楊運愷，王一川，王久鴻，林煒康，付思遙

（中國石油大學（華東），山東青島 266580）

管道探測機器人是工業(yè)4.0時代一種有效的智能探測設(shè)備，可以深入人類無法到達的局限空間執(zhí)行勘察檢測任務(wù)，國內(nèi)外對管道機器人已有許多研究，比如趙紅紅等對支撐輪式石油管道機器人整體設(shè)計的研究[1]，崔向貴等對碟形彈簧式機器人的研究[2]。文章提出了一種基于arduino 開發(fā)板[3]和視覺單片機k210[4]的全自動化管道環(huán)焊縫掃查器，搭載ACFM無損檢測探頭[5]。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成

主要由電機驅(qū)動模塊、車身主體、視覺識別模塊、探頭工作模塊組成。solidworks 建模如圖1所示。

圖1 掃查器3D建模

1.2 工作原理

車身主體分別3處每120°設(shè)置開口，通過焊接方法焊接連接電機固定裝置連接機構(gòu)，電機固定裝置連接機構(gòu)通過螺釘與驅(qū)動機構(gòu)連接，所述車身主體的底端設(shè)置有攝像頭，所述車身主體內(nèi)壁設(shè)置開口，方便放置和固定穩(wěn)定耳板，所述車身主體的前端連接檢測機構(gòu)。探頭固定機構(gòu)通過夾持將探頭固定，同時探頭固定機構(gòu)通過插拔連接與步進電機連接，步進電機旋轉(zhuǎn)使檢測器360°全方位檢測。驅(qū)動系統(tǒng)的電機固定機構(gòu)通過螺釘與電機固定裝置連接機構(gòu)連接，同時又通過螺釘將電機和電機固定機構(gòu)固定，車輪和電機通過插拔連接固定在一起，第三連接機構(gòu)上焊有小環(huán)，方便連接支撐系統(tǒng)，其中驅(qū)動系統(tǒng)可以以螺釘為軸自由轉(zhuǎn)動。

使用SolidWorks 中的Visualize 功能插件進行過程模擬實驗驗證了構(gòu)件模型的可行性和實用性。

1.3 擬搭載工作探頭介紹

檢測探頭主要組成部分包括U 型磁芯，用于增強激勵；激勵線圈，安裝在磁芯中間的橫梁上；磁場傳感器（采用TMR 傳感技術(shù)）；以及信號處理模塊，用于信號放大和濾波。這種檢測方法稱為ACFM技術(shù)，是一種無損檢測和診斷技術(shù)，其專注于檢測金屬構(gòu)件中的裂紋缺陷，無需物理接觸金屬表面，且可用于各種金屬構(gòu)件，尤其是那些對傳統(tǒng)檢測方法不易訪問的地方，在焊縫質(zhì)量控制中具有重要的應(yīng)用價值。圖2為其三維結(jié)構(gòu)。

2 電路設(shè)計

嘉立創(chuàng)EDA 繪制電路原理如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)電路原理

為減少繁雜接線帶來的不便性和電源持續(xù)工作電路熱量積累帶來的安全隱患，本項目將考慮根據(jù)上述原理圖制作對應(yīng)的PCB 板。

3 程序設(shè)計

系統(tǒng)整體程序流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)運行流程

3.1 ArduinoIDE部分

Arduino 單片機使用Arduino IDE 編程，通過編譯器編譯并成功上傳后實現(xiàn)控制。文章掃查器控制程序主要包括直流電機組合控制、舵機控制和串口通訊配置，直流電機組合控制通過控制管腳電平和PWM波包裝前進、后退、停止等函數(shù)，舵機控制也是通過控制管腳電平和PWM 波使擬搭載工作探頭正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，串口通訊配置發(fā)射、接收串口以及調(diào)整波特率實現(xiàn)與上位機K210實時通訊。

3.2 MaixpyIDE部分

K210 單片機使用Maixpy IDE 編程。K210 單片機是一款智能攝像頭單片機，有1TOS 算力，結(jié)合maixpy 平臺，F(xiàn)PS 可以達到20幀，可以滿足項目要求。這部分主要實現(xiàn)焊縫目標的實時分類和檢測。文章使用飛槳AI Studio 中的開放數(shù)據(jù)集并將其劃分為正樣本和負樣本，設(shè)置相應(yīng)標簽，將其中72%作為訓(xùn)練集，8%作為驗證集，20%作為測試集，輸入到maix-hub 網(wǎng)站線上訓(xùn)練，根據(jù)分類和檢測的任務(wù)分別得到兩個模型，將得到的模型保存為.kmodel 文件分別放在對應(yīng)項目文件夾中，其中訓(xùn)練好的模型使用了MobileNetv1和Yolov2。模型訓(xùn)練結(jié)果如圖5～7所示。

圖5 分類任務(wù)曲線

圖6 分類任務(wù)混淆矩陣

圖7 檢測任務(wù)曲線

Maix IDE 中的偽代碼如下：

目標分類算法：

目標分類和檢測實施效果如下，IDE 中所示的測試圖片是相同數(shù)據(jù)集中隨機抽取的，可見所訓(xùn)練模型實際效果好。

4 結(jié)束語

文章所提出的管道環(huán)自動掃查器基本能滿足實際焊縫檢測需求，其能根據(jù)檢測探頭型號定制與步進電機轉(zhuǎn)軸適配的探頭固定裝置，因此可以搭載多種類探頭，確保探頭的適配性和穩(wěn)定性；掃查器整體成本較低；操作較簡單，不需要復(fù)雜的培訓(xùn)，降低了操作人員的技術(shù)門檻探測精度較高；穩(wěn)定性較強，能夠在不同工作環(huán)境下可靠運行，減少了故障和維護成本；具備較高的探測精度，可以準確檢測焊縫的質(zhì)量和缺陷；綜上所述本項目可實施性強，可以考慮進一步研究測試后進行工業(yè)化生產(chǎn)。