（控制科学与工程专业论文）大型冷凝器智能清洗机器人的视觉定位系统研究.pdf

硕士学位论文 摘要 在现代大型电站凝汽式汽轮机组的热力循环中，凝汽器起着冷源的作用，能 降低汽轮机排汽压力和温度，提高汽轮发电机组的循环热效率。由于多种原因致 使冷凝管内壁积聚了不利于传热的污垢，污垢会产生一系列的危害。针对当前各 种凝汽器污垢清洗方法的不足，本论文研究了一种基于移动机械手的智能自动化 清洗系统对大型冷凝器进行长期自主在线清洗。本文以凝汽器清洗机器人为研究 对象，设计了清洗机器人的本体结构、高压水清洗系统，对冷凝管的视觉定位进 行了重点研究。 论文分析了凝汽器污垢产生的原因及其影响，说明了污垢清除的必要性，然 后在对当前各种常用污垢清洗方法研究的基础上，提出了新的清洗策略。针对凝 汽器清洗机器人的实际工作环境和工作要求，设计了一具有两关节机械臂、履带 式移动车体的新型清洗机器人。对于智能清洗机器人的体系结构、移动车体、机 械臂以及高压水射流装置进行了详细的分析。并从硬件和软件两个方面详细分析 了清洗机器人的视觉伺服控制系统的总体架构。 由于凝汽器清洗机器人的实际工作环境比较恶劣，设计了基于p c 机的视觉定 位系统，通过使用多个光源的有效组合增加拍摄的图像的有效信息。对于视觉定 位系统中常遇到的其他问题如摄像机的选择、图像采集卡的选择等做了详细的说 明，最后给出了凝汽器水下清洗机器人视觉定位系统的总体方案。 对于拍摄的图像先进行滤波、锐化等处理，利用最大类间方差法确定冷凝管 图像阈值进行管口图像的二值分割并在此基础上实现了冷凝管的边缘检测，然后 利用最小二乘法计算出多个管口的中心坐标。经过坐标变换，将管口的位置坐标 从图像像素逻辑坐标转换到空间坐标实现自动定位。为实现冷凝管管口的精确定 位，由2 维图像恢复3 维操作空间信息，对智能清洗机器人所用的摄像机进行了标 定，在小孔模型下确定了摄像机内、外参数。 实验结果表明，本文所使用的方法适用于大型电厂冷凝器冷凝管管口的自主 精确定位，解决了火电厂凝汽器污垢在线自动化清洗的关键问题。 关键词：凝汽器清洗机器人；视觉伺服系统；摄像机标定；图像预处理；最小二 乘法 i i a b s t r a c t c o n d e n s e ri so n eo ft h ek e ye q u i p m e n t si nt h e r m a lp o w e rp l a n t i ti st h ec o l d s o u r c eo ft h et h e r m o d y n a m i cc y c l eo ft h el a r g es t e a mt u r b i n es e t i tc a nd e c r e a s et h e e x h a u s tp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r eo ft h es t e a mt u r b i n es e t ，a n de n h a n c et h ec y c l e t h e r m a le m c i e n c yo ft h et u r b og e n e r a t o rs e t f o rav a r i e t yo fr e a s o n st h ef o u l i n gn o t f a v o r a b l ef o rh e a te x c h a n g ei sa c c u m u l a t e di nt h ei n n e rw a n o fc o n d e n s e rt u b e t h e s e f b u l i n gw i l lb r i n ga b o u tas e r i e so fp r o b l e m s b a s e do nc u r r e n ts i t u a t i o no nm e t h o do f c l e a n i n go fc o n d e n s e r ，w ei n v e s t i g a t ei n t e l l i g e n ta u t o m a t e dc l e a n i n gs y s t e mf o rl a r g e c o n d e n s e rb a s e do nam o b i l em a n i p u l a t o r t a k e st h ec o n d e n s e rc l e a n i n gr o b o ta sm a i n s t u d yo b je c t ，d e s i g n e dan e w s c h e m ef o rc o n d e n s e rf o u l i n gc l e a n i n gi np o w e rp l a n t s ， v i s u a ls e r v os y s t e mw e r ew e l ld e s i g n e da n de x p l a n t e d t h en e c e s s i t yo