王 季，趙衛(wèi)東，唐顧杰

(安徽工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽馬鞍山 243032)

高爐出風(fēng)口中套傾角的變化會(huì)擾亂煉鋼所需的煤氣流分布和高爐下部的調(diào)節(jié)作用，對(duì)高爐的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行不利，故需定期檢測(cè)中套傾角[1]。對(duì)于中套傾角的檢測(cè)，傳統(tǒng)方法是由工人推著小車(chē)采用巡檢儀器進(jìn)行檢測(cè)[2]。高爐風(fēng)口數(shù)目多，且是一個(gè)有高爐煤氣逃逸、高溫輻射、噪聲與粉塵分布的區(qū)域平臺(tái)，人工檢測(cè)易受風(fēng)口平臺(tái)環(huán)境的影響，檢測(cè)勞動(dòng)強(qiáng)度大，難以保證檢測(cè)精度；檢測(cè)儀器需靠近高溫風(fēng)口區(qū)域，嚴(yán)重縮減儀器壽命。因此，代替人工作業(yè)的風(fēng)口傾角巡檢機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。

巡檢機(jī)器人從移動(dòng)方式上可分為四輪移動(dòng)式、軌道式及管道滾動(dòng)式3 種[3-4]。四輪移動(dòng)式與軌道式巡檢機(jī)器人因具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、運(yùn)動(dòng)靈活、路徑固定及穩(wěn)定性高的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[5-7]。左敏等[8]針對(duì)變電站儀表設(shè)備檢測(cè)，設(shè)計(jì)了一種以路面引導(dǎo)線(xiàn)顏色為識(shí)別目標(biāo)的視覺(jué)導(dǎo)航巡檢機(jī)器人，通過(guò)比例-積分-微分(proportion integral derivative,PID)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)引導(dǎo)線(xiàn)的循跡，但引導(dǎo)線(xiàn)易受灰塵與光線(xiàn)的影響導(dǎo)致循跡失??；Wang等[9]提出了一種以磁檢測(cè)與射頻識(shí)別(radio frequency identification,RFID)相結(jié)合的巡檢機(jī)器人導(dǎo)航定位方法，并用于變電站設(shè)備的檢測(cè)，此種磁檢測(cè)不受光照、灰塵等因素的影響，可增強(qiáng)機(jī)器人運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性與可靠性，但射頻識(shí)別碼成本較高，且在高爐風(fēng)口高溫地表平臺(tái)使用時(shí)內(nèi)部存儲(chǔ)芯片易發(fā)生故障；張銳[10]設(shè)計(jì)一種用于煤炭輸送帶檢測(cè)的軌道式巡檢機(jī)器人，采用模糊控制策略保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，利用編碼器累加行進(jìn)路程與RFID 輔助定位的方式完成定位巡檢，但該機(jī)器人在線(xiàn)檢測(cè)的軌道是由架空懸掛式H 型鋼材建成，成本高且在高爐風(fēng)口平臺(tái)有限空間內(nèi)難以應(yīng)用；Lan等[11]設(shè)計(jì)了一種室內(nèi)自主巡邏機(jī)器人，使用雙目相機(jī)分析環(huán)境的深度信息以尋找巡檢路徑，但巡檢路徑不固定，若將其用于高爐平臺(tái)安全系數(shù)較低。鑒于此，以馬鋼1號(hào)高爐風(fēng)口為檢測(cè)對(duì)象，選擇耐高溫的磁釘鋪設(shè)固定軌跡與定位點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種固定運(yùn)動(dòng)軌跡與定位點(diǎn)的四輪移動(dòng)巡檢機(jī)器人，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)口中套傾角的檢測(cè)。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為滿(mǎn)足高爐風(fēng)口傾角巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)的功能需求，先完成巡檢機(jī)器人信息交互任務(wù)的設(shè)計(jì)，后在巡檢機(jī)器人的智能化、模塊化與穩(wěn)定性等方面進(jìn)行完善。巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1。

圖1 巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 General architecture of control system of inspection robot

