壓力容器焊縫檢測(cè)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

焊縫是壓力容器結(jié)構(gòu)中最薄弱的部分，長(zhǎng)期運(yùn)行在低溫或高溫、高壓、腐蝕條件下，極易產(chǎn)生焊縫疲勞開裂和氣孔等缺陷，妨礙設(shè)備的正常運(yùn)行，因此需要定期對(duì)壓力容器進(jìn)行檢測(cè)與維護(hù)。目前壓力容器的焊縫檢測(cè)大多是由人工攜帶磁粉檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行^[1]，勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，迫切需要檢測(cè)機(jī)器人代替人工作業(yè)^[2-4]。本文對(duì)壓力容器焊縫檢測(cè)機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

1 總體設(shè)計(jì)

檢測(cè)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為兩級(jí)主從式結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1，主系統(tǒng)為遠(yuǎn)程控制端，主要完成機(jī)器人采集回來(lái)的焊縫原始圖像以及檢測(cè)圖像的顯示、焊縫的識(shí)別提取、焊縫跟蹤的偏差信息處理、下發(fā)運(yùn)動(dòng)控制指令等功能。從系統(tǒng)為本體控制端，檢測(cè)機(jī)器人攜帶相機(jī)采集圖像信息并通過(guò)無(wú)線傳輸發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)利用無(wú)線網(wǎng)橋形成的局域網(wǎng)和網(wǎng)口轉(zhuǎn)串口模塊將機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)及其它外設(shè)的控制信號(hào)傳輸?shù)奖倔w端的主控器中，主控器接收到上位機(jī)的指令，控制相應(yīng)的端口發(fā)送數(shù)據(jù)去控制機(jī)器人輪部電機(jī)與用于升降磁粉檢測(cè)設(shè)備的步進(jìn)電機(jī)以及其余外部設(shè)備。主控制器在處理完上位機(jī)的指令后，需要向上位機(jī)發(fā)送反饋信息，以反饋當(dāng)前檢測(cè)機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)。

2 硬件設(shè)計(jì)

穩(wěn)定可靠的硬件系統(tǒng)是檢測(cè)爬機(jī)器人工作的保障，硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模塊化思路，將同類功能統(tǒng)一設(shè)計(jì)，不僅可以降低硬件系統(tǒng)內(nèi)部各單元之間的耦合性，還可以降低硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度^[5]。硬件系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)包括控制器、通信、運(yùn)動(dòng)控制、外圍設(shè)備控制以及電源模塊。

2.1 控制器模塊

遠(yuǎn)程端控制器采用國(guó)云GWBYT-VER:A2 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，其搭載Intel Celeron Bay Trail 1900 處理器，采用4G 的DDR3L 內(nèi)存，并具備Mipcie、USB、HDMI等接口，根據(jù)焊縫檢測(cè)機(jī)器人的實(shí)際需求，該款工控機(jī)滿足要求。機(jī)器人本體端選用STM32F103C8T6 單片機(jī)作為主控器^[9]，擁有32 位Cortex-M3 內(nèi)核、64 K 字節(jié)的閃存、3 路通信串口、4 個(gè)定時(shí)器與1 個(gè)控制器局域網(wǎng)(controller area network，CAN) 接口。

2.2 通信模塊

機(jī)器人本體的主控制器通過(guò)串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口模塊與交換機(jī)連接，機(jī)器人本體攜帶的交換機(jī)與無(wú)線網(wǎng)關(guān)通過(guò)網(wǎng)線連接，無(wú)線網(wǎng)關(guān)與遠(yuǎn)程控制端通過(guò)無(wú)線網(wǎng)橋?qū)嵕€無(wú)線通信，將焊縫圖像采集相機(jī)、磁粉圖像采集相機(jī)、串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口模塊、無(wú)線網(wǎng)關(guān)這4 個(gè)設(shè)備連接至交換機(jī)網(wǎng)口，利用WIFI 局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)與控制信息的無(wú)線傳輸。

