基于數(shù)字X射線成像的高壓線探傷巡檢機(jī)器人*

高 源，宋光明，李松濤，甄富帥，陳大兵，宋愛國

(1.東南大學(xué) 儀器科學(xué)與工程學(xué)院/生物電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江蘇省遠(yuǎn)程測控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210096；2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103)

0 引 言

碳纖維復(fù)合芯軟鋁(aluminum conductor composite core,ACCC)導(dǎo)線(碳纖維導(dǎo)線)是在我國電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用的新型導(dǎo)線。但是，碳纖維導(dǎo)線內(nèi)部易受彎折損傷，易造成導(dǎo)線強(qiáng)度失效而斷裂，對人民群眾的用電安全造成巨大影響。電力巡檢機(jī)器人技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)較成熟，能夠替代人工完成巡視[1～5]、維護(hù)[6～11]、探傷[12～14]等多種任務(wù)。其中，探傷機(jī)器人多采用電渦流、磁通量等檢測方法。例如，加拿大IREQ 的Pouliot N等人[12]設(shè)計(jì)的Line Core使用電渦流檢測鋼芯鋁絞線內(nèi)腐蝕狀況。但由于碳纖維導(dǎo)線的碳纖維芯沒有電磁特性，無法使用常規(guī)方法進(jìn)行探傷。

射線探傷是無損探傷領(lǐng)域一種常用手段，但由于射線探傷系統(tǒng)體積大、重量大，國內(nèi)外少有對已在網(wǎng)運(yùn)行的導(dǎo)線進(jìn)行射線探傷的設(shè)備。文獻(xiàn)調(diào)研后，僅發(fā)現(xiàn)日本筑波科技設(shè)計(jì)的便攜式X射線檢查裝置[14]對鋼芯鋁絞線內(nèi)部斷裂進(jìn)行探傷，對架空導(dǎo)線的射線探傷的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證，但由于其結(jié)構(gòu)無法跨越任何障礙，限制了其應(yīng)用范圍。

本文以碳纖維導(dǎo)線為檢測對象，設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)字X射線成像(DR)的探傷機(jī)器人。為滿足探傷機(jī)器人從事特種任務(wù)的可靠性需求，設(shè)計(jì)了一種冗余控制系統(tǒng)，從控制核心、供電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等方面提高機(jī)器人控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。通過并行調(diào)度的自動(dòng)探傷系統(tǒng)，提高機(jī)器人探傷效率。針對碳纖維導(dǎo)線內(nèi)部碳纖維芯探傷的需求，設(shè)計(jì)了基于數(shù)字X射線成像的探傷系統(tǒng)，并通過清晰度指標(biāo)對成像系統(tǒng)運(yùn)行效果進(jìn)行研究。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)器人各項(xiàng)功能，并上線驗(yàn)證實(shí)際運(yùn)行效果。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

探傷機(jī)器人由探傷模塊、行走模塊與視覺模塊組成，如圖1所示。由于射線探傷系統(tǒng)重量大，機(jī)器人整體框架為焊接一體成型，以保證足夠的機(jī)械剛度。射線成像系統(tǒng)上下布置構(gòu)成探傷模塊。安裝上線時(shí)，被測導(dǎo)線從側(cè)邊滑入。直流減速電機(jī)沿導(dǎo)線方向布置，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人沿著導(dǎo)線行走，并使機(jī)器人具有翻越防震錘等簡單障礙物的能力。機(jī)器人行走模塊的核心是鋁芯鞍形聚氨酯包膠輪，輪中心弧度適應(yīng)導(dǎo)線外徑，接觸面積大以提供更大的摩擦阻尼。內(nèi)置云臺(tái)的視覺模塊可以保證地面操作人員具有良好的視野。

