多傳感器大鶴管快速精準對位系統設計

顧亞雄，劉漢文，白 洋，李洪宇，陳 濤，解 淼，徐 淋

（西南石油大學 機電工程學院，成都 610500）

目前，國內油品儲運企業裝載油料多采用遙控對位系統。這種對位系統需要一名現場控制人員利用肉眼觀察進行手動遙控大鶴管與油罐車罐口對位，一名油罐車操作員才能完成整個對位過程。人員需求較多，且工作強度很大，容易出現疲勞，引起事故，整個過程只能做到半自動化。對位方式單一不穩定，導致大鶴管控制系統存在對位自動化程度低、對位速度慢等問題。因此，研發出符合國內現狀的大鶴管自動對位控制系統迫在眉睫，對位效率的提高必將帶來一定的經濟效益，提高各個地區油庫儲運的自動化程度，對整個石油行業的發展具有重要意義[1]。

圖1 系統總體結構圖Fig.1 System overall structure diagram

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

針對上述情況，本系統將大鶴管轉向技術與超聲波檢測技術相結合先進行大鶴管粗對位，再通過計算機圖像處理技術將大鶴管與油罐車罐口精準對位。本系統可實現大鶴管對位過程全自動化操作，極大簡化大鶴管對位過程操作步驟，消除人工操作管理帶來的不穩定因素，進一步提升油品儲運企業的整體效益。

1 系統方案設計

當油罐車在小爬車的牽引下抵達大鶴管附近后，在粗對位階段利用超聲波檢測罐口，將脈沖信號通過MCU轉換為控制信號進而控制大鶴管快速轉向油罐車罐口。再利用計算機視覺圖像處理技術檢測罐口邊緣，并對算法進行研究優化，得到罐口準確位置。最后控制轉向結構使大鶴管準確對位至罐口中心。當油料裝載完畢，系統自動復位使大鶴管回到初始位置。圖1為系統總體結構圖。

2 對位系統組成

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，費用低，易于小型化。用其測量一定范圍內是否有油罐車罐口出現：當檢測到油罐車罐口時，MCU將控制大鶴管轉向結構進行快速粗對位。但溫度對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行溫度補償[2]。

圖3所示超聲波檢測模塊由MCU和超聲波傳感器組成，該模塊可實時獲得超聲波傳感器與罐口距離，通過數字溫度計DS18B20采集溫度進行溫度補償后，最后計算出的罐口坐標精度得到進一步提升。

圖3 超聲波檢測模塊結構圖Fig.3 Structure diagram of ultrasonic testing module

圖4 計算機視覺模塊組成圖Fig.4 Computer vision module composition diagram

圖5 大鶴管轉向結構圖Fig.5 Steering structure diagram of big crane tube

2.2 計算機視覺模塊

計算機視覺模塊能夠在目標邊緣和背景間提高對比度，具有消除相對于獲取目標圖像無意義的特征點、圖像紋理平滑化等功能。因此，具有優異的圖像數據處理能力，該模塊捕捉罐口精確度高、適用性強。

計算機視覺模塊由圖像采集單元、圖像處理單元、工業計算機等構成，該模塊先利用CCD相機和圖像采集卡獲得油罐圓形罐口圖像轉換為模擬/數字圖像，再將信號輸出至圖像處理單元進行實時存儲，然后通過圖像處理單元將圖像幾何邊緣實時處理，獲得連續圖像。最后工業計算機對獲得的罐口圖像進行算法分析，得到油罐罐口準確位置[3]。

圖6 舵機與MCU連接圖Fig.6 Diagram of connection between steering gear and MCU

2.3 大鶴管轉向結構

圖5 所示大鶴管轉向結構利用舵機實現大鶴管進行X、Y、Z 3個方向運動。舵機1在水平面內運動，舵機2在豎直平面內運動，舵機3通過對渦輪渦桿的控制，實現大鶴管升降。MCU在得到罐口位置后，驅動大鶴管不同關節處的舵機轉動，最終實現三維空間的大鶴管與油罐罐口精準對位功能。在大鶴管轉向結構中，油料在管道內進行密封運輸，轉動處采用剛性旋轉接頭過渡，利用舵機傳遞動力，圖6為舵機與MCU連接圖，舵機控制器與MCU采用TTL電平通信。

3 系統軟件設計

本系統MCU選用STM 32F103ZET6作為控制核心，STM 32F103ZET6是一種功能強大的32位單片機，擁有集成USB，與工業計算機連接方便，適用于小型化智能控制系統，其復位功能適用于大鶴管回到初始位置。系統粗對位程序流程圖如圖7所示。

4 結束語

圖7 系統粗對位程序流程圖Fig.7 System coarse program flow chart

本系統通過超聲波檢測技術與計算機視覺圖像處理技術相結合，具有對位精度高、對位速度快等優點，克服了現有油料裝載過程中自動化程度低、人工操作不穩定等弊端，可實現大鶴管對位過程全自動化操作，并且能夠自動復位大鶴管初始位置。極大提高油品儲運管理作業效率，在避免安全事故的基礎上進一步增加經濟效益。