基于arduino和K210單片機(jī)的管道環(huán)焊縫自動(dòng)掃查器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

楊運(yùn)愷，王一川，王久鴻，林煒康，付思遙

（中國(guó)石油大學(xué)（華東），山東青島 266580）

管道探測(cè)機(jī)器人是工業(yè)4.0時(shí)代一種有效的智能探測(cè)設(shè)備，可以深入人類無(wú)法到達(dá)的局限空間執(zhí)行勘察檢測(cè)任務(wù)，國(guó)內(nèi)外對(duì)管道機(jī)器人已有許多研究，比如趙紅紅等對(duì)支撐輪式石油管道機(jī)器人整體設(shè)計(jì)的研究[1]，崔向貴等對(duì)碟形彈簧式機(jī)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(jī)k210[4]的全自動(dòng)化管道環(huán)焊縫掃查器，搭載ACFM無(wú)損檢測(cè)探頭[5]。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、車身主體、視覺識(shí)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(guò)焊接方法焊接連接電機(jī)固定裝置連接機(jī)構(gòu)，電機(jī)固定裝置連接機(jī)構(gòu)通過(guò)螺釘與驅(qū)動(dòng)機(jī)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(cè)機(jī)構(gòu)。探頭固定機(jī)構(gòu)通過(guò)夾持將探頭固定，同時(shí)探頭固定機(jī)構(gòu)通過(guò)插拔連接與步進(jìn)電機(jī)連接，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)使檢測(cè)器360°全方位檢測(cè)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)固定機(jī)構(gòu)通過(guò)螺釘與電機(jī)固定裝置連接機(jī)構(gòu)連接，同時(shí)又通過(guò)螺釘將電機(jī)和電機(jī)固定機(jī)構(gòu)固定，車輪和電機(jī)通過(guò)插拔連接固定在一起，第三連接機(jī)構(gòu)上焊有小環(huán)，方便連接支撐系統(tǒng)，其中驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以以螺釘為軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)。

使用SolidWorks 中的Visualize 功能插件進(jìn)行過(guò)程模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了構(gòu)件模型的可行性和實(shí)用性。

1.3 擬搭載工作探頭介紹

檢測(cè)探頭主要組成部分包括U 型磁芯，用于增強(qiáng)激勵(lì)；激勵(lì)線圈，安裝在磁芯中間的橫梁上；磁場(chǎng)傳感器（采用TMR 傳感技術(shù)）；以及信號(hào)處理模塊，用于信號(hào)放大和濾波。這種檢測(cè)方法稱為ACFM技術(shù)，是一種無(wú)損檢測(cè)和診斷技術(shù)，其專注于檢測(cè)金屬構(gòu)件中的裂紋缺陷，無(wú)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(duì)傳統(tǒng)檢測(cè)方法不易訪問(wèn)的地方，在焊縫質(zhì)量控制中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。圖2為其三維結(jié)構(gòu)。

2 電路設(shè)計(jì)

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(lái)的不便性和電源持續(xù)工作電路熱量積累帶來(lái)的安全隱患，本項(xiàng)目將考慮根據(jù)上述原理圖制作對(duì)應(yīng)的PCB 板。

3 程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體程序流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)運(yùn)行流程

3.1 ArduinoIDE部分

Arduino 單片機(jī)使用Arduino IDE 編程，通過(guò)編譯器編譯并成功上傳后實(shí)現(xiàn)控制。文章掃查器控制程序主要包括直流電機(jī)組合控制、舵機(jī)控制和串口通訊配置，直流電機(jī)組合控制通過(guò)控制管腳電平和PWM波包裝前進(jìn)、后退、停止等函數(shù)，舵機(jī)控制也是通過(guò)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(shí)現(xiàn)與上位機(jī)K210實(shí)時(shí)通訊。

3.2 MaixpyIDE部分

K210 單片機(jī)使用Maixpy IDE 編程。K210 單片機(jī)是一款智能攝像頭單片機(jī)，有1TOS 算力，結(jié)合maixpy 平臺(tái)，F(xiàn)PS 可以達(dá)到20幀，可以滿足項(xiàng)目要求。這部分主要實(shí)現(xiàn)焊縫目標(biāo)的實(shí)時(shí)分類和檢測(cè)。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(fù)樣本，設(shè)置相應(yīng)標(biāo)簽，將其中72%作為訓(xùn)練集，8%作為驗(yàn)證集，20%作為測(cè)試集，輸入到maix-hub 網(wǎng)站線上訓(xùn)練，根據(jù)分類和檢測(cè)的任務(wù)分別得到兩個(gè)模型，將得到的模型保存為.kmodel 文件分別放在對(duì)應(yīng)項(xiàng)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(cè)任務(wù)曲線

Maix IDE 中的偽代碼如下：

目標(biāo)分類算法：

目標(biāo)分類和檢測(cè)實(shí)施效果如下，IDE 中所示的測(cè)試圖片是相同數(shù)據(jù)集中隨機(jī)抽取的，可見所訓(xùn)練模型實(shí)際效果好。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章所提出的管道環(huán)自動(dòng)掃查器基本能滿足實(shí)際焊縫檢測(cè)需求，其能根據(jù)檢測(cè)探頭型號(hào)定制與步進(jìn)電機(jī)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(jiǎn)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(cè)精度較高；穩(wěn)定性較強(qiáng)，能夠在不同工作環(huán)境下可靠運(yùn)行，減少了故障和維護(hù)成本；具備較高的探測(cè)精度，可以準(zhǔn)確檢測(cè)焊縫的質(zhì)量和缺陷；綜上所述本項(xiàng)目可實(shí)施性強(qiáng)，可以考慮進(jìn)一步研究測(cè)試后進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。