ff o u l i n gc l e a n i n gi se x p l a i n e db yi n v e s t i g a t i n gt h ec a u s eo f f o u l i n ga c c u m u l a t i o na n dt h ei n f l u e n c eo nh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eo fc o n d e n s e r a l s o ，t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h eo r d i n a r yf o u l i n gc l e a n i n gm e t h o d sa r e a n a l y z e d ；o nt h e s eb a s e sw ed e s i g n e dan e w s c h e m ef o rc o n d e n s e rf o u l in gc l e a n i n gi n p o w e rp l a n t s a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lw o r k i n ge n v i r o n m e n to fi n t e n i g e mc l e a n i n g r o b o t ，w ed e s i g n e dan e wt y p ec l e a n i n gr o b o tw h i c hh a st w o - j o i n tm a n i p u l a t o ra r m a n dt h et r a c km o b i l er o b o tb o d y s y s t e mi n s t r u c t u r ei n c l u d i n gt r a c km o b i l er o b o t b o d y 、m a n i p u l a t o ra r ma n dh i g hp r e s s u r ew a t e rj e tc l e a n i n gs u b s y s t e mi s d i s c u s s e di n d e t a i l v i s u a ls e r v os y s t e mw a sa n a l y z e di nd e t a i lf r o mt w oa s p e c t so fh a r d w a r ea n d s o f t w a r e a c c o r d i n gt ot h er o b o tw o r k si nt h eh a r s hc o n d i t i o n s ，v i s u a lp o s i t i o ns y s t e mi s d e s i g n e db a s e do np c e n h a n c i n gt h ec o n t r a s t o fi m a g e si so b t a i n e db ys e v e r a l c o m b i n e dl a m p s t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h ep r o b l e m st h a tt h ed e s i g n i n g o fv i s u a ls e r v o s y s t e mo f t e ne n c o u n t e r e d ，s u c ha st h el i g h ts o u r c e s 、 t h es e l e c t i o no fc c dc a m e r a 、 t h es e l e c t i o no fi m a g ea c q u i s i t i o nc a r d m e f i t sa n ds h o r t c o m i n g so fv a r i o u si m a g ep r e p r o c e s s i n gm e t h o d sa r ec o m p a r e d i nt h ep r o c e s so fc o n d e n s e rt u b ep o s i t i o n ，a n df o rg e t t i n gt h eo p t i m a le f f b c to f b i n a r i z a t i o na r i t h m e t i c so fc o n d e n s e rt u b eb yt h em a x i m u mv a r i a n c eb e t w e e nv a r i o u s c l a s s i 行c a t i o n sa n dt h e nr e a l i z et h ee d g ed e t e c t i n g t