CCD与二维激光扫描仪在管道检测系统设计中的应用.pdf

1 8 机 械设 计 与 制造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 第 1 期 2 0 1 4年 1月 C C D与二维激光扫描仪在管道检测 系统设计中的应用 李静， 徐川， 祝俊 华南理工大学 机械与汽车工程学院， 广东 广州5 1 0 6 4 0 摘要 管道运输在现代工业的能量传输中具有重要的作用， 但其工作条件恶劣， 且不易检测维护， 而国内对外在在后续 真正实现管道缺陷检测功能方面的研究尚有所欠缺。针对以上问题， 设计制作了一种双电机独立全驱动轮式管内移动机 器人， 适合于 6 0 0 m m管径的排水管道， 装载 C C D摄像头以及二维激光扫描仪， C C D能直观的找 出管道的缺陷， 将激 光扫描仪扫描到的数据运用 I C P算法进行后续处理， 实现管内裂痕和变形等缺陷大小的定量检测， 并得到了很好的实验 结果。 关键词 管内移动机器人； CC D； 二维激光扫描仪； 缺陷检测 中图分类号 T H1 6 ； T P 7 3 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 4 0 1 0 0 1 8 0 3 Th e Ap p l i c a t i o n o f CCD a n d Two - d i me n s i o n a l L a s e r S c a n n e r i n t h e De s i g n o f Pi p e l i n e I n s p e c t i o n Sy s t e m L I J i n g ，XU C h u a n，Z HU J u n S c h o o l o f Me c h a n i c a l ＆A u t o m o t i v e E n g i n e e r i n g ， S o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， G u a n g d o n g G u a n g z h o u 5 1 0 6 4 0 ， C h i n a Ab s t r a c t P ／ pe l i n e t r a n s p o r t p l a y s帆 i mp o rt a n t r o l e i n t h e mo d e r n i n d u s t r i a l e n e r g y t r a n s mi s s i o n ．b u t i t s wo r k i n g c o n d i t i o n i s v e r y b a d ， b e s i d e s t h a t i t h ad t o d o t h e m a i n t e n a n c e a n d d e t e c t i o n ． S i n c e t h e r e s e a r c h o n r e a l iz at i o n t h e p ip e l i n e d e f e c t d e t e c t i o n is s t i l l l a c k i n g ． A d u a l - m o t o r i n d e p e n den t d r i v e w h e e l e d m o b i l e p ip e r o b o t is des i g n e d ． I t is s u i t a b l e f o r p ip e s w h o s e d i a r n e t e r is g r e at e r t h an 6 0 0 am , h l o ads a C C D c a m e r a ． a s w e l l ∞a t w o - d i m e n s ion a l l a s e r s c anner ． T h e C C D c anfi n d d e f e c t s o fa p ip e l i ne． I t C an use I C P al g o r i t h m t o p r o c e s s d ata s e n t f r o m t h e s c a n n e r , The fla w s s u c h as c r a c k ， c o at i n g d a ma g e ， c a n b e i nsp e c t e d q u ant i t ati v e l y a n d t h e e x p e r i m e n t h a s口 g o o d ms u l t w h i c h i n d i c ate s t h e det e c t i n g s y s t e m is e ff e c t i v e ． Ke y Wo r d s Pi p e Mo b i l e Ro b o t ； CCD； 2 D_La s e r S c a n n e r ； Pip e l i n e I n s pe c ti o n 1 引言 2 0世纪7 0 年代以来， 石油 、 化工、 天然气及核工业等产业迅 速发展， 各种管道作为传输能量最为经济有效的设施而得到了广 泛地应用。但是由于腐蚀、 重压等原因， 管道会出现裂纹、 泄漏等 故障， 从而引发各种事故。 而管道所处的环境通常是人们不易或不 能直接接触的， 因此对管道的检测和维护成了工业生产中的一道难 题。 机器人技术的发展为解决 七 述难题提供了有效的方法。 管道机 器人是一种避免开掘式检测的较为理想的管道自动化检测设备II 1。 我国的管道无损检测技术从 2 0 世纪 8 0年代初开始， 在国家“ 8 6 3 ” 计她的支持下， 取得了 一定的 Q 2 - 3 1。 