圖1 機(jī)器人3D模型

1.2 冗余控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，控制核心分為底層控制器與上層控制器兩部分。底層控制器以STM32為核心，用于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制、射線控制等底層任務(wù)，控制程序復(fù)雜度低，且運(yùn)行有看門狗能實(shí)現(xiàn)程序異常復(fù)位，具有較高的可靠性。上層控制器以工控機(jī)為核心，運(yùn)行Linux系統(tǒng)，用于對算力要求較高的圖像采集與預(yù)處理。系統(tǒng)中的底層控制器與上層控制器均能對機(jī)器人重要部件進(jìn)行控制，當(dāng)出現(xiàn)一個(gè)控制器失靈時(shí)，剩余一個(gè)控制器能接管控制系統(tǒng)，保證機(jī)器人射線系統(tǒng)及時(shí)關(guān)閉并安全返程。

圖2 機(jī)器人冗余控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

底層控制器通過CAN總線控制機(jī)器人兩臺(tái)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。由于STM32無法直接輸出差分信號，因此需要TJA1050收發(fā)器作轉(zhuǎn)換。底層控制器可以設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速，控制電機(jī)啟停，并輪詢電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。工控機(jī)也通過USB-CAN轉(zhuǎn)換器接入CAN總線，正常情況下處于靜默狀態(tài)，在緊急狀況下可以控制機(jī)器人回程。

通信鏈路用于滿足機(jī)器人遠(yuǎn)程操縱與數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆５孛婵刂平K端對機(jī)器人控制命令通過230 MHz的上行信號傳輸，機(jī)器人運(yùn)行速度、射線參數(shù)等數(shù)據(jù)通過433 MHz的下行信號傳輸，而探傷系統(tǒng)采集的射線圖像以及攝像頭實(shí)時(shí)視頻通過2.4 GHz的無線路由傳輸。使用不同頻段的無線信號，可以滿足控制信號遠(yuǎn)距離與圖傳信號高帶寬的需求，且有效減少信號干擾。同時(shí)，在通信系統(tǒng)異常時(shí)，冗余的通信鏈路可以提高機(jī)器人的控制可靠性。假設(shè)遙控電臺(tái)失靈，則地面控制終端可以通過圖傳的無線網(wǎng)絡(luò)控制機(jī)器人，工控機(jī)接管機(jī)器人控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的安全回程。

針對機(jī)器人運(yùn)行中可能出現(xiàn)的電池電量耗盡的問題，機(jī)器人搭載了備份電源切換系統(tǒng)。在主電池電量即將耗盡時(shí)，無縫切換至備用電池，保證機(jī)器人基本功能模塊的供電，并支撐機(jī)器人回程維護(hù)。備份電源切換系統(tǒng)電路圖如圖3所示。

圖3 機(jī)器人電源備份與無縫切換電路

首先通過以LM358為核心的比較電路，檢測主鋰電池是否欠壓，當(dāng)主電池電壓小于閾值時(shí)，電路輸出低電平信號。LM7812的穩(wěn)壓電路用于提供穩(wěn)定的參考電壓，可變電阻R1的串聯(lián)分壓電路用于實(shí)現(xiàn)可調(diào)的閾值。其次使用基于LTC4414的電源切換電路，實(shí)現(xiàn)主電池與備份電池的無縫切換。當(dāng)芯片U1接收到欠壓的低電平信號時(shí)，通過控制場效應(yīng)管電路實(shí)現(xiàn)電源切換。輸出端口處的電容用于緩沖，實(shí)現(xiàn)電源“無縫”切換。

1.3 基于并行調(diào)度的自動(dòng)探傷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人的自動(dòng)探傷系統(tǒng)是提高機(jī)器人探傷效率的關(guān)鍵模塊。當(dāng)機(jī)器人處于手動(dòng)控制模式下，控制核心為地面用戶終端，機(jī)器人的兩個(gè)控制器接收用戶命令完成相應(yīng)操作。當(dāng)機(jī)器人切換至自動(dòng)控制模式時(shí)，工控機(jī)接管控制系統(tǒng)，指揮底層控制器完成運(yùn)動(dòng)任務(wù)與射線機(jī)啟停任務(wù)，并適時(shí)通知地面用戶終端接收探傷圖像，完成自動(dòng)探傷任務(wù)。工控機(jī)調(diào)度程序流程圖如圖4所示。