由圖1 可知，設(shè)計(jì)的巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)主要由中央控制室的上位機(jī)人機(jī)交互界面和現(xiàn)場(chǎng)工作的機(jī)器人控制單元組成。人機(jī)交互界面主要負(fù)責(zé)接收并顯示來(lái)自巡檢機(jī)器人載體上傳的風(fēng)口現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境信息，以及下發(fā)機(jī)器人手動(dòng)運(yùn)行或外部設(shè)備控制指令等交互信息。機(jī)器人控制單元包含現(xiàn)場(chǎng)信息采集與處理以及運(yùn)動(dòng)控制兩個(gè)子單元，現(xiàn)場(chǎng)信息采集與處理單元由STM32F103VE 最小系統(tǒng)與多種傳感器和外部設(shè)備組成，主要負(fù)責(zé)接收處理磁導(dǎo)傳感器發(fā)送的信息并完成磁軌跡跟蹤和風(fēng)口定位，同時(shí)采集與處理高爐風(fēng)口壁面的溫度、機(jī)器人與風(fēng)口之間的距離以及機(jī)器人自身電量、整體傾斜角度、行駛速度等信息。運(yùn)動(dòng)控制單元由雙路直流無(wú)刷電機(jī)控制器組成，用于控制2 個(gè)直流無(wú)刷電機(jī)，巡檢機(jī)器人同側(cè)的2 個(gè)運(yùn)動(dòng)輪利用鉸鏈與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)達(dá)到同步運(yùn)動(dòng)。當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到風(fēng)口定位點(diǎn)時(shí)，單片機(jī)通過(guò)串口通信1 向1 號(hào)上位機(jī)發(fā)送控制指令，三維激光掃描平臺(tái)開(kāi)始采集風(fēng)口傾角數(shù)據(jù)。當(dāng)單片機(jī)接收到2號(hào)上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)采集指令時(shí)，將采集的溫度、距離等數(shù)據(jù)打包通過(guò)串口通信2 發(fā)送給2 號(hào)上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳。電源遠(yuǎn)程控制單元是通過(guò)DC/DC 變換器與電源的輸出端口相連，負(fù)責(zé)接收中央控制室的遠(yuǎn)程開(kāi)機(jī)/關(guān)機(jī)指令來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人主電源設(shè)備的導(dǎo)通與斷開(kāi)，該單元在總開(kāi)關(guān)閉合狀態(tài)下處于低功耗狀態(tài)。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

巡檢機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制單元是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。準(zhǔn)確而可靠的磁導(dǎo)航是風(fēng)口中套傾角準(zhǔn)確測(cè)量的保障，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)溫度、距離和機(jī)器人本體數(shù)據(jù)需實(shí)時(shí)顯示到中央控制室上位機(jī)界面中。因此，現(xiàn)場(chǎng)信息采集與處理單元是巡檢機(jī)器人控制單元的核心。該單元以32位Cortex-M3內(nèi)核、最高頻率72 MHz、閃存512 KB、5路通信串口、4個(gè)通用定時(shí)器與1個(gè)控制器局域網(wǎng)(controller area network，CAN)接口的STM32F103VE單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理器[12]。在單片機(jī)最小系統(tǒng)電路外圍同時(shí)拓展數(shù)據(jù)采集、通信接口、外部設(shè)備控制模塊電路以完成現(xiàn)場(chǎng)信息的獲取與處理和對(duì)設(shè)備的控制。外部設(shè)備控制模塊的任務(wù)量比數(shù)據(jù)采集和通信接口模塊小得多，因此系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要圍繞數(shù)據(jù)采集和通信接口模塊展開(kāi)。

1.1.1 數(shù)據(jù)采集模塊電路

數(shù)據(jù)采集模塊包括溫度、距離及電量信息的RS485 采集電路，巡檢機(jī)器人運(yùn)行速度、編碼器信息的MX232采集電路，陀螺儀信息及磁導(dǎo)信息的采集電路，如圖2。

