内浮顶储油罐清洗机器人定位系统设计

北京石油化工学院学报

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()文章编号:1008-2565201902-0066-05

JournalofBeiinnstituteofPetrochemicalTechnolojgIgy

Vol.27 No.2Jun.2019

内浮顶储油罐清洗机器人定位系统设计

代峰燕,王 冰,李 哲,陈远清,沈 强,张 瑾,陈家庆

()北京石油化工学院,北京102617

摘要:针对内浮顶储油罐特殊环境及清洗机器人工作过程中存在的定位精度低、安全性差等缺陷,设计了一种内浮顶储油罐清洗机器人定位系统。充分考虑内浮顶储油罐复杂的内部环境,通过对已有定位技术的分析比较,确定定位方式为几何定位与图像定位相结合的定位方法,利用油罐2个人孔进行2点粗略定位,通过图像得到机与传统的定位方法相比,该定位系统有效提高了定位的效率和精度。

关键词:内浮顶储油罐;定位系统;数据采集中图分类号:TP274.2

文献标志码:A

:/DOI10.12053.issn.1008-2565.2019.02.012j

器人精确定位。利用P并进行模拟仿真分析。roteus以及Keil软件按照设计的定位方案进行电路设计和软件设计,

DesinofPositioninstemforCleaninobotofggSygR

InternalFloatinoofOilTankgR

,WANGB,,,,,DAIFenaninLIZheCHENYuaninSHENQianZHANGJinCHENJiaingygqggqg

(BeiinnstituteoetrochemicalTechnoloBeiin02617,China)jgIfPgy,jg1

apositioninechnoloftheinnerfloatinooftankcleaninobot.Takinntoaccountthegtgyogrgrgi

comlexinternalenvironmentoftheinnerfloatinotoraetank,throuhtheanalsisandpgtpsggy,comarisonoftheexistinositioninechnoloitisdeterminedthatthepositioninethodpgpgtgygmshouldinvolveboththegeometricpositioninndimaepositionin.Thetwoersonholeofthegaggp-,areperformedaccordinothedesinpositioninchemeandthesimulationanalsisiscarriedgtggsy

,outaccordinl.Comaredwiththetraditionalpositioninethodthepositioninstemcangypgmgsyeffectivelimrovetheefficiencndprecisionofpositionin.ypyag

:Keordsinternalfloatinoofoiltank;orientationsstem;dataacuisitiongryqyw/ 根据国家和石化行业规定(QSH039-013-),储油罐每隔3~5年应清洗检修1次,检修或1988

]1

,更换油品前必须对储油罐进行清洗[储油罐清洗

:AbstractInviewofthesecialenvironmentoftheinnerfloatinooftank,thepositioninpgrg

,recisionofthecleaninobotislowandthesafetispoorwhichmakesitnecessarodevelopgryytp

oiltankisusedtomaketwopointsofrouhpositionin.Theprecisepositioninftherobotisgggo,obtainedthrouhtheimae.UsinroteusandKeilsoftwarecircuitdesinandsoftwaredesingggPgg

节。传统的储油罐清洗机器人的定位方法是在清洗过程中人为的观测定位,定位精度差和存在着安全隐患。随着内浮顶储油罐的大量普及和人们对储油罐清洗作业安全要求的不断提高,国外NELS公司

机器人定位是清洗工作过程中一个至关重要的环

收稿日期:2018-12-21;修回日期:2019-01-19

);)。基金项目:国家科技重大专项(北京市教委科研计划资助项目(2017ZX0503-005-002KM201510017006

,:;作者简介:代峰燕(男,博士,高级工程师,主要从事光电检测与机器人应用技术研究,王冰1972—)E-maildaifenan@bit.edu.cngyp

(,:。硕士研究生,主要从事光电检测与机器人应用技术研究,1993—)E-mailwanbin@bit.edu.cnggp

第2期代峰燕等.内浮顶储油罐清洗机器人定位系统设计67

首先提出了无需人员进罐的清洗方式,并广泛应用

在工程中,取得了良好的清洗效果[2

]鉴其无需人员进罐的特点设计了一种用于内浮顶储,因此,通过借

油罐清洗机器人的定位系统,目前国内尚无相关产品在工程中的实际应用,该设计在内浮顶储油罐机器人应用中具有很好的发展前景。

美国联邦通信委员会(c定位标准ationsCo[3

mm]ission,FCC)于19F9e6de年制定了ralCommE-u9n1i1

-技术得到了快速的发展,在各行业应用需求的推动下。主流的定位技术从使用的,室内定位信源上大致可以分为2类:“电信号的”和“非电信号的”,但运用的算法有重合的部分,算法主要有邻近信息、几何定位、场景分析、航迹推算Ca4种[

