多傳感器大鶴管快速精準(zhǔn)對(duì)位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

顧亞雄，劉漢文，白 洋，李洪宇，陳 濤，解 淼，徐 淋

（西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，成都 610500）

目前，國(guó)內(nèi)油品儲(chǔ)運(yùn)企業(yè)裝載油料多采用遙控對(duì)位系統(tǒng)。這種對(duì)位系統(tǒng)需要一名現(xiàn)場(chǎng)控制人員利用肉眼觀察進(jìn)行手動(dòng)遙控大鶴管與油罐車(chē)罐口對(duì)位，一名油罐車(chē)操作員才能完成整個(gè)對(duì)位過(guò)程。人員需求較多，且工作強(qiáng)度很大，容易出現(xiàn)疲勞，引起事故，整個(gè)過(guò)程只能做到半自動(dòng)化。對(duì)位方式單一不穩(wěn)定，導(dǎo)致大鶴管控制系統(tǒng)存在對(duì)位自動(dòng)化程度低、對(duì)位速度慢等問(wèn)題。因此，研發(fā)出符合國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀的大鶴管自動(dòng)對(duì)位控制系統(tǒng)迫在眉睫，對(duì)位效率的提高必將帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益，提高各個(gè)地區(qū)油庫(kù)儲(chǔ)運(yùn)的自動(dòng)化程度，對(duì)整個(gè)石油行業(yè)的發(fā)展具有重要意義[1]。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System overall structure diagram

圖2 溫度測(cè)量電路圖Fig.2 Temperature measurement circuit diagram

針對(duì)上述情況，本系統(tǒng)將大鶴管轉(zhuǎn)向技術(shù)與超聲波檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合先進(jìn)行大鶴管粗對(duì)位，再通過(guò)計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)將大鶴管與油罐車(chē)罐口精準(zhǔn)對(duì)位。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)大鶴管對(duì)位過(guò)程全自動(dòng)化操作，極大簡(jiǎn)化大鶴管對(duì)位過(guò)程操作步驟，消除人工操作管理帶來(lái)的不穩(wěn)定因素，進(jìn)一步提升油品儲(chǔ)運(yùn)企業(yè)的整體效益。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

當(dāng)油罐車(chē)在小爬車(chē)的牽引下抵達(dá)大鶴管附近后，在粗對(duì)位階段利用超聲波檢測(cè)罐口，將脈沖信號(hào)通過(guò)MCU轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)進(jìn)而控制大鶴管快速轉(zhuǎn)向油罐車(chē)罐口。再利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)圖像處理技術(shù)檢測(cè)罐口邊緣，并對(duì)算法進(jìn)行研究?jī)?yōu)化，得到罐口準(zhǔn)確位置。最后控制轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)使大鶴管準(zhǔn)確對(duì)位至罐口中心。當(dāng)油料裝載完畢，系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位使大鶴管回到初始位置。圖1為系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。

2 對(duì)位系統(tǒng)組成

2.1 超聲波檢測(cè)模塊

超聲波具有頻率高、波長(zhǎng)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(fèi)用低，易于小型化。用其測(cè)量一定范圍內(nèi)是否有油罐車(chē)罐口出現(xiàn)：當(dāng)檢測(cè)到油罐車(chē)罐口時(shí)，MCU將控制大鶴管轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速粗對(duì)位。但溫度對(duì)超聲波檢測(cè)精度有一定影響，故需借助圖2所示溫度測(cè)量電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償[2]。

圖3所示超聲波檢測(cè)模塊由MCU和超聲波傳感器組成，該模塊可實(shí)時(shí)獲得超聲波傳感器與罐口距離，通過(guò)數(shù)字溫度計(jì)DS18B20采集溫度進(jìn)行溫度補(bǔ)償后，最后計(jì)算出的罐口坐標(biāo)精度得到進(jìn)一步提升。

圖3 超聲波檢測(cè)模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of ultrasonic testing module

圖4 計(jì)算機(jī)視覺(jué)模塊組成圖Fig.4 Computer vision module composition diagram

圖5 大鶴管轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Steering structure diagram of big crane tube

2.2 計(jì)算機(jī)視覺(jué)模塊

計(jì)算機(jī)視覺(jué)模塊能夠在目標(biāo)邊緣和背景間提高對(duì)比度，具有消除相對(duì)于獲取目標(biāo)圖像無(wú)意義的特征點(diǎn)、圖像紋理平滑化等功能。因此，具有優(yōu)異的圖像數(shù)據(jù)處理能力，該模塊捕捉罐口精確度高、適用性強(qiáng)。

計(jì)算機(jī)視覺(jué)模塊由圖像采集單元、圖像處理單元、工業(yè)計(jì)算機(jī)等構(gòu)成，該模塊先利用CCD相機(jī)和圖像采集卡獲得油罐圓形罐口圖像轉(zhuǎn)換為模擬/數(shù)字圖像，再將信號(hào)輸出至圖像處理單元進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，然后通過(guò)圖像處理單元將圖像幾何邊緣實(shí)時(shí)處理，獲得連續(xù)圖像。最后工業(yè)計(jì)算機(jī)對(duì)獲得的罐口圖像進(jìn)行算法分析，得到油罐罐口準(zhǔn)確位置[3]。

圖6 舵機(jī)與MCU連接圖Fig.6 Diagram of connection between steering gear and MCU

2.3 大鶴管轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)

圖5 所示大鶴管轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)利用舵機(jī)實(shí)現(xiàn)大鶴管進(jìn)行X、Y、Z 3個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。舵機(jī)1在水平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，舵機(jī)2在豎直平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，舵機(jī)3通過(guò)對(duì)渦輪渦桿的控制，實(shí)現(xiàn)大鶴管升降。MCU在得到罐口位置后，驅(qū)動(dòng)大鶴管不同關(guān)節(jié)處的舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)三維空間的大鶴管與油罐罐口精準(zhǔn)對(duì)位功能。在大鶴管轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)中，油料在管道內(nèi)進(jìn)行密封運(yùn)輸，轉(zhuǎn)動(dòng)處采用剛性旋轉(zhuǎn)接頭過(guò)渡，利用舵機(jī)傳遞動(dòng)力，圖6為舵機(jī)與MCU連接圖，舵機(jī)控制器與MCU采用TTL電平通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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

4 結(jié)束語(yǔ)

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

本系統(tǒng)通過(guò)超聲波檢測(cè)技術(shù)與計(jì)算機(jī)視覺(jué)圖像處理技術(shù)相結(jié)合，具有對(duì)位精度高、對(duì)位速度快等優(yōu)點(diǎn)，克服了現(xiàn)有油料裝載過(guò)程中自動(dòng)化程度低、人工操作不穩(wěn)定等弊端，可實(shí)現(xiàn)大鶴管對(duì)位過(guò)程全自動(dòng)化操作，并且能夠自動(dòng)復(fù)位大鶴管初始位置。極大提高油品儲(chǔ)運(yùn)管理作業(yè)效率，在避免安全事故的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加經(jīng)濟(jì)效益。