圖2 數(shù)據(jù)采集電路Fig.2 Data acquisition circuit

RS485 電路中，根據(jù)雙絞線(xiàn)兩端的電壓差值來(lái)表示傳遞信號(hào)，傳輸速率高，非常適合一主多從的數(shù)據(jù)采集要求[13]。掛載在該電路上的紅外測(cè)溫儀檢測(cè)溫度范圍為0～500 ℃，測(cè)溫精度為±1 ℃；抗強(qiáng)光雷達(dá)測(cè)距傳感器測(cè)量范圍為0～20 m，距離分辨率為1.5 cm；庫(kù)侖計(jì)可測(cè)量工作電壓9～100 V、容量0～99.9 kAh的鋰電池容量百分比。在單片機(jī)PC12管腳電平的作用下，SP3485芯片可改變自身的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)主從設(shè)備之間的數(shù)據(jù)自動(dòng)收發(fā)功能。MAX232電路中，使用MAX232芯片實(shí)現(xiàn)單片機(jī)串口與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器232總線(xiàn)接口通信電平的轉(zhuǎn)換[14]，采集巡檢機(jī)器人的運(yùn)行速度、編碼器信息。陀螺儀HI229姿態(tài)信息采集電路采集俯仰角、偏航角、翻滾角等，在風(fēng)口中套傾角檢測(cè)過(guò)程中進(jìn)行角度補(bǔ)償。對(duì)于磁導(dǎo)航傳感器采用CANopen 接口，為保證導(dǎo)航數(shù)據(jù)正常接收，需將CAN 收發(fā)器作為單片機(jī)與CAN 總線(xiàn)之間的連接橋梁。常見(jiàn)的CAN 收發(fā)器有TJA1050 與PCA82C250 等，兩者在硬件電路拓?fù)渲锌上嗷ゼ嫒?，但前者的抗電磁干擾性能比后者高20 dB[15]。圖2(d)為CAN收發(fā)器TJA1050的磁導(dǎo)信息采集電路，其中120 Ω的終端電阻用于總線(xiàn)阻抗匹配，可提高數(shù)據(jù)通信的抗干擾能力。

1.1.2 通信接口模塊電路

通信接口電路指的是STM32F103VE 與2 個(gè)上位機(jī)之間的USB 電平轉(zhuǎn)TTL 電平通信接口電路。圖3 為單路USB 串口通信電路原理，以CH340G 為媒介實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)之間USB 通信接口的相互兼容，保證數(shù)據(jù)正常傳輸。巡檢機(jī)器人到達(dá)風(fēng)口掃描定位點(diǎn)，單片機(jī)通過(guò)第一路USB 通信接口電路告知1 號(hào)上位機(jī)開(kāi)始獲取風(fēng)口傾角數(shù)據(jù)；通過(guò)第二路USB 通信接口電路將采集的溫度、距離等信息發(fā)送給2 號(hào)上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境與機(jī)器人自身參數(shù)的上傳。

圖3 單路USB串口通信電路原理Fig.3 Principle of single USB serial communication circuit

1.2 軟件設(shè)計(jì)

巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件包括機(jī)器人的磁導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)程序、風(fēng)口傾角掃描算法以及主程序。中央控制室的人機(jī)交互界面作為巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)的一部分，主要用于視頻畫(huà)面與現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)參數(shù)顯示，較少涉及機(jī)器人的控制系統(tǒng)，故對(duì)人機(jī)交互界面不做重點(diǎn)介紹。

1.2.1 磁導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)程序

風(fēng)口巡檢機(jī)器人磁導(dǎo)航的關(guān)鍵在于傳感器對(duì)埋于地面永磁性磁釘?shù)拇艌?chǎng)識(shí)別，包括磁場(chǎng)個(gè)數(shù)和磁場(chǎng)中心距傳感器中心的磁偏差等信息。圖4為機(jī)器人從倉(cāng)庫(kù)到13號(hào)風(fēng)口位置，磁導(dǎo)傳感器識(shí)別磁釘?shù)倪^(guò)程示意圖。其中磁釘位置離散排列，風(fēng)口檢測(cè)磁釘?shù)能壽E整體上呈圓形分布。

