錐形水泥桿智能檢測系統研究

吳碧春 劉 玲 張余祥 傅 健

（1.國網安徽省電力有限公司合肥供電公司，合肥 230041；2.安徽立翔電力技術服務有限公司，合肥 230041）

錐形水泥桿在我國經濟建設過程中起到不可或缺的作用，但是質量較差的錐形水泥桿會因斷裂和倒塌造成較大損害，甚至危及人身安全。為使錐形水泥桿符合建設要求，保障安全生產，需要檢測其關鍵參數。國家電網有限公司對所用的錐形水泥桿執行國家標準《環形混凝土電桿》（GB/T 4623—2014）、行業標準《架空輸電線路桿塔結構設計技術規定》（DL/T 5154—2012）、企業標準《配電網桿塔選型技術原則和檢測技術規范》（Q/GDW 11256—2014）等[1]。

目前，水泥桿的質量檢測方式以傳統的人工檢測為主[2-4]，實施檢測的設備質量參差不齊且精度不高。滯后的檢測技術手段是檢測過程中急需解決的弊端[5-6]。對此，文章基于工業自動化技術和人工智能技術，設計和研究錐形水泥桿智能化自動檢測裝置。該裝置可以適應各種不同尺寸的錐形水泥桿的檢測，減少傳統人工檢測存在的安全隱患，提高檢測精度，填補我國錐形水泥桿自動化智能檢測設備的空白，同時為水泥桿的生產自檢環節提供數據，進而改善生產工藝，提升產品質量。

1 整體方案設計

設計的水泥桿智能檢測系統可以自動完成幾何量測量、受力撓度檢測及水泥桿曲面裂縫寬度檢測。整套檢測設備包括控制系統和檢測系統，在錐形水泥桿自動支撐抱夾及加載的基礎上，引入基于機器視覺的三維重建方法，提高了檢測的準確性和自動化水平。

圖1 為整體自動化夾持、加載和機器視覺檢測的原理，其中水泥墩A、B 提供伺服驅動機構在受力狀況下穩定不變的測量平臺和以軌道C 為施力基準的平臺，S1、S2、S3均為伺服驅動機構，F1、F2、F3均為針對錐形水泥桿的垂直支撐機構。機器視覺系統D 能夠沿著視覺精密位移控制平臺E 移動，實現視覺拍照，并通過計算獲得相關參數信息。

圖1 整體自動化夾持、加載和機器視覺檢測原理

根據錐形水泥桿的檢測標準和要求，設計的智能檢測系統包括5 個部分，即垂直支撐保持機構、水平夾持保持機構、機器視覺測量系統、視覺精密位移控制平臺以及彎曲加載保持機構。

2 垂直支撐保持機構設計

檢測時不同尺寸水泥桿的中心軸線需處于同一高度，以滿足機器視覺精確檢測的要求。因此，需要通過調整機構自動將水泥桿的軸線調整到同一中心高度，工作原理如圖2 所示。首先根據需檢測的錐形水泥桿的型號規格，自動計算不同垂直支撐點處所需的上升量，然后控制垂直升降伺服機構精確移動并具有可靠的承載力，其中F1位置固定，F2和F3可跟隨錐形水泥桿的彎曲而移動。

圖2 垂直支撐機構自動工作原理

不同垂直支撐點所需的上升量hi的計算公式為

式中：i為垂直支撐機構所在位置對應的序號；ri為垂直支撐機初始位置相對水泥桿中心線的半徑；r0為設計參考的水泥桿根部半徑；wj為各支點間的距離。

3 水平夾持保持機構設計

大多數傳統人工檢測過程中，采用木塊墊接的方式支撐兩個支點[7]，造成的累積誤差較大。針對這個問題，設計根據錐形水泥桿規格參數自動水平方向夾持對中的機械結構。該結構具有力和位移感知功能，其工作原理如圖3 所示。S1、S2為伺服位移驅動機構，S1固定在距離錐形水泥桿根部150 mm 處，S2可沿平移臺移動，P1、P2為力感知模塊。各支撐模塊進行水平夾持對中時所需的進給量Sli的計算公式為

圖3 水平夾持機構自動工作原理

式中：wn為各支點間的距離。

4 機器視覺測量系統設計

圖4 為機器視覺測量系統，其作用是替代人工識別錐形電桿的不同特征的缺陷信息，主要具有兩個功能。

圖4 機器視覺測量系統

一是大視場錐形水泥桿成像，檢測電線桿形貌（直徑和撓度）。首先，采用攝影測量中的三維點跟蹤技術，對電線桿表面的一系列同軸投影點進行三維重建，獲取投影點的中心坐標。基于這些點的坐標，擬合出當前圓柱面外部輪廓線的曲線方程，并求解軸心坐標和半徑。其次，結合導軌移動擬合出水泥桿不同區域的輪廓曲線，從而構建出錐形水泥桿被測部分的完整三維模型，結合軸線位置測量電線桿直徑、撓度。再次，搭建電線桿表面缺陷檢測深度神經網絡，在計算機的集成軟件環境下，以PyTorch 為框架，編寫表面缺陷檢測神經網絡，將采集到的電線桿表面缺陷數據集輸入搭建的表面缺陷檢測神經網絡中進行訓練。最后，在訓練期間使用適合的損失函數和梯度下降算法優化網絡模型，進行上千輪的訓練，使網絡損失收斂，得到最終的網絡模型。該網絡模型能夠標出電線桿表面缺陷位置，且每個缺陷都附帶分區信息。

二是檢測彎曲時水泥桿的裂紋情況。進一步處理打標定位的裂縫目標，提取裂縫骨架線及其垂直向量，完成對裂縫的寬度測量，測量精度為0.01 mm。機器視覺測量系統的工作原理如圖5 所示。

圖5 機器視覺測量系統工作原理

5 視覺精密控制平臺設計

視覺精密控制平臺由X向導軌、Y向導軌、微距系統以及大視場系統等構成。在檢測過程中，攜帶視覺測量系統的導軌機器人沿視覺精密控制平臺行進，通過視覺測量系統，持續掃描錐形水泥電桿表面的缺陷（如裂縫）。當檢測到錐形水泥電桿表面裂縫缺陷時，視覺精密控制平臺會控制導軌機器人重復定位缺陷部位，精確測量錐形水泥電桿的裂縫。

6 彎曲加載保持機構

彎曲加力保持機構由X向導軌、彎曲加載基座、傳感器等部分組成，能夠自動對不同型號的錐形水泥電桿間歇性均勻地施力，并進行力學性能測試，內置的傳感器實時監測受力狀態，為檢測人員和檢測設備的安全提供保證。

7 結語

設計的水泥桿智能檢測系統主要包括智能調節裝置、自動檢測設備、攜帶視覺測量系統的導軌行進機器人等。在設計過程中主要采用兩方面關鍵技術。第一，高分辨率裂縫智能檢測技術。通過該技術，攜帶視覺測量系統的導軌機器人能識別和檢測裂縫寬度。第二，水泥桿標準化檢測智能調節技術。各關鍵部位通過智能調節控制系統自動支撐、抱緊和施力。整套檢測設備可以適應不同尺寸規格的錐形水泥桿的自動抱夾，無須人工干預，可提供精確的測量基準和力學測試基礎，而且通過引入基于機器視覺的三維重建方法，提高了檢測的準確性和自動化水平，使測試結果更加直觀、可追溯。