技术领域
[0001] 本发明属于承压设备结构检测技术领域，具体涉及基于视觉与漏磁承压设备焊缝缺陷检测机器人。
相关背景技术
[0002] 漏磁场检测是用得比较多的一种无损检测方法。它是利用铁磁性材料或工件磁化后，如果在表面和近表面存在材料的不连续性，即材料的均质状态或致密性受到破坏，则在不连续处磁场方向将发生改变，在磁力线离开和进人工件表面的地方产生磁极，形成漏磁场。用传感器对这些漏磁场进行检测，就能检查出缺陷的大小和位置，这种检测方法就称为漏磁场检测。目前市面上有很多基于漏磁检测的半自动化设备以及手工焊缝检测设备，在使用时均需要人员参与，人工成本增高，导致效率低下及漏检率高的问题。
具体实施方式
[0044] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0045] 实施例1
[0046] 本发明的基于视觉与漏磁承压设备焊缝缺陷检测机器人，结构如图1和图2所示，包括机器车1，机器车1上部前端安装有视觉检测模块2，机器车1底部中心位置处设置安装有漏磁检测模块3，机器车1车体底部靠近前端位置处、靠近后端位置处分别设置有充磁吸附模块4、退磁吸附模块5，充磁吸附模块4和退磁吸附模块5关于机器车1底部中心位置处中心对称；机器车1底部还安装有驱动装置13，机器车1两侧对称安装有第一车轮10、第二车轮14、第三车轮15、第四车轮16，四个车轮与驱动装置13相连进行驱动。
[0047] 机器车1上还安装有蜂鸣报警模块6、主控制器8、神经棒9、WIFI通信装置11；神经棒9通过USB口与主控制器8相连，主控制器8采用树莓派，搭载YOLO目标检查测算法和路径拟合算法实现对焊缝的跟踪。
[0048] 视觉检测模块2、漏磁检测模块3、蜂鸣报警模块6、驱动装置13分别通过导线与主控制器8连接进行信号传输，主控制器8与WIFI通信装置11导线连接进行信号传输，上位机PC端自带无线网卡，搭载有数据处理模块7，与WIFI通信装置11通过无线连接进行信号传输。
[0049] 其中，数据处理模块7分为图像数据处理模块和漏磁信号分析模块，图像数据处理模块用于通过YOLOv5神经网络对WIFI通信装置11传输的焊缝表面缺陷图像进行焊缝表面缺陷检测；漏磁信号分析模块用于通过BP神经网络对WIFI通信装置11传输的漏磁检测信号进行焊缝近表面缺陷检测。并与机器车1相互配合，对焊缝表面和近表面缺陷信息进行检测并识别缺陷种类，且将缺陷信息与种类通过WIFI通信装置11传递给主控制器8。
[0050] 主控制器8作为下位机信息处理和传输的主要控制器，负责视觉检测模块2、漏磁检测模块3、蜂鸣报警模块6的接收和处理，同时控制驱动装置13运行，并通过WIFI通信装置11与上位机PC端数据处理模块7之间信息的发送和接收，实现上下位机相互配合。
[0051] 视觉检测模块2采集图像信息、漏磁检测模块3采集漏磁信号传输给主控制器8，再通过WIFI通信装置11传输给上位机数据处理模块7，通过上位机对数据的处理和分析，确定表面和近表面的缺陷种类和位置，将表面或近表面缺陷种类和定位信息通过WIFI通信装置11传输给主控制器8，主控制器8发送控制信号控制驱动装置13带动机器车1运动，实现焊缝跟踪，同时触发蜂鸣报警模块6进行焊缝表面缺陷或近表面缺陷报警，进行报警提示，最终实现对承压设备焊缝表面及近表面缺陷种类及位置检测，提高检测质量和效率。
[0052] 实施例2
[0053] 在实施例1的基础上，如图1所示，机器车1上还安装有供电装置12，供电装置12分别与驱动装置13、主控制器树莓派、视觉检测模块2、漏磁检测模块3、充磁吸附模块4、退磁吸附模块5、蜂鸣报警模块6相连，对不同模块进行供电。
[0054] 驱动装置13包括第一电机131、第二电机132、第三电机133及第四电机134，分别控制机器车1的四个车轮，四个电机分别与主控制器树莓派通过导线连接，同时接收主控制器树莓派数据，控制相应的车轮转动，从而控制机器车1运动，完成自动化控制机器车运动。
