用于塑料管道內(nèi)檢測(cè)的無線圖像采集系統(tǒng)*

吳錕倫，桑海峰，邢燕好，劉昕嫄，劉力嘉，魏家起

（1.沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110870；2.深圳小米通訊技術(shù)有限公司，深圳 518067）

1 引言

由于管道深埋地下，且管網(wǎng)錯(cuò)綜復(fù)雜，對(duì)管內(nèi)缺陷的檢測(cè)便成為一大技術(shù)難題。管道結(jié)構(gòu)性缺陷所涉及的9種類型主要包括：裂紋、接口縫、斷裂、孔洞、破損、斑點(diǎn)、變形、腐蝕、焊接失效等。這些缺陷的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致管道內(nèi)部液體（氣體）泄漏，與周圍環(huán)境產(chǎn)生反應(yīng)，并造成污染、爆炸等不可控制的危害[1]。與常規(guī)外部管壁探傷技術(shù)的成熟相比，管道內(nèi)部缺陷檢測(cè)方面仍較為薄弱。隨著機(jī)器視覺（CV）檢測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了一種工業(yè)控制攝像頭（CCD）管內(nèi)圖像CV檢測(cè)技術(shù)，因其基于IP網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、易于控制且傳輸圖像可直接用于后續(xù)電腦處理等諸般優(yōu)點(diǎn)，管內(nèi)圖像CV檢測(cè)技術(shù)越來越受檢測(cè)需求方的青睞[2]。長安大學(xué)張軍團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的無線機(jī)器人，可對(duì)內(nèi)徑100～120mm的管道進(jìn)行管道涂層缺陷檢測(cè)[3]；Mohammed團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種無線圖像采集機(jī)器人，通過GSM+GPS連接方式實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人在10 m距離范圍內(nèi)的無線控制及圖像傳輸[4]。針對(duì)現(xiàn)有研究的不足之處，在此，設(shè)計(jì)一款用于塑料管道內(nèi)檢測(cè)的無線管道圖像采集機(jī)器人系統(tǒng)，以求實(shí)現(xiàn)20m距離內(nèi)的無線交互，保證穩(wěn)定、高速、準(zhǔn)確的圖像識(shí)別及傳輸性能。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)圖像采集部分的機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中，人字形支架與單導(dǎo)輪伸縮套筒組成了管道機(jī)器人的被動(dòng)變徑部分。在人字形支架的三個(gè)臂上各裝有一個(gè)單導(dǎo)輪伸縮套筒，筒內(nèi)裝有彈簧，能使套筒在支架臂的支持下運(yùn)動(dòng)；同時(shí)也利用彈簧的伸縮來改變?nèi)俗中沃Ъ艿囊?guī)格，使管道機(jī)器人能夠適應(yīng)不同內(nèi)徑的管道場(chǎng)合[5]。

圖1 圖像采集部分結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)器人管道內(nèi)表面檢測(cè)流程如圖2所示。機(jī)器人攜帶前置魚眼攝像頭，接收控制器指令，在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)。通過機(jī)載攝像頭（有效視角170°），可對(duì)內(nèi)管道進(jìn)行前向無死角的圖像取樣，并以WLAN無線圖傳的方式將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)中，進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像處理，進(jìn)而完成內(nèi)管道缺陷檢測(cè)與分類，最終輸出缺陷所在位置及類別等檢測(cè)結(jié)果。

圖2 機(jī)器人管道內(nèi)表面檢測(cè)流程圖

2.2 機(jī)載硬件系統(tǒng)

機(jī)載硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。這部分系統(tǒng)主要由用戶層、傳輸層和系統(tǒng)主體組成。用戶層可控制系統(tǒng)運(yùn)行，并得到缺陷檢測(cè)結(jié)果；傳輸層可實(shí)現(xiàn)全部數(shù)據(jù)的無線傳輸；系統(tǒng)主體由機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)及IP攝像頭組成，負(fù)責(zé)在管道內(nèi)行駛、采集管道內(nèi)圖像。

