CN109827028A

CN109827028A - 一种管道裂纹检测机器人及其控制方法

Info

Publication number: CN109827028A
Application number: CN201910130199.2A
Authority: CN
Inventors: 穆安乐; 赵轩; 聂磊
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Xian University of Technology
Priority date: 2019-02-21
Filing date: 2019-02-21
Publication date: 2019-05-31
Anticipated expiration: 2039-02-21
Also published as: CN109827028B

Abstract

本发明公开了一种管道裂纹检测机器人及其控制方法，机器人包括透明的球形外壳；外壳内设置有两侧带轮子的移动平台；移动平台上设置有开关，开关与电源电性连接；电源分别与电机、控制器、微处理器电性连接；控制器与电机电性连接；控制器与微处理器双向连接，微处理器与摄像头双向连接，且微处理器与物联网云平台OneNET通信连接，物联网云平台OneNET与移动终端通信连接；控制器与加速度传感器双向连接；电机的输出轴与轮子的中心轴固接。机器人结构简单、体积较小、易于操作。

Description

一种管道裂纹检测机器人及其控制方法

技术领域

本发明属于管道裂纹检测技术领域，具体涉及一种管道裂纹检测机器人，还涉及一种管道裂纹检测机器人的控制方法。

背景技术

石油作为我国主要的能源产业之一，能源的运输离不开管道，输油管道在能源运输中起着决定性的作用。管道的安全性影响着能源运输效率。石油的泄露是最为常见的安全事故，对周围环境造成严重影响以及严重的经济损失。因此，管道在使用过程中定期进行安全检测是必不可少的环节，管道内壁裂纹检测有利于避免安全事故的发生。

石油在运输过程中，管道内会存在气压。如果流速较快时，气压会发生膨胀，会对管道内壁产生压力，运行多年后管道内壁裂纹处会易形成破裂。此外，土壤对管道壁的作用力，会在管道壁裂纹处产生应力集中，导致裂纹扩展，致使管道发生疲劳断裂，造成石油的泄露。

目前，管道检测一般使用电磁声换能器检测技术，由处于磁场中靠近管道内表面的线圈构成。当线圈通交流电是时，管壁中会产生感应电流，从而引起洛伦兹力的产生，进而产生超声波。电磁声换能器在干耦合条件下使用，因而可以用于检测输油管道内壁裂纹。但是，这种技术有一定缺陷，即电磁声换能器不能完全做到无人值守，且结构复杂、体积较大，超声波传递效能低等。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种管道裂纹检测机器人，解决了现有技术中存在的管道检测设备检测效率低的问题。

本发明的第二个目的是提供一种管道裂纹检测机器人的控制方法，解决了现有技术中存在的自动化水平低、功耗大的问题。

本发明采用的第一个技术方案是，一种管道裂纹检测机器人，包括透明的球形外壳；外壳内设置有两侧带轮子的移动平台；移动平台上设置有开关，开关与电源电性连接；电源分别与电机、控制器、微处理器电性连接；控制器与电机电性连接；控制器与微处理器双向连接，微处理器与摄像头双向连接，且微处理器与物联网云平台OneNET通信连接，物联网云平台OneNET与移动终端通信连接；控制器与加速度传感器双向连接；电机的输出轴与轮子的中心轴固接。

本发明的特点还在于：

还包括分别与移动平台固接的前部牛眼轮及尾部牛眼轮；前部牛眼轮及尾部牛眼轮对称设置，且前部牛眼轮、尾部牛眼轮均不接触外壳。

轮子外侧呈半球形，且轮子外侧与外壳内壁接触。

加速度传感器采用ADXL34三轴加速度计；控制器采用微型电脑主机Raspberry Pi3B；移动终端为手机；微处理器由stm32f103单片机和GPRS通信模块构成。

本发明采用的第二个技术方案为，一种控制管道裂纹检测机器人的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：以中国移动物联网云平台OneNET作为第三方介质，先将机器人连接到网络，再使用EDP协议和自定义鉴权信息接入到OneNET设备云，最后通过手机APP登录OneNET；