[0055] 如图3所示，视觉检测模块2包括安装在机器车1上部的前端的第二舵机25，第二舵机25的输出轴连接有舵机支架23，舵机支架23远离第二舵机25的一端连接有第一舵机24，第一舵机24输出轴连接有摄像头支架22，摄像头支架22顶部通过螺丝连接有摄像头21。第一舵机24与第二舵机25通过舵机支架23相连且输出轴相互垂直，为摄像头21提供二自由度系统，实现摄像头21在空间实现360度旋转识别，摄像头21、第一舵机24、第二舵机25与主控制器树莓派通过导线连接进行信息传输，摄像头21对承压设备的焊缝实时采集图像信息，通过导线传输至主控制器树莓派，主控制器树莓派与神经棒9结合，运用图像处理与中心线拟合，完成焊缝跟踪与焊缝表面缺陷识别，并触发驱动装置13控制第一车轮10、第二车轮14、第三车轮15及第四车轮16运动，同时发出信号给第一舵机24控制纵向旋转、第二舵机25舵机控制横向旋转，实现上端摄像头21自动控制旋转方向，实时调整摄像头21的状态，完成对焊缝自动跟踪功能，实现承压设备焊缝缺陷检测机器人自动化跟踪承压设备焊缝，也能完成表面缺陷图像实时采集进行检测。
[0056] 如图2和图4所示，漏磁检测模块3包括固接于机器车1下部前端位置处的漏磁检测支架32，漏磁检测支架32底部安装有霍尔元件组31，漏磁检测支架32用于放置霍尔元件组31，并与机器车1连接，实现机器车1与霍尔元件组连接。
[0057] 霍尔元件组31包括呈行列式布置的第一霍尔元件311、第二霍尔元件312、第三霍尔元件313、第四霍尔元件314、第五霍尔元件315及第六霍尔元件316，且霍尔元件对漏磁场检测不受运动状态的影响，有效克服机器车1在检测过程中速度不同导致霍尔元件采集信息的影响，霍尔元件采用霍尔传感器，由于每片霍尔传感器的周向分辨力一般在8mm，因此在漏磁检测支架32底部设计两列霍尔元件，保证对承压设备焊缝全面扫查采集信号，并设计成三排，多次检测采集承压设备缺陷信号，防止单次检测对缺陷置信度较低，霍尔元件采集磁场变化信号，转化为电信号通过导线传输给主控制器树莓派，增加承压设备焊缝近表面缺陷检测准确性。
[0058] 实施例3
[0059] 在实施例2的基础上，如图5所示，充磁吸附模块4包括通过螺丝固接于机器车1下部前端位置处的第一衔铁固定器43，第一衔铁固定器43内安装有第一衔铁413，第一衔铁固定器43底部通过螺丝连接有充磁磁铁支架42，充磁磁铁支架42内安装有充磁器41；
[0060] 充磁器41包括第一磁铁411、第二磁铁412，两个磁铁分别位于第一衔铁413的两端底部，第一磁铁411、第二磁铁412相互平行且两个磁铁的N、S极相反放置，构成磁感线的连通闭合回路，充磁器41在承压设备表面形成完整正向闭合磁感线回路，实现对承压设备磁化，使得充磁器在承压设备缺陷处的管壁表面形成了漏磁场，为后续霍尔传感器检测近表面缺陷奠定基础。并提供机器车1与承压设备壁面吸附力，实现机器车1在不同角度的承压设备壁面稳定吸附运动；
[0061] 如图6所示，退磁吸附模块5包括通过螺丝固接于机器车1下部前端位置处的第二衔铁固定器53，第二衔铁固定器53内安装有第二衔铁513，第二衔铁固定器53底部通过螺丝连接有退磁磁铁支架52，退磁磁铁支架52内安装有退磁器51；退磁器51与充磁器41关于机器车1底部中心位置中心对称，退磁器51包括第三磁铁511和第四磁铁512，第三磁铁511、第四磁铁512分别位于第二衔铁513的两端底部，第三磁铁511和第四磁铁512相互平行且两个磁铁的N、S极相反放置，且与充磁器41的第一磁铁411和第二磁铁412形成的连通闭合回路的磁场线相反，退磁器51在承压设备表面形成完整闭合反向磁感线回路，达到退磁效果，保证与充磁器41的磁场线回路反向，实现在充磁器41充磁后，完成信号采集，对承压设备进行退磁，防止磁化后的承压设备吸附周围铁磁性碎屑，影响后续承压设备正常使用。退磁器51与充磁器41两块磁铁中心对称安装，且两磁铁大小相同，提供相同的磁力，保持机器车1在两端受力平衡。为保证机器车在不同角度的承压设备表面稳定吸附，对焊缝缺陷检测机器车进行受力分析。
[0062] 焊缝缺陷检测机器车在垂直壁面受力分析：
[0063] 在水平方向上受力平衡：
[0064] F‑N后1‑后2‑前1‑前2＝0
[0065] 在垂直方向上受力平衡：
[0066] G‑F后1‑后2‑前1‑前2＝0
[0067] F前1≤N前1f静
[0068] F前2≤N前2f静
[0069] F后1≤N后1f静
[0070] F后2≤N后2f静
[0071] 当焊缝缺陷检测机器车在承压设备静止时，焊缝缺陷检测机器车的两个前后轮所受的油罐壁支撑力均相等，即：