圖3 機(jī)載硬件系統(tǒng)示意圖

2.3 分類器測(cè)試與選取

圖像檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是對(duì)分類器的合理選取。常用分類器多種多樣，主要有如下四種：

1）MLP分類器

分類速度較快且識(shí)別率較高，但針對(duì)大樣本訓(xùn)練集的分類速度較慢，也不支持缺陷檢測(cè)。

2）SVM分類器

相比于MLP分類器，SVM分類器可用于大樣本的訓(xùn)練集，且能達(dá)到一定的高識(shí)別率，但分類速度較慢。

3）GMM分類器

在分類數(shù)量較少時(shí)，訓(xùn)練和分類速度都很快，同時(shí)可調(diào)整參數(shù)進(jìn)行更好地優(yōu)化控制，但與其他類型分類器相比，識(shí)別率較低。

4）K-NN分類器

該分類器是所有分類器中訓(xùn)練速度最佳的，并且不受維度空間的限制，適用于帶多維特征的數(shù)據(jù)訓(xùn)練場(chǎng)合，易于快速評(píng)估和自優(yōu)化，缺點(diǎn)是分類速度較慢[6]。

以上述四種分類器對(duì)部分缺陷進(jìn)行測(cè)試，對(duì)比各自性能表現(xiàn)[7]。測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 針對(duì)部分缺陷的分類器對(duì)比測(cè)試結(jié)果

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在針對(duì)訓(xùn)練及測(cè)試數(shù)據(jù)時(shí)，K-NN分類器分類速度較快，優(yōu)于MLP和SVM分類器；而在針對(duì)斑點(diǎn)和缺口兩種缺陷類型時(shí)，K-NN分類器平均識(shí)別率最高，為98.54%，依次優(yōu)于GMM、SVM和MLP分類器。基于測(cè)試結(jié)果，最終選用K-NN分類器進(jìn)行管道內(nèi)表面缺陷分類的工作。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

將人字形支架、單導(dǎo)輪伸縮輪、中部搭載平臺(tái)、電機(jī)支承器轉(zhuǎn)接法蘭盤按次序組裝到一起，最終實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)實(shí)物圖

系統(tǒng)主體搭建工作完成后，先將魚眼攝像頭的主機(jī)部分放置在多功能法蘭盤中部，再通過法蘭盤將攝像頭安裝到人字形支架上。由于多功能法蘭盤中部的攝像頭安裝孔的孔心與被測(cè)管道始終處于同軸位置上，確保了攝像頭焦點(diǎn)與管道軸線呈同軸關(guān)系，使得所采集的圖像無偏移無失真。

在變徑機(jī)構(gòu)完全壓縮時(shí)，機(jī)器人尺寸為320×180×180mm（±5%）；在變徑機(jī)構(gòu)伸展到最大程度時(shí)，機(jī)器人尺寸為320×200×200mm（±5%）。通過人字形支架與后部變徑模塊的配合，機(jī)器人可適應(yīng)管徑范圍為180～200mm，即變徑范圍為20mm。

根據(jù)文獻(xiàn)[8]的部分理論，結(jié)合ZKETECH EBCA05+型電子負(fù)載儀的測(cè)量，在實(shí)際測(cè)試中，采用標(biāo)配電壓11.1V、容量為2600mAh的航模電池。機(jī)器人在管道內(nèi)運(yùn)行了44.7分鐘，理論上，可持續(xù)行駛里程可達(dá)1753.1米。

整體系統(tǒng)在檢測(cè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行情景如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)在200mm內(nèi)徑管道內(nèi)運(yùn)行圖