步骤2：操控机器人在管道内移动并使其保持平稳；同时，通过360°全景摄像头实时采集管道内壁图像数据；

步骤3：对步骤2采集的图像进行预处理、分析；判断管道内壁当下位置是否存在裂纹，若存在，记录机器人此时的移动数据；存至缓存并发送至步骤1中的物联网云平台OneNET。

本发明的特点还在于：

操控机器人移动的具体过程为：手机APP通过物联网云平台OneNET发送前进函数、后退函数、转向函数或停止函数指令至微处理器，微处理器将指令发送至控制器，控制器控制电机转动从而带动轮子进行相应动作。

步骤2中，保持机器人平稳的具体过程为：加速度传感器实时反馈机器人角度位姿数据至控制器，即加速度传感器输出移动平台绕x、y、z轴方向旋转角度Pitch、Yaw、Roll至控制器；手机APP发送调姿函数至控制器，控制器调整电机的转速和转向进而改变移动平台的位姿，保持机器人平稳；其中，加速度传感器以移动平台中心为原点，前部牛眼轮与尾部牛眼轮的中心连线为x轴，且指向前部牛眼轮的方向为正向，两个轮子的中心连线为y轴，垂直方向为z轴。

调姿函数的控制目标是使Pitch、Yaw、Roll的值保持在－5°～5°之间；调姿函数的具体控制过程为：首先判断移动平台是否满足－5°﹤Pitch﹤5°，若否，Pitch﹤0时，左轮制动，右轮正转K₁×∣Pitch∣毫秒，Pitch﹥0时，右轮制动，左轮倒转K₁×Pitch毫秒；若是，然后判断移动平台是否满足－5°﹤Yaw﹤5°，若否，Yaw﹤0时，左、右轮同时正转K₂×∣Yaw∣毫秒，Yaw﹥0时，左、右轮同时倒转K₂×Yaw毫秒；若是，再判断移动平台是否满足－5°﹤Roll﹤5°，若否，Roll﹤0时，左轮倒转K₃×∣Roll∣，右轮正转K₃×∣Roll∣毫秒，若Roll﹥0时，左轮正转，右轮倒转K₃×Roll毫秒；若是，结束；其中，K₁、K₂、K₃为实验所得经验值，K₁取值为0.4～0.6，K₂取值为0.7～0.8，K₃取值为0.8～1；

步骤3中，对步骤2采集的图像进行预处理、分析的具体过程为：首先，控制器对图像基于暗通道先验法去除雾尘等噪点，对图像进行MSR增强；然后利用机器视觉的测量方法截取图像中管道内壁的像素点，并对这些像素点进行二值化；再使用OpenCV中DistanceTransform()函数检测并提取图像中不规则的线形，即“骨架”；再使用OpenCV中fitline()函数对“骨架”像素点进行直线拟合，计算拟合直线的长度，将拟合直线长度大于0.5mm的像素点判定为裂纹；最后反馈结果至微处理器，即裂纹处图像及裂纹处位置信息。

机器人与手机APP之间还可进行视频的传输，具体过程为：请求播放端，即手机APP发起视频播放请求，物联网云平台OneNET收到请求下发推流指令给机器人；机器人接收指令后进行解析，获取对应视频源通道的数据，并使用rtmp接口推流到物联网云平台OneNET；物联网云平台OneNET将推流分发至请求播放端，即手机APP。

本发明的有益效果是：

本发明管道裂纹检测机器人及其控制方法，机器人结构简单、体积较小、易于操作，通过360°全景摄像头和微处理器技术手段，能够快速得到检测结果，精确找到管道内壁裂纹位置，大幅提高了工作效率；控制方法中采用图像处理技术寻找裂纹，相对于传统电磁声换能器检测技术更加简便，功耗更小；本发明还可以通过物联网云平台将管道内壁视频画面实时传输到手机，方便检修人员的巡视与维修工作。

