貌精確檢測，同時實現(xiàn)微裂縫等缺陷的準確定位［6］。

1 整體方案

為了實現(xiàn)常壓儲罐表面形貌檢測的無人化和高度智能化，針對項目特點，輪廓掃描磁性爬壁機器人需要完成的目標設計如下：

a. 研制可在儲罐表面移動的運動底盤，上方帶有激光傳感器和視頻監(jiān)控攝像頭，通過旋轉(zhuǎn)云臺和推桿機構，實現(xiàn)激光傳感器和攝像頭的全方位掃描與監(jiān)控。

b. 通過機器人運動平臺攜帶激光輪廓掃描傳感器和攝像頭， 收集位置信息和表面形貌信息。

c. 位置定位則是通過姿態(tài)儀傳感器實現(xiàn)，姿態(tài)儀傳感器由三軸加速度計和三軸陀螺儀構成，可以分別輸出x軸、y軸、z軸的加速度、角速度和角度數(shù)據(jù)。

d. 對加速度做兩次積分，計算出機器人的位移， 通過姿態(tài)儀和里程計定位融合消除誤差，得出機器人上輪廓掃描傳感器的前進方向和位置坐標信息，通過這些參數(shù)定位機器人的精確位置和掃描方向，結(jié)合激光輪廓掃描傳感器的掃描數(shù)據(jù)， 運用Python 數(shù)據(jù)處理軟件和Matlab 軟件將測量數(shù)據(jù)進行拼接，得到常壓儲罐的整體三維表面形貌。

項目的輪廓掃描系統(tǒng)整體框架如圖1 所示。

圖1 輪廓掃描系統(tǒng)整體框架

2 機器人平臺結(jié)構設計

2.1 輪廓掃描運動吸附機構

機器人使用麥克納姆輪運動平臺，采用軸式獨立懸掛結(jié)構，保證機器人在罐壁上爬行時輪與罐壁緊密接觸。 機器人底部設有吸附結(jié)構，吸附結(jié)構分為3 個模塊組合安裝于小車底部， 其中2個模塊一樣，位于輪部，機器人腹部模塊位于小車底部的中間位置，3 個模塊上都安裝有40mm×20mm×5mm 的釹鐵硼磁鐵。 機器人底盤結(jié)構的Solid Works 三維模型如圖2 所示。

圖2 底盤結(jié)構三維模型

釹鐵硼是一種磁性優(yōu)秀的金屬，具有良好的抗腐蝕防銹性，丟磁性極低，是一種特別適合作為機器人吸附結(jié)構設計的永磁性金屬，其屬性參數(shù)如下：

型號 N35

剩磁 1.17～1.21T

矯頑力 860～907kA/m

最大磁積能 279kJ/m3

內(nèi)稟矯頑力 不小于955kA/m

最佳工作溫度 80℃

在設計機器人底盤結(jié)構時，釹鐵硼磁鐵與罐壁間的距離是決定其吸附能力優(yōu)劣的關鍵因素，因此需要對相關的磁性磁鐵進行測試。 通過零部件機加工后裝配完成底盤結(jié)構，底部柔性安裝磁鐵，可以通過調(diào)節(jié)磁鐵與安裝支架間的墊塊調(diào)整磁鐵的數(shù)量和磁鐵與罐壁間的距離，找到最優(yōu)方案。

2.2 吸附機構試驗

吸附機構測試方案采用在機器人尾部掛載不同配重模塊的方式，結(jié)合機器人運行狀況和機器人負載情況，得出磁鐵與罐壁間的距離、掛載數(shù)量和可承載負載的試驗結(jié)果，詳見表1。

表1 機器人負重試驗數(shù)據(jù)

分析表1 數(shù)據(jù)可知，磁鐵距離罐壁4mm 的位置是其最佳吸附高度； 當磁鐵距離罐壁大于4mm時， 其吸附能力大幅降低； 當磁鐵距離罐壁小于4mm 時，其吸附能力小幅提升。但由于需要預留一定空間，確保底盤不觸碰底部，因此磁鐵距離罐壁4mm 時其吸附能力和越障能力綜合性能最優(yōu)。

機器人整體重量15kg， 需預留一點余量，因此掛載數(shù)量選擇12 塊最為保險 （過多會致使電機驅(qū)動力過大、機器人耗能過快）。

3 硬件設計

3.1 運動底盤控制器

運動底盤控制器選用STM32F103RCT6 單片機，實現(xiàn)機器人的實時控制。 為了實現(xiàn)爬壁機器人運動平臺的多接口和復雜運動控制，設計主程序初始化各類功能函數(shù)，通過串口中斷和定時器中斷配置各種任務。 通過I/O 控制方式與電源控制模塊相連，由PWM 控制電機驅(qū)動器，位置信息由單片機接口高速讀取， 經(jīng)由內(nèi)部信息整理，以串口通信協(xié)議傳送至工控機。 使用串口中斷UART1 接收Linux 工控機的速度串口命令，使用串口中斷UART2 接收Linux 工控機的位置串口命令，實現(xiàn)機器人的方位控制和位置坐標控制功能。 單片機STM32F103RCT6 的硬件控制架構如圖3 所示。