2.3 運(yùn)動(dòng)控制模塊

爬壁機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)部分為機(jī)器人本體的移動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)以及磁粉檢測(cè)設(shè)備的升降運(yùn)動(dòng)。只有當(dāng)機(jī)器人跨越焊縫障礙時(shí)，磁粉檢測(cè)設(shè)備才會(huì)進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)，防止其在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與焊縫發(fā)生剮蹭。磁粉檢測(cè)設(shè)備的升降是由兩個(gè)42 步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)來(lái)完成，因此，本文使用一種微型一體化驅(qū)動(dòng)器PMD006P6 實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，可直接安裝在42 步進(jìn)電機(jī)的后蓋上，其輸出的控制電流在1A～6A 范圍內(nèi)可調(diào)。針對(duì)機(jī)器人的移動(dòng)輪，本文采用一種集高性能磁場(chǎng)定向控制驅(qū)動(dòng)器，高功率密度無(wú)刷電機(jī)與輕量化減速器為一體，型號(hào)為RMD-X6 S2 的電機(jī)為機(jī)器人移動(dòng)提供動(dòng)力輸出，并對(duì)外提供CAN 通信接口，故而采用CAN 收發(fā)器TJA1050 作為單片機(jī)與CAN 總線之間的連接橋梁。

2.4 電源模塊

由于機(jī)器人本體搭載的12 V 用電設(shè)備較多，因此12 V 電路的電流輸出能力要盡可能大以滿足負(fù)載需求，所以針對(duì)12 V 電源，本文以BUCK 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。因LM5116 工作頻率從50 kHz ～ 1 MHz 可編程，具有仿電流斜坡模式控制、提供固有的線路前饋、環(huán)路補(bǔ)償以及欠壓閉鎖等特點(diǎn)，適用于寬電壓輸入的降壓系統(tǒng)，故而選擇LM5116 同步降壓控制器來(lái)控制開關(guān)管的通斷?；贚M5116 降壓控制器的產(chǎn)品手冊(cè)設(shè)計(jì)的輸入電壓22 ～ 48 V，輸出12 V，開關(guān)頻率525 kHz。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件包括爬壁機(jī)器人本體端主控制器程序與遠(yuǎn)程端控制程序兩部分，二者通過(guò)TCP 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，爬壁機(jī)器人軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案如圖2所示。因機(jī)器人本體主控制器STM32F103C8T6 為單核處理器，負(fù)責(zé)的任務(wù)不多，主要為控制命令數(shù)據(jù)解析、電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制、姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)采集與外部設(shè)備的電源控制。而遠(yuǎn)程端的主控器為多核處理器，軟件系統(tǒng)采用多線程來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要負(fù)責(zé)可視化界面顯示、工作模式切換、實(shí)時(shí)圖像獲取、焊縫提取、數(shù)據(jù)分發(fā)與處理及TCP通訊服務(wù)等功能。

3.1 本體端軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了充分利用處理器資源實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體電機(jī)運(yùn)動(dòng)、姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)獲取、外部設(shè)備電源控制任務(wù)，機(jī)器人本體端主程序采用中斷響應(yīng)的方式來(lái)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)中開設(shè)4 個(gè)中斷：數(shù)據(jù)解析串口中斷、姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)采集中斷、2 個(gè)定時(shí)中斷。系統(tǒng)啟動(dòng)后，先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，包括系統(tǒng)時(shí)鐘的配置、設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)分組、數(shù)據(jù)解析與姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)采集串口的波特率、CAN 總線的工作模式與波特率及初始化定時(shí)器中斷。之后程序進(jìn)入主循環(huán)，進(jìn)行任務(wù)處理流程。若機(jī)器人本體端主控制器接收到遠(yuǎn)程端發(fā)送的控制指令，串口1 接收中斷響應(yīng)，解析數(shù)據(jù)并保存，若沒有收到控制指令或是指令為錯(cuò)誤格式，在定時(shí)中斷3 中會(huì)對(duì)這種情況做時(shí)間判斷，1 s 內(nèi)都是這種情況，則認(rèn)為目前遠(yuǎn)程端不需要機(jī)器人移動(dòng)或通信數(shù)據(jù)異常，設(shè)置停止運(yùn)動(dòng)標(biāo)志，在主循環(huán)中向電機(jī)發(fā)送關(guān)閉指令。若本體端主控制器從收到的指令中解析出運(yùn)動(dòng)任務(wù)，則控制機(jī)器人兩側(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與方向，進(jìn)行焊縫跟蹤運(yùn)動(dòng)；若解析的是讀取姿態(tài)信息，則通過(guò)串口3 的接收中斷保存當(dāng)前機(jī)器人的偏航、俯仰以及翻滾角度信息；若解析的是磁粉檢測(cè)設(shè)備升降任務(wù)，則控制定時(shí)器1 的通道1 輸出一組互補(bǔ)的PWM 脈沖，送入到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中，完成磁粉檢測(cè)設(shè)備的抬起與落下；若解析的是外部設(shè)備控制任務(wù)，如打開相機(jī)輔助照明燈，則機(jī)器人主控器的控制端口電平發(fā)生改變，并作用于照明燈電源控制電路。