h ec o o r d i n a t e so fa l lt h et u b ea r e o b t a i n e db yl e a s ts q u a r em e t h o d ，t h e nt r a n s i t st h ei m a g ep i x e ll o g i s t i cc o o r d i n a t e st o s p a c ec o o r d i n a t e s ， 行n a l l yd r i v e st h es p r a yg u n t ot h ep o s i t i o no ft h ec o n d e n s e r st u b e l i i 硕卜学位论文 t or e a l i z et h ea u t o m a t i cp o s i t i o n f o rr e a l i z i n gt or e c o v e rt h ec o n d e n s e rt u b e3 ds h a p ei n f o r m a t i o nf r o m2 di m a g e s ， t h ec a m e r ac a l i b r a t i o np r o c e s si s i n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gc a m e r am o d e l 、 c a m e r a i n t r i n s i cm a t r i xp a r a m e t e r sa n dt h ec a m e r ae x t e r n a lp a r a m e t e r s a n dr e a l i z e dt h e c l e a n i n gr o b o t sc a m e r ac a l i b r a t i o n k e yw o r d s ：c o n d e n s e rc l e a n i n gr o b o t ；v i s u a ls e r v os y s t e m ；c a m e r ac a l i b r a t i o n ； i m a g ep r e p r o c e s s i n g ；l e a s ts q u a r em e t h o d i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：氖、芬鹏 日期：7 1 阵尹月z 6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书。 2 不保密切。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：知、黼 导师签名： 日期：瑚j j l 年岁月巧日 日期：砷年，月“日 硕一 ：学位论文 第1 章绪论 随着科学技术的飞速发展，机器人的智能程度也得到了很大的提高，并逐渐 在人类的工作和生活中扮演起越来越重要的角色。 本章首先分析了凝汽器的污垢产生的原因以及对凝汽器传热性能的影响，说 明了污垢清除的必要性；然后对目前所使用的凝汽器自动化清洗技术做了全面的 介绍与分析，比较了不同污垢清洗方法的优点与不足，提出新的清洗策略；同时 阐述了计算机视觉技术在视觉定位方面的技术发展，在此基础上，围绕凝汽器污 垢的在线智能自主清洗，提高整个机组的运行效率这一目标，提出了本文的主要 研究工作。 1 1 论文研究背景与意义 大型凝汽器是火电、核电、化工、造纸等行业的关键设备之一，其内部主要 由数以万计的冷凝管组成，在火电厂汽轮机装置的热力循环中起冷源的作用，可 提高发电机组的循环热效率n q l 。 1 1 1 凝汽器污垢产生的原因 火力发电厂机组工作流程示意图如图1 1 所示，经由冷却水泵抽来的具有一 定压力的冷却水，流过凝汽器的冷却水管( 以下简称冷凝管) ，把汽轮机工作过程 中产生的蒸汽凝结成水时放出的热量带走，而凝结水从凝汽器底部通过凝结水泵 抽出，送往锅炉或蒸汽发生器继续使用。 在上述工作过程中，由于冷却水质的不洁净( 冷却水直接取自江、河、湖、渠 等天然水源) 、热交换时发生化学反应等原因，致使换热管内壁积聚了一些称之为 污垢的固态混合物。凝汽器污垢的形成是一个非常复杂的物理、化学过程，它是 动量、能量和质量传递的综合，在很多情况下，还包含有盐的溶解、材料腐蚀以 及微生物繁殖，再加上不同种类污垢之间的协同效应，使得换热面上的污垢特性 是多种参数的函数，而且这些参数，如冷却水流速、冷却水质、冷却水温度等还 要随凝汽器运行工况的变化而变化。 1 1 2 凝汽器污垢的影响 在一切能引起汽轮机设备真空恶化和经济性降低的因素中，凝汽器冷却面的 污垢要算是严重的一种h 1 。污垢是热的不良导体，其导热系数一般只有碳钢的十分 之一，与铜等热的良导体相比差别更大。换热面上一旦有了污垢，流体与换热壁 人型冷凝器智能清洗机器人的视觉定位系统研究 面之间的传热热阻增加，凝汽器的传热性能恶化，从而导致机组经济效益降低。