火电厂凝汽器清洗机器人的视觉定位技术研究

论文摘要

清洗机器人可取代人工劳力进行清洗作业,具有提高劳动效率、改善劳动环境、能进行极限作业等优点,受到机器人研究者的高度重视。凝汽器清洗机器人作为大型火电厂凝汽器清洗装备中的重要组成部分,是工业清洗机器人中的一员,是一个汇聚了多学科交叉的典型复杂智能系统。本文以凝汽器清洗机器人为研究对象,展开了视觉定位技术的一系列研究工作:论文首先分析了凝汽器污垢产生的原因及影响,说明污垢清除的必要性,然后比较了各种常用污垢清洗方法的优点与不足,最后概述了国内外清洗机器人及其关键技术的发展。其次,概述了凝汽器智能化清洗装备的工作原理并在此基础上重点介绍清洗机器人体系结构中的清洗系统及机械结构设计,详细分析了清洗机器人的控制系统,包括上位机的系统机构及下位机的高压水射流清洗子系统和化学清洗子系统的结构。针对凝汽器清洗机器人在冷凝管清洗过程中利用坐标输入法来定位冷凝管管口而导致定位不准确的缺陷,提出了凝汽器水下清洗机器人视觉定位系统的方案,分析了方案实施过程中的要解决问题,并详细介绍了基于PC机及基于DSP的两种水下视觉定位系统的结构。由于视觉定位过程主要依靠图像信息,本文详细介绍了图像预处理技术、边缘检测方法在管口定位中的应用,利用OTSU方法进行管口图像的二值分割并实现形态学的管口边界提取,提出了结合重心法及改进Hough变换圆检测方法相结合的管口定位方法。最后,研究了基于虚拟现实技术的凝汽器清洗机器人管口定位运动仿真,利用3ds max创建了凝汽器清洗机器人的三维模型,并对机器人的定位运动过程进行详细分析,重点利用虚拟建模语言对机器人清洗过程中的机械臂运动状态进行仿真分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 论文研究背景和意义
• 1.2 凝汽器污垢产生原因及其影响
• 1.2.1 凝汽器的工作原理
• 1.2.2 污垢产生及其影响
• 1.3 凝汽器污垢清洗的主要技术
• 1.3.1 人工机械清洗
• 1.3.2 化学清洗
• 1.3.3 胶球清洗
• 1.4 清洗机器人
• 1.4.1 机器人定义与分类
• 1.4.2 清洗机器人的发展
• 1.4.3 清洗机器人关键技术
• 1.5 论文的主要工作和结构安排
• 第2章 凝汽器清洗机器人的总体设计
• 2.1 凝汽器智能化清洗装备工作原理
• 2.2 凝汽器清洗机器人体系结构
• 2.2.1 凝汽器清洗机器人清洗系统
• 2.2.2 凝汽器清洗机器人机械结构设计
• 2.3 清洗机器人控制系统
• 2.3.1 上位机的系统结构
• 2.3.2 下位机系统结构—高压水射流清洗子系统
• 2.3.3 下位机系统结构—化学清洗子系统
• 2.4 小结
• 第3章 凝汽器清洗机器人视觉定位系统
• 3.1 冷凝管视觉定位方案
• 3.2 水下视觉系统的待解决问题
• 3.3 水下视觉系统组成原理结构
• 3.3.1 基于PC 机的水下视觉定位系统
• 3.3.2 基于DSP 的水下视觉定位系统
• 3.4 小结
• 第4章 冷凝管视觉定位方法
• 4.1 图像预处理技术及其应用
• 4.1.1 图像平滑滤波
• 4.1.2 图像增强
• 4.1.3 锐化
• 4.2 图像边缘检测处理
• 4.2.1 经典边缘检测算子
• 4.2.2 基于Canny 算子进行图像边缘检测
• 4.3 OTSU 区域分割与边界提取
• 4.3.1 OTSU 区域分割
• 4.3.2 边界提取
• 4.4 管口定位方法
• 4.4.1 管口的重心确定
• 4.4.2 基于改进Hough 变换的管口定位方法
• 4.4.3 实验结果分析
• 4.5 小结
• 第5章 基于 VRML 的清洗机器人运动状态仿真
• 5.1 凝汽器清洗机器人三维模型构建
• 5.1.1 3ds max 建模方法
• 5.1.2 凝汽器清洗机器人三维模型建立
• 5.2 机器人的运动状态分析
• 5.2.1 二关节机械臂的运动学方程
• 5.2.2 机械臂的运动学方程求解
• 5.3 基于 VRML 的机械臂运动状态仿真
• 5.3.1 VRML 模型描述方法
• 5.3.2 机械臂的运动状态仿真
• 5.3.3 实验结果
• 5.4 小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A （攻读学位期间发表的学术论文及所获专利目录）