[0072] N后1＝后2＝后
[0073] N前1＝前2＝前
[0074]
[0075] 焊缝缺陷检测机器车在倒挂壁受力分析：
[0076] F‑G≥0
[0077] 因此磁铁提供的磁力 才能保证机器车在壁面运动的稳定性。
[0078] 其中：F为充磁器41和退磁器51中磁铁对承压设备壁面的磁力；N后1、N后2、N前1、N前2：承压设备壁面对前轮、后轮的支持力；F后1、F后2：承压设备壁面对焊缝缺陷检测机器车的摩擦力；f静：承压设备壁面对焊缝缺陷检测机器车后轮的滑动摩擦系数；G焊缝缺陷检测机器车本体重力。
[0079] 所用磁铁为工业级铷磁铁，材料铷铁硼NdFeB，根据独立磁铁与壁表面间隙，简化磁铁的磁场力分布，假设磁铁沿长边方向单方向充磁，磁力方程可近似由下式计算：
[0080]
[0081] 其中：F为充磁器41和退磁器51中磁铁对承压设备壁面的磁力；μr表示磁性材料的绝对磁导率；μ0表示真空中磁导率；B表示磁通密度；S表示磁铁与承压设备壁面垂直面积。
[0082] 在机器车前部与后部分别安装充磁器与退磁器，不仅为机器车与承压设备提供吸附力，保持车体平衡，又能对磁化后的承压设备进行退磁，防止磁化的承压设备壁面吸附表面铁磁性碎屑。
[0083] 如图1所示，蜂鸣报警模块6包括依次安装于机器车1上部的蜂鸣器61、绿色LED灯62及红色LED灯63，三者均通过导线与主控制器树莓派连接。当数据处理模块7检测到焊缝表面缺陷信号传输给主控制器树莓派，主控制器树莓派控制蜂鸣器61报警同时控制红色LED灯63常亮，以提醒作业人员焊缝表面存在缺陷；当数据处理模块7检测到焊缝近表面缺陷信号传输给主控制器树莓派，主控制器树莓派将信号传输给蜂鸣器61与绿色LED灯62，此时蜂鸣器61报警同时绿色LED灯62常亮，以提醒作业人员焊缝近表面缺陷具体位置；
[0084] 通过绿色LED灯62和红色LED灯63判断承压设备缺陷为表面缺陷还是近表面缺陷，对检测过程实时报警，及时通知相关作业人员缺陷位置，实现焊缝缺陷定位，降低安全风险。
[0085] 本发明的基于视觉与漏磁承压设备焊缝缺陷检测机器人，工作流程是：数据处理模块7与机器车1采用WIFI传输信号，其余的信号传输均通过导线进行。当对承压设备进行缺陷检测时，首先打开供电装置12的开关，此时WIFI通信装置11产生无线信号，然后上位机PC端通过无线网卡连接WIFI信号。驱动装置13带动机器车1在承压设备表面运动，同时通过摄像头21采集焊缝表面图像信息、漏磁检测模块3采集的漏磁检测信号传输给主控制器树莓派，主控制器树莓派对传输的图像信息结合神经棒9通过YOLO目标检测算法对焊缝进行识别检测，提取到焊缝位置信息点，再通过中心线拟合方法把信息点连接，传输给驱动装置13，通过电机旋转控制车轮运动，实现焊缝跟踪功能；主控制器树莓派通过无线WIFI通信方式将预处理后的图像信息和漏磁检测信号传输至上位机数据处理模块7，完成焊缝表面缺陷与近表面缺陷检测，同时在上位机也会显示焊缝缺陷种类。通过无线WIFI通信方式传输给下位机主控制器树莓派，再通过树莓派对蜂鸣报警模块6传输控制信号，完成对焊缝表面与近表面缺陷检测与定位功能。
[0086] 本发明的基于视觉与漏磁承压设备焊缝缺陷检测机器人，工作原理为：根据承压设备缺陷的视觉检测与漏磁检测的原理，将相应的检测模块与机器车相结合，从而实现对承压设备焊缝缺陷的检测。进行检测时，首先要求检测设备能够到达待检测承压设备所需检测的所有位置，即对焊缝缺陷检测机器车1对焊缝跟踪功能，通过视觉检测模块2采集图像信息，通过图像处理与中心线拟合完成缝缺陷检测机器车1对焊缝跟踪功能；然后是检测设备采集承压设备缺陷的信后，通过下位机图像预处理并以WIFI信号传输的方式传输至数据处理模块7，上位机数据处理模块7进行对焊缝表面缺陷和近表面缺陷进行检测，实时反馈承压设备焊缝的质量情况。
[0087] 本发明的基于视觉与漏磁承压设备焊缝缺陷检测机器人，优点为：将视觉与漏磁检测设备置于机器车车体上，通过摄像头采集图像输送到神经网络对焊缝进行自动实时检测，进而定位焊缝位置控制电机运动完成承压设备焊缝缺陷的跟踪，再通过视觉检测模块与漏磁检测模块检测承压设备焊缝表面与近表面图像信息和漏磁信号，数据处理自动化定位焊缝表面与近表面缺陷种类与位置信息，实现全过程自动化。