附图说明

图1是本发明管道裂纹检测机器人及其控制方法中机器人的结构示意图；

图2是本发明管道裂纹检测机器人及其控制方法中机器人的结构示意图；

图3是本发明管道裂纹检测机器人及其控制方法中机器人的移动平台、减速电机、轮子的连接结构示意图；

图4是本发明管道裂纹检测机器人及其控制方法中机器人的电性连接关系；

图5是本发明管道裂纹检测机器人及其控制方法中机器人控制流程图；

图6是本发明管道裂纹检测机器人及其控制方法中机器人保持稳定时所依据的坐标系；

图7是本发明管道裂纹检测机器人及其控制方法中机器人保持稳定的流程图；

图8是本发明管道裂纹检测机器人及其控制方法中对机器人采集的管道内壁图像的分析流程图。

图中，1.外壳，2.轮子，3.移动平台，4.开关，5.电源，6.电机，7.加速度传感器，8.控制器，9.摄像头，10.微处理器，11.移动终端，12.前部牛眼轮，13.尾部牛眼轮。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1、图2所示，本发明管道裂纹检测机器人及其控制方法，机器人包括透明的球形外壳1；外壳1内设置有两侧带轮子2的移动平台3(如图3所示)；移动平台3上设置有开关4(如图4所示)，开关4与电源5电性连接；电源5分别与电机6、控制器8、微处理器10电性连接；控制器8与电机6电性连接；控制器8与微处理器10双向连接，微处理器10与摄像头9双向连接，且微处理器10与物联网云平台OneNET通信连接，物联网云平台OneNET与移动终端11通信连接；控制器8与加速度传感器7双向连接；电机6的输出轴与轮子2的中心轴固接。还包括分别与移动平台3固接的前部牛眼轮12及尾部牛眼轮13；前部牛眼轮12及尾部牛眼轮13对称设置，且前部牛眼轮12、尾部牛眼轮13均不接触外壳1。轮子2外侧呈半球形，且轮子2外侧与外壳1内壁接触。其中，加速度传感器7采用ADXL34三轴加速度计；控制器8采用微型电脑主机Raspberry Pi3B；移动终端11为手机；微处理器10由stm32f103单片机和GPRS通信模块构成；摄像头9为360°全景摄像头。电机6为减速电机。

如图5所示，控制管道裂纹检测机器人的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：以中国移动物联网云平台OneNET作为第三方介质，先将机器人通过GPRS模块连接到网络，再使用EDP协议和自定义鉴权信息接入到OneNET设备云，最后通过手机APP登录OneNET。

操控机器人移动的具体过程为：手机APP通过物联网云平台OneNET发送前进函数、后退函数、转向函数或停止函数指令至微处理器10，微处理器10将指令发送至控制器8，控制器8控制电机6转动从而带动轮子2进行相应动作。

如图7所示，保持机器人平稳的具体过程为：加速度传感器7实时反馈机器人角度位姿数据至控制器8，即加速度传感器7输出移动平台3绕x、y、z轴方向旋转角度Pitch、Yaw、Roll至控制器8；手机APP发送调姿函数至控制器8，控制器8调整电机6的转速和转向进而改变移动平台3的位姿，保持机器人平稳；其中，加速度传感器7以移动平台3中心为原点(如图6所示)，前部牛眼轮12与尾部牛眼轮13的中心连线为x轴，且指向前部牛眼轮12的方向为正向，两个轮子2的中心连线为y轴，垂直方向为z轴。

调姿函数的控制目标是使Pitch、Yaw、Roll的值保持在－5°～5°之间；调姿函数的具体控制过程为：首先判断移动平台3是否满足－5°﹤Pitch﹤5°，若否，Pitch﹤0时，左轮制动，右轮正转K₁×∣Pitch∣毫秒，Pitch﹥0时，右轮制动，左轮倒转K₁×Pitch毫秒；若是，然后判断移动平台3是否满足－5°﹤Yaw﹤5°，若否，Yaw﹤0时，左、右轮同时正转K₂×∣Yaw∣毫秒，Yaw﹥0时，左、右轮同时倒转K₂×Yaw毫秒；若是，再判断移动平台3是否满足－5°﹤Roll﹤5°，若否，Roll﹤0时，左轮倒转K₃×∣Roll∣，右轮正转K₃×∣Roll∣毫秒，若Roll﹥0时，左轮正转，右轮倒转K₃×Roll毫秒；若是，结束；其中，K₁、K₂、K₃为实验所得经验值，K₁取值为0.4～0.6，K₂取值为0.7～0.8，K₃取值为0.8～1。

