基于圖像識別的管道組對工藝自動控制系統(tǒng)設(shè)計

摘 要 為確保管道組對的精確度，提出基于圖像識別的管道組對方法。設(shè)計了一種管道自動對中調(diào)姿機構(gòu)，并使用Solidworks軟件對其進行了三維建模和運動仿真，以評估其結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。根據(jù)整體視覺測量方案，成功搭建了視覺測量系統(tǒng)的硬件平臺，并對系統(tǒng)硬件進行了選型。研發(fā)了一款基于SQLServer數(shù)據(jù)庫框架的視覺測量和控制軟件，它將系統(tǒng)標(biāo)定、圖像采集處理、圖像模糊抗噪及位姿解算等多項功能融合為一體，為用戶提供了全方位的圖像采集處理和控制體驗。經(jīng)過對管道組對平臺的測試試驗，證明了所提測量方法在精確度方面的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞 管道組對 調(diào)姿機構(gòu) 圖像采集處理 模糊抗噪 視覺測量系統(tǒng)

中圖分類號 TP23 " 文獻標(biāo)志碼 B " 文章編號 1000-3932（2024）04-0686-07

在管道預(yù)制過程中，管道組對是一項必不可少的施工流程。我國在石油化工建設(shè)項目的管道施工過程中，大多選擇傳統(tǒng)“工人+簡易工裝”相配合的方式進行管道組對、安裝作業(yè)。

目前，管道自動對接裝置和系統(tǒng)在軍工、航空領(lǐng)域已經(jīng)廣泛使用。杜福洲和文科研發(fā)了一套艙段類部件數(shù)字化柔性對接系統(tǒng)，應(yīng)用在艙段類部件數(shù)字化柔性對接的流程中［1］。張解語針對艙段的軸線位姿測量問題，提出了一種基于線結(jié)構(gòu)光掃描的位姿測量方法［2］。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的曹禹堡通過多組位姿圖像試驗檢測求解算法精度，開展了導(dǎo)彈裝填彈筒自動對接系統(tǒng)試驗平臺研制，實現(xiàn)了彈筒與導(dǎo)彈軌道架的精準(zhǔn)對接［3］。針對自動對接裝置和系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，結(jié)合石油化工行業(yè)的建設(shè)需求，筆者設(shè)計了基于圖像識別的管道組對工藝自動控制系統(tǒng)。

1 總體方案設(shè)計

筆者設(shè)計的自動管道對中系統(tǒng)主要由以下3部分組成：

a. 視覺測量系統(tǒng)由一字線激光器和兩個工業(yè)相機組成，主要功能為測量管道之間的組對誤差值；

b. 控制系統(tǒng)由PLC S7-1500、步進電機驅(qū)動器組成，功能為驅(qū)動、控制與反饋；

c. 調(diào)姿系統(tǒng)由X、Y、Z3個平移軸、1個R旋轉(zhuǎn)軸組成，功能為調(diào)整管道間姿態(tài)，直至完成管道組對。

此外，還提出采用機械結(jié)構(gòu)補償與圖像處理相結(jié)合的方法解決管道與設(shè)備之間相對位置精度要求較高的問題［4］。

圖1為系統(tǒng)總體方案設(shè)計架構(gòu)。

2 管道自動對中調(diào)姿機構(gòu)設(shè)計

為消除兩管道間的位姿偏差，在原有3個移動軸的基礎(chǔ)上新增1個旋轉(zhuǎn)軸。通過步進電機、聯(lián)軸器、滾珠絲桿以及導(dǎo)軌滑塊來驅(qū)動水平和垂直兩個方向，并在管道內(nèi)分別設(shè)置1個直線軸承和2個導(dǎo)向套作為水平和垂直方向的限位機構(gòu)。通過步進電機、聯(lián)軸器和蝸輪蝸桿來驅(qū)動旋轉(zhuǎn)軸R軸。在此基礎(chǔ)上，提出采用機械結(jié)構(gòu)補償與圖像處理相結(jié)合的方法解決管道與設(shè)備間相對位置精度要求較高的問題［5］。采用Solidworks軟件進行三維建模和運動仿真，以評估調(diào)姿機構(gòu)結(jié)構(gòu)的合理性。

