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多傳感器大鶴管快速精準(zhǔn)對(duì)位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2023-02-24 11:17:54      發(fā)布人:小編  瀏覽量:

目前,國內(nèi)油品儲(chǔ)運(yùn)企業(yè)裝載油料多采用遙控對(duì)位系統(tǒng)。這種對(duì)位系統(tǒng)需要一名現(xiàn)場控制人員利用肉眼觀察進(jìn)行手動(dòng)遙控大鶴管與油罐車罐口對(duì)位,一名油罐車操作員才能完成整個(gè)對(duì)位過程。人員需求較多,且工作強(qiáng)度很大,容易出現(xiàn)疲勞,引起事故,整個(gè)過程只能做到半自動(dòng)化。對(duì)位方式單一不穩(wěn)定,導(dǎo)致大鶴管控制系統(tǒng)存在對(duì)位自動(dòng)化程度低、對(duì)位速度慢等問題。因此,研發(fā)出符合國內(nèi)現(xiàn)狀的大鶴管自動(dòng)對(duì)位控制系統(tǒng)迫在眉睫,對(duì)位效率的提高必將帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益,提高各個(gè)地區(qū)油庫儲(chǔ)運(yùn)的自動(dòng)化程度,對(duì)整個(gè)石油行業(yè)的發(fā)展具有重要意義[1]。

針對(duì)上述情況,本系統(tǒng)將大鶴管轉(zhuǎn)向技術(shù)與超聲波檢測技術(shù)相結(jié)合先進(jìn)行大鶴管粗對(duì)位,再通過計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)將大鶴管與油罐車罐口精準(zhǔn)對(duì)位。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)大鶴管對(duì)位過程全自動(dòng)化操作,極大簡化大鶴管對(duì)位過程操作步驟,消除人工操作管理帶來的不穩(wěn)定因素,進(jìn)一步提升油品儲(chǔ)運(yùn)企業(yè)的整體效益。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System overall structure diagram

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System overall structure diagram  

圖2 溫度測量電路圖Fig.2 Temperature measurement circuit diagram

圖2 溫度測量電路圖Fig.2 Temperature measurement circuit diagram 


1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

當(dāng)油罐車在小爬車的牽引下抵達(dá)大鶴管附近后,在粗對(duì)位階段利用超聲波檢測罐口,將脈沖信號(hào)通過MCU轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)進(jìn)而控制大鶴管快速轉(zhuǎn)向油罐車罐口。再利用計(jì)算機(jī)視覺圖像處理技術(shù)檢測罐口邊緣,并對(duì)算法進(jìn)行研究優(yōu)化,得到罐口準(zhǔn)確位置。最后控制轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)使大鶴管準(zhǔn)確對(duì)位至罐口中心。當(dāng)油料裝載完畢,系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位使大鶴管回到初始位置。圖1為系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。

2 對(duì)位系統(tǒng)組成

2.1 超聲波檢測模塊

超聲波具有頻率高、波長短等特性,在空氣中沿直線傳播,方向性和束射性好,體積小,費(fèi)用低,易于小型化。用其測量一定范圍內(nèi)是否有油罐車罐口出現(xiàn):當(dāng)檢測到油罐車罐口時(shí),MCU將控制大鶴管轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速粗對(duì)位。但溫度對(duì)超聲波檢測精度有一定影響,故需借助圖2所示溫度測量電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償[2]。

圖3所示超聲波檢測模塊由MCU和超聲波傳感器組成,該模塊可實(shí)時(shí)獲得超聲波傳感器與罐口距離,通過數(shù)字溫度計(jì)DS18B20采集溫度進(jìn)行溫度補(bǔ)償后,最后計(jì)算出的罐口坐標(biāo)精度得到進(jìn)一步提升。

圖3 超聲波檢測模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of ultrasonic testing module

圖3 超聲波檢測模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of ultrasonic testing module 


