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基于机器视觉的小型管道机器人工程硕士研究

论文编号:lw201709052013445654 所属栏目:工程硕士论文 发布日期:2018年01月29日 论文作者:无忧论文网
第一章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义
随着全球工业化程度越来越高,资源的运输与共享已成为人们生活与生产中不可或缺的部分,目前主流的五大运输方式分别是公路运输、铁路运输、海上运输、空中运输和管道运输。与其他几种运输方式相比,管道运输有着运输量大、占地少、不受气候影响、安全性较高、成本低、环境效益好等一系列独特的优势,已经广泛应用于食品加工业、城市给排水、石油化工、生活资源供给等诸多重要领域,逐渐开始成为衡量一个国家工业发展水平的标志之一[1]。近年来,随着中国经济建设的快速发展,我国对石油天然气的需求量迅速增长,油气管道运输业也出现快速发展的趋势。1958 年,我国第一条长距离油气干线管道修建完成,起始于新疆克拉玛依油田,终止于新疆天山北坡的独子山炼油厂。随着石油产业在 70 年代的大跨步发展,管道建设也随之大规模的开展起来。直至 1990 年底的时候,我国已拥有用于远距离输送油气的运输管道一万六千千米。今后,我国油气管道建设将朝着更大的规模发展,21 世纪的中国将成为全球油气管网建设的中心地区之一。据估计,2020 年全国油气管道总长度将超过十五万公里。然而在享受着管道运输的便捷同时以及管道运输快速发展的背后却隐藏着越来越大的安全隐患,由于管道中输送的油气都易燃易爆,一旦发生任何纰漏,比如管道破裂等等,极易引起火灾、爆炸等恶性后果。随着时间的推移,这些隐患将会逐渐地暴露出来,近几年来接二连三地发生的爆炸事故就是例证。2010 年 7 月 16 日,中国的滨城大连发生了重大火灾,灾情持续时间长达 15 小时之多,火灾起源是由于两条存在安全隐患的输油管道在使用过程中发生爆炸。2013 年 11 月 22 日,中国的琴岛青岛市发生了由于油气管道泄漏,并在事后因处置不当而导致的管道爆炸等惨烈事故,大爆炸不仅造成了火灾还造成了重大的人员伤亡事件,其中死伤人数多达 192 人,管内原油泄漏对当地人民的生活环境造成严重污染[2]。在巨大的安全隐患下,全球开始加强对油气管道运输安全的监管。防止安全问题发生的行之有效的一个办法就是强制企业实施管道检测。美国陆续颁布了《管道安全改进法》,《2006 年管道检测、保护、执法安全法令》等一系列法令条文来规范和加强企业对管道安全性检测。我国也颁布了《压力管道定期检验规则》,这一法令的制定规范了国家对油气输送管道检测的标准,其中规定主管路五年内必须进行检测。
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1.2 管道机器人的国内外研究现状
管道机器人的类型众多,应用范围广泛,部分管道机器人已应用于工业化制造,但多数管道机器人存在智能化不足、自主性差等不可忽略的不足。上世纪 50 年代,管道猪(PIG)首次被研制出来,主要用于对管道内部的清洁与维护。由于管道猪的动力源是靠管道内流体的压差提供,所以其运动方向和速度全部由流体的流动方向与速度决定,这就意味着管道猪不能被自主智能的精确控制。经过多年发展,管道猪技术已经相当成熟,目前在大口径管道检测中应用广泛,但由于它的运动不可控性,时常会卡在管道内部,为了弥补这一缺陷,各国研究学者展开了对主动式管道机器人的研究[5][6]。70 年代末,由法国的 J.Vertut 博士研制的轮腿式管道机器人 IPRIV 开始,掀起了广大研究学者对于主动式管道机器人研究的热潮。凭借先进的工业技术,美国开发了众多形式的工业机器人,同时也包括管道机器人,其中 Inuktun 公司的管道检测机器人Versatrax 系列已被应用于工业制造中[7]。由于管道种类众多,一种机器人适应不了所有管道,所以针对于小管径的管道,日本东京工业大学的 Shigeo Hirose 和 Hidetaka Ohno等人研发制造了小型系列管道机器人 Thes-Ⅰ、Thes-Ⅱ、Thes-Ⅲ。针对于不同应用领域的管道,管道机器人的设计也略为不同,韩国的 Hyouk.R.C 等人研制了应用于燃气管道的管道检测机器人系列 MRINSPECT 。与工业领域发达的国家相比,我国针对管道机器人的研究起步较晚,但近年来,国家大力发展科学技术,在众多政策的支持下,许多高校都开展了对于管道机器人的研究与开发。在国家“863”计划的支持下,邓宗全教授带领的哈尔滨工业大学团队研制出中国第一台将 X 射线应用于管道焊缝检测的管道机器人,并已成功投入实际检测应用中。
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第二章 基于视觉的管道机器人研究分析

2.1 引言

管道机器人是一种通过远程控制中心、底层控制器和多个传感器的配合,在工作人员的远程遥控操作下,完成一系列管道作业的智能化机器人系统。基于视觉的管道机器人主要用来检测管道内部缺陷情况,及时发现问题及时处理,避免不必要的经济或人力损失,基于视觉的管道机器人研究主要体现在三个方面:运动机制研究、监控系统研究和视觉处理的研究。