3.2 遠(yuǎn)程端軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程端的控制系統(tǒng)軟件由具備優(yōu)良的跨平臺(tái)特性、豐富的應(yīng)用編程接口等優(yōu)點(diǎn)的QT Creator 進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用多線程處理、信號(hào)與槽機(jī)制實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程端軟件系統(tǒng)中的界面顯示主線程、圖像獲取及TCP 通訊服務(wù)等子線程程序設(shè)計(jì)。

1）界面顯示主線程

界面顯示主線程程序啟動(dòng)時(shí)，首先會(huì)創(chuàng)建主事件循環(huán)QApplication 類的對(duì)象以及創(chuàng)建主窗口MainWindow類；隨后在主窗口類中對(duì)圖像獲取、焊縫處理、數(shù)據(jù)管理以及TCP 服務(wù)子線程進(jìn)行初始化并通過(guò)connect 函數(shù)建立主窗口類中的信號(hào)與子線程中的槽函數(shù)之間的連接；之后對(duì)界面中的按鈕及TCP 服務(wù)進(jìn)行初始化；最后對(duì)主窗口類進(jìn)行顯示，當(dāng)采集的圖像、工作狀態(tài)、TCP 通訊數(shù)據(jù)以及姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)為最新狀態(tài)時(shí)，則將這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新至窗口中對(duì)應(yīng)區(qū)域顯示。若圖像采集線程無(wú)最新圖像數(shù)據(jù)流更新時(shí)，會(huì)在主界面窗口顯示無(wú)信號(hào)圖標(biāo)，其它的顯示信息無(wú)更新時(shí)則打印輸出子線程當(dāng)前的狀態(tài)信息。

2）圖像獲取子線程

圖像獲取子線程任務(wù)是實(shí)時(shí)獲取網(wǎng)絡(luò)相機(jī)的圖像流數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。主界面下發(fā)相機(jī)開啟指令后，開啟時(shí)間定時(shí)器，會(huì)新建一個(gè)相機(jī)狀態(tài)監(jiān)控線程用于監(jiān)測(cè)相機(jī)狀態(tài)，當(dāng)相機(jī)在線并與主界面建立連接有數(shù)據(jù)幀到來(lái)時(shí)，通過(guò)調(diào)用QMutex 類的對(duì)象mutexLock1 中的lock 函數(shù)與unlock 函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)幀加鎖與解鎖操作，以保證寫入數(shù)據(jù)的完整性。在定時(shí)器回調(diào)函數(shù)中，通過(guò)信號(hào)與槽機(jī)制，將圖像數(shù)據(jù)送到主界面顯示。當(dāng)在設(shè)定的時(shí)間范圍內(nèi)沒有圖像數(shù)據(jù)到來(lái)，則對(duì)相機(jī)狀態(tài)信息進(jìn)行設(shè)置并在主界面中顯示，且交互界面中的圖像顯示區(qū)域顯示無(wú)信號(hào)圖標(biāo)。

3）TCP 服務(wù)子線程

TCP 服務(wù)子線程負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程端與本體端之間的socket通信，包括下發(fā)控制指令以及接收、解析并保存本體端反饋的數(shù)據(jù)。本文中遠(yuǎn)程端主控制器的IP 地址為192.168.0.188，監(jiān)聽的端口號(hào)為8234。遠(yuǎn)程端主控制器下發(fā)速度、讀取姿態(tài)信息等指令后，若接收到本體端反饋的數(shù)據(jù)，需要經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)解析以判斷當(dāng)前接收的數(shù)據(jù)是否和本體端發(fā)送的數(shù)據(jù)一致。通過(guò)比對(duì)自定義數(shù)據(jù)幀的幀頭包含的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度與幀尾數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，若一致，則將幀尾中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，顯示并保存至本地，反之，則輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不匹配反饋信息。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 焊縫跟蹤實(shí)驗(yàn)

