錐形水泥桿智能檢測系統(tǒng)研究

吳碧春 劉 玲 張余祥 傅 健

（1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司合肥供電公司，合肥 230041；2.安徽立翔電力技術(shù)服務(wù)有限公司，合肥 230041）

錐形水泥桿在我國經(jīng)濟建設(shè)過程中起到不可或缺的作用，但是質(zhì)量較差的錐形水泥桿會因斷裂和倒塌造成較大損害，甚至危及人身安全。為使錐形水泥桿符合建設(shè)要求，保障安全生產(chǎn)，需要檢測其關(guān)鍵參數(shù)。國家電網(wǎng)有限公司對所用的錐形水泥桿執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)《環(huán)形混凝土電桿》（GB/T 4623—2014）、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》（DL/T 5154—2012）、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《配電網(wǎng)桿塔選型技術(shù)原則和檢測技術(shù)規(guī)范》（Q/GDW 11256—2014）等[1]。

目前，水泥桿的質(zhì)量檢測方式以傳統(tǒng)的人工檢測為主[2-4]，實施檢測的設(shè)備質(zhì)量參差不齊且精度不高。滯后的檢測技術(shù)手段是檢測過程中急需解決的弊端[5-6]。對此，文章基于工業(yè)自動化技術(shù)和人工智能技術(shù)，設(shè)計和研究錐形水泥桿智能化自動檢測裝置。該裝置可以適應(yīng)各種不同尺寸的錐形水泥桿的檢測，減少傳統(tǒng)人工檢測存在的安全隱患，提高檢測精度，填補我國錐形水泥桿自動化智能檢測設(shè)備的空白，同時為水泥桿的生產(chǎn)自檢環(huán)節(jié)提供數(shù)據(jù)，進而改善生產(chǎn)工藝，提升產(chǎn)品質(zhì)量。

1 整體方案設(shè)計

設(shè)計的水泥桿智能檢測系統(tǒng)可以自動完成幾何量測量、受力撓度檢測及水泥桿曲面裂縫寬度檢測。整套檢測設(shè)備包括控制系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)，在錐形水泥桿自動支撐抱夾及加載的基礎(chǔ)上，引入基于機器視覺的三維重建方法，提高了檢測的準(zhǔn)確性和自動化水平。

圖1 為整體自動化夾持、加載和機器視覺檢測的原理，其中水泥墩A、B 提供伺服驅(qū)動機構(gòu)在受力狀況下穩(wěn)定不變的測量平臺和以軌道C 為施力基準(zhǔn)的平臺，S1、S2、S3均為伺服驅(qū)動機構(gòu)，F(xiàn)1、F2、F3均為針對錐形水泥桿的垂直支撐機構(gòu)。機器視覺系統(tǒng)D 能夠沿著視覺精密位移控制平臺E 移動，實現(xiàn)視覺拍照，并通過計算獲得相關(guān)參數(shù)信息。

圖1 整體自動化夾持、加載和機器視覺檢測原理

根據(jù)錐形水泥桿的檢測標(biāo)準(zhǔn)和要求，設(shè)計的智能檢測系統(tǒng)包括5 個部分，即垂直支撐保持機構(gòu)、水平夾持保持機構(gòu)、機器視覺測量系統(tǒng)、視覺精密位移控制平臺以及彎曲加載保持機構(gòu)。

2 垂直支撐保持機構(gòu)設(shè)計

檢測時不同尺寸水泥桿的中心軸線需處于同一高度，以滿足機器視覺精確檢測的要求。因此，需要通過調(diào)整機構(gòu)自動將水泥桿的軸線調(diào)整到同一中心高度，工作原理如圖2 所示。首先根據(jù)需檢測的錐形水泥桿的型號規(guī)格，自動計算不同垂直支撐點處所需的上升量，然后控制垂直升降伺服機構(gòu)精確移動并具有可靠的承載力，其中F1位置固定，F(xiàn)2和F3可跟隨錐形水泥桿的彎曲而移動。

圖2 垂直支撐機構(gòu)自動工作原理

不同垂直支撐點所需的上升量hi的計算公式為

式中：i為垂直支撐機構(gòu)所在位置對應(yīng)的序號；ri為垂直支撐機初始位置相對水泥桿中心線的半徑；r0為設(shè)計參考的水泥桿根部半徑；wj為各支點間的距離。

3 水平夾持保持機構(gòu)設(shè)計

大多數(shù)傳統(tǒng)人工檢測過程中，采用木塊墊接的方式支撐兩個支點[7]，造成的累積誤差較大。針對這個問題，設(shè)計根據(jù)錐形水泥桿規(guī)格參數(shù)自動水平方向夾持對中的機械結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)具有力和位移感知功能，其工作原理如圖3 所示。S1、S2為伺服位移驅(qū)動機構(gòu)，S1固定在距離錐形水泥桿根部150 mm 處，S2可沿平移臺移動，P1、P2為力感知模塊。各支撐模塊進行水平夾持對中時所需的進給量Sli的計算公式為