步骤3：由于管道中工况环境易产生雾尘等杂质，摄像头9采集到的图像会有很多噪点，因此要对步骤2采集的图像进行预处理、分析；判断管道内壁当下位置是否存在裂纹，若存在，记录机器人此时的移动数据；存至缓存并发送至步骤1中的物联网云平台OneNET；

对步骤2采集的图像进行预处理、分析的具体过程为：首先，控制器8对图像基于暗通道先验法去除雾尘等噪点，对图像进行MSR增强；然后利用机器视觉的测量方法截取图像中管道内壁的像素点，并对这些像素点进行二值化；再使用OpenCV中Distance Transform()函数检测并提取图像中不规则的线形，即“骨架”；再使用OpenCV中fitline()函数对“骨架”像素点进行直线拟合，计算拟合直线的长度，将拟合直线长度大于0.5mm的像素点判定为裂纹；最后反馈结果至微处理器10，即裂纹处图像及裂纹处位置信息。

各部件的作用如下：

减速电机6：为机器人移动提供动力。

加速度传感器7：记录机器人移动位置，同时测量球内移动平台姿态，防止移动过程中机器人倾倒。

控制器8：机器人主控单元，进行图像处理，运行移动、调姿等子程序。

360°全景摄像头9：采集管道内视频画面。

微处理器10：用于解码视频画面，与OneNET云平台进行数据交互。

移动终端11：用于操控机器人移动，显示视频画面。

本发明一种管道裂纹检测机器人的工作过程为：打开开关4，接通移动电源5，将机器人主体密封进外壳1并放入管道；打开手机APP接入设备，微处理器10驱动摄像头9采集管道内壁图像，查看时实视频画面；手机APP发送前进、后退、转向或停止函数指令来控制机器人的移动。机器人的移动与调姿不能同时进行，因此，当机器人失稳需要调姿时要停止机器人进行调姿以保持稳定。机器人在管道内移动时360°过全景摄像头9实时采集管道内壁图像，控制器8对图像经预处理、“骨架”提取等分析，判断此处管道内壁是否有裂纹存在，若有，微处理器10将会记录此时机器人移动数据，存至缓存并发送至物联网云平台OneNET。

Claims

1.一种管道裂纹检测机器人，其特征在于，包括透明的球形外壳(1)；外壳(1)内设置有两侧带轮子(2)的移动平台(3)；移动平台(3)上设置有开关(4)，开关(4)与电源(5)电性连接；电源(5)分别与电机(6)、控制器(8)、微处理器(10)电性连接；控制器(8)与电机(6)电性连接；控制器(8)与微处理器(10)双向连接，微处理器(10)与摄像头(9)双向连接，且微处理器(10)与物联网云平台OneNET通信连接，物联网云平台OneNET与移动终端(11)通信连接；控制器(8)与加速度传感器(7)双向连接；电机(6)的输出轴与轮子(2)的中心轴固接。

2.如权利要求1所述的管道裂纹检测机器人，其特征在于，还包括分别与移动平台(3)固接的前部牛眼轮(12)及尾部牛眼轮(13)；前部牛眼轮(12)及尾部牛眼轮(13)对称设置，且前部牛眼轮(12)、尾部牛眼轮(13)均不接触外壳(1)。