文献} 力于管道机器 ． 的研 究， 成功研制了几种用于大型 管道的自 动化检测设备， 但对于中 小型 管道的安全检测方面鲜有研究。 文 功研制的多功能管道机器 人代表了国外管道机器人领域的先进水平 ， 有适用于 l O O m m左右 和2 0 0 ra m左右中小型管道的两代产品。他们以管道机器人的多功 能性为重点， 使机器人能够适应弯管、 分叉管等复杂的管道环境， 然 而其在后续真正实现管道缺陷检测功能方面的研究有所欠缺。 设计 制作了 套基于C C D与二维激光扫描仪的管内移动机器 人 管道缺 陷检测系统日 。管道机器人采用双电机独立全驱动方式， 其装载的 C C D视频系统由C C D摄像头、 P C I 数据采集卡和P C机组成， 基于 激光扫描仪的三维重建系统由激光扫描仪， 驱动电机等组成。 采集 的图像以及点云数据存储在 P c机的硬盘上， 采用数字处理技术 进行后续处理， 实现管内缺陷的检测。 2系统总体结构 电 一 下 层 控 源 制 系 统 管道 检测 机器 人本 体 图 1系统总体结构 Fi g ． 1 S y s t e m Ov e r a l l S t r u c t u r e 管内移动机器人装载 C C D摄像头以及二维激光扫描仪在 管内行走， 机器人的运动控制由下位机控制系统来实现 ， 下位机 控制系统与上位机控制箱之间通过 4 8 5 进行通信， 系统总体结构， 来稿日期 2 0 1 3 - 0 6 1 8 作者简介 李静， 1 9 8 7 一 ， 女， 重庆永川人， 硕士研究生， 主要研究方向 智能故障诊断 机 械 设 计 与制 造 No ． 1 J a n ． 2 0 1 4 s t r e s s e s c a l c ul a t i o n a n d e q u i v a l e n c e o f fl e x u r a l s t i f f n e s s f o r me mb e r s wi t h l a t e r a l c i r c l e p e r f o r a t i o n s [ J ] _J ． C e n t ． S o u t h U n I v S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y 。 2 0 0 5 ， 3 6 6 1 0 8 9 1 0 9 3 ． [ 5 ] 周朝阳， 周云峰． 蜂窝梁等效抗弯刚度的确定方法[ n 建筑科学与工 程学报 ， 2 0 0 8 ， 2 5 1 1 0 3 1 0 6 ． Z h o u C h a o- y a n g ，Z h o u Y u n- f e n g ．C o n fi r m me t h o d o f e q u i v a l e n t b e n d i n g ri g i d i t y o f c a s t e l l a t e d b e a m s J ] ．J o u r n a l o f A r c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e ri n g ． 2 0 0 8 ， 2 5 1 1 0 3 - 1 0 6 ． [ 6 ] 邵永松 ， 刘洪波， 谢礼立悬臂楔形蜂窝构件静力计算方法[ J ] ． 哈尔滨 工业大学学报 ， 2 0 0 9 ， 4 1 4 1 8 - 2 1 ． S h a o Y o n g s o n g ， L i u Ho n g b o ， X i e L i - l i ． S t a t i c b e h a v i o r o f c a n t i l e v e r t a p e r e d c a s t e l l a t e d s t e e l I m e m b e r s[ J ] J o u r n a l o f H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o gy， 2 0 0 9 ， 4 1 4 1 8 2 1 ． [ 7 ] B e n s s o u s a n A， L i o n s J L ， P a p a n i c o u l a u G ． A s y mp t o t i e A n aly s i s f o r P e ri o d i c S t r u c t u r e s l M j ．A ms t e r d a m N o r t h H o l l a n d P u b l i s h i n g C o ． ， 1 9 7 8 ． [ 8 ]G u d i e s J M，K i k u c h i N ． P r e p r o c e s s i n g a n d p o s t p r o e e s s i n g f o r ma t e ri a l s b a s e d o n t h e h o mo g e n i z a t i o n me t h o d wi t h a d a p t i v e fin i t e e l e me nt me t h o d s I J j ． C o mp u t e r Me t h o di n Ap p l i e d Me c h a n i c s a n dE n g i n e e ri n g ，1 9 9 0 ， 8 3 2 1 4 3 1 9 8 ． [ 9 j Ha s s a n i B，Hi n t o n E．