姿態(tài)調(diào)整平臺主要由1個動平臺和1個靜平臺共同構(gòu)成，通過測量管道位置信息并利用相應(yīng)的控制信號進行處理，使管道在空間上實現(xiàn)相對于固定支架或移動載體姿態(tài)的變化。動平臺作為調(diào)整管道間姿態(tài)的關(guān)鍵機構(gòu)，由管道調(diào)姿機構(gòu)和固定平臺組成，以實現(xiàn)管道位置的精準(zhǔn)調(diào)整；靜平臺則作為輔助位置檢測設(shè)備，其功能類似于機器人關(guān)節(jié)部分。定位和支撐在位管道的過程中，靜平臺扮演著至關(guān)重要的角色［6］。位姿調(diào)整機構(gòu)采用伺服電機帶動絲杠螺母副實現(xiàn)位置控制，并通過齒輪減速箱驅(qū)動傳動輪完成動力傳遞，從而保證轉(zhuǎn)動時系統(tǒng)的平穩(wěn)性和準(zhǔn)確性。

3 視覺測量系統(tǒng)硬件平臺

視覺測量系統(tǒng)硬件由一字線激光器和兩個工業(yè)相機構(gòu)成。在對調(diào)姿控制流程進行設(shè)計后，對系統(tǒng)硬件工業(yè)相機、一字線激光器及其他部件進行了選擇、布置，研究并確定了視覺測量系統(tǒng)的標(biāo)定方法以及管道位姿的計算方法。

3.1 調(diào)姿控制流程設(shè)計

調(diào)姿控制流程如下：

a. 利用工業(yè)相機2測量管道角度偏差，依據(jù)單目視覺測量系統(tǒng)的偏差值來調(diào)整管道間姿態(tài)，調(diào)節(jié)兩個管道軸線使其處于水平的狀態(tài)。

b. 由工業(yè)相機1組成的激光視覺測量系統(tǒng)對管道平移偏差Δy和Δz進行測量，其中，管口中心為原點，然后依據(jù)管道平移偏差結(jié)果驅(qū)動調(diào)姿機構(gòu)沿Y軸和Z軸移動，使兩個管道的中心軸線重合；最后基于管道軸向偏差Δx測量值驅(qū)動調(diào)姿機構(gòu)沿X軸向與在位管道的端面對接［7］。

3.2 視覺測量系統(tǒng)硬件選型

工業(yè)相機。工業(yè)相機選型時需考慮像素深度、動態(tài)范圍等參數(shù)。綜上，選擇德國BASLER公司生產(chǎn)的Basler ace 2系列工業(yè)相機，工業(yè)相機實物如圖2所示。

一字線激光器。一字線激光器選型時需要考慮激光器的功率、波長及模式等參數(shù)。綜上，選擇的具體型號為長春鐳銳光電科技有限公司的LR-MFJ-1319一字線激光器，一字線激光器產(chǎn)品實物如圖3所示。

3.3 視覺測量系統(tǒng)的標(biāo)定及構(gòu)建

3.3.1 視覺測量系統(tǒng)的標(biāo)定

標(biāo)定的具體流程為：

a. 基于工業(yè)相機的成像原理，搭建工業(yè)相機的線結(jié)構(gòu)光測量模型；

b. 基于Halcon軟件的視覺標(biāo)定法，獲得工業(yè)相機的各項信息；

c. 探究了一種基于標(biāo)定板的線結(jié)構(gòu)光平面

標(biāo)定方法，通過逆向求解法，由空間內(nèi)的坐標(biāo)反向推導(dǎo)出線結(jié)構(gòu)光測量模型的各項信息［8］。

3.3.2 角度偏差的測量

在單個工業(yè)相機構(gòu)成的單目視覺測量系統(tǒng)中寫入管道、相機數(shù)據(jù)后求解出管口成像模型，并采用極限分割的橢圓特征提取方法得到管口圖像的橢圓特征，以此可推導(dǎo)出管口圖像橢圓姿態(tài)求解方程。