4-7]

。定位系统mbridg

e大学AT&T实验室开发的红外线室外内定位系统Ac[t8

i]v合定位技术近,eB年对室内定位技术进adgeSy

stem被称为第一代的室来成为了室内定位行技分术析的,组发合展/混趋

势[5]

,如将GPS定位信息、

惯性传感器定位信息、基站定位信息和道路信息进行融合,在保证定位精度的基础上,减少了系统成本,提高了稳定性。所以,笔者采用测距法和图像法相结合的定位方法,既满足了地上立式储油罐的特殊环境要求,又整合了现有定位方法的优点,有效提高了定位的精度。

1 储油罐清洗机器人定位原理

1.1 定位方法设计

目前,市面上有多种储油罐清洗机器人定位方法,如几何计算法、图像定位法以及航位推测法,大部分定位系统采用的是三角定位或多点定位的原理,为了避免误差,一般会结合位算法来实现混合定位[2种或2种以上的定

9]

油罐的特殊环境要求,无法。安然而装过,由于地上立多附加装置式,储

W装附加装置iFi

、如发射器;航位推测不用安装附加装置、接收器等,至多只能在2个人孔处安,但是在工作过程中会形成较大的累积误差;单一的图像定位方法成本高昂,并且工作量较大。所以采用了测距法和图像法相结合的定位方法,既满足了地上立式储油罐的特殊环境要求,又整合现有定位方法的优点。

储油罐清洗机器人的定位方法是通过距离感应

器测量机器人与D12个油罐人孔(a、b)之间的距离M1、、D2M2,

;

从而得到机器人在油罐内的再采用全局摄像头对油罐区2个预估位置划分为A、B、C、D四个区域,

并以中心域点进为行圆分心区建,立坐标系,通过全局图像确定机器人所在区域,计算得出机器人位置的具体坐标位置。定位过程如图

1、

图2所示。

Fig.1 Schema图tic1 dia几何定位示意图

gramofgeometricpositioning

Fig.2 图Im2a ge图像区域分割

regionseg

mentation1.2 定位算法分析

(通过距离感应器测量机器人与a、b)1、D2,1+2个油罐人孔之间的距离D通过DD2与D的比较,判断数据采集的正确与否,若D1+D2≥D以2个人孔a,、b为圆心,相对应的以D1、D2为半径,分别作圆通过全局摄2个交点M1像头、M2即为机器人的将油罐清洗区域分2个预估位置;为AD四个区域,

详细参阅图机器人所在区域,通过三角计算并结合图像分析确2,进而通过全局图像判断、B、C、

定机器人精确定位。以A区域为例介绍计算具体坐标位置的方法,

分析图如图3所示。

68

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2019年第27卷

图4 系统总体框图

Fi.4 Overallsstemblockdiaramgyg

。

Fig.3 L图oca3ti ona定位算法分析图

lgorithmanaly

sischart通过已知的油罐测得的D1、D22人孔ab之间的距离D以及

角度α:

,计算出机器人位置对人孔a的偏移cosα=

D12+2DD12D-D22

(1) 计算得出k(1si、kn2α的值=1:

-cos2

α2

)k1=

D1*sinα=D1·1-æçD12è+2DD12D-D22ö÷2ø

D()k=

3

22-D1cosα=D2-D1*D12+2DD12D-D22

则机器人位置M的坐标为M(-K(1,K2)

。4

当)机器人位置在其余3个区域时计算方法相似。

定位系统硬件设计

.1 总体设计方案

储油罐清洗机器人定位系统包括主控单元、数据采集单元、电源模块和数据传输单元等部分,主控单元采用ARM微处理器对采集的数据进行分析处理,数据采集单元采用测距传感器和摄像头对机器人的位置信息进行数据采集,电源模块通过稳压芯片设计稳压电源,数据传输单元采用RS485设备进行单片机与上位机之间的数据传输。系统总体框图如图.2 4所示。

定位系统子模块设计.2.1 主控单元设计主控单元采用ARM微控制器的TM32F103ZET6单片机,STM32F103ZET6单片机是一款基于512k字节的闪存存储器ARM的32位微控制器,共有,级144个

