基于DSP管道焊缝检测机器人

摘要：本设计是一种具有稳定的牵引力的X—Y移动的复合管道焊缝检测机器人。

以DSP为核心开发基于机器视觉的嵌入式实时系统，用于完成高性能的管道焊缝的实时自动定位和检测任务；介绍了机器人系统的工作原理，系统结构；阐述了系统的焊缝识别算法和CCD图像采集系统。

0、引言：

工业管道系统已经被广泛应于化工、石油及城市水暖供应等领域，焊缝质量是一种重要的工业管道内部潜在缺陷，它的好坏是管道运输安全、可靠和使用寿命的一个决定性因素。

在国外一些发达国家，管道检测机器人已经诞生并投入使用，但是进口设备昂贵，并且维护费用高，需要培训才能正确使用。在我国，这方面的研究工作起步较晚。目前国内还没有成型的、商品化的产品问世，故该项目的研发可以向产业化方向发展，加强工业管道的检测和管理。

机器人在管道外面沿着固定的轨迹移动，操作者通过外部的监视器监视机器人运行情况。当监视器屏幕显示焊缝时，操作者控制机器人点进和点退以准确定位焊缝。人工操作定位准确率较高，但效率低。为了提高管道焊缝检测机器人的自动化程度，本文采用了一种基于DSP的管道焊缝检测机器人系统，设计了一套焊缝检测机器人系统，可将机器人可靠、准确、快速地牵引至焊缝处，从而完成焊缝自动定位任务。由于该机器人可在X和Y方向移动，所以当发现焊缝时还可以多视角观察焊缝，以确定焊缝的大小和形状。

机器人外形如图1所示：

图1 机器人外形图

1、管道焊缝检测机器人系统的工作原理

管道焊缝检测机器人由移动小车、CCD图像采集系统、图像采集卡、驱动设备和控制系统等部分组成。其中移动小车是检测和控制部分的专业平台，所有的检测与控制装置都是由小车装载。

系统工作原理：将机器人放入外部管道的固定轨道上，通过计算机发出指令让机器人在管道中以一定速度运行，这时驱动在机器人轴线上的CCD传感器采集信号与现有计算机中存储的缺陷信号匹配时，计算机发出指令将此时的图像记录下来，并传到人机界面，利用已编制的软件给出缺陷的位置和图像。这样运行下去，直到计算机发出停止命令为止。工作原理如图2所示：

图2 机器人工作原理图

2、电机选型

选择执行电机要根据被控对象的运动形式，运动的变化规律，运动负载的性质和具体数量，运动工作体制，结合系统的稳定性能指标要求，做定量分析。本系统选用瑞默森（北京）有限公司生产的ISMD036-5EI的75W伺服电机驱动器。该驱动器可对电机的参数进行自动识别和测试，包括：电机的极对数、电机内阻、电感量、编码器线数、霍尔的位置等参数。另外，电机的运动模式设置有位置模式、速度模式或转矩模式。

所选电机参数

参数

功率（W）

转速（r/min）

工作电压（V）

额定电流（A）

启动电流（A）

参数值

70

7000

42

2.55

16.4

3、焊缝图像识别算法

由于管道背景和焊缝亮度值Y差别不大，而色调Cb相差较大。因此利用图像的色调信息就足够，这样就不用处理亮度和饱和度信号，提高识别速度，采用图像的YcbCr信号输入到DSP后，先采用平滑滤波器进行预处理以减少噪声，再取Cb信号作为灰度化处理。图4是管道焊缝检测机器人在管道中移动时采集的一张焊缝图像的灰度图。

通过对大量现场采集的图像的观察，可以发现所有图像都有同样的规律：将Cb作为灰度值时，焊缝本身像素灰度值较高，呈现灰黑色。而焊缝本身像素偏低，呈灰白色。同时在交界处存在小段过滤带。针对这个特征，可分别预先制作2个小模板。焊缝左边缘模板a和焊缝右边缘模板b，如图4所示。系统对图像逐行从左到右扫描。对各点所在窗口图像与模板a进行匹配。求得匹配相似度，取相似度最大时所在点x坐标为该行的焊缝左边缘点。于是可得一系列左边缘点，求均值即得到焊缝左边缘坐标。同理，从上到下，由右到左扫描每一行，各点所在窗口图像与b模块进行匹配运算，即可得焊缝右边缘坐标。将左右边缘坐标相加除以2即可得焊缝中心横坐标。

图3 管道焊缝图 图4 焊缝模板匹配图

4、结束语

在现代，无论是水力、火力发电站，还是煤气、自来水、工业用水和供热系统等公共设施，以及石油、化工等工业生产系统，都有纵横交错的管道。焊缝质量是一种重要的工业管道内部潜在缺陷，它的好坏是管道运输安全、可靠和使用寿命的一个决定性因素。本文介绍的以DSP为核心的外部管道焊缝检测机器人，将会带来很好的经济效益和社会效益。