3.3.3 平移偏差的測量

通過已搭建的激光視覺測量系統(tǒng)來測量X、Y、Z軸3個方向的平移偏差，其中，采用測量管道圓柱面中心線的方式計算出Y軸的平移偏差；采用線性激光特征值反向推導(dǎo)三維坐標(biāo)的方式計算出X、Z軸的平移偏差［9］。

3.3.4 圖像局部模糊抗噪

通過主動模糊策略（一階段）、列率域變換（二階段）和列率譜自適應(yīng)截斷策略（三階段）的聯(lián)合運用，在無監(jiān)督情況下實現(xiàn)已標(biāo)定完成的圖像局部模糊快速抗噪檢測［10］。圖4為經(jīng)歷3個階段處理后的圖像局部模糊抗噪效果圖。

4 視覺測量和控制軟件開發(fā)

筆者探究了一種基于管口橢圓特征的單目視覺求解方法，專注于捕捉管口圖像以測量管道端面法向量的姿態(tài)角度；建立了相應(yīng)的硬件平臺；開發(fā)了一套可同時完成圖像標(biāo)定、處理及模糊抗噪等多項功能的基于SQLServer數(shù)據(jù)庫框架的WinCC上位機軟件［11］。

4.1 視覺測量系統(tǒng)設(shè)計

視覺測量系統(tǒng)的設(shè)計流程如下：

a. 根據(jù)管道的相對幾何位置關(guān)系，建立調(diào)姿管道和在位管道的相應(yīng)坐標(biāo)系，以精準(zhǔn)描述管道空間的位姿。

b. 建立一套圖像捕捉系統(tǒng)，以實現(xiàn)管道的構(gòu)建。利用1套工業(yè)相機與1臺計算機構(gòu)成雙目視覺系統(tǒng)測量管道旋轉(zhuǎn)偏差，并通過圖像處理技術(shù)對所獲取的數(shù)據(jù)進行分析處理，得到相應(yīng)的結(jié)果［12］。

c. 實施姿態(tài)調(diào)整的控制方案。通過調(diào)節(jié)液壓馬達，帶動旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動來改變管道軸線與水平面之間的夾角。首先，需進行角度偏差的測量和調(diào)整，以確保對中管道的精度。利用工業(yè)相機采集對中管道中心線上各測點的位置坐標(biāo)，并通過圖像處理技術(shù)獲得該測點在坐標(biāo)系下的空間三維坐標(biāo)。其次，需要進行對中管道偏差Δy、Δz的測量和調(diào)整。利用激光視覺測量系統(tǒng)測量出的Δy、Δz，驅(qū)動調(diào)姿平臺在Y、Z軸方向上運動，以調(diào)整兩個管道的中心軸線，使其處于重合狀態(tài)；最后，對對中管道的偏差Δx進行調(diào)整以符合要求［13］。驅(qū)動調(diào)姿平臺沿著X軸方向往在位管道對接端面靠近，以實現(xiàn)X軸方向測量值的驅(qū)動。圖5為粗調(diào)、精調(diào)及管道組對完成的成像情況。

4.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計一套綜合性的管控方案。采用“PLC+WinCC”作為主控方案，機器視覺識別圖形的解析、模糊抗噪和調(diào)姿機構(gòu)的運動控制分析、計算等功能均由WinCC上運行的軟件實現(xiàn)，PLC作為下位機專注于驅(qū)動電機和執(zhí)行IO操作。

