高 源，宋光明，李松濤，甄富帥，陳大兵，宋愛國

(1.東南大學 儀器科學與工程學院/生物電子學國家重點實驗室/江蘇省遠程測控技術重點實驗室，江蘇 南京210096；2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103)

0 引 言

碳纖維復合芯軟鋁(aluminum conductor composite core,ACCC)導線(碳纖維導線)是在我國電力系統(tǒng)中得到廣泛應用的新型導線。但是，碳纖維導線內部易受彎折損傷，易造成導線強度失效而斷裂，對人民群眾的用電安全造成巨大影響。電力巡檢機器人技術經過多年的發(fā)展已經較成熟，能夠替代人工完成巡視[1～5]、維護[6～11]、探傷[12～14]等多種任務。其中，探傷機器人多采用電渦流、磁通量等檢測方法。例如，加拿大IREQ 的Pouliot N等人[12]設計的Line Core使用電渦流檢測鋼芯鋁絞線內腐蝕狀況。但由于碳纖維導線的碳纖維芯沒有電磁特性，無法使用常規(guī)方法進行探傷。

射線探傷是無損探傷領域一種常用手段，但由于射線探傷系統(tǒng)體積大、重量大，國內外少有對已在網(wǎng)運行的導線進行射線探傷的設備。文獻調研后，僅發(fā)現(xiàn)日本筑波科技設計的便攜式X射線檢查裝置[14]對鋼芯鋁絞線內部斷裂進行探傷，對架空導線的射線探傷的可行性進行了驗證，但由于其結構無法跨越任何障礙，限制了其應用范圍。

本文以碳纖維導線為檢測對象，設計了一種基于數(shù)字X射線成像(DR)的探傷機器人。為滿足探傷機器人從事特種任務的可靠性需求，設計了一種冗余控制系統(tǒng)，從控制核心、供電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等方面提高機器人控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。通過并行調度的自動探傷系統(tǒng)，提高機器人探傷效率。針對碳纖維導線內部碳纖維芯探傷的需求，設計了基于數(shù)字X射線成像的探傷系統(tǒng)，并通過清晰度指標對成像系統(tǒng)運行效果進行研究。最后通過實驗驗證機器人各項功能，并上線驗證實際運行效果。

1 系統(tǒng)設計

1.1 機械結構

探傷機器人由探傷模塊、行走模塊與視覺模塊組成，如圖1所示。由于射線探傷系統(tǒng)重量大，機器人整體框架為焊接一體成型，以保證足夠的機械剛度。射線成像系統(tǒng)上下布置構成探傷模塊。安裝上線時，被測導線從側邊滑入。直流減速電機沿導線方向布置，驅動機器人沿著導線行走，并使機器人具有翻越防震錘等簡單障礙物的能力。機器人行走模塊的核心是鋁芯鞍形聚氨酯包膠輪，輪中心弧度適應導線外徑，接觸面積大以提供更大的摩擦阻尼。內置云臺的視覺模塊可以保證地面操作人員具有良好的視野。

圖1 機器人3D模型

1.2 冗余控制系統(tǒng)設計

控制系統(tǒng)結構圖如圖2所示，控制核心分為底層控制器與上層控制器兩部分。底層控制器以STM32為核心，用于機器人運動控制、射線控制等底層任務，控制程序復雜度低，且運行有看門狗能實現(xiàn)程序異常復位，具有較高的可靠性。上層控制器以工控機為核心，運行Linux系統(tǒng)，用于對算力要求較高的圖像采集與預處理。系統(tǒng)中的底層控制器與上層控制器均能對機器人重要部件進行控制，當出現(xiàn)一個控制器失靈時，剩余一個控制器能接管控制系統(tǒng)，保證機器人射線系統(tǒng)及時關閉并安全返程。

圖2 機器人冗余控制系統(tǒng)結構

底層控制器通過CAN總線控制機器人兩臺電機運動。由于STM32無法直接輸出差分信號，因此需要TJA1050收發(fā)器作轉換。底層控制器可以設置電機轉速，控制電機啟停，并輪詢電機實時轉速。工控機也通過USB-CAN轉換器接入CAN總線，正常情況下處于靜默狀態(tài)，在緊急狀況下可以控制機器人回程。