圖4 機(jī)器人自動(dòng)探傷系統(tǒng)并行調(diào)度流程圖

為了提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，自動(dòng)探傷程序采用并行調(diào)度方法。由于探傷系統(tǒng)中，數(shù)字成像板采集圖像時(shí)需要能量沉淀，則機(jī)器人的圖像采集任務(wù)與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)任務(wù)互斥，因此圖像采集與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)交替進(jìn)行。而機(jī)器人的圖像預(yù)處理任務(wù)與圖像傳輸任務(wù)建立在圖像采集任務(wù)完成的前提下，因此將圖像預(yù)處理任務(wù)分離至單獨(dú)線程，靜默處理直至圖像發(fā)送完畢。當(dāng)機(jī)器人接收到退出自動(dòng)模式的控制信號時(shí)，機(jī)器人關(guān)閉射線并退出自動(dòng)模式，工控機(jī)將機(jī)器人的控制權(quán)轉(zhuǎn)移至地面用戶終端。

2 射線探傷系統(tǒng)及其成像清晰度研究

2.1 射線探傷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)字X射線成像(DR)以其成像速度快、分辨率高、效率高等特點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用于臨床醫(yī)學(xué)、工業(yè)探傷等領(lǐng)域。射線探傷系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)如下：成像板型號為PerkinElmer-XRpad2，器件類型為非晶硅活性TFT，像素尺寸為2 508×3 004，像素間距為100 μm，分辨率為5 lp/mm，射線機(jī)型號為VJ Tec-IXS120，器件類型為陰極射線管，最大功率為120 W(120 kV@1mA)，焦點(diǎn)大小為0.5 mm，出射錐角為40°，焦物距Lu為176 mm，焦像距Lv為247 mm。本文中探傷機(jī)器人搭載的DR系統(tǒng)示意圖如圖5所示。

圖5 機(jī)器人探傷系統(tǒng)示意

DR系統(tǒng)的放大倍數(shù)Tm可以由式(1)表示

(1)

則DR系統(tǒng)的放大倍數(shù)為1.4，放大倍數(shù)較大。

從射線成像不清晰度的角度分析，在系統(tǒng)中，雖系統(tǒng)放大倍數(shù)較大，但由于X射線機(jī)的焦點(diǎn)尺寸小，系統(tǒng)的幾何不清晰度??；由于數(shù)字成像板自身強(qiáng)大的圖像處理能力，系統(tǒng)的固有不清晰度??；但由于在環(huán)境風(fēng)荷載等因素影響下，機(jī)器人會(huì)產(chǎn)生擺動(dòng)，相對位移不可避免，因此，在系統(tǒng)中造成成像不清晰的最大因素為運(yùn)動(dòng)不清晰度。

基于以上分析，系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)不清晰度會(huì)給X射線成像質(zhì)量造成不良影響，因此，需要設(shè)計(jì)一種成像清晰度的在線判定方法，對清晰度較低的射線圖片采取重新采集的策略。由于對射線圖像成像質(zhì)量的評價(jià)屬于無參考圖像的清晰度評價(jià)，在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中有較多成熟的方法用于無參考圖像的清晰度評價(jià)，例如：Tenengrad梯度函數(shù)法、拉普拉斯梯度函數(shù)法、方差函數(shù)法、熵函數(shù)法[15～17]等。

針對系統(tǒng)特點(diǎn)，系統(tǒng)中截取以導(dǎo)線中心為基準(zhǔn)的220像素×1 300像素的圖像進(jìn)行清晰度分析，使用如式(2)所示的拉普拉斯梯度函數(shù)法，實(shí)現(xiàn)對射線圖像的質(zhì)量評價(jià)。接著將運(yùn)算得到的拉普拉斯梯度值歸一化，將清晰度0.8記作合格標(biāo)準(zhǔn)。運(yùn)算得的射線圖像清晰度值可以作為射線系統(tǒng)的圖片在線篩選標(biāo)準(zhǔn)。若圖像清晰度不滿足要求，重新采集。該方法能有效提高機(jī)器人的探傷系統(tǒng)的可靠性

(2)