圖4 磁釘識(shí)別示意圖Fig.4 Schematic of magnetic nail identification

每當(dāng)磁導(dǎo)航傳感器檢測(cè)一個(gè)磁釘后，通過(guò)磁導(dǎo)信息采集電路將檢測(cè)的磁偏差及磁場(chǎng)個(gè)數(shù)信息發(fā)送至單片機(jī)，圖5 為磁導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)控制流程圖。根據(jù)圖5可知：當(dāng)單片機(jī)到達(dá)設(shè)定采樣時(shí)間后，采用經(jīng)典PID 控制算法中的P-D 計(jì)算磁偏差信息，比例項(xiàng)P可使系統(tǒng)對(duì)磁偏差信息進(jìn)行瞬間反應(yīng)；微分項(xiàng)D 可對(duì)磁偏差信息的變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，偏差變化越快，輸出值就越大，并在偏差變大之前進(jìn)行修正，加快調(diào)節(jié)過(guò)程。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中追求對(duì)偏差信息的快速響應(yīng)，因積分項(xiàng)I 主要用于消除靜態(tài)誤差，故文中使用P-D 控制器，將P-D 運(yùn)算所得結(jié)果追加到車(chē)輪的初始速度上，使機(jī)器人左右兩側(cè)車(chē)輪的速度發(fā)生改變實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，以調(diào)整循跡的姿態(tài)。但磁導(dǎo)航傳感器處于2個(gè)磁釘之間時(shí)無(wú)法檢測(cè)到磁場(chǎng)，此時(shí)的磁偏差為零。為防止磁釘偏離磁導(dǎo)傳感器的檢測(cè)范圍造成機(jī)器人因長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)不到磁釘而停下，在循跡的處理上系統(tǒng)會(huì)保存上次的磁偏差信息，直至機(jī)器人檢測(cè)到下個(gè)磁釘，再次更新最近時(shí)刻的磁偏差信息。

圖5 磁導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)控制流程圖Fig.5 Flowchart of magnetic navigation motion control

1.2.2 風(fēng)口傾角掃描算法

從三維激光掃描儀采集的高爐風(fēng)口點(diǎn)云數(shù)據(jù)中存在較多無(wú)效數(shù)據(jù)點(diǎn)，即外點(diǎn)outliers。隨機(jī)采樣一致性(random sample comsensus，RANSAC)算法是在包含較多無(wú)效數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)集中，通過(guò)迭代的方式以一定概率獲取較合理參數(shù)模型的一種擬合算法[16-17]。這種算法雖不能百分百地獲得良好的模型參數(shù)，但具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)抗擾性，在實(shí)際工程應(yīng)用中普遍適用。故文中采用RANSAC 算法對(duì)風(fēng)口中套平面進(jìn)行提取，具體風(fēng)口中套平面提取與傾角計(jì)算的步驟如下：

1)從原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)中隨機(jī)選取3個(gè)點(diǎn)，建立平面模型ax+by+cz+d= 0。

2)計(jì)算除構(gòu)建平面模型外的其他點(diǎn)，相對(duì)當(dāng)前平面模型的距離di，即距離誤差。

3)利用di＜τ統(tǒng)計(jì)有效數(shù)據(jù)點(diǎn)(內(nèi)點(diǎn))的個(gè)數(shù)，τ為通過(guò)實(shí)驗(yàn)方式確定的最佳距離閾值。

4)重復(fù)步驟1)到3)的N次迭代，選擇N次中內(nèi)點(diǎn)數(shù)目最多的平面模型作為最終的輸出結(jié)果。N可人工指定，也可通過(guò)RANSAC 算法的概率問(wèn)題進(jìn)行求解，如式(2)。e為點(diǎn)云數(shù)據(jù)中某點(diǎn)是外點(diǎn)的概率；p為至少能夠取到一個(gè)只有內(nèi)點(diǎn)而沒(méi)有外點(diǎn)的“好的采樣點(diǎn)”的概率，通常設(shè)置為0.99；s為求解一個(gè)模型至少需要的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

5)當(dāng)RANSAC得到最佳的風(fēng)口中套平面模型后，通過(guò)式(3)中的法向量關(guān)系進(jìn)一步計(jì)算中套平面與水平面之間的傾角θ。