首先上位機軟件要選擇合適的工業(yè)網(wǎng)關(guān)，以滿足PLC的接口和協(xié)議。然后將工業(yè)網(wǎng)關(guān)與PLC連接，配置數(shù)據(jù)采集接口和協(xié)議，與PLC進行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)PLC數(shù)據(jù)采集。其次在上位機軟件WinCC中配置數(shù)據(jù)接口和協(xié)議，與工業(yè)網(wǎng)關(guān)進行數(shù)據(jù)通信。再次在WinCC中添加相應(yīng)的標(biāo)簽和變量，以便顯示和處理采集到的數(shù)據(jù)［14］。最后將工業(yè)網(wǎng)關(guān)上傳的數(shù)據(jù)接收并存儲在WinCC的數(shù)據(jù)庫中，進行組態(tài)監(jiān)控，進而完成對調(diào)姿機構(gòu)的動作控制。圖6展示了該軟件的主要功能。

5 管道組對平臺測試試驗

管道組對平臺的測試試驗是在搭建相應(yīng)的硬件平臺的基礎(chǔ)上分別開展R軸調(diào)姿測試和X、Y、Z軸調(diào)姿測試。為證明筆者所提測試方案的實用性和準(zhǔn)確性，首先將管道端口法向量與工業(yè)相機光軸垂直狀態(tài)設(shè)為“零”位置，接下來上位機WinCC發(fā)送指令給PLC，驅(qū)動步進電機完成X、Y、Z、R軸的調(diào)姿測試。

5.1 R軸調(diào)姿測試

采用WinCC上位機發(fā)送指令給PLC，驅(qū)動步進電機完成R軸調(diào)姿。R軸每轉(zhuǎn)動4°測量一次R軸的姿態(tài)方位，變化范圍-16°～16°，令順時針轉(zhuǎn)動數(shù)據(jù)為正值。R軸調(diào)姿測試結(jié)果見表1，采用對比偏轉(zhuǎn)角θ和俯仰角ψ變化量Δθ、Δψ同調(diào)姿機構(gòu)轉(zhuǎn)角變量差值的方法得到偏轉(zhuǎn)角θ與俯仰角ψ的調(diào)姿測量誤差［15］。

測試試驗得到的姿態(tài)角測量絕對誤差曲線如圖7所示。

根據(jù)R軸方向調(diào)姿偏差的測量結(jié)果可以得知R軸方向調(diào)姿偏差角的誤差不大于0.40°。

5.2 X、Y、Z軸調(diào)姿測試

為讓兩個管道間的端面法向量處于重合狀態(tài)，X、Y、Z平移軸調(diào)姿測試需在旋轉(zhuǎn)R軸調(diào)姿測試完成后進行，調(diào)姿測試分別在X、Y、Z3個平移軸方向進行。

5.2.1 X軸方向

發(fā)出X軸方向動作，Y、Z軸方向靜止的指令，設(shè)定X軸的初始脈沖為每毫米1 000個脈沖，即每發(fā)送1 000個脈沖，X軸對應(yīng)移動1 mm，將調(diào)姿管道沿著在位管道軸線方向靠近，然后分別將X軸電機設(shè)置在2 000脈沖、3 000脈沖、4 000脈沖的位置進行機器視覺圖像采集。

X軸方向調(diào)姿偏差測量結(jié)果見表2，假設(shè)2 000脈沖位置為X軸步進電機的“零”位置，通過X1、X2之間的比較和計算，即可得出X軸方向調(diào)姿偏差測量結(jié)果。

根據(jù)X軸方向調(diào)姿偏差的測量結(jié)果可以得知，X軸方向調(diào)姿最大偏差不大于0.25 mm。

5.2.2 Y軸方向

發(fā)出Y軸方向動作，X、Z軸方向靜止的指令，設(shè)定Y軸垂直升降的初始脈沖為每毫米1 500脈沖，即每發(fā)送1 500個脈沖，Y軸對應(yīng)移動1 mm，然后分別將Y軸電機設(shè)置在9 600、18 600、27 600脈沖的位置進行機器視覺的圖像采集，即Y軸每垂直升/降6 mm采集一次圖像。Y軸方向調(diào)姿偏差測量結(jié)果由兩個管道中心線法向量間距與實測距離結(jié)果比較得出，Y軸方向調(diào)姿偏差測量結(jié)果見表3。