圖3 水平夾持機構(gòu)自動工作原理

式中：wn為各支點間的距離。

4 機器視覺測量系統(tǒng)設(shè)計

圖4 為機器視覺測量系統(tǒng)，其作用是替代人工識別錐形電桿的不同特征的缺陷信息，主要具有兩個功能。

圖4 機器視覺測量系統(tǒng)

一是大視場錐形水泥桿成像，檢測電線桿形貌（直徑和撓度）。首先，采用攝影測量中的三維點跟蹤技術(shù)，對電線桿表面的一系列同軸投影點進行三維重建，獲取投影點的中心坐標(biāo)。基于這些點的坐標(biāo)，擬合出當(dāng)前圓柱面外部輪廓線的曲線方程，并求解軸心坐標(biāo)和半徑。其次，結(jié)合導(dǎo)軌移動擬合出水泥桿不同區(qū)域的輪廓曲線，從而構(gòu)建出錐形水泥桿被測部分的完整三維模型，結(jié)合軸線位置測量電線桿直徑、撓度。再次，搭建電線桿表面缺陷檢測深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在計算機的集成軟件環(huán)境下，以PyTorch 為框架，編寫表面缺陷檢測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將采集到的電線桿表面缺陷數(shù)據(jù)集輸入搭建的表面缺陷檢測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進行訓(xùn)練。最后，在訓(xùn)練期間使用適合的損失函數(shù)和梯度下降算法優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)模型，進行上千輪的訓(xùn)練，使網(wǎng)絡(luò)損失收斂，得到最終的網(wǎng)絡(luò)模型。該網(wǎng)絡(luò)模型能夠標(biāo)出電線桿表面缺陷位置，且每個缺陷都附帶分區(qū)信息。

二是檢測彎曲時水泥桿的裂紋情況。進一步處理打標(biāo)定位的裂縫目標(biāo)，提取裂縫骨架線及其垂直向量，完成對裂縫的寬度測量，測量精度為0.01 mm。機器視覺測量系統(tǒng)的工作原理如圖5 所示。

圖5 機器視覺測量系統(tǒng)工作原理

5 視覺精密控制平臺設(shè)計

視覺精密控制平臺由X向?qū)к墶向?qū)к墶⑽⒕嘞到y(tǒng)以及大視場系統(tǒng)等構(gòu)成。在檢測過程中，攜帶視覺測量系統(tǒng)的導(dǎo)軌機器人沿視覺精密控制平臺行進，通過視覺測量系統(tǒng)，持續(xù)掃描錐形水泥電桿表面的缺陷（如裂縫）。當(dāng)檢測到錐形水泥電桿表面裂縫缺陷時，視覺精密控制平臺會控制導(dǎo)軌機器人重復(fù)定位缺陷部位，精確測量錐形水泥電桿的裂縫。

6 彎曲加載保持機構(gòu)

彎曲加力保持機構(gòu)由X向?qū)к墶澢虞d基座、傳感器等部分組成，能夠自動對不同型號的錐形水泥電桿間歇性均勻地施力，并進行力學(xué)性能測試，內(nèi)置的傳感器實時監(jiān)測受力狀態(tài)，為檢測人員和檢測設(shè)備的安全提供保證。

7 結(jié)語

設(shè)計的水泥桿智能檢測系統(tǒng)主要包括智能調(diào)節(jié)裝置、自動檢測設(shè)備、攜帶視覺測量系統(tǒng)的導(dǎo)軌行進機器人等。在設(shè)計過程中主要采用兩方面關(guān)鍵技術(shù)。第一，高分辨率裂縫智能檢測技術(shù)。通過該技術(shù)，攜帶視覺測量系統(tǒng)的導(dǎo)軌機器人能識別和檢測裂縫寬度。第二，水泥桿標(biāo)準(zhǔn)化檢測智能調(diào)節(jié)技術(shù)。各關(guān)鍵部位通過智能調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)自動支撐、抱緊和施力。整套檢測設(shè)備可以適應(yīng)不同尺寸規(guī)格的錐形水泥桿的自動抱夾，無須人工干預(yù)，可提供精確的測量基準(zhǔn)和力學(xué)測試基礎(chǔ)，而且通過引入基于機器視覺的三維重建方法，提高了檢測的準(zhǔn)確性和自動化水平，使測試結(jié)果更加直觀、可追溯。