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2.2 管道机器人相关原理与技术
由于管道机器人作业环境的特殊性导致了其运动方式受到了局限,所以研究适宜的管道机器人运动机制成为管道机器人领域的热点话题。根据机器人在管道内部移动所需的动力源及其运动可控性的不同,被分为被动运动型管道机器人和主动运动型管道机器人两类。管道机器人的运动方式见表 2-1。普通构造型的机器人,轮子与驱动电机直接连接,有较大的驱动力,设计较为方便,在管内行走时可以较好的控制运动速度与方向;压壁型管道机器人,轮子以间隔 120°的方式被安装在对称的弹性壁上,这种方式可使机器人获得较大的摩擦力,因而能够克服自身重力,在倾斜甚至垂直管道内稳定行走;螺旋驱动型管道机器人,分为转子和定子两个模块,转子的横向螺旋运动提供主动力,定子的纵向运动起导向作用[12]。
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第三章 基于视觉的管道机器人实时运动控制系统.....16
3.1 引言...........16
3.2 管道机器人本体结构.......16
3.3 管道机器人运动控制系统.......18
3.4 本章小结...........22
第四章 基于视觉的管道机器人数据采集与存储系统.........23
4.1 引言...........23
4.2 基于视觉的管道机器人软件平台...........23
4.3 管道机器人数据采集与存储系统...........25
4.4 本章小结...........29
第五章 管道机器人的视觉伺服控制系统.....30
5.1 引言...........30
5.2 管道机器人的视觉伺服控制系统方案...........30
5.3 管道机器人的视觉系统...........31
5.4 基于 ROS 的机械臂控制...........32
5.5 本章小结...........34

第五章 管道机器人的视觉伺服控制系统

5.1 引言
随着机器人智能化程度越来越高,其所能承担的任务也越来越复杂,传统的管道机器人检测技术已不能满足日益发展的管道工业技术。视觉伺服控制系统是利用视觉处理作为反馈单元对控制系统进行调节,相当于人类的“手眼”结合,具有更好的灵活性、精确性。视觉伺服控制的管道机器人是未来的发展趋势。视觉伺服控制系统是利用视觉处理作为反馈单元对控制系统进行调节,其根本是使目标函数e(s*?s(A(i) ?b)) 值最小,其中 s*是给定的目标量,s 是关于图像信息 A(i)和系统参数 b 的当前量,比单一的传感器具有更高的维度,能更好的达到管道机器人检测的目的[41]。管道机器人视觉伺服系统包括三个部分:机器人系统、视觉系统、控制系统。其中机器人系统已经在第三、四章做了详细介绍,本章主要涉及视觉系统和控制系统。视觉系统是指通过管道机器人携带的摄像头获取管道图像信息,将这些图像信息进行图像处理操作得到合适的视觉反馈信息。而控制系统接收到视觉反馈信息来进行自我控制量的调节修正。视觉伺服控制系统架构如图 5-1 所示。
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总结

随着现代科学技术的飞速发展以及运输行业对于管道检测需求的提高,越来越多的专家学者针对管道检测机器人进行了大量研究并取得可喜的成果,但是科学技术的发展永远没有尽头,对于管道检测机器人的技术研究迫在眉睫。本文在调研国内外管道机器人发展现状、发展趋势以及所涉及技术后,在已有的管道机器人研究基础上对其改进,研制出用于管道内部缺陷检测的螺旋轮式驱动管道机器人,该机器人可实现管道内行走和监测功能。其体积为Ф125*290mm,重量为 2250g,机械结构主要由保持架(从动装置)和螺旋头(主动装置)组成。硬件系统由 PIC 单片机做主控器,辅以霍尔测速、超声波测距等传感器,前端带载无线网络摄像头,用以观察管内状况。软件系统通过 Socket方式和底层单片机进行通信,达到远程监测控制机器人的目的,配以 SQL Server 数据库来存储历史数据,同时对管道内部图像进行图像处理操作。本文所做工作主要如下:
(1)调研管道机器人研究的意义以及发展现状,对管道检测机器人的发展趋势进行分析并对其所涉及到的技术进行分析;
(2)比较目前已有的管道机器人运动方式的优缺点,针对本文管道机器人的应用环境以及需求,设计了带有弹簧压壁装置的螺旋驱动机构作为管道检测机器人的机械运动机构;
(3)根据管道检测机器人需完成的功能、技术需求和经济需求,设计了以 PIC 单片机为控制核心的硬件系统和以 C#为编程语言的上位机软件系统,实现了远程控制管道机器人的启停、变向和变速以及监测管道机器人的实时数据信息和管道内部缺陷信息;
(4)对视觉伺服控制系统进行了初步研究,介绍了视觉伺服控制管道机器人的方式,设计了视觉系统和基于 ROS 操作系统的机械臂控制系统;
(5)针对管道内部缺陷的特点,改进了缺陷图像分割算法,在深入研究了已有的K-mean