通信鏈路用于滿足機器人遠程操縱與數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆５孛婵刂平K端對機器人控制命令通過230 MHz的上行信號傳輸，機器人運行速度、射線參數(shù)等數(shù)據(jù)通過433 MHz的下行信號傳輸，而探傷系統(tǒng)采集的射線圖像以及攝像頭實時視頻通過2.4 GHz的無線路由傳輸。使用不同頻段的無線信號，可以滿足控制信號遠距離與圖傳信號高帶寬的需求，且有效減少信號干擾。同時，在通信系統(tǒng)異常時，冗余的通信鏈路可以提高機器人的控制可靠性。假設遙控電臺失靈，則地面控制終端可以通過圖傳的無線網(wǎng)絡控制機器人，工控機接管機器人控制系統(tǒng)，實現(xiàn)機器人的安全回程。

針對機器人運行中可能出現(xiàn)的電池電量耗盡的問題，機器人搭載了備份電源切換系統(tǒng)。在主電池電量即將耗盡時，無縫切換至備用電池，保證機器人基本功能模塊的供電，并支撐機器人回程維護。備份電源切換系統(tǒng)電路圖如圖3所示。

圖3 機器人電源備份與無縫切換電路

首先通過以LM358為核心的比較電路，檢測主鋰電池是否欠壓，當主電池電壓小于閾值時，電路輸出低電平信號。LM7812的穩(wěn)壓電路用于提供穩(wěn)定的參考電壓，可變電阻R1的串聯(lián)分壓電路用于實現(xiàn)可調的閾值。其次使用基于LTC4414的電源切換電路，實現(xiàn)主電池與備份電池的無縫切換。當芯片U1接收到欠壓的低電平信號時，通過控制場效應管電路實現(xiàn)電源切換。輸出端口處的電容用于緩沖，實現(xiàn)電源“無縫”切換。

1.3 基于并行調度的自動探傷系統(tǒng)設計

機器人的自動探傷系統(tǒng)是提高機器人探傷效率的關鍵模塊。當機器人處于手動控制模式下，控制核心為地面用戶終端，機器人的兩個控制器接收用戶命令完成相應操作。當機器人切換至自動控制模式時，工控機接管控制系統(tǒng)，指揮底層控制器完成運動任務與射線機啟停任務，并適時通知地面用戶終端接收探傷圖像，完成自動探傷任務。工控機調度程序流程圖如圖4所示。

圖4 機器人自動探傷系統(tǒng)并行調度流程圖

為了提高系統(tǒng)運行效率，自動探傷程序采用并行調度方法。由于探傷系統(tǒng)中，數(shù)字成像板采集圖像時需要能量沉淀，則機器人的圖像采集任務與機器人運動任務互斥，因此圖像采集與機器人運動交替進行。而機器人的圖像預處理任務與圖像傳輸任務建立在圖像采集任務完成的前提下，因此將圖像預處理任務分離至單獨線程，靜默處理直至圖像發(fā)送完畢。當機器人接收到退出自動模式的控制信號時，機器人關閉射線并退出自動模式，工控機將機器人的控制權轉移至地面用戶終端。

2 射線探傷系統(tǒng)及其成像清晰度研究

2.1 射線探傷系統(tǒng)設計

數(shù)字X射線成像(DR)以其成像速度快、分辨率高、效率高等特點，被廣泛運用于臨床醫(yī)學、工業(yè)探傷等領域。射線探傷系統(tǒng)設計參數(shù)如下：成像板型號為PerkinElmer-XRpad2，器件類型為非晶硅活性TFT，像素尺寸為2 508×3 004，像素間距為100 μm，分辨率為5 lp/mm，射線機型號為VJ Tec-IXS120，器件類型為陰極射線管，最大功率為120 W(120 kV@1mA)，焦點大小為0.5 mm，出射錐角為40°，焦物距Lu為176 mm，焦像距Lv為247 mm。本文中探傷機器人搭載的DR系統(tǒng)示意圖如圖5所示。

圖5 機器人探傷系統(tǒng)示意

DR系統(tǒng)的放大倍數(shù)Tm可以由式(1)表示

(1)

則DR系統(tǒng)的放大倍數(shù)為1.4，放大倍數(shù)較大。

從射線成像不清晰度的角度分析，在系統(tǒng)中，雖系統(tǒng)放大倍數(shù)較大，但由于X射線機的焦點尺寸小，系統(tǒng)的幾何不清晰度??；由于數(shù)字成像板自身強大的圖像處理能力，系統(tǒng)的固有不清晰度?。坏捎谠诃h(huán)境風荷載等因素影響下，機器人會產生擺動，相對位移不可避免，因此，在系統(tǒng)中造成成像不清晰的最大因素為運動不清晰度。

