基于arduino和K210单片机的管道环焊缝自动扫查器的设计与优化

杨运恺，王一川，王久鸿，林炜康，付思遥

（中国石油大学（华东），山东青岛 266580）

管道探测机器人是工业4.0时代一种有效的智能探测设备，可以深入人类无法到达的局限空间执行勘察检测任务，国内外对管道机器人已有许多研究，比如赵红红等对支撑轮式石油管道机器人整体设计的研究[1]，崔向贵等对碟形弹簧式机器人的研究[2]。文章提出了一种基于arduino 开发板[3]和视觉单片机k210[4]的全自动化管道环焊缝扫查器，搭载ACFM无损检测探头[5]。

1 结构设计

1.1 系统组成

主要由电机驱动模块、车身主体、视觉识别模块、探头工作模块组成。solidworks 建模如图1所示。

图1 扫查器3D建模

1.2 工作原理

车身主体分别3处每120°设置开口，通过焊接方法焊接连接电机固定装置连接机构，电机固定装置连接机构通过螺钉与驱动机构连接，所述车身主体的底端设置有摄像头，所述车身主体内壁设置开口，方便放置和固定稳定耳板，所述车身主体的前端连接检测机构。探头固定机构通过夹持将探头固定，同时探头固定机构通过插拔连接与步进电机连接，步进电机旋转使检测器360°全方位检测。驱动系统的电机固定机构通过螺钉与电机固定装置连接机构连接，同时又通过螺钉将电机和电机固定机构固定，车轮和电机通过插拔连接固定在一起，第三连接机构上焊有小环，方便连接支撑系统，其中驱动系统可以以螺钉为轴自由转动。

使用SolidWorks 中的Visualize 功能插件进行过程模拟实验验证了构件模型的可行性和实用性。

1.3 拟搭载工作探头介绍

检测探头主要组成部分包括U 型磁芯，用于增强激励；激励线圈，安装在磁芯中间的横梁上；磁场传感器（采用TMR 传感技术）；以及信号处理模块，用于信号放大和滤波。这种检测方法称为ACFM技术，是一种无损检测和诊断技术，其专注于检测金属构件中的裂纹缺陷，无需物理接触金属表面，且可用于各种金属构件，尤其是那些对传统检测方法不易访问的地方，在焊缝质量控制中具有重要的应用价值。图2为其三维结构。

2 电路设计

嘉立创EDA 绘制电路原理如图3所示。

图3 系统电路原理

为减少繁杂接线带来的不便性和电源持续工作电路热量积累带来的安全隐患，本项目将考虑根据上述原理图制作对应的PCB 板。

3 程序设计

系统整体程序流程如图4所示。

图4 系统运行流程

3.1 ArduinoIDE部分

Arduino 单片机使用Arduino IDE 编程，通过编译器编译并成功上传后实现控制。文章扫查器控制程序主要包括直流电机组合控制、舵机控制和串口通讯配置，直流电机组合控制通过控制管脚电平和PWM波包装前进、后退、停止等函数，舵机控制也是通过控制管脚电平和PWM 波使拟搭载工作探头正转和反转，串口通讯配置发射、接收串口以及调整波特率实现与上位机K210实时通讯。

3.2 MaixpyIDE部分

K210 单片机使用Maixpy IDE 编程。K210 单片机是一款智能摄像头单片机，有1TOS 算力，结合maixpy 平台，FPS 可以达到20帧，可以满足项目要求。这部分主要实现焊缝目标的实时分类和检测。文章使用飞桨AI Studio 中的开放数据集并将其划分为正样本和负样本，设置相应标签，将其中72%作为训练集，8%作为验证集，20%作为测试集，输入到maix-hub 网站线上训练，根据分类和检测的任务分别得到两个模型，将得到的模型保存为.kmodel 文件分别放在对应项目文件夹中，其中训练好的模型使用了MobileNetv1和Yolov2。模型训练结果如图5～7所示。

图5 分类任务曲线

图6 分类任务混淆矩阵

图7 检测任务曲线

Maix IDE 中的伪代码如下：

目标分类算法：

目标分类和检测实施效果如下，IDE 中所示的测试图片是相同数据集中随机抽取的，可见所训练模型实际效果好。

4 结束语

文章所提出的管道环自动扫查器基本能满足实际焊缝检测需求，其能根据检测探头型号定制与步进电机转轴适配的探头固定装置，因此可以搭载多种类探头，确保探头的适配性和稳定性；扫查器整体成本较低；操作较简单，不需要复杂的培训，降低了操作人员的技术门槛探测精度较高；稳定性较强，能够在不同工作环境下可靠运行，减少了故障和维护成本；具备较高的探测精度，可以准确检测焊缝的质量和缺陷；综上所述本项目可实施性强，可以考虑进一步研究测试后进行工业化生产。