基于圖像識別的智能炮管清洗機器人設計
徐正迭1，項占1，梅金虎2，朱甫宏2
（1浙江大學現代制造工程研究所，浙江杭州3100272中國人民解放軍73021部隊，浙江杭州310023）
摘 要：針對當前士兵人工清洗炮管強度大，效率低等問題，以及現有清洗設備在實際應用中存在的體積大、質量重、智能化程度低等不足，基于圖像識別技術和模式識剮理論，研制了一種智能炮管清洗機器人。該智能炮管清洗機器人采用嵌入式控制系統，應用圖像處理技術，實現了清洗過程的可視化，并通過色彩特征提取算法實現了對炮膛內掛銅區域的提取；利用模糊模式識別方法，根據炮膛內掛銅區域分布的規律性及實際圖像處理后得到的信息來實現對炮膛的智能清洗。實際應用表明，此智能炮管清洗機器人魯棒性強、清洗效率高，具有良好的應用前景。
關鍵詞：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 文獻標識碼：a
1引言
火炮在發射道程中不僅會在炮膛內殘余大量的物質，而且火炮炮彈帶與身管內壁間亦會產生大量的粘附物。這些物質受高溫、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，對炮管壽命產生很大的影響，當“積留”超過一定程度后，極易產生炸管等事故。
過去主要依靠傳統的人工和機械擦拭的方法對炮管進行清洗，參與士兵人數較多，勞動強度大，效率較低。而現有的液壓推桿式、螺旋推進式等炮管清洗設備往往攜帶笨重，智能化程度低。因此，研制一種智能炮管清洗機器人，不僅可以極大地減輕士兵的勞動強度，而且可以有效提高火炮的維護保養水平和身管壽命，對提高部隊戰斗力具有較大的軍事和經濟效益。
本文中所研究開發的智能化封閉式柔性炮管清洗機器人，采用嵌入式控制系統，帶有圖像識別模塊，能夠針對掛銅區域進行智能清除，與傳統的擦洗相比，提高了清洗效率，同時也實現了清洗過程的可視化。
2 系統簡介及性能指標
1)系統簡介炮管清洗機器人分機械和控制兩部分，機械部分主要包括機頭部件、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、電磁閥、圖像采集模塊、圖像處理模塊及嵌入式控制系統。機器人主機部分紐成，如圖1所示。
直流無刷電機驅動主動帶輪旋轉，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直線運動，直流無刷電機上裝有霍爾傳感器，能反饋當前刷筒的位置信息。刷毛和筒芯之間的聯接設計為滾動摩擦，從而使刷毛不僅能沿炮膛直線運動，而且能進行周向旋轉運動。這樣不但提高了清洗效果，而且防止在清洗線膛炮時發生同步帶扭轉的情況。噴頭部件用于向炮膛內噴射清洗液，通過化學方式除銅及除塑。而裝載在刷筒后端的圖像采集模塊將實時采集炮膛內壁的圖像信息，提供給液晶模塊進行視頻顯示，同時傳送給圖像處理模塊進行圖像識別。
2)系統性能指標系統的具體性能指標如下：
①穩定性，實時性，適應在- 30℃~60℃環境溫度下工作，防護等級ip42，防震。爾傳感器的信號實現位置及速度的檢測。嵌入式系統主模塊通過pwm實現對直流電機轉速的控制。
②高度集成化便攜式設計，完善的系統狀態監控及故障自診斷功能，便于維護。
圖像處理模塊主要完成監控圖像的顯示以及炮膛內掛銅區域的識別并進行模糊模式識別實現智能清洗。人機交互模塊用于控制命令的輸入及系統運行
③智自識別，能實現定區域智能清洗。參數顯示。（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控制系統硬件設計
控制系統的硬件結構圖，如圖2所示。
由圖可知，系統主要可以分為嵌入式系統主模塊、無刷直流電機控制棋塊、圖像處理模塊以及人機交互 |