基于以上分析，系統(tǒng)中的運動不清晰度會給X射線成像質量造成不良影響，因此，需要設計一種成像清晰度的在線判定方法，對清晰度較低的射線圖片采取重新采集的策略。由于對射線圖像成像質量的評價屬于無參考圖像的清晰度評價，在計算機圖形學中有較多成熟的方法用于無參考圖像的清晰度評價，例如：Tenengrad梯度函數(shù)法、拉普拉斯梯度函數(shù)法、方差函數(shù)法、熵函數(shù)法[15～17]等。

針對系統(tǒng)特點，系統(tǒng)中截取以導線中心為基準的220像素×1 300像素的圖像進行清晰度分析，使用如式(2)所示的拉普拉斯梯度函數(shù)法，實現(xiàn)對射線圖像的質量評價。接著將運算得到的拉普拉斯梯度值歸一化，將清晰度0.8記作合格標準。運算得的射線圖像清晰度值可以作為射線系統(tǒng)的圖片在線篩選標準。若圖像清晰度不滿足要求，重新采集。該方法能有效提高機器人的探傷系統(tǒng)的可靠性

(2)

2.2 成像運動不清晰度探究

為進一步探究射線成像運動不清晰度與機器人擺動的關系，機器人在室外模擬線路上完成擺動拍攝實驗。實驗中，使用繩索拖動導線，通過導線振蕩激勵機器人擺動。機器人慣性測量單元(inertial measurement unit,IMU)用于采集機器人的位姿信息，其中橫滾角即為擺角。同時，為了控制變量，機器人在導線的固定位置進行射線圖像采集。在本實驗中，設置X射線機的輸出功率48W(80kV@0.6mA)，數(shù)字成像板能量沉淀時長為1.5 s。

實驗時，改變機器人擺動參數(shù)分為高幅值低頻率、低幅值低頻率、低幅值高頻率與完全靜止四種。實驗結果如圖6所示。選取3張典型圖像作分析，完全靜止時拍攝的圖像清晰，鋁股間隙明顯。其直方圖有較多高灰度分量，且清晰度值高。在擺動時拍攝的圖像存在重影，其直方圖具有較高峰值，且清晰度值低。對比圖6中①區(qū)域和③區(qū)域，機器人擺動的幅值越大，成像質量越差；對比圖6中②區(qū)域和③區(qū)域，機器人擺動的頻率越大，成像質量越差。綜上，機器人擺動的頻率和幅度都會影響機器人探傷系統(tǒng)成像質量，通過清晰度指標進行在線成像質量判定篩選可以減小運動不清晰度的影響。

圖6 機器人擺動與成像質量關系

3 實 驗

為驗證機器人冗余控制系統(tǒng)的實際效果，對機器人可能出現(xiàn)的異常進行模擬。實驗時，通過對控制器、通信鏈路、電源模塊分別設置異常，測試機器人在異常情況下是否受控，實驗結果如表1所示。結果表明，冗余控制系統(tǒng)可以使機器人在異常情況下不失控，保證機器人系統(tǒng)的魯棒性。

表1 機器人控制系統(tǒng)異常模擬實驗結果

為驗證機器人實際運行效果，項目組于模擬試驗線路上完成機器人的功能驗證，實驗場景如圖7所示。機器人運行自動模式，實驗數(shù)據(jù)如表2所示。機器人采集單幀圖像平均所需時間5.6 s，單幀有效探傷距離平均為14.6 cm，則機器人的探傷速度為2.6 cm/s。實驗數(shù)據(jù)表明機器人自動探傷效率較高，可以滿足實際探傷需求。

圖7 機器人實驗場景

表2 機器人自動模式運動數(shù)據(jù)

4 結 論

本文針對已掛網(wǎng)運行的碳纖維導線，設計了一種基于數(shù)字X射線成像(DR)的探傷巡檢機器人。通過對控制器、通信鏈路與電源模塊的冗余備份，提高系統(tǒng)魯棒性?；诓⑿姓{度的自動探傷系統(tǒng)，提高機器人探傷效率。針對碳纖維導線的射線探傷系統(tǒng)，利用清晰度在線判定方法，保證射線成像質量。通過實驗證明：機器人能在控制系統(tǒng)關鍵部件異常情況下不失控，具有較好的魯棒性；機器人在線上測試中，平均探傷速度為2.6 cm/s，滿足實際應用需求。