污 垢对凝汽器的影响具体表现在如下五个方面畸9 1 ： 图1 1 大型电厂机组工作流程 ( 1 ) 降低了换热面的传热能力，使得汽轮机排汽压力和排汽温度升高，输出功 率减少，热耗率增加。以电厂为例，在汽轮机进汽温度不变的条件下，排汽温度 每降低1 0 ，装置效率可提高3 5 左右；凝汽器压力每改变l ，中压汽轮机功 率将改变1 ，高压汽轮机功率将改变o 8 。表1 1 所示为一台3 0 0 m w 机组在不 同厚度污垢与真空度的大小关系以及对汽轮机出力的影响。 表1 1 不同厚度污垢与真空的大小关系以及对汽轮机出力的影响 冷凝管内污垢厚度m mo 0 00 1 0 o 2 00 3 00 4 0o 4 50 5 00 5 5 真空度 9 39 2 29 0 89 0 18 8 88 7 98 6 9 8 6 汽轮机出力增大幅度o 8 1 63 o4 25 96 87 88 7 ( 2 ) 增大凝汽器污垢热阻，减少总传热系数。为了补偿污垢热阻的影响，凝汽 器设计时必须额外增加传热面积，从而导致凝汽器制造成本的提高。以1 0 0 m w 和2 0 0 m w 机组凝汽器为例，其冗余面积百分比分别为2 0 和1 2 ，冗余面积增 加的总费用分别为8 0 万元和9 6 万元，平均每兆瓦增加5 8 6 7 元。 ( 3 ) 污垢在换热管内沉积使管内流体的流通截面积减少，流动阻力增大，导致 水泵的消耗功率增加，再加上自动清洗设备的动力消耗，使凝汽器的总能量消耗 增加。 ( 4 ) 由于污垢而引起的停机清洗或减负荷运行，缩短了汽轮机组的正常运行周 期，增加了企业的经济损失。 硕j j 学位论文 ( 5 ) 污垢的积聚，还常常引起换热管局部过热或超温而导致机械性能下降，引 发事故。也常常引起换热管的局部腐蚀乃至穿孔，严重威胁凝汽器的安全运行。 截至到2 0 0 6 年底，中国的电力装机容量将达到6 2 2 亿千瓦；未来15 年中国 须新增5 亿千瓦以上的发电装机才能满足全面建设小康社会的需要，其中，大多 为火电厂和一部分核电厂，两者占全国总装机容量的近8 0 。另外，中国核电未 来发展规划提出，到2 0 2 0 年，中国的核电装机容量将达到0 4 亿千瓦，是目前的 5 倍，届时核电的装机容量将占全国总装机容量的4 ，如表1 2 所示。由此预测， 清洗凝汽器污垢所带来的节能降耗的经济效益是非常可观的。为保证安全生产、 节能降耗，必须对凝汽器进行清洗。 表1 2 凝汽器污垢造成的经济损失测算表 1 2 凝汽器清洗技术 当凝汽器被污染到一定程度，就需要对其进行清洗，以除去冷却面上的污垢， 恢复传热性能。研究并开发理想的清洗方法与清洗装置，实现对凝汽器的有效清 洗，一直是人们努力的目标。目前，常用的凝汽器清洗方法有：机械清洗、水力 清洗、化学清洗等几大类n 叫。 1 2 1 机械清洗 机械清洗是工人利用工具并依靠机械作用提供一种大于污垢粘附力的力，使 污垢从冷却面上脱落。目前，凝汽器常用的机械清洗方法有三种：胶球清洗n l1 2 1 、 喷丸清洗n0 1 、刮刀或钻头清洗3 1 。 1 胶球清洗 胶球清洗系统由装球室、收球网、胶球泵、分配器、阀门和相应的管道组成。 图1 2 为凝汽器胶球清洗系统示意图，从图1 2 可以看出，密度与水接近的海绵 胶球加进装球室后，启动胶球泵，胶球就在比循环水压力略高一点的水流带动下， 进入凝汽器水室进口，随即同循环水混合并由水室进入铜管。胶球直径比铜管内 径大1 2 m m ，是多孔、柔软的弹性体，很容易被水流带入换热管，并被压缩为卵 形。在行进过程中，因其与管壁有整圈环形带接触而抹去管壁上的污垢。胶球 流出管口后，依靠自身弹力弹掉表面的污垢，并恢复原状，随循环水流入收球网 叁型丝堡坠兰璧塑兰! ：翌篁堡兰耋竺至丝! ! 垒 中，然后再被胶球泵送入凝汽器。如此反复清洗，达到除垢目的a 胶球清洗存在的主要问题是： ( 1 ) 收球率低。比较好的系统，收球率也在8 0 以下，虽差的情况根本收不到 球。( 2 1 不能清洗被软垢堵塞或部分堵塞的铜管。( 3 ) 对于由化学反应而形成的析晶 污垢则不能完全清除。由于这些原因，使得胶球清洗系统在许多冷凝嚣上不能发 挥作用。 图1 2 腔球清洗系统结构 2 喷丸清洗 喷丸清洗是利用压缩空气或压力水，将铁丸或半硬质海绵球高速推入冷凝器 换热管中，冲刷管内壁，从而清除污垢，如图13 所示。该方法清洗能力强，可 除去硬垢。但是由于喷丸清洗由人工操作，对于大型机组，冷凝器铜管数量多， 长度大，工作环境恶劣。 图i3 喷丸清洗 3 刮7 j 或钻头清洗 = f _ 【= 挠性旋转轴的顶端安装除垢刮刀或钻头，刮刀或钻头i 换热管内壁接触， 靠压缩窄气或电力使刮川或钻头旋转而除去污垢，如图l4 所d i 。由f 管内壁受 儿并不大，几乎不会损伤换热管。 此方法能有效除去管子中的各种软硬垢及其他堵塞物质，但与喷丸清洗一样 刮刀或钻头清洗也只能由人工在机组停机时完成。 圈14 刮刀或钻头清洗 122 水力清洗 水力清洗主要有冷却水反冲洗”和高压水射流清洗“”“1 两种。 1 凝汽器反冲洗 凝汽器反冲洗是指使凝汽器冷却水以反向流过冷却管的一种清洗方法。通常， 中、小型凝汽器具有对分式水室，大型凝汽器具有两个或两个以上的独立水室。 