1.2.3 主程序

控制系統(tǒng)的主程序流程如圖6。

圖6 控制系統(tǒng)的主程序流程圖Fig.6 Main program flowchart of control system

根據(jù)圖6，系統(tǒng)啟動(dòng)后，初始化各端口及相應(yīng)外設(shè)，如定時(shí)器、串口、通用輸出IO 口、CAN 通信接口等，并設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)分組；判斷定時(shí)中斷是否觸發(fā)，若定時(shí)中斷已觸發(fā)，則需接收上位機(jī)界面下發(fā)的運(yùn)動(dòng)指令，指令分為自動(dòng)模式和手動(dòng)模式。自動(dòng)模式下，系統(tǒng)將執(zhí)行磁導(dǎo)航的任務(wù)，判斷巡檢機(jī)器人是否到達(dá)風(fēng)口檢測(cè)點(diǎn)，若已到達(dá)風(fēng)口檢測(cè)點(diǎn)，則巡檢機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng)，啟動(dòng)三維激光掃描儀進(jìn)行風(fēng)口中套點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集與上傳。手動(dòng)模式下，運(yùn)動(dòng)控制處理器接收上位機(jī)界面下發(fā)的前后左右運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)，并通過(guò)第二路USB 串口電路發(fā)送至單片機(jī)，完成機(jī)器人的相關(guān)運(yùn)動(dòng)。若定時(shí)中斷未觸發(fā)，且磁導(dǎo)傳感器數(shù)據(jù)已傳送至單片機(jī)觸發(fā)CAN接收中斷，則接收磁偏差和磁場(chǎng)個(gè)數(shù)信息用于軌跡矯正；若定時(shí)中斷與CAN接收中斷都未觸發(fā)，則根據(jù)單片機(jī)第二路串口接收的指令判斷是否執(zhí)行照明燈與點(diǎn)狀激光指示器的導(dǎo)通與關(guān)斷，是否讀取485 總線(xiàn)、232總線(xiàn)上的數(shù)據(jù)以及是否采集陀螺儀輸出的姿態(tài)信息等任務(wù)。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

馬鋼1 號(hào)高爐的30 個(gè)風(fēng)口呈半徑約12 m 圓形均勻分布，風(fēng)口檢測(cè)區(qū)域距地面約0.7 m，現(xiàn)場(chǎng)溫度高、積灰嚴(yán)重、環(huán)境復(fù)雜。為驗(yàn)證設(shè)計(jì)風(fēng)口巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)的可行性，將設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)嵌入圖7所示的巡檢機(jī)器人，用于馬鋼1號(hào)高爐30個(gè)風(fēng)口的磁導(dǎo)航與風(fēng)口傾角的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)周期為1個(gè)月，檢測(cè)過(guò)程中，高爐風(fēng)口設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定；為便于中央控制室對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的監(jiān)控，基于微軟基礎(chǔ)類(lèi)庫(kù)(microsoft foundation classes,MFC)開(kāi)發(fā)一款人機(jī)交互界面，如圖8所示。

圖7 風(fēng)口傾角巡檢機(jī)器人Fig.7 Tuyere inclination inspection robot

圖8 人機(jī)交互界面Fig.8 Human-computer interaction interface

人機(jī)交互界面可實(shí)時(shí)顯示掃描的風(fēng)口中套三維點(diǎn)云信息、巡檢機(jī)器人搭載相機(jī)采集的現(xiàn)場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)以及環(huán)境參數(shù)等信息，工作人員通過(guò)操作界面按鈕可實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制。

2.1 磁導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)

將風(fēng)口巡檢機(jī)器人置于距風(fēng)口壁面3.5 m處的圓形磁釘軌道上進(jìn)行循跡實(shí)驗(yàn)，設(shè)置機(jī)器人初始磁偏差干擾為-20 mm。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，記錄每個(gè)采樣周期中磁導(dǎo)航傳感器輸出的磁偏差；為進(jìn)一步測(cè)試機(jī)器人磁導(dǎo)航時(shí)的抗干擾能力，分別在采樣點(diǎn)270和550處對(duì)機(jī)器人施加人工擾動(dòng)，結(jié)果如圖9。

由圖9 可看出：機(jī)器人在調(diào)整軌跡的過(guò)程中，距離磁釘軌道中心最大偏移為10 mm，達(dá)到穩(wěn)定跟蹤磁軌跡時(shí)，機(jī)器人的磁偏差基本為0；機(jī)器人在人工干擾下能夠及時(shí)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡調(diào)節(jié)，最終達(dá)到穩(wěn)定跟蹤狀態(tài)。由此表明設(shè)計(jì)的磁導(dǎo)航控制算法具有較強(qiáng)的魯棒性，機(jī)器人通過(guò)磁導(dǎo)航能夠滿(mǎn)足風(fēng)口傾角檢測(cè)對(duì)軌跡跟蹤的要求。