引脚,适用于工业-40

~85℃。STM32F103ZET6芯片如图5所示图F5ig

S.5TM S3TM2F3120F31Z0E3TZ6ET芯片

6.2.2 数据采集模块设计

由于油罐直径大概为境,容易发生爆炸,所以对传感器的要求也相对比较20m,

油罐中处于危险环高,测量距离要达到油罐距离,能精确地测量距离,市面上的测距传感器大致有超声波测距传感器、激光测距传感器3类:红外测距传感器、。

查阅各种型号的测距传感器以后,最终确定传感器的型号为LDS3030工m激光测距传感器,是上海疆图公司开发的一种业级传感器,该传感器具有数字量和模拟量输出,开关量输出为高电平输出,模拟量输出为4~20mA电流输出,

如图所示。

Fi图g

.66 L LDDSS3300L激光传感器

asersensor

222226S第2期代峰燕等.内浮顶储油罐清洗机器人定位系统设计69

2.2.3 电源模块设计

设计过程中,通过降压模块———。LM2596S稳压模块如图L7M所示2596。

S进行稳压输出Fig.7 L图M275 L96SMV2o5lt9a6gSes稳压模块

tabilizingm

oduleLM2596S的封装形式包括标准的220封装(本系统设计中使用的是标准的DIP)和5脚TO-263表贴封装5脚(TO-5脚TO-22S0MD)

,2(封装.D2I.P4) 。数据传输模块设计

数据传输模块主要采用R信S4。85通信接口实现

ARM微处理器与上位机的通由于有路将PC机RS串23口2接口,通过SR2S32232信号R转S2换32成RS4P8C机默认

的只带/5转换电现在市场上RS232/RS485转换器示意图如RRS485

转换器RS已48经5信号。

/普

及。图8所示。

F图ig

8.8 R RSS223322//RRSS44885

53 定位系统软件设计

该系统的总体程序运行流程如图的内浮顶储油罐清洗机器人定位系统主要实现的功9所示。设计

能是通过测距传感器和摄像头进行信号的数据采集,然后通过ARM微处理器处理后传输到上位机显示。

Fig.9图

O9 ve总体程序流程

rallprog

ramflow定位系统实验

为了验证内浮顶储油罐清洗机器人定位系统的可用性,根据定位原理和设计的定位系统进行内浮顶储油罐清洗机器人定位实验,实验步骤如图10所示。

Fig.10 Exp图er1i0me nt机器人定位系统实验步骤

alStepsofRobotPositioningSy

stem步骤圆形区域,1直径为:环境3构0建00mm。构建。

一个模拟油罐环境的步骤轴建立坐标系2:坐标建立,选取。(以圆心为坐标原点人孔处。

0,1500)和(0,-15,0水平为

0)

为2步骤人孔处,摄像头做全局监控3:设备安装。将,传定位系统放入环境任意感器接收端安装在2

区域。如图11所示。

Fig.11 E图1q1ui p

设备安装

mentinstallation

4X

70

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2019年第27卷

步骤数据,得到实验坐标4:数据采集。。通过传感器与摄像头采集步骤量,得到实际坐标5:实际测量。

。采用精度为1mm的直尺测步骤分析数据并确定定位系统的定位精度6:对比分析。对比实验坐标与实际坐标。整个实验过,

程如图12所示,

实验结果如表1所示。Fig.12图 E12x p

e实验场景

rimentalscene表1 实验结果对比

Table1 Comparisonofexp

erimentalresults实验组别

实验坐标/实际坐标/绝对误差12(477,482

mm)(500,500

mm

)(34((--390,)(-((25(578746,-53

))(68-0400,0-,61000

0))(13,18

))(2014,,1376)6

((01,1,-871-6178,08

))((0010,-900

,2-0080,00

))0)(6,29)(309,1,02

)) 结束语

针对内浮顶储油罐特殊的环境要求,提出了一种定位方式为几何定位与图像定位相结合的定位系

统,有效地解决了传统单一定位方法精度低、稳定性差的问题。

利用路设计和软件设计ARM开发板按照设计的定位方案进行电

,并进行模拟实验分析,通过实验数据分析,定位系统在定位过程中由于环境影响存在微小误差,但范围在允许误差之内,确定所设计的内浮顶储油罐清洗机器人的定位系统可以精确地完成机器人在油罐内的定位。

参考文献

[1] 代峰燕,

高庆珊,赵俊瑶,等工艺的设计[.内浮顶储油罐机器人清洗2 1石熠6-19,

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D].

上海:上5