圖3 STM32F103RCT6 硬件控制架構

3.2 系統(tǒng)控制器

采用芯片ARM Cortex-A8 架構， 安裝Linux系統(tǒng)，內(nèi)部運行ROS 機器人控制系統(tǒng)，該ROS 系統(tǒng)控制板采用內(nèi)部2.4GHz、2T2R 雙天線WLAN解決方案。通過機器人操作系統(tǒng)內(nèi)的opencv 功能包完成視頻信息的采集與智能識別處理，該工控機模塊符合國際標準802.11 b/g/n 協(xié)議， 設計使用 的 WLAN 模 塊 采 用 DSSS、OFDM、BPSK、QPSK、CCK 和QAM 基帶調(diào)制技術， 能自適應路由器等設備的無線熱點。 支持MIMO 技術，最大連接速率可達300Mbit/s，可以滿足爬壁機器人對數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?另外，該模塊上設有TTL 串口模塊， 用于與底層STM32F103RCT6 運動控制板進行串口通信；該模塊上設有1 路10/100 自適應網(wǎng)絡接口，用于線性激光傳感器的接入。 ROS 系統(tǒng)控制架構如圖4 所示。

圖4 ROS 系統(tǒng)控制架構

4 軟件部分

輪廓掃描磁性爬壁機器人的軟件設計基于PYQT5，PYQT5 為基于Python 語言的上位機開發(fā)平臺，與傳統(tǒng)C++QT 開發(fā)平臺相融合，上位機設計包括機器人的控制操作界面、視頻信息實時監(jiān)控界面和激光可視化界面。 在上位機后端程序設計中最為重要的部分是網(wǎng)絡功能模塊的設計。

軟件平臺通過網(wǎng)線連接檢測作業(yè)機器人，控制檢測作業(yè)機器人的運動軌跡，并將采集到的數(shù)據(jù)通過交換機傳送到計算機， 在軟件平臺上顯示。 軟件平臺作為檢測作業(yè)機器人的控制和可視化中心， 能夠?qū)缚p的圖像和點云數(shù)據(jù)進行顯示，并監(jiān)測機器人的運行狀態(tài)，對機器人實施有效的管理和控制。

4.1 軟件平臺系統(tǒng)架構

軟件平臺采用分層的模塊化結(jié)構， 可基于Windows 或Linux 操作系統(tǒng)平臺， 采用純面向?qū)ο蟮木幊陶Z言Python 進行托管代碼編程，通過多線程進行耗時任務的后臺處理，避免阻塞用戶的界面操作，系統(tǒng)性能和可靠性高，維護和擴展方便。

各模塊基于接口編程， 廣泛應用設計模式，降低模塊間的耦合，系統(tǒng)架構清晰，功能擴展方便。 主程序段如圖5 所示，在主程序里打開主線程，對各類點擊事件進行查詢，核心為設計功能類塊，在構建的類塊進行機器人控制程序和激光掃描控制程序的編寫。

圖5 主程序段

4.2 軟件平臺接口設計

檢測作業(yè)機器人可見光攝像頭、激光攝像頭和主控板統(tǒng)一接入交換機，最終通過UDP 協(xié)議接入軟件平臺，并下發(fā)相關指令。 軟件平臺接口系統(tǒng)架構如圖6 所示，軟件平臺通過與機器人本體主控板交互，獲取機器人自身狀態(tài)信息、可見光和激光點云數(shù)據(jù)，并將相關數(shù)據(jù)展示在軟件平臺上。

圖6 軟件平臺接口系統(tǒng)架構

上位機界面如圖7 所示，軟件平臺主要包括視頻實時顯示窗口、點云實時顯示窗口及本體控制虛擬按鍵等。在激光攝像頭提供SDK 開發(fā)包的情況下可對點云數(shù)據(jù)進行三維擬合。

5 激光輪廓掃描系統(tǒng)

5.1 儲罐表面微觀形貌激光視覺傳感器

儲罐表面微觀形貌激光視覺傳感器上的柱面物鏡將激光光束擴大為條狀，隨后激光在目標物上產(chǎn)生漫射， 反射光在HSE 3-CMOS 上成像，通過檢測位置和形狀的變化來測量位移和形狀，可進行儲罐外部損傷、焊縫形狀等微觀三維形貌的精確檢測。