A r e v i e w o f h o mo g e n i z a t i o n a n d t o p o l o gy o p t i mi z a t i o n i h o mo g e n i z a t i o n t h e o r y for me d i a wi t h p e rio di c s t r u c t u r e 【 J ] ． C o mp u t e r a n d S t r u c t u r e s ， 1 9 9 8 ， 6 9 6 7 o 7 ． 7 1 7 ． 1 1 0 J O k a d a H， F u k u i Y ， K u m a z a w a N Mo m o g e n i z a t i o n me t h o d f o r h e t e r o g e n e o u s m a t e ri a l b a s e d o n b o u n d a r y e l e m e n t m e t h o d [ J ．C o m p u t e r s a n d S t r u c t u r e s ， 2 0 01 ， 7 9 2 0 2 1 1 9 7 8 2 0 0 7 ． [ 1 1 ] 刘书田， 程耿东， 顾元宪．基于均匀化理论的多孔板弯曲问题新解法 [ n 固体力学学报， 1 9 9 9 ， 2 O 3 1 9 5 - 2 0 0 ． L i u S h u - t i a n ， C h e n g G e n g - d o n g ， Gu Y u a n - x i a n ． Ho mo g e n i z a t i o n - b a s e d m e t h o d fo r b e n d i n g a n a l y s i s o f p e rf o r a t e d p l a t e [ J ] _ A c t a Me c h a n i c a S o l i d a S i n i c a ， 1 9 9 9 ， 2 O 3 1 9 5 2 0 0 ． 【 l 2 ] 苏益声 ， 王良才 [ J ] ． 广西大学学报 自然科 学版， 1 9 9 3 ， 1 8 3 6 3 6 9 ． S u Y i - s h e n ， Wa n g L i a n g - c a i ． T h e s t r e n g t h c alc u l a t i o n o f t h e c i r c u l a r h o l e c a s t e l l a t e d b e a m [ J ] ． J o u r n a l o f G u a n g x i U n i v e r s i t y N a t u r alS c i e n c e E d i t i o n ， 1 9 9 3 ， 1 8 3 6 3 6 9 ． [ 1 3 ] 史姣， 刘晓峰．含周期性圆形孔洞胞元的材料等效弹性性能研究[ J ] _ 人民长江， 2 0 1 1 ， 4 2 1 0 7 7 7 9 ． S h i J i a o ， L i u X i a o - f e n g ． Re s e a r c h o n e q u i v a l e n t e l a s t i c i t y o f ma t e ri a l c o n t a i n i n g p e ri o d i c c i r c u l a r c a v i t y u n i t c e l l s [ J ] ．Ya n gtz e R i v e r ， 2 0 1 1 ， 4 2 1 0 7 7 7 9 ． [ 1 4 ] T i m o s h e n k o S P ． O n t h e c o r r e c t i o n f o r s h e a r o f t h e d i ff e r e n t i al e q u a t i o n fo r t r a n s v e r s e v i b r a t i o n o f p ri s m a t i c b a r s[ J ] ． P h i l o s o p h i c al M a g a z i n e ， 1 9 2 1 4 1 7 4 4 7 4 6 ． [ 1 5 ] C ． M． Wa n g ， J ． N ． R e d d y ， K ． H ． L e e ． S h e ar D e f o rm a b l e B e am s a n d P l a t e s l M J ． O x f o r d E l s e v i e r S c i e n c e L t d ， 2 0 0 0 ． [ 1 6 ] 王平．蜂窝梁挠度的简化计算[ J ] ． 四川建筑科学研究 ， 2 0 0 6 ， 3 2 3 2 9 3 1 ． Wa n g P i n g ． T h e r e d u c e d m e t h o d for t h e d e fl e c t i o n c alc u l a t i o n o f c a s t e l l a t e d b e ams [ J ] ． S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e ， 2 0 0 6 ． 3 2 3 2 9 3 1 ． 上接第 2 0页 参考文献 [ 1 ] 刘大维， 彭商贤， 龚进峰．地下管道检测移动机器人的发展现状[ J ] ． 吉 林工业大学学报 ， 1 9 9 8 ， 2 8 1 1 0 9一 l 1 2 ． L i u Da we i ，P e n g S h a n g - x i a n，Go n g J i n- f e n g ． Un d e r g r o u n d p i p e l i n e d e t e c t i o n c u r r e n t s i t u a t i o n o f t h e d e v e l o p m e n t o f t h e m o b i l e r o b o t [ J ] ． J o u rnal o f J i l i nU n i v e rsi t y o f T e c h n o l o gy， 1 9 9 8 ， 4 7 1 1 0 9 - 1 1 2 ． [ 2 ] 甘小明， 徐滨士， 董世运．