因此，可以利用阀门的切换，轮流地通过对分式水室的一半或一个独立水室进行 冷却水的反冲洗，实现在汽轮机组带部分负荷条件下的凝汽器清洗。清洗系统结 构如图1 5 所示。图中实线箭头表示萨常运行时冷却水的路线，虚线箭头表示逆 向冲洗时的路线，两个四通切换阀可e 上互不干扰地独立进行操作。反冲洗是消除 换热管堵塞的有效手段。 圈15 反向冲洗 进行反冲洗，需耍减少汽轮机负荷。在这种工况下，冷凝器的n ：常工况i 叮能 会遭到破坏。负荷的极限值，要根据汽缸温度通过试验确定，以保“排汽温度不 型冲凝器智舱清洗机器人的诬觉定位系托究 超过6 0 。c 。反冲洗的时间，包括所有有关阀门的切换，不应超过2 0 3 0 分钟。另 外逆向冲洗也不能清除析晶污垢。 2 高压水射流清洗 高压水射流清洗是近年来国际上兴起的一项高科技清洗技术。所谓高压水射 流是特普通自来水通过高压泵加压到数百乃至数千大气压力，然后通过特殊的 喷嘴( 孔径只有l 一2 毫米) ，以极高的速度( 2 0 0 5 0 0 米，秒) 喷出的一股能量高度集中 的水流。当水射流的打击力大于所除物质的破碎能力时，就可以达到清洗除垢的 目的。如图l6 所示，在实施高压水清洗时，为保证清洗质量和效率，降低成本 和能量消耗应根据凝汽器的结构形式、污垢种类和状态等因素选择喷头、周边 设备和清洗压力。 、 0 糍，7 器傅 p ”。 图l6 高压承射流清洗 商压水射流清洗易于实现，但是目前，水射流清洗不能在线运行，只能在停 机时进行若不停机，工人要穿潜水服潜水工作，工作环境相当恶劣，劳动强度 很大，这是它的最大缺点。 12 3 化学清洗 近年来，随着高教缓蚀齐j 的研制成功和广泛应用，以及化学清洗监控手段的 进一步完善，化学清洗在已经得到愈来愈广泛的应用。化学清流是利用酸、碱等 化学药荆使污垢溶解、剥离进而达到清洗冷凝管的目的”。 用于凝汽器清洗时。化学清洗具有清洗时间短、除垢率高、劳动强度低、工 艺简单并且可在线实施等优点。但是，也存在腐蚀冷凝管、减短冷凝管寿命、易 引起设备损坏、导致人身伤亡和清洗质量事故、污染环境、不符台环保原则等缺 点。剧此，该方法往往只能作为机械清洗的有效补充手段。化学清洗装置图如图 i7 所示。 通过对上面各种清洗方法的分析比较，综合以上各种清洗方法的优点并能在 线高效运行的智能清洗系统是拎凝器污垢清洗的发展方向。开发理想的自动化清 洗技术与清洗装置，使玲凝器的传热效率达到最佳，直是人们努力的目标。本 擎 碰i 学位论史 文研究采用高压水射流清洗与化学清洗相结合，研制出基于履带式移动机构的两 关节机械臂清洗喷枪来实现大型凝汽器水下全自动清洗任务。 围17 化学清洗装置圈 1 3 清洗机器人的研究现状 机器人的出现和广泛应用提高了产品的质量与数量，并且对保障人身安全、 减轻劳动强度、提高劳动生产率、节约材料消耗以及降低生产成本起到十分重要 的意义。清洗机器人因其可取代人工劳力进行清洗作业，且提高劳动效率、改善 劳动环境、能极限作业等，而受到人们的普遍关注。 1 3 1 风管清洗机器人 风管清洗在国外是一个比较成熟的市场，因此设备的研究和开发也相应比较 成熟，而机器人作为风管清洗的关键设备，能降低工作强度，提高工作效率，进 入到人所不能及的各种死角，受到越来越多专业清洗公司的青睐；同时，因为市 场巨大，也有越来越多的公司将精力投入到机器人的研发中。据统计，国际上生 产风管清洗机器人的公司不下2 0 家，如瑞典的w i n t c l e a n ，丹麦的d a n d u c t 美国 的n i l a o 与v s i 等。国内的公司有深圳市海浩环境技术有限公司、宝众达( 北京) 环保科技有限公司等。图1 8 为风管清洗机器人生产厂商生产的产品。 舔孝 劬瑞弛b a n 时风管清洗机器 b ) 武汉娅伯兰“l 道清洗机器 图l8 风管清洗机器人 32 壁面吊挂清洗机器人 壁面清洗机器人能够在壁面上自山移动并完成一定功能，可刚米化递救援物 质，但更广泛的用途是进行壁面的检查 上率先开展壁面移动机器人的研究工作 测量、清洗等维护性工作。口本在世界 9 7 5 年大阪府立大学工学部讲师西亮” 研制出一种用单吸盘吸附，以轮子行走的二号机。此后日本许多学者如h i r o s e 和 y a n o 等做了大量壁面移动机器人的研究，又开发出了许多种类的壁面移动机器 人并以壁面移动机器人技术为核心。结合专用清洗机构形成多种形式的壁面清 洗机器人。我国的壁面移动机器人研究起步较晚，但发展很快，哈尔滨工业大学、 北京航空航天大学、上海交通大学在壁面移动机器人这一领域处于国内领先地位。 图l9 a 北京蓝星哈工大机器人技术有限公司开发的壁面清洗机器人”，图1 9 b 是北京航天航空大学机器人研究所与铁道部北京铁路局科研所于1 9 9 6 年合作开 发出的擦窗机器人。 a b j 固19 壁面清洗机器人 1 3 3 飞机表面清洗机器人 飞机表面清洗作业已成为飞机保养过程中一个重要环节，它不但使飞机表面 保持清洁美观，有效地缓解和减轻蒙皮腐蚀，而且还可以清除蒙皮表面粘着的污 染物对气动特性带来的不良影响，保证起落架收放机构、舵轴颈部位和活动翼结 合部位机构的正常运动，对提高机上电子设备的感应灵敏度也有一定好处。