基于圖像識別的智能炮管清洗機(jī)器人設(shè)計
徐正迭1，項占1，梅金虎2，朱甫宏2
（1浙江大學(xué)現(xiàn)代制造工程研究所，浙江杭州3100272中國人民解放軍73021部隊，浙江杭州310023）
摘 要：針對當(dāng)前士兵人工清洗炮管強(qiáng)度大，效率低等問題，以及現(xiàn)有清洗設(shè)備在實際應(yīng)用中存在的體積大、質(zhì)量重、智能化程度低等不足，基于圖像識別技術(shù)和模式識剮理論，研制了一種智能炮管清洗機(jī)器人。該智能炮管清洗機(jī)器人采用嵌入式控制系統(tǒng)，應(yīng)用圖像處理技術(shù)，實現(xiàn)了清洗過程的可視化，并通過色彩特征提取算法實現(xiàn)了對炮膛內(nèi)掛銅區(qū)域的提取；利用模糊模式識別方法，根據(jù)炮膛內(nèi)掛銅區(qū)域分布的規(guī)律性及實際圖像處理后得到的信息來實現(xiàn)對炮膛的智能清洗。實際應(yīng)用表明，此智能炮管清洗機(jī)器人魯棒性強(qiáng)、清洗效率高，具有良好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：炮管；嵌入式；圖像識別；模糊模式識別；智能清洗
中圖分類號：tp 273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：a
1引言
火炮在發(fā)射道程中不僅會在炮膛內(nèi)殘余大量的物質(zhì)，而且火炮炮彈帶與身管內(nèi)壁間亦會產(chǎn)生大量的粘附物。這些物質(zhì)受高溫、高壓的作用與管壁黏貼地非常牢固，尤其是線膛炮的“陰線”角落位置的殘留物，極不容易清除，對炮管壽命產(chǎn)生很大的影響，當(dāng)“積留”超過一定程度后，極易產(chǎn)生炸管等事故。
過去主要依靠傳統(tǒng)的人工和機(jī)械擦拭的方法對炮管進(jìn)行清洗，參與士兵人數(shù)較多，勞動強(qiáng)度大，效率較低。而現(xiàn)有的液壓推桿式、螺旋推進(jìn)式等炮管清洗設(shè)備往往攜帶笨重，智能化程度低。因此，研制一種智能炮管清洗機(jī)器人，不僅可以極大地減輕士兵的勞動強(qiáng)度，而且可以有效提高火炮的維護(hù)保養(yǎng)水平和身管壽命，對提高部隊?wèi)?zhàn)斗力具有較大的軍事和經(jīng)濟(jì)效益。
本文中所研究開發(fā)的智能化封閉式柔性炮管清洗機(jī)器人，采用嵌入式控制系統(tǒng)，帶有圖像識別模塊，能夠針對掛銅區(qū)域進(jìn)行智能清除，與傳統(tǒng)的擦洗相比，提高了清洗效率，同時也實現(xiàn)了清洗過程的可視化。
2 系統(tǒng)簡介及性能指標(biāo)
1)系統(tǒng)簡介炮管清洗機(jī)器人分機(jī)械和控制兩部分，機(jī)械部分主要包括機(jī)頭部件、端蓋部件、齒形帶傳動部件、刷筒部件及噴頭部件。控制部分主要包括直流無刷電機(jī)、電磁閥、圖像采集模塊、圖像處理模塊及嵌入式控制系統(tǒng)。機(jī)器人主機(jī)部分紐成，如圖1所示。
直流無刷電機(jī)驅(qū)動主動帶輪旋轉(zhuǎn)，通過齒形同步帶傳動，使固定在同步帶上端的刷筒部件在炮管內(nèi)直線運(yùn)動，直流無刷電機(jī)上裝有霍爾傳感器，能反饋當(dāng)前刷筒的位置信息。刷毛和筒芯之間的聯(lián)接設(shè)計為滾動摩擦，從而使刷毛不僅能沿炮膛直線運(yùn)動，而且能進(jìn)行周向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。這樣不但提高了清洗效果，而且防止在清洗線膛炮時發(fā)生同步帶扭轉(zhuǎn)的情況。噴頭部件用于向炮膛內(nèi)噴射清洗液，通過化學(xué)方式除銅及除塑。而裝載在刷筒后端的圖像采集模塊將實時采集炮膛內(nèi)壁的圖像信息，提供給液晶模塊進(jìn)行視頻顯示，同時傳送給圖像處理模塊進(jìn)行圖像識別。
2)系統(tǒng)性能指標(biāo)系統(tǒng)的具體性能指標(biāo)如下：
①穩(wěn)定性，實時性，適應(yīng)在- 30℃~60℃環(huán)境溫度下工作，防護(hù)等級ip42，防震。爾傳感器的信號實現(xiàn)位置及速度的檢測。嵌入式系統(tǒng)主模塊通過pwm實現(xiàn)對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。
②高度集成化便攜式設(shè)計，完善的系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控及故障自診斷功能，便于維護(hù)。
圖像處理模塊主要完成監(jiān)控圖像的顯示以及炮膛內(nèi)掛銅區(qū)域的識別并進(jìn)行模糊模式識別實現(xiàn)智能清洗。人機(jī)交互模塊用于控制命令的輸入及系統(tǒng)運(yùn)行
③智自識別，能實現(xiàn)定區(qū)域智能清洗。參數(shù)顯示。（多適合炮管直徑：76—155 mm。）
⑤適合炮管長度：6～10 m。
⑥清洗效率高，30~ 50 min/門。
3控制系統(tǒng)硬件設(shè)計
控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。
由圖可知，系統(tǒng)主要可以分為嵌入式系統(tǒng)主模塊、無刷直流電機(jī)控制棋塊、圖像處理模塊以及人機(jī)交互 |
