目前,國內(nèi)油品儲運企業(yè)裝載油料多采用遙控對位系統(tǒng)。這種對位系統(tǒng)需要一名現(xiàn)場控制人員利用肉眼觀察進行手動遙控大鶴管與油罐車罐口對位,一名油罐車操作員才能完成整個對位過程。人員需求較多,且工作強度很大,容易出現(xiàn)疲勞,引起事故,整個過程只能做到半自動化。對位方式單一不穩(wěn)定,導(dǎo)致大鶴管控制系統(tǒng)存在對位自動化程度低、對位速度慢等問題。因此,研發(fā)出符合國內(nèi)現(xiàn)狀的大鶴管自動對位控制系統(tǒng)迫在眉睫,對位效率的提高必將帶來一定的經(jīng)濟效益,提高各個地區(qū)油庫儲運的自動化程度,對整個石油行業(yè)的發(fā)展具有重要意義[1]。

針對上述情況,本系統(tǒng)將大鶴管轉(zhuǎn)向技術(shù)與超聲波檢測技術(shù)相結(jié)合先進行大鶴管粗對位,再通過計算機圖像處理技術(shù)將大鶴管與油罐車罐口精準(zhǔn)對位。本系統(tǒng)可實現(xiàn)大鶴管對位過程全自動化操作,極大簡化大鶴管對位過程操作步驟,消除人工操作管理帶來的不穩(wěn)定因素,進一步提升油品儲運企業(yè)的整體效益。

當(dāng)油罐車在小爬車的牽引下抵達(dá)大鶴管附近后,在粗對位階段利用超聲波檢測罐口,將脈沖信號通過MCU轉(zhuǎn)換為控制信號進而控制大鶴管快速轉(zhuǎn)向油罐車罐口。再利用計算機視覺圖像處理技術(shù)檢測罐口邊緣,并對算法進行研究優(yōu)化,得到罐口準(zhǔn)確位置。最后控制轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)使大鶴管準(zhǔn)確對位至罐口中心。當(dāng)油料裝載完畢,系統(tǒng)自動復(fù)位使大鶴管回到初始位置。圖1為系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。

超聲波具有頻率高、波長短等特性,在空氣中沿直線傳播,方向性和束射性好,體積小,費用低,易于小型化。用其測量一定范圍內(nèi)是否有油罐車罐口出現(xiàn):當(dāng)檢測到油罐車罐口時,MCU將控制大鶴管轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)進行快速粗對位。但溫度對超聲波檢測精度有一定影響,故需借助圖2所示溫度測量電路進行溫度補償[2]。

圖3所示超聲波檢測模塊由MCU和超聲波傳感器組成,該模塊可實時獲得超聲波傳感器與罐口距離,通過數(shù)字溫度計DS18B20采集溫度進行溫度補償后,最后計算出的罐口坐標(biāo)精度得到進一步提升。

計算機視覺模塊能夠在目標(biāo)邊緣和背景間提高對比度,具有消除相對于獲取目標(biāo)圖像無意義的特征點、圖像紋理平滑化等功能。因此,具有優(yōu)異的圖像數(shù)據(jù)處理能力,該模塊捕捉罐口精確度高、適用性強。

計算機視覺模塊由圖像采集單元、圖像處理單元、工業(yè)計算機等構(gòu)成,該模塊先利用CCD相機和圖像采集卡獲得油罐圓形罐口圖像轉(zhuǎn)換為模擬/數(shù)字圖像,再將信號輸出至圖像處理單元進行實時存儲,然后通過圖像處理單元將圖像幾何邊緣實時處理,獲得連續(xù)圖像。最后工業(yè)計算機對獲得的罐口圖像進行算法分析,得到油罐罐口準(zhǔn)確位置[3]。

圖5所示大鶴管轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)利用舵機實現(xiàn)大鶴管進行X、Y、Z 3個方向運動。舵機1在水平面內(nèi)運動,舵機2在豎直平面內(nèi)運動,舵機3通過對渦輪渦桿的控制,實現(xiàn)大鶴管升降。MCU在得到罐口位置后,驅(qū)動大鶴管不同關(guān)節(jié)處的舵機轉(zhuǎn)動,最終實現(xiàn)三維空間的大鶴管與油罐罐口精準(zhǔn)對位功能。在大鶴管轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)中,油料在管道內(nèi)進行密封運輸,轉(zhuǎn)動處采用剛性旋轉(zhuǎn)接頭過渡,利用舵機傳遞動力,圖6為舵機與MCU連接圖,舵機控制器與MCU采用TTL電平通信。

本系統(tǒng)MCU選用STM 32F103ZET6作為控制核心,STM32F103ZET6是一種功能強大的32位單片機,擁有集成USB,與工業(yè)計算機連接方便,適用于小型化智能控制系統(tǒng),其復(fù)位功能適用于大鶴管回到初始位置。系統(tǒng)粗對位程序流程圖如圖7所示。

本系統(tǒng)通過超聲波檢測技術(shù)與計算機視覺圖像處理技術(shù)相結(jié)合,具有對位精度高、對位速度快等優(yōu)點,克服了現(xiàn)有油料裝載過程中自動化程度低、人工操作不穩(wěn)定等弊端,可實現(xiàn)大鶴管對位過程全自動化操作,并且能夠自動復(fù)位大鶴管初始位置。極大提高油品儲運管理作業(yè)效率,在避免安全事故的基礎(chǔ)上進一步增加經(jīng)濟效益。