其中 最为成功的例子是受德国汉萨航空公司委托制作的“清洗巨人”“2 圳，如图1 1 0 所示。 图1 1 0 清洗巨人 1 3 4 水下船体表面清洗机器人 船舶水下清刷技术是从六十年代开始的，可| 三【对船舶实行水f 清洗、除锈、 水下检查、对船体进行涂装等维修工作，也可以对水下检查后没有必要进坞维修 的船舶进行完全的坞外清刷、喷涂。实现水下清刷作业的自动化，用机器人来替 代人的操作，将会火大节约劳动力，降低潜水员的劳动强度，提高修船效率。法 国、美国、日本等国家已开展了水下清刷设备的研究，但有的还是需要潜水员下 水操作。图l1 1 所示的是美国福禄公司推出了清洗猫；同本中国电力公司和造船 公司等联合开发的一种清理和检查用的机器人i 英国的水下清扫装置。国内，哈 尔滨工程大学开展了一种新型水下船体表面清刷机器人的研制工作。 图i1 1 美圆福檬公司推出的清洗猫h y 哝o c t 本文着重研究用于冷凝器自动清洗的机器人的设计和控制，移动式清洗机器 人适用于大容量机组的冷凝器水室，移动式清洗机器人是由一个移动平台和安装 在平台上的两关节机械臂组成，清洗喷枪安装在机械臂的末端，它是一类典型的 移动机械手系统。移动机械手结合了移动机器人和机械臂两糟的优点，同时具有 移动机器人工作空间的广阔性和机器臂的操作灵活性。 1 4 机器人视觉系统概述 l41 计算机视觉国内外发展概况 计算机视觉是随着2 0 世纪6 0 年代末计算机与电子技术的迅速发展而出现的， 把计算机视觉技术用于定位的研究可以追溯到7 0 年代。当时出现了一。些实用性的 视觉系统，如装配”“，焊接“，搬运“，邮件分拣”1 等。到8 0 年代后期，出现 r 专门的图像处理硬件，人们开始系统地研究机器人视觉控制系统。到了9 0 年代， 随着算机水平的不断提高和价格下降，阱及c c d ( c h a r g ec o u p l e d d e v i c e ) 摄像机 和罔像处理硬件的b 速发展，计算机视觉系统引起了 ，f 多研究人员的注意。随着 计算机技术、图像处理技术、控制理论的发展，在过去的十几年单，机器人视觉 控制无论是在理论【还是在应用方面都育很大进步”“。 大型冷凝器智能清洗机器人的视觉定位系统研究 计算机视觉是用摄像机和计算机等机器代替人眼对目标进行测量、跟踪和识 别，并加以判断。具体来讲，是指通过镜头将被测目标转化为图像信号，投射至 影像接受器件( 一般为c c d 元件) 上再通过计算机进行分析处理心引。然而，由于计 算机视觉涉及到多个学科，因而给出一个精确的定义是很困难的。目前我国还没 有一个针对计算机视觉的官方定义。美国制造工程师协会( s m b ) 计算机视觉分会 和美国机器人工业协会( r i a ) 自动化视觉分会关于计算机视觉的定义是：“计算机 视觉是通过光学的装置和非接触的传感器自动地接收和处理一个真实物体的图 像，以获得所需信息或用于控制机器人运动的装置。 总体来讲，计算机视觉包括3 个技术环节：采像、分析和控制。如图1 12 所 示。 图1 1 2 计算机视觉技术环节 采像，即图像采集。其目的是采集到满足分析要求的相应质量图像，这是计 算机视觉系统的基础。 分析，即图像增强和处理。其目的是按照计算机视觉最终的功能要求，对采 集到的图像进行分析处理，然后输出结果，这是计算机视觉系统的核心。 控制，即输入与输出控制。包括控制计算机视觉系统本身，以达到准确采集 图像的目的，也包括根据图像处理和分析的结果，输出信号，驱动相应机构，实 现计算机视觉系统的功能。 计算机视觉系统的特点是测量精确、稳定、快速、可大幅度提高生产的柔性 及自动化程度以提高生产效率，且易于实现信息集成，是实现计算机集成制造的 核心技术之一。如在一些不适合人工作业的危险环境，在当前大批量工业自动生 产过程中，用人工检查产品质量效率过低且精度不高，以及其他一些人工视觉难 以满足要求的场合，计算机视觉正在迅速取代人工视觉。事实上，也正因如此， 在世界上现代自动化生产过程中，计算机视觉己经广泛用于工况监控，成品检验 及其他质量控制等领域。 1 4 2 机器人视觉控制系统分类 可以从不同的角度，如反馈信息类型、控制结构和图像处理时间等方面对机 器人视觉伺服控制系统进行分类。从反馈信息类型的角度，机器人视觉系统可分 硕上学位论文 为基于位置( p o s i t i o n - b a s e d ) 的视觉控制和基于图像( i m a g e - b a s e d ) 的视觉控制。前者 的反馈偏差在3 d 空间进行计算，后者的反馈偏差在2 d 图像平面空间进行计算。 1 4 3 基于位置的视觉伺服系统 基于位置的视觉伺服方法，伺服误差定义在三维笛卡尔空间，视觉或特征信 息用来估计机械手末端与目标的相对位姿。系统结构框图如图1 13 所示。 该方法的主要优点是直接在笛卡尔空间控制机械手的运动，另外它把视觉重 构问题从机器人控制中分离出来，这样可以分别对二者进行研究。但这种方法一 般需要对视觉系统和机器人进行标定，要对图像进行解释，因而增加了计算量。 期望 位戤 视觉伺服控 制器 机器人控 制器 机器人动 力学 关节传感器 机器人 环境 图鬈鐾藉喜端h 蓄藿蠢登 卜匦 位置估计r 卜_ 1 图像处理r 卜- 1堡堡! ! 