根據(jù)Y軸方向調(diào)姿偏差的測量結(jié)果可以得知，Y軸方向調(diào)姿最大偏差不大于0.25 mm。

5.2.3 Z軸方向

發(fā)出Z軸方向動作，X、Y軸方向靜止的指令，調(diào)姿管道將以Z軸方向安裝的工業(yè)相機光軸為前進方向移動，設(shè)定Z軸的初始脈沖為每毫米900脈沖。

Z軸方向調(diào)姿偏差測量結(jié)果見表4，分別將Z軸電機設(shè)置在-5 400、0、10 800脈沖的位置進行機器視覺的圖像采集，假設(shè)-5 400脈沖位置為Z軸步進電機的“零”位置，通過Z1、Z2之間的比較、計算，即可得出Z軸方向調(diào)姿偏差測量結(jié)果。

根據(jù)Z軸方向調(diào)姿偏差的測量結(jié)果可以得知Z軸方向調(diào)姿最大偏差不大于0.20 mm。

5.3 自動對中試驗

在完成R軸調(diào)姿測試和X、Y、Z軸調(diào)姿測試后進行管道自動對中試驗，首先在試驗平臺上固定一根管道，作為在位管道；然后在調(diào)姿機構(gòu)上安裝一根管道，作為調(diào)姿管道，開啟WinCC軟件后，發(fā)送指令給PLC驅(qū)動步進電機完成調(diào)姿管道的動作，同時兩臺工業(yè)相機均可清晰成像。圖像反饋給上位機系統(tǒng)后，完成機器視覺識別的圖形解析、模糊抗噪和調(diào)姿機構(gòu)的運動控制分析、計算等功能，最后實現(xiàn)管道組對的目標(biāo)。

6 結(jié)束語

通過技術(shù)研究，結(jié)合工程實際，提出增設(shè)管道組對誤差的位姿調(diào)整機構(gòu)和運動控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)管道對中的自動化，不僅可以使管道對中誤差更小，而且減少了人工操作，保證了管道焊接的質(zhì)量穩(wěn)定性和高質(zhì)量。所提出的系統(tǒng)可以測量加工后的管道誤差，對焊接管道的質(zhì)量進行實時監(jiān)測，為進一步促進管道焊接加工作業(yè)的信息化打好基礎(chǔ)。該技術(shù)的水平領(lǐng)先于業(yè)內(nèi)同類項目水準(zhǔn)，縮短了施工工期，并有效降低了施工成本。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2023-09-05，修回日期：2024-05-15）

Design of Auto-control System for Pipeline Pairing Process

Based on Image Recognition

LI Yi1， LIU Jie1， LIU Chang-sha1， YU Han-wen2， JIANG Hong-kui2

（1.SCEC China Construction Industrial amp; Energy Engineering Group Co.， Ltd.；

2. School of Mechanical and Electrical Engineering， Shandong Jianzhu University）

Abstract " For purpose of ensuring the accuracy of pipeline pairing， a pipeline pairing method based on image recognition was proposed and a pipe auto-alignment and attitude adjustment mechanism were designed， including having Solidworks software employed to implement 3D modeling and motion simulation for them and evaluate the rationality of their structural design. In addition， basing on the overall vision measurement scheme， the hardware platform of visual measurement system was built and the system hardware was selected and a visual measurement and control software based on SQLServer database framework was developed， which integrates system calibration， image acquisition and processing， image anti-noise and pose calculation into one， and provides users with a full range of image acquisition， processing and control experience. Testing the pipeline pairing proves this method’s advantages in measurement accuracy.

Key words " pipeline pairing， attitude adjustment mechanism， image acquisition and processing ， fuzzy anti-noise， visual measurement system