多传感器大鹤管快速精准对位系统设计

目前,国内油品储运企业装载油料多采用遥控对位系统。这种对位系统需要一名现场控制人员利用肉眼观察进行手动遥控大鹤管与油罐车罐口对位,一名油罐车操作员才能完成整个对位过程。人员需求较多,且工作强度很大,容易出现疲劳,引起事故,整个过程只能做到半自动化。对位方式单一不稳定,导致大鹤管控制系统存在对位自动化程度低、对位速度慢等问题。因此,研发出符合国内现状的大鹤管自动对位控制系统迫在眉睫,对位效率的提高必将带来一定的经济效益,提高各个地区油库储运的自动化程度,对整个石油行业的发展具有重要意义[1]。

针对上述情况,本系统将大鹤管转向技术与超声波检测技术相结合先进行大鹤管粗对位,再通过计算机图像处理技术将大鹤管与油罐车罐口精准对位。本系统可实现大鹤管对位过程全自动化操作,极大简化大鹤管对位过程操作步骤,消除人工操作管理带来的不稳定因素,进一步提升油品储运企业的整体效益。

当油罐车在小爬车的牵引下抵达大鹤管附近后,在粗对位阶段利用超声波检测罐口,将脉冲信号通过MCU转换为控制信号进而控制大鹤管快速转向油罐车罐口。再利用计算机视觉图像处理技术检测罐口边缘,并对算法进行研究优化,得到罐口准确位置。最后控制转向结构使大鹤管准确对位至罐口中心。当油料装载完毕,系统自动复位使大鹤管回到初始位置。图1为系统总体结构图。

超声波具有频率高、波长短等特性,在空气中沿直线传播,方向性和束射性好,体积小,费用低,易于小型化。用其测量一定范围内是否有油罐车罐口出现:当检测到油罐车罐口时,MCU将控制大鹤管转向结构进行快速粗对位。但温度对超声波检测精度有一定影响,故需借助图2所示温度测量电路进行温度补偿[2]。

图3所示超声波检测模块由MCU和超声波传感器组成,该模块可实时获得超声波传感器与罐口距离,通过数字温度计DS18B20采集温度进行温度补偿后,最后计算出的罐口坐标精度得到进一步提升。

计算机视觉模块能够在目标边缘和背景间提高对比度,具有消除相对于获取目标图像无意义的特征点、图像纹理平滑化等功能。因此,具有优异的图像数据处理能力,该模块捕捉罐口精确度高、适用性强。

计算机视觉模块由图像采集单元、图像处理单元、工业计算机等构成,该模块先利用CCD相机和图像采集卡获得油罐圆形罐口图像转换为模拟/数字图像,再将信号输出至图像处理单元进行实时存储,然后通过图像处理单元将图像几何边缘实时处理,获得连续图像。最后工业计算机对获得的罐口图像进行算法分析,得到油罐罐口准确位置[3]。

图5所示大鹤管转向结构利用舵机实现大鹤管进行X、Y、Z 3个方向运动。舵机1在水平面内运动,舵机2在竖直平面内运动,舵机3通过对涡轮涡杆的控制,实现大鹤管升降。MCU在得到罐口位置后,驱动大鹤管不同关节处的舵机转动,最终实现三维空间的大鹤管与油罐罐口精准对位功能。在大鹤管转向结构中,油料在管道内进行密封运输,转动处采用刚性旋转接头过渡,利用舵机传递动力,图6为舵机与MCU连接图,舵机控制器与MCU采用TTL电平通信。

本系统MCU选用STM 32F103ZET6作为控制核心,STM32F103ZET6是一种功能强大的32位单片机,拥有集成USB,与工业计算机连接方便,适用于小型化智能控制系统,其复位功能适用于大鹤管回到初始位置。系统粗对位程序流程图如图7所示。

本系统通过超声波检测技术与计算机视觉图像处理技术相结合,具有对位精度高、对位速度快等优点,克服了现有油料装载过程中自动化程度低、人工操作不稳定等弊端,可实现大鹤管对位过程全自动化操作,并且能够自动复位大鹤管初始位置。极大提高油品储运管理作业效率,在避免安全事故的基础上进一步增加经济效益。