图1 1 3 基于位置的视觉伺服系统 1 4 4 基于图像的视觉伺服系统 基于图像的视觉伺服系统，其伺服误差直接定义在图像特征空间，即摄像机 观察到的特征信息直接用于反馈，不需要对三维姿态进行估计。该方案的结构框 图如图1 1 4 所示。 基于图像的视觉伺服直接计算图像误差，产生相应的控制信号，不需要三维 重建，但需要计算图像雅可比矩阵基于图像视觉伺服的突出优点是对标定误差和 空间模型误差不敏感，缺点是设计控制器困难，伺服过程中容易进入图像雅可比 矩阵的奇异点，一般需要估计目标的深度信息，而且只在目标位置附近的邻域范 围内收敛。 目标图像 图1 1 4 基于图像的视觉伺服系统 1 5 本论文所开展的研究工作 本论文主要围绕凝汽器智能清洗机器人视觉定位技术进行研究。论文共分为 人型冷凝器智能清洗机器人的视觉定位系统研究 六部分，具体结构安排如下： 第一章，绪论。论述论文的研究的背景和意义，详细分析污垢产生原因及影 响，说明污垢清除的必要性，分析各种常用污垢清洗方法的优点与不足：然后概 述机器人视觉系统的现状与发展；最后简要介绍本论文的主要研究内容及各章节 结构安排。 第二章，凝汽器清洗机器人的总体设计及分析。首先概述凝汽器智能清洗装 备的工作原理；然后重点研究了清洗机器人机械结构包括清洗系统、底盘设计、 机械臂结构设计等；最后从硬件和软件两个方面论述了清洗机器人的视觉伺服控 制系统。 第三章，凝汽器清洗机器人视觉定位系统硬件开发。详细论述了清洗机器人 视觉定位系统的硬件选型过程及要注意的问题，最后给出了凝汽器水下清洗机器 人视觉定位系统的方案。 第四章，智能清洗机器人摄像机的标定。首先分析了摄像机标定在清洗机器 人视觉定位过程中的作用及重要性，接着研究了在小孔模型下摄像机内、外参数 的计算过程。最后确定了智能清洗机器人摄像机的内、外参数。 第五章，智能清洗机器人冷凝管管口定位技术研究。通过各种滤波技术在冷 凝管去噪效果的比较，确定使用的滤波方法，然后利用最大类间方差法进行管口 图像的二值分割并在此基础上分析各种边缘检测算子的优缺点及其在定位中的应 用；接着利用基于最小二乘法的实现多个管口的中心检测。 结论。总结全文的主要完成的工作，指出有待进一步研究的方向。 硕一 ：学位论文 第2 章凝汽器智能清洗机器人系统总体设计 凝汽器智能清洗机器人是凝汽器智能清洗装备中的关键组成部分，从实际的 工作需要和工作环境出发，把机器人技术和现有的清洗技术结合起来，集光、机、 电、传感、检测、自动控制等技术于一体，是一种新型的大型凝汽器水下智能化 清洗特种机器人。它以高压水射流清洗为主，以化学清洗为辅，通过协调多传感 器构成的感知系统、机电传动机构、机械臂等完成对火电厂凝汽器水室中的冷凝 管内壁污垢进行自动化在线清洗。 本章主要以凝汽器智能清洗机器人为研究对象，在介绍凝汽器智能清洗装备 的工作原理的基础上，提出清洗机器人的总体设计方案，详细分析机器人本体的 机械结构、控制结构、机器人信息获取和处理流程。 2 1 凝汽器智能清洗装备工作原理 凝汽器智能清洗装备由智能清洗机器人、清洗装备总控制系统、清洗装置、 污脏测量系统、视觉伺服定位控制系统、远程监控与遥操作系统等组成，如图2 1 所示。整个工作流程如下： ( 1 ) 脏污测量系统实时采集安装在凝汽器中各种传感器的信息，获取各种工况 参数，运用特征选取与智能建模等方法，建立凝汽器污垢的在线测量模型与预测 模型，准确监测凝汽器的结垢状况，并预测污垢增长的变化趋势。同时将待清洗 区域反馈给总控制系统。 ( 2 ) 根据凝汽器的结垢程度，确定凝汽器的清洗方式，采用高压水射流清除 松散性污垢；采用化学清洗清除析晶污垢。二者相结合，可快速、有效地清除冷 却管内的污垢。 ( 3 ) 清洗机器人移动至清洗区域，机械臂末端的喷枪根据控制系统输出完成 冷凝管的管孔初定位，通过摄像机拍摄的管口图片经过图像处理获取管口的准确 位置信息实现对冷凝管的精确定位。当喷枪对冷凝管定位动作完成后，启动相应 的高压水电磁阀，实现对某根管的高压水清洗。 ( 4 ) 在进行完一次清洗后，污脏测量系统对凝汽器的参数进行信息融合、分 析，当脏污系数超过设定值，控制系统便对凝汽器进行化学清洗，- 清洗后在水室 中加入缓蚀剂，防止化学药剂对凝汽器管壁及冷凝管的腐蚀。 ( 5 ) 凝汽器清洗装备中的脏污程度信息、清洗参数、控制系统数据及图像信 息通过数据线及网络传到近水室监控系统及远程管理中心，两处均能对上述信息 进行实时监测。 查兰兰竺坠塑登重鎏墨登墼些耋喜鳘至釜竺釜 二 面i i i 鼋 盾鱼要茬 甜i 型 蓊厮 一m s 目t h h 盎 固 垒。回 j l 。虬蜓塑 魁圜 。e 。 麴j 鬻鬻 i 岛 “ 圈2l 大型凝汽器智能化清洗装备工作原理图 各部分主要组成及功能如下： f 1 ) 智能清洗机器人：整个冷凝管定位及清洗的关键部分。清洗机器人的外 观圈如图22 所示，通过履带自动移动至待清洗管口区域，机器臂中的大臂与回 转立承固定，叫转支撑可以做3 6 0 。的旋转，旋转臂利用电动推杆完成绕太臂的 出水管3 6 0 。的旋转运动，喷枪町以沿旋转臂做直线运动，从而可使喷枪精确定 位管扳上任意位置的冷凝管。