圖4 計(jì)算機(jī)視覺模塊組成圖Fig.4 Computer vision module composition diagram

圖4 計(jì)算機(jī)視覺模塊組成圖Fig.4 Computer vision module composition diagram   


圖5 大鶴管轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Steering structure diagram of big crane tube

圖5 大鶴管轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Steering structure diagram of big crane tube   


2.2 計(jì)算機(jī)視覺模塊

計(jì)算機(jī)視覺模塊能夠在目標(biāo)邊緣和背景間提高對(duì)比度,具有消除相對(duì)于獲取目標(biāo)圖像無意義的特征點(diǎn)、圖像紋理平滑化等功能。因此,具有優(yōu)異的圖像數(shù)據(jù)處理能力,該模塊捕捉罐口精確度高、適用性強(qiáng)。

計(jì)算機(jī)視覺模塊由圖像采集單元、圖像處理單元、工業(yè)計(jì)算機(jī)等構(gòu)成,該模塊先利用CCD相機(jī)和圖像采集卡獲得油罐圓形罐口圖像轉(zhuǎn)換為模擬/數(shù)字圖像,再將信號(hào)輸出至圖像處理單元進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ),然后通過圖像處理單元將圖像幾何邊緣實(shí)時(shí)處理,獲得連續(xù)圖像。最后工業(yè)計(jì)算機(jī)對(duì)獲得的罐口圖像進(jìn)行算法分析,得到油罐罐口準(zhǔn)確位置[3]。

圖6 舵機(jī)與MCU連接圖Fig.6 Diagram of connection between steering gear and MCU

圖6 舵機(jī)與MCU連接圖Fig.6 Diagram of connection between steering gear and MCU 


2.3 大鶴管轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)

圖5所示大鶴管轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)利用舵機(jī)實(shí)現(xiàn)大鶴管進(jìn)行X、Y、Z 3個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。舵機(jī)1在水平面內(nèi)運(yùn)動(dòng),舵機(jī)2在豎直平面內(nèi)運(yùn)動(dòng),舵機(jī)3通過對(duì)渦輪渦桿的控制,實(shí)現(xiàn)大鶴管升降。MCU在得到罐口位置后,驅(qū)動(dòng)大鶴管不同關(guān)節(jié)處的舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),最終實(shí)現(xiàn)三維空間的大鶴管與油罐罐口精準(zhǔn)對(duì)位功能。在大鶴管轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)中,油料在管道內(nèi)進(jìn)行密封運(yùn)輸,轉(zhuǎn)動(dòng)處采用剛性旋轉(zhuǎn)接頭過渡,利用舵機(jī)傳遞動(dòng)力,圖6為舵機(jī)與MCU連接圖,舵機(jī)控制器與MCU采用TTL電平通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)MCU選用STM 32F103ZET6作為控制核心,STM32F103ZET6是一種功能強(qiáng)大的32位單片機(jī),擁有集成USB,與工業(yè)計(jì)算機(jī)連接方便,適用于小型化智能控制系統(tǒng),其復(fù)位功能適用于大鶴管回到初始位置。系統(tǒng)粗對(duì)位程序流程圖如圖7所示。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)通過超聲波檢測技術(shù)與計(jì)算機(jī)視覺圖像處理技術(shù)相結(jié)合,具有對(duì)位精度高、對(duì)位速度快等優(yōu)點(diǎn),克服了現(xiàn)有油料裝載過程中自動(dòng)化程度低、人工操作不穩(wěn)定等弊端,可實(shí)現(xiàn)大鶴管對(duì)位過程全自動(dòng)化操作,并且能夠自動(dòng)復(fù)位大鶴管初始位置。極大提高油品儲(chǔ)運(yùn)管理作業(yè)效率,在避免安全事故的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加經(jīng)濟(jì)效益。

圖7 系統(tǒng)粗對(duì)位程序流程圖Fig.7 System coarse program flow chart

圖7 系統(tǒng)粗對(duì)位程序流程圖Fig.7 System coarse program flow chart 


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