機(jī)器人采用后驅(qū)的方式前進(jìn)，因此檢測(cè)系統(tǒng)需按照鏡頭在前、傳動(dòng)輪在后的方向?qū)C(jī)器人投放進(jìn)目標(biāo)管道內(nèi)，使用配套的無線控制手柄控制機(jī)器人的前進(jìn)與后退。此外還可通過手柄搖桿方式以輸出PWM（脈寬調(diào)制）信號(hào)的方式控制電機(jī)的運(yùn)行速度。

通過上述手段，便可控制機(jī)器人在管道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，使得機(jī)載攝像頭采集管道不同位置的圖像，再將圖像信息通過車載無線圖傳模塊傳輸?shù)缴衔粰C(jī)內(nèi)，進(jìn)行后續(xù)CV圖像檢測(cè)處理。

如果在圖像采集過程中遇到無法確定的疑似缺陷，可控制機(jī)器人在此可疑缺陷點(diǎn)位處停下，直到采集到足夠的信息后，再控制管道機(jī)器人繼續(xù)前進(jìn)。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)，如機(jī)器人遇到了一些較小障礙（管道異物、管道破裂導(dǎo)致的凸起等），可控制機(jī)器人全速前進(jìn)、沖過障礙；當(dāng)遇到特別大、難以逾越的障礙（貫穿性異物、嚴(yán)重管道破裂）時(shí)，機(jī)器人會(huì)在CV技術(shù)的協(xié)助下，結(jié)合里程輪功能標(biāo)記出該障礙所在的位置，等待施工人員對(duì)其進(jìn)一步處理。

根據(jù)普源DSA800型頻譜分析儀及RSSI測(cè)試臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線模塊的控制功能，實(shí)際效果如表2所示。

表2 無線控制效果

圖像檢測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際測(cè)試中的運(yùn)行效果也較為理想。CV缺陷檢測(cè)的實(shí)際表現(xiàn)如圖6所示。

圖6 CV缺陷檢測(cè)示意圖

在圖的上部分，黑色為模擬斑點(diǎn)，白色為模擬缺口，共設(shè)置3個(gè)缺口，2個(gè)斑點(diǎn)。圖下部分中，帶A標(biāo)記的是缺口，帶B標(biāo)記的是斑點(diǎn)，這意味著系統(tǒng)識(shí)別出了2個(gè)缺口、3個(gè)斑點(diǎn)。盡管識(shí)別結(jié)果不是百分之百準(zhǔn)確，影響了功能的準(zhǔn)確率，但也在相當(dāng)程度上完成了對(duì)所有缺陷的標(biāo)記任務(wù)。

通過軟件建模以及實(shí)物測(cè)試，本設(shè)計(jì)中機(jī)器人工作的有效性得到了證明：系統(tǒng)可在全無線條件下，在管道內(nèi)持續(xù)工作，機(jī)器人續(xù)航力良好，且行駛穩(wěn)定，無打滑現(xiàn)象。

最終，將實(shí)驗(yàn)中得出的經(jīng)驗(yàn)歸納如下：

1、因受力原因，需采用更高強(qiáng)度的材料去制造人字形支架。由于支架承受較大的壓力，且材料選型不當(dāng)，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)人字形支架均出現(xiàn)不同程度的受力破損。

2、可采用更大功率的WiFi發(fā)射器以提高無線圖傳距離。

4 結(jié)束語

此次設(shè)計(jì)的機(jī)器人平臺(tái)，只是在基本程度上完成了預(yù)定任務(wù)。在后續(xù)研究中，預(yù)計(jì)還將應(yīng)用由推桿電機(jī)組成的受電弓型主動(dòng)變徑結(jié)構(gòu)，以提高可爬坡角度及機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性，進(jìn)而嘗試使用改進(jìn)式圖像檢測(cè)技術(shù)，以提高后續(xù)處理的準(zhǔn)確度，力爭使全無線管道機(jī)器人邁向?qū)嵱没?，為?shí)際管道檢測(cè)領(lǐng)域貢獻(xiàn)出一份力量。