喷枪定位后，山高压水泵提供高压水，高压水依次 经过人臂、选择臂和喷枪，对冷凝管进行有效清洗。 i 学位论立 时清冼机器_ 凡埘清洗机器 透视图 图22 清洗机器人外观圈 ( 2 ) 清洗装备总控系统：是整个装备的核心。对清洗系统中的其他装置及系 统进行数据处理、分析、存储、传递并完成所有控制指令的收集和发布，完成保 护动作的分布和指示。 ( 3 ) 清洗装置：是清洗任务的必要系统。为清洗过程优化高压水及化学药剂 参数，提供合适的高压水射流及化学清洗。 ( 4 ) 污垢测量预测系统：是实现凝汽器高效清洗的基础。根据凝汽器换热过 程的特点，并综合考虑凝汽器各工况因素对污垢变化的影响，通过基于特征选取 的凝汽器污垢智能测量方法，有效预测凝汽器污垢形成的规律、污垢成分，对污 坛抑制、污垢高效清洗机制的建立具有重要的指导作用。 ( 5 ) 视觉伺服定位控制系统：是整个装备控制的重点。利用视觉伺服控制技 术完成机器臂协调控制，使机械臂末端喷枪在复杂的背景中能够准确跟踪给定轨 迹并稳定在指定位簧，迅速准确地对管口进行自动识别、检测与伺服定位。 ( 6 ) 远程监控与遥操作系统：实现对系统内所有设备的临测与管理，能够将 各个清沈设备的分布数据、运行控制数据、性能状态数据、使用时问数据等集中 起来，远程传输至电厂控制及管理中心，建立实时数据库，可在连接到互联网上 的任一台p c 上实时地查看整个凝汽器自动化清洗的实时状态和清洗数据，同时 可完成远程遥操作水下清洗机器人的运行等。 上述各部分综合集成、协调工作，实现凝汽器的高效、安全在线清洗，极大 地提高汽轮机组的循环热效率。 ； 乳诞 人型冷凝器智能清洗机器人的视觉定位系统研究 2 2 凝汽器清洗机器人机械结构设计 机器人的设计不能过分考虑机械电子和控制方面的问题，否则不利于用实验 验证高层问题的研究成果；机器人设计也不能过于简单，否则将严重限制高层课 题研究的可能性口训。凝汽器清洗机器人要在不影响正常生产的前提下满足安全、 稳定、高效、节能降耗要求的同时实现对冷凝管的清洗，合理的机械结构能够使 机器人更有效的、迅速的、便捷的完成清洗任务，同时能够在一定程度上简化机 器人控制系统的复杂程度。 2 2 1 凝汽器清洗机器人清洗系统 凝汽器清洗机器人的清洗系统包括高压水清洗装置和化学清洗装置，如图2 3 所示。机器人具体清洗过程如下： ( 1 ) 在凝汽器工作过程中，污垢测量系统实时监测凝汽器的结垢程度。当检 测出某一区域污垢系数大于设定值时，清洗机器人进入启动状态，启动高压水泵 做好清洗前准备工作。 ( 2 ) 清洗机器人运动至待清洗区域。根据预先设定的坐标控制各电机伺服系 统，通过大臂、旋转臂、喷枪的协同工作使喷枪定位到待清洗管口的粗略位置， 同时启动视觉伺服定位系统实现冷凝管管口的精确定位。 高 压 水 图2 3 凝汽器污垢清洗系统结构 卜凝汽器水室；2 一摄像机；3 一机械臂；4 一酸计量箱；5 一碱计量箱；6 一缓蚀剂计量箱：7 一 电磁阀；8 一加药计量泵；9 一变频器：1 0 一循环水泵：1 l 一电动阀；1 2 一增压泵；1 3 一排污阀 ( 3 ) 启动增压泵及电磁阀，高压水通过高压水管进入机械臂末端喷枪对冷凝 管进行高压水射流清洗，直到完成一根铜管的清洗。 系统重复步骤( 2 ) 、( 3 ) 进行下一根铜管清洗。 高压水射流技术在工业生产中得到广泛的应用口，本文利用高压水射流清洗 硕l 学位论文 是将自来水经过加压通过软管通过机械臂接至喷枪的，高压水通过管道经由旋转 关节进入旋转机械臂，然后连接至喷枪，并且，随着喷枪沿旋转臂的移动，旋转 臂内部的管子也跟着移动。如图2 4 所示为高压水的通路，为了保证在旋转臂旋转 过程中旋转臂不发生高压水泄露，在旋转关节处进行了多层的密封措施，如图2 5 所示。 图2 4 高压水通路示意图 图2 5 机械臂旋转关节剖视图 大型冷凝器智能清洗机器人的视觉定位系统研究 高压水射流清洗能够有效清除冷凝管内松散性污垢，但不能完全清除管内析 晶污垢2 i ，因此，高压水射流清洗后，若污垢系数仍未达到要求，则启动化学清 洗装置中与酸计量箱和碱计量箱连接的电磁阀及加药计量泵，化学配剂经电动阀 进入水室，随着循环水的运动清洗管内的析晶污垢，直至析晶污垢完全清除，冷 凝水室启动排污泵排出酸碱试剂并往冷凝水室加入缓蚀剂保障设备及冷凝管不受 伤害。 2 2 2 凝汽器智能清洗机器人机械结构设计 凝汽器智能清洗机器人机械系统主要包括清洗机器人行走机构、机械臂部分 和高压水清洗机构。 1 行走机构 行走机构是行走机器人的重要执行部件，它有驱动装置、传动装置、位置检 测元件、传感器、电缆等组成。它一方面支撑机器人的机身、机械臂，另一方面 根据工作任务的需要，完成清洗机器人在更广阔的空间内运动。 一般而言，行走机器人的行走机构主要有车轮式行走机构、履带式行走机构 和腿足式行走机构口3 3 引。各种行走机构的优缺点见表2 1 。 表2 1 各种行走机构优缺点对比 根据表2 1 的各种行走机构的特点的比较，我们选择采用履带行走方式作为 智能清洗机器人的行走方式。智能清沈机器人工作在凝汽器的水室里面，要求具 硕1 j 学位论文 有一定的移动性，行走机构需要支承机器人的机身