管道机器人的发展现状[ J ] ． 机器人技术与应 用 ， 2 0 0 3 6 5 1 0 ． Ga n Xi a o mi n g，Xu Bi n- s h i ，Do n g S h i ．y u n ．Cu r r e n t s i t u a t i o n o f t h e d e v e l o p m e n t o f t h e p i p e l i n e r o b o t [ J j _J o u rnal o f R o b o t T e c h n o l o gy a n d A p p l i c a t i o n ， 2 0 0 3 6 5 - 1 0 ． [ 3 ] 郑熙 ， 侯力， 王裕林．厚壁无缝钢管的超声波检测系统[ J ] ． 机械设计与 制造， 2 0 1 0 7 9 0 9 2 ． Z h e n g X i ， Ho u L i ， Wa n g Y u- l i n ． T h e u l t r a s o n i c i n s p e c t i o n s y s t e m o f t h i c k - w a l l e d s e a m l e s s s t e e l p i p e l J ] ． Ma c h i n e r y D e s i g n ＆Ma n u f a c t u r e ， 2 0 1 0 7 9 0 - 9 2 ． [ 4 ] 邓宗全， 陈军， 姜生元． 六独立轮驱动式管内机器人的研制[ J ] _高技术 通讯 ， 2 0 0 4 9 5 4 5 8 ． ． D e n g Z o n g q u a n ， C h e n J u n ， J i a n g S h e n g - y u a n ． S i x i n d e p e n d e n t w h e e l d r i v e t y p e i n - p i p e r o b o t d e v e l o p m e n t [ J ] ．H i g h T e c h n o l o gy C o m m u n i c a t i o n ， 2 0 0 4 9 5 4 5 8 ． [ 5 ]C h e n J u n ，Z o n g Q u an - d e n g ， S h e n g Yu a n- j i a n g ． S t u d y o f l o c o mo t i o n c o n t r o l c h ar a c t e ri s t i c s f o r s i x w h e e l s d r i v e n i n p i p e ro b o t [ J ] ． P ro c e e d i n g s o f t h e 2 0 0 4 I EEE I n t e r na t i o n a l Co n f e r e n c e o n Ro b o t i c s a n d B i o mi me t i c s ． C h i n a ， 2 0 0 4 ， 2 1 1 l 1 1 2 4 ． [ 6 ] 何存富， 周龙， 何守印． 基于C C D的管内移动机器人管道缺陷检测系 统[ J ] ． 机械与电子， 2 0 0 6 1 0 3 3 3 5 ． H e C u n- f u ， Z h o u L o n g ， He S h o u- y i n ． B a s e d o n C C D i n p i p e mo b i l e r o b o t p i p e l i n e d e f e c t d e t e c t i o n s y s t e m [ J ] _ Me c h a n i c al and E l e c t r o n i c ， 2 0 0 6 1 0 3 3 3 5 ． [ 7 ] S e g o n R o h ， H y o u k R y e o l C h o i ． D i ff e r e n t i al d ri v e i n p i p e r o b o t fo r m o v i n g i n s i d e u r b a n g a s p i p e l i n e s [ J ] _ I E E E T r a n s a c t i o n s o n R o b o t i c s ， 2 0 0 5 ， 2 1 1 1 - 1 6 ． [ 8 ] J i a n G a n g q i u ， Z h a n g J u n - s o n g ， J i a n We i - z h a n g ． A n e w m e t h od fo r d e t e c t i ng p i p e l i n e d e f o rm a t i o n b y an i n s p e c t i o n rob o t wi t h a mo v i n g 2 d l a s e r r a n g fi n d e r[ C ] ． I E E E i n t e r n a t i o n al c o n f e re n c e o f R o b o t i c s and B i 0 mi me t i c s R OB I O ， P h u k e t l s l a n d ， T h a i l a n d ， 2 0 1 1 ， 1 2 7 - 1 1 9 8 7 - 9 9 2 ．