以機(jī)器人在圓環(huán)狀鋼筒內(nèi)壁開展焊縫跟蹤測(cè)試，實(shí)驗(yàn)初始時(shí)將機(jī)器人的中心線與待跟蹤的焊縫保持一定的偏差，但焊縫仍在相機(jī)視覺內(nèi)。機(jī)器人以初始偏差60 mm 為干擾項(xiàng)，基于積分分離式PID 控制算法進(jìn)行焊縫跟蹤。在初始偏差作用下，機(jī)器人與焊縫中心的偏差在0 ～ 200 個(gè)采樣點(diǎn)范圍內(nèi)波動(dòng)較大，而在200 ～ 350個(gè)采樣點(diǎn)內(nèi)偏差波動(dòng)逐漸減小，在第350 個(gè)采樣點(diǎn)之后波動(dòng)逐漸趨于0，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了焊縫的自動(dòng)跟蹤。雖然在焊縫跟蹤過(guò)程中偏差值出現(xiàn)超調(diào)，但是機(jī)器人仍然能夠自我矯正回來(lái)，機(jī)器人穩(wěn)定跟蹤焊縫時(shí)，機(jī)器人與焊縫的中心偏差在± 2 mm 內(nèi)波動(dòng)，并且具備了偏離焊縫60 mm 能夠矯正的能力，滿足焊縫跟蹤的需求。

4.2 焊縫檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

將A 型標(biāo)準(zhǔn)試片粘貼至待檢測(cè)的壓力容器焊縫附近，對(duì)使用的磁粉檢測(cè)設(shè)備的磁化能力與紅水磁懸液的綜合性能進(jìn)行檢驗(yàn)，顯示待檢工件表面是否具有足夠的有效磁場(chǎng)強(qiáng)度以及磁化方法是否正確^[7]。標(biāo)準(zhǔn)試片在經(jīng)過(guò)磁化與磁懸液噴灑步驟后，A 型標(biāo)準(zhǔn)試片表面如圖3所示。

圖3 試片檢測(cè)結(jié)果

從圖3 中可以看出試片檢測(cè)后，原本光滑的試片正面聚集了大量的磁粉顆粒，形成了明顯的痕跡，并且磁痕的分布與試片背面的人工缺陷的位置一致，磁痕寬度與試片背面的實(shí)際缺陷寬度相當(dāng)。通過(guò)試片磁粉檢測(cè)，將試片背面的缺陷形狀顯示了出來(lái)，因此本文使用的磁粉檢測(cè)設(shè)備與磁懸液性能良好，磁化方法正確，進(jìn)而說(shuō)明機(jī)器人具備良好的焊縫缺陷檢測(cè)能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)了一種壓力容器焊縫檢測(cè)爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)，采用模塊化的設(shè)計(jì)思想完成了控制、通信、電源等硬件模塊?；谥袛喾绞脚c多線程技術(shù)，分別實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人本體端與遠(yuǎn)程端的軟件設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該控制系統(tǒng)可以穩(wěn)定地控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，滿足越障與焊縫跟蹤要求，機(jī)器人攜帶的磁粉檢測(cè)設(shè)備在對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后，試片正面能夠清晰顯示磁痕，機(jī)器人的控制系統(tǒng)具備控制機(jī)器人開展焊縫缺陷檢測(cè)的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙亞潔.化工企業(yè)特種設(shè)備安全管理存在的風(fēng)險(xiǎn)及對(duì)策[J].化工管理, 2019(19):137-138.

[2] 余凡.輕量化負(fù)壓爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究[D].昆明:昆明理工大學(xué),2021.

[3] ZHOU Q, LI X. Experimental investigation on climbing robot using rotation-flow adsorption unit[J].Robotics and Autonomous Systems.2018,105:112-120.

[4] 陳幫.環(huán)形鋼結(jié)構(gòu)磁粉探傷爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制研究[D].天津:河北工業(yè)大學(xué),2020.

[5] 丁杰月,張延兵,談?dòng)⒆?基于多傳感器融合的爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程,2018,47(12):57-62.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年12月期）