大型冷凝器清洗機器人視覺控制方法研究.pdf

1、大型冷凝器是火電廠和石化行業(yè)的大型換熱設備的關鍵設備之一,在大型汽輪機裝置的熱力循環(huán)中起冷源的作用,能降低汽輪機排汽壓力和溫度,提高汽輪發(fā)電機組的循環(huán)熱效率。冷凝器運行時,由于冷卻水不潔凈、熱交換時伴隨化學反應等原因,致使冷凝管內壁積聚了不利于傳熱的污垢,冷凝管的污垢將產生一系列危害:嚴重削弱冷凝器的換熱能力,引起真空度降低、能耗增加,還可能導致冷凝管堵塞甚至造成管壁腐蝕穿孔而引發(fā)事故。
　　 論文首先探討了冷凝器污垢產生的原因

2、以及對冷凝器傳熱性能的影響,說明污垢監(jiān)測、污垢清除的必要性;總結并分析了各種污垢清洗方法的優(yōu)點與不足;提出了高壓水射流清洗機器人在線工作的設計方案,詳細介紹了視覺控制在機器人領域的研究方法和應用。
　　 在污垢系數(shù)大于某一設定值時,清洗機器人將自動運動到待清洗區(qū)域,對待清洗管口的中心坐標進行定位,實現(xiàn)對冷凝管的高壓水射流清洗,所以知道機器人當前的位置具有十分重要的意義,而冷凝管管口的邊緣檢測是實現(xiàn)精確定位的關鍵步驟。在分析了現(xiàn)有

3、的邊緣檢測算法后,憑借Canny提出的邊緣檢測三準則,對二維奇Gabor小波的階躍邊緣檢測性能做了詳細分析,并與現(xiàn)有的邊緣檢測算法做了仔細比較,實驗結果證明了應用于冷凝器管口邊緣檢測的優(yōu)越性。另外考慮到水下光線的復雜性,獲取的圖像經過檢測處理有可能發(fā)生邊緣缺失或不完整的現(xiàn)象,故對基于最小二乘法的邊緣擬合進行了研究,提出了改進的隨機Hough變換算法得到冷凝器管口中心坐標,最后利用P3P算法完成機器人的定位。
　　 清洗機器人要在

4、冷凝器水箱體中自主運動,需要解決智能導航問題。由于一般的攝像機成像視角只有40～50度,不滿足對空間的全方向成像要求,本文提出了基于雙曲線的折反射全向相機的視覺導航,對折反射的成像原理,全向圖像的展開,全向相機的極線幾何等做了詳細的推導,并利用Kruppa方程對攝像機的內部參數(shù)進行定標。機器人的導航是通過固定和移動兩個全向相機獲取目標圖像,通過匹配的特征點計算極線幾何后,根據特征點在成像平面的變化情況,從而得到當前位置點與理想位置的誤差

5、,經過計算得到移動機器人需要執(zhí)行的旋轉角度和平移距離,接著對在水下工作的機器人行走機構的受力情況做了分析,得到它的運動學和動力學方程,最后用反步法對清洗機器人驅動輪進行控制,實驗證明機器人可以準確移動到指定位置。
　　 在清洗機器人到指定位置后,如果直接利用邊緣檢測得到的坐標對冷凝管進行定位,會因機械加工精度誤差、水中流體力學的影響導致定位偏差,從而影響清洗效果。為了解決這個問題,本文提出了基于極線幾何的機械臂視覺伺服控制,通過

6、Gabor包絡算法從管口圖像中提取多個特征點進行匹配,再計算基本矩陣和特征點與極線的誤差,利用任務函數(shù)將控制量分解為兩個控制任務,首要任務是通過旋轉使特征點收斂到極線上,然后使特征點沿著極線平移到期望位置,并根據上述原理設計機械臂的笛卡爾工作軌跡,即機械臂先從初始位置開始旋轉,當獲得與期望位置相同的方向相位后,然后平移到期望位置。這種控制方法不需要事先知道工作空間的三維信息,控制規(guī)則簡單,能夠得到比單純手眼結構的機械臂更大的工作空間等優(yōu)

7、點。實驗證明該方法能得到很好的控制效果,所有的特征點在有限時間能夠到達期望的位置,誤差能收斂到零。
　　 視覺伺服系統(tǒng)的視覺控制器性能依賴于系統(tǒng)所提取的圖像特征,為避免局部圖像特征超出視域所帶來的問題,本文對全局圖像特征-圖像矩特征作為圖像特征信息進行了研究,推導了基于矩特征的雅可比矩陣。控制算法避免了圖像的特征匹配過程,在不需要知道目標的成像高度、攝像機焦距及不需要精確標定的攝像機外部參數(shù)的情況下,較好的實現(xiàn)了基于圖像的視覺伺

8、服控制系統(tǒng)仿真。
　　 最后,設計了冷凝器清洗機器人的總體結構,提出了基于局部加權偏最小二乘回歸算法的污垢預測算法,即通過在訓練集的污垢數(shù)據局部模型內對新測得的數(shù)據進行偏最小二乘回歸分析,并采用自適應算法對模型參數(shù)、各模型之間的加權系數(shù)進行自動優(yōu)化調整,能很好的解決新舊數(shù)據相互影響問題,以適應冷凝器水質及工況參數(shù)的動態(tài)變化。接著詳細介紹了清洗機器人的運動機構,回轉機構,主機架,電動推桿,機械臂,高壓噴嘴等機械部件,對由工控機、觸