圖9 機(jī)器人偏移軌道距離波形Fig.9 Waveform of robot offset orbit distance

2.2 風(fēng)口傾角檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

采用機(jī)器人在風(fēng)口定位點(diǎn)處對(duì)馬鋼1 號(hào)高爐的30 個(gè)風(fēng)口進(jìn)行三維激光掃描，測(cè)量風(fēng)口傾角。機(jī)器人繞高爐巡檢1周得到30個(gè)風(fēng)口中套傾角的一組數(shù)據(jù)，共獲取40 組數(shù)據(jù)，取40 組數(shù)據(jù)的平均值作為最終測(cè)量數(shù)據(jù)；為驗(yàn)證機(jī)器人檢測(cè)高爐風(fēng)口傾角的準(zhǔn)確性，同一時(shí)期采用人工測(cè)量高爐風(fēng)口傾角，2 種方式測(cè)量結(jié)果如圖10。由圖10可看出：巡檢機(jī)器人與人工檢測(cè)的風(fēng)口傾角均在±3°范圍內(nèi)波動(dòng)，均滿(mǎn)足正常生產(chǎn)工藝要求；2 種測(cè)量方式得到的風(fēng)口傾角差值不大，檢測(cè)精度相當(dāng)。

圖10 風(fēng)口傾角的檢測(cè)結(jié)果Fig.10 Test results of tuyere inclination angle

為檢驗(yàn)巡檢機(jī)器人的風(fēng)口傾角檢測(cè)效率，統(tǒng)計(jì)機(jī)器人與人工檢測(cè)每個(gè)風(fēng)口傾角所用時(shí)間，為防止統(tǒng)計(jì)結(jié)果的偶然性，各取40組數(shù)據(jù)檢測(cè)時(shí)間的平均值，結(jié)果如圖11。由圖11可看出：30個(gè)風(fēng)口處，巡檢機(jī)器人的檢測(cè)耗時(shí)均低于人工；機(jī)器人與人工檢測(cè)每個(gè)風(fēng)口傾角平均耗時(shí)分別為67.39，75.77 s，相較于人工檢測(cè)，機(jī)器人的時(shí)間效率提高了11%。

圖11 風(fēng)口傾角的測(cè)量時(shí)間Fig.11 Measuring time of tuyere inclination angle

3 結(jié)論

針對(duì)高爐出風(fēng)口中套傾角的檢測(cè)，設(shè)計(jì)一種基于磁導(dǎo)航的巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)。采用CAN，RS485，USB 串口等通信電路實(shí)現(xiàn)機(jī)器人磁導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)控制、傳感器數(shù)據(jù)采集與現(xiàn)場(chǎng)信息上傳等功能，采用RANSAC算法對(duì)風(fēng)口中套進(jìn)行平面提取，進(jìn)而計(jì)算出中套傾角。將設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)嵌入巡檢機(jī)器人，用于馬鋼1號(hào)高爐風(fēng)口平臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，結(jié)果表明：機(jī)器人偏離磁釘軌跡中心的最大距離為10 mm，穩(wěn)定跟蹤時(shí)磁偏差量基本為0，導(dǎo)航效果良好；機(jī)器人檢測(cè)的風(fēng)口傾角在±3°范圍內(nèi)波動(dòng)，與人工檢測(cè)結(jié)果相當(dāng)，均滿(mǎn)足正常生產(chǎn)工藝要求；機(jī)器人的檢測(cè)耗時(shí)均低于人工，每個(gè)風(fēng)口傾角平均耗時(shí)67.39 s，相較于人工檢測(cè)，時(shí)間效率提高了11%。本文設(shè)計(jì)的高爐風(fēng)口巡檢機(jī)器人可替代人工在高溫環(huán)境下完成風(fēng)口傾角的檢測(cè)，不僅降低了檢測(cè)的勞動(dòng)強(qiáng)度，還提高了檢測(cè)效率。