2.2 成像運(yùn)動(dòng)不清晰度探究

為進(jìn)一步探究射線成像運(yùn)動(dòng)不清晰度與機(jī)器人擺動(dòng)的關(guān)系，機(jī)器人在室外模擬線路上完成擺動(dòng)拍攝實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，使用繩索拖動(dòng)導(dǎo)線，通過導(dǎo)線振蕩激勵(lì)機(jī)器人擺動(dòng)。機(jī)器人慣性測量單元(inertial measurement unit,IMU)用于采集機(jī)器人的位姿信息，其中橫滾角即為擺角。同時(shí)，為了控制變量，機(jī)器人在導(dǎo)線的固定位置進(jìn)行射線圖像采集。在本實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置X射線機(jī)的輸出功率48W(80kV@0.6mA)，數(shù)字成像板能量沉淀時(shí)長為1.5 s。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，改變機(jī)器人擺動(dòng)參數(shù)分為高幅值低頻率、低幅值低頻率、低幅值高頻率與完全靜止四種。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。選取3張典型圖像作分析，完全靜止時(shí)拍攝的圖像清晰，鋁股間隙明顯。其直方圖有較多高灰度分量，且清晰度值高。在擺動(dòng)時(shí)拍攝的圖像存在重影，其直方圖具有較高峰值，且清晰度值低。對比圖6中①區(qū)域和③區(qū)域，機(jī)器人擺動(dòng)的幅值越大，成像質(zhì)量越差；對比圖6中②區(qū)域和③區(qū)域，機(jī)器人擺動(dòng)的頻率越大，成像質(zhì)量越差。綜上，機(jī)器人擺動(dòng)的頻率和幅度都會(huì)影響機(jī)器人探傷系統(tǒng)成像質(zhì)量，通過清晰度指標(biāo)進(jìn)行在線成像質(zhì)量判定篩選可以減小運(yùn)動(dòng)不清晰度的影響。

圖6 機(jī)器人擺動(dòng)與成像質(zhì)量關(guān)系

3 實(shí) 驗(yàn)

為驗(yàn)證機(jī)器人冗余控制系統(tǒng)的實(shí)際效果，對機(jī)器人可能出現(xiàn)的異常進(jìn)行模擬。實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過對控制器、通信鏈路、電源模塊分別設(shè)置異常，測試機(jī)器人在異常情況下是否受控，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，冗余控制系統(tǒng)可以使機(jī)器人在異常情況下不失控，保證機(jī)器人系統(tǒng)的魯棒性。

表1 機(jī)器人控制系統(tǒng)異常模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證機(jī)器人實(shí)際運(yùn)行效果，項(xiàng)目組于模擬試驗(yàn)線路上完成機(jī)器人的功能驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)場景如圖7所示。機(jī)器人運(yùn)行自動(dòng)模式，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。機(jī)器人采集單幀圖像平均所需時(shí)間5.6 s，單幀有效探傷距離平均為14.6 cm，則機(jī)器人的探傷速度為2.6 cm/s。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明機(jī)器人自動(dòng)探傷效率較高，可以滿足實(shí)際探傷需求。

圖7 機(jī)器人實(shí)驗(yàn)場景

表2 機(jī)器人自動(dòng)模式運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

本文針對已掛網(wǎng)運(yùn)行的碳纖維導(dǎo)線，設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)字X射線成像(DR)的探傷巡檢機(jī)器人。通過對控制器、通信鏈路與電源模塊的冗余備份，提高系統(tǒng)魯棒性?；诓⑿姓{(diào)度的自動(dòng)探傷系統(tǒng)，提高機(jī)器人探傷效率。針對碳纖維導(dǎo)線的射線探傷系統(tǒng)，利用清晰度在線判定方法，保證射線成像質(zhì)量。通過實(shí)驗(yàn)證明：機(jī)器人能在控制系統(tǒng)關(guān)鍵部件異常情況下不失控，具有較好的魯棒性；機(jī)器人在線上測試中，平均探傷速度為2.6 cm/s，滿足實(shí)際應(yīng)用需求。