3.如权利要求1所述的管道裂纹检测机器人，其特征在于，所述轮子(2)外侧呈半球形，且轮子(2)外侧与外壳(1)内壁接触。

4.如权利要求1所述的管道裂纹检测机器人，其特征在于，所述加速度传感器(7)采用ADXL34三轴加速度计；所述控制器(8)采用微型电脑主机Raspberry Pi 3B；所述移动终端(11)为手机；所述微处理器(10)由stm32f103单片机和GPRS通信模块构成。

5.一种控制如权利要求1-4任一项所述的管道裂纹检测机器人的方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

6.如权利要求5所述的控制管道裂纹检测机器人的方法，其特征在于，所述步骤2中，操控机器人移动的具体过程为：手机APP通过物联网云平台OneNET发送前进函数、后退函数、转向函数或停止函数指令至微处理器(10)，微处理器(10)将指令发送至控制器(8)，控制器(8)控制电机(6)转动从而带动轮子(2)进行相应动作。

7.如权利要求5所述的控制管道裂纹检测机器人的方法，其特征在于，所述步骤2中，保持机器人平稳的具体过程为：加速度传感器(7)实时反馈机器人角度位姿数据至控制器(8)，即加速度传感器(7)输出移动平台(3)绕x、y、z轴方向旋转角度Pitch、Yaw、Roll至控制器(8)；手机APP发送调姿函数至控制器(8)，控制器(8)调整电机(6)的转速和转向进而改变移动平台(3)的位姿，保持机器人平稳；其中，加速度传感器(7)以移动平台(3)中心为原点，前部牛眼轮(12)与尾部牛眼轮(13)的中心连线为x轴，且指向前部牛眼轮(12)的方向为正向，两个轮子(2)的中心连线为y轴，垂直方向为z轴。

8.如权利要求7所述的控制管道裂纹检测机器人的方法，其特征在于，所述调姿函数的控制目标是使Pitch、Yaw、Roll的值保持在－5°～5°之间；调姿函数的具体控制过程为：首先判断移动平台(3)是否满足－5°﹤Pitch﹤5°，若否，Pitch﹤0时，左轮制动，右轮正转K₁×∣Pitch∣毫秒，Pitch﹥0时，右轮制动，左轮倒转K₁×Pitch毫秒；若是，然后判断移动平台(3)是否满足－5°﹤Yaw﹤5°，若否，Yaw﹤0时，左、右轮同时正转K₂×∣Yaw∣毫秒，Yaw﹥0时，左、右轮同时倒转K₂×Yaw毫秒；若是，再判断移动平台(3)是否满足－5°﹤Roll﹤5°，若否，Roll﹤0时，左轮倒转K₃×∣Roll∣，右轮正转K₃×∣Roll∣毫秒，若Roll﹥0时，左轮正转，右轮倒转K₃×Roll毫秒；若是，结束；其中，K₁、K₂、K₃为实验所得经验值，K₁取值为0.4～0.6，K₂取值为0.7～0.8，K₃取值为0.8～1。

9.如权利要求5所述的控制管道裂纹检测机器人的方法，其特征在于，所述步骤3中，对步骤2采集的图像进行预处理、分析的具体过程为：首先，控制器(8)对图像基于暗通道先验法去除雾尘等噪点，对图像进行MSR增强；然后利用机器视觉的测量方法截取图像中管道内壁的像素点，并对这些像素点进行二值化；再使用OpenCV中Distance Transform()函数检测并提取图像中不规则的线形，即“骨架”；再使用OpenCV中fitline()函数对“骨架”像素点进行直线拟合，计算拟合直线的长度，将拟合直线长度大于0.5mm的像素点判定为裂纹；最后反馈结果至微处理器(10)，即裂纹处图像及裂纹处位置信息。

10.如权利要求5所述的控制管道裂纹检测机器人的方法，其特征在于，所述机器人与手机APP之间还可进行视频的传输，具体过程为：请求播放端，即手机APP发起视频播放请求，物联网云平台OneNET收到请求下发推流指令给机器人；机器人接收指令后进行解析，获取对应视频源通道的数据，并使用rtmp接口推流到物联网云平台OneNET；物联网云平台OneNET将推流分发至请求播放端，即手机APP。