儲罐表面微觀形貌激光視覺傳感器選用aT-2500LR/BH 型，測量范圍2500mm±925mm，與平臺以TCP/IP 協(xié)議進行通信。

“當前，收入水平不斷提高和消費結(jié)構逐步升級，人們休閑旅游的需求更加旺盛。隨著消費觀念的轉(zhuǎn)變和帶薪休假制度的逐步落實，休閑度假將會成為大眾化的消費方式。與此同時，城鄉(xiāng)一體化進程不斷加快，農(nóng)村的基礎設施和公共服務更加完善，鄉(xiāng)村的好山好水好風光更有魅力，城里人到鄉(xiāng)村養(yǎng)眼洗肺、解乏去累的愿望更加強烈。”韓長賦分析說，當前休閑農(nóng)業(yè)和鄉(xiāng)村旅游發(fā)展面臨難得的歷史機遇。

通過安裝在磁性爬壁機器人上的激光輪廓掃描傳感器，獲取儲罐三維形貌數(shù)據(jù)信息，對儲罐的三維形貌數(shù)據(jù)進行分析， 就可界定外部損傷、腐蝕坑和焊縫邊界，分析研究邊界特征，分別針對損傷、 腐蝕坑和焊縫的邊界特征， 采用Python 數(shù)據(jù)處理軟件和Matlab 軟件設計剪切、濾波、形態(tài)學處理及二值化等信息處理算法，獲得外部損傷、腐蝕坑和焊縫邊界。

5.2 三維定位信息和儲罐表面微觀形貌視覺傳感器表面形貌信息的拼接

目前，激光輪廓掃描設備輸出的點云數(shù)據(jù)以幀為單位，若需要完整的3D 點云數(shù)據(jù)，則需自行實現(xiàn)y 軸方向的數(shù)據(jù)拼接。 拼接y 軸方向的數(shù)據(jù)時，需要計算y 軸方向的步進間距nStepDist：

式中 nStepDist——步進間距；

nFrameRate——激光傳感器掃描幀率；

v——物體移動速度。

從而得出某一幀點云輪廓y 軸方向的坐標：

式中 nCurFrame——當前圖像的幀號；

nStartFrame——第1 張圖像的幀號。

圖8 為三維掃描成像圖，其中y 軸方向為激光傳感器掃描方向。

圖8 三維掃描成像圖

實體儲罐面積很大， 如果需要全面檢測，就需要進行多次測量，然后將每次測量的三維形貌數(shù)據(jù)準確結(jié)合起來，即可得到儲罐整體三維微觀形貌，通過定位和圖像拼接就可以實現(xiàn)大面積形貌呈現(xiàn)。

采用儲罐微觀形貌視覺傳感器對試板進行測量試驗，根據(jù)測量數(shù)據(jù)，通過理論推導，建立不同傳感器拍攝位置局部坐標間的關系， 再通過Python 數(shù)據(jù)處理軟件和Matlab 軟件實現(xiàn)圖像拼接，最后將結(jié)果與人工測量結(jié)果進行比較，用以修正定位方法和圖像拼接算法。

6 結(jié)束語

為了實現(xiàn)常壓儲罐表面形貌的高效監(jiān)測，將機器人移動平臺技術和激光輪廓掃描技術相融合， 能夠更加有效地解決在役儲罐外部損傷、焊縫形狀等微觀三維形貌的精確檢測和定位，實現(xiàn)儲罐微觀形貌特征的主動視覺檢測和定位。 同時，作為高效、安全的人類首選替代品，爬壁機器人技術和激光輪廓掃描技術的有效結(jié)合，能夠更好地實現(xiàn)常壓儲罐安全工作狀態(tài)的日常檢查。

目前，本項目已經(jīng)順利完成了輪廓運動定位爬壁機器人平臺的設計以及輪廓掃描儀器的研究和設計。 未來將進一步研究實現(xiàn)高性能的微觀三維形貌的拼接和校準技術，同時提高爬壁運動平臺的定位精度。 從一定意義上說，爬壁形貌檢測機器人的技術水平間接地反映出罐體工業(yè)檢測的現(xiàn)代化水平，在爬壁機器人領域，性能還需要不斷改進，功能需要不斷完善，使其應用日益大眾化，應用領域持續(xù)擴大，在各種極限環(huán)境下，都能實現(xiàn)爬壁機器人的大規(guī)模應用，如：強放射線元素下的高危施工作業(yè)、高空清洗作業(yè)、深海勘測作業(yè)、消防救援作業(yè)及高溫高危場所檢修作業(yè)等，這些應用對國民經(jīng)濟發(fā)展的作用將會日益顯著，本項目研究的相關技術的社會效益也會日益凸顯。