李琪，黃慶典，方嘉煒，莊子槺

管道巡檢機(jī)器人的開(kāi)發(fā)

李琪，黃慶典，方嘉煒，莊子槺

（廣東慧航物聯(lián)科技有限公司，廣東 東莞 523000）

針對(duì)管道環(huán)境存在較惡劣的狀況，開(kāi)發(fā)了一種三輪式的管道巡檢機(jī)器人，能平穩(wěn)地沿管道移動(dòng)，并且對(duì)管道外徑存在微小變化的情況具有自適應(yīng)性，該機(jī)器人能在地下管道較遠(yuǎn)的范圍內(nèi)正?；貍鳈z測(cè)數(shù)據(jù)及圖像。

管道；巡檢機(jī)器人；Stm32F103；Χ射線(xiàn)

隨著城市化和工業(yè)的發(fā)展，信息與能源的輸送都采用地下管道的方式，管道成為了城市的重要組成部分。管道的布局往往是沿著馬路進(jìn)行的，這些管道需要定期檢查與維護(hù)，因此人們平時(shí)所見(jiàn)的道路施工很可能就是在進(jìn)行管道維護(hù)。由于管道深埋地下，容易藏水，工人檢查管道時(shí)的環(huán)境比較惡劣，黑暗、潮濕、缺氧甚至可能還有臭味，這些因素都影響著工人的工作效率以及身體健康。因此，國(guó)內(nèi)外涌現(xiàn)了一大批學(xué)者研究管道巡檢機(jī)器人來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工檢查，其中韓國(guó)高校開(kāi)發(fā)了特種檢測(cè)機(jī)器人，其由6組行星驅(qū)動(dòng)輪支撐在管壁上，可調(diào)連桿調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)輪以適應(yīng)不同的管徑檢測(cè)。國(guó)內(nèi)有代表性的管道檢測(cè)機(jī)器人是由哈工大開(kāi)發(fā)的Χ射線(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)器人[1]。

本文在分析現(xiàn)有管道巡檢機(jī)器人的基礎(chǔ)上，結(jié)合管道的實(shí)際布局情況，開(kāi)發(fā)了可沿管道外壁作業(yè)的巡檢機(jī)器人，對(duì)管道外徑存在微小變化的情況具有自適應(yīng)性，具有自動(dòng)巡檢與手動(dòng)控制的工作方式，具有360°監(jiān)控以及10倍變焦的攝像頭功能，能實(shí)現(xiàn)管道環(huán)境的高清檢測(cè)。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

管道一般呈圓形，管道上表面是接觸潮濕空氣最多的部位，容易銹蝕破裂[2]，因此，需要重點(diǎn)檢測(cè)管道上表面。本文的管道巡檢機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，其移動(dòng)方式為三輪式，三個(gè)輪分別設(shè)置在0°、90°、180°的位置，機(jī)器人通過(guò)接觸管道的這三個(gè)位置進(jìn)行移動(dòng)，每個(gè)輪子都單獨(dú)由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。0°與180°位置的輪子水平設(shè)置，并分別與右支架、左支架連接，90°位置的輪子豎直設(shè)置在左支架與右支架的夾縫處，左支架與右支架上方的通孔同軸設(shè)置，并通過(guò)扭簧連接，其效果是可自動(dòng)調(diào)節(jié)0°與180°位置的輪子的相對(duì)距離，從而適應(yīng)不同的管徑。

為了增加機(jī)器人的功能，實(shí)現(xiàn)更好的檢測(cè)效果，本文在三輪式移動(dòng)平臺(tái)上方設(shè)置了用于盛放傳感器的載板，載板上方設(shè)置有舵機(jī)架，通過(guò)舵機(jī)架進(jìn)一步在上方設(shè)置了連接舵機(jī)的轉(zhuǎn)盤(pán)，舵機(jī)設(shè)在舵機(jī)架的下方并與舵機(jī)架固定連接。轉(zhuǎn)盤(pán)上方設(shè)置了用于固定LED照明燈以及10倍變焦攝像頭的日字架，為獲得更好的照明環(huán)境，LED照明燈設(shè)置在10倍變焦攝像頭的正上方。在舵機(jī)的作用下，LED照明燈與10倍變焦攝像頭可多角度轉(zhuǎn)動(dòng)，從而能仔細(xì)查看管道各個(gè)角度的實(shí)際情況。為保護(hù)機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)，避免意外撞壁造成塌方，機(jī)器人載板的上前方還設(shè)置了激光測(cè)距傳感器。管道巡檢機(jī)器人如圖1所示。

1—管道；2—左支架；3—右支架；4—扭簧；5—輪子；6—電機(jī)；7—載板；8—舵機(jī)架；9—舵機(jī)；10—轉(zhuǎn)盤(pán)；11—日字架；12—10倍變焦攝像頭；13—LED照明燈；14—激光測(cè)距傳感器。

2 控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

管道巡檢機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要由機(jī)器人移動(dòng)及云臺(tái)系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)通訊系統(tǒng)、照明及監(jiān)控系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)組成。Stm32F103控制器運(yùn)算速度快、運(yùn)行穩(wěn)定，并且能耗低，因此利用它搭載控制系統(tǒng)，外接電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及檢測(cè)類(lèi)傳感器、通訊傳感器，另由攝像頭以及圖傳模塊、顯示器組成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。機(jī)器人系統(tǒng)框架如圖2所示。

2.1 機(jī)器人移動(dòng)及云臺(tái)系統(tǒng)

該系統(tǒng)以Stm32F103控制器為中心，輸出3組高低電平以及3路脈沖到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，從而控制3個(gè)電機(jī)帶動(dòng)輪子，實(shí)現(xiàn)在管道上移動(dòng)，Stm32F103控制器具有最多30路的pwm輸出功能。本文需要3個(gè)直流電機(jī)協(xié)同作業(yè)，因此需要分別獨(dú)立驅(qū)動(dòng)3個(gè)電機(jī)，不同的L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊差異在于具有2路或者4路的輸出功能，本文將使用具有4路輸出的該模塊。通過(guò)Stm32F103控制器變換L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊同一組方向控制端子的電平信號(hào)改變電機(jī)轉(zhuǎn)向，從而實(shí)現(xiàn)控制機(jī)器人的前進(jìn)與后退，通過(guò)Stm32F103控制器改變L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊各路的pwm輸入值來(lái)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而控制機(jī)器人移動(dòng)的速度。通過(guò)Stm32F103控制器輸出第4路pwm控制舵機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)，使得攝像頭多角度拍攝管道環(huán)境，最終構(gòu)成機(jī)器人的云臺(tái)系統(tǒng)。

圖2 機(jī)器人系統(tǒng)框架

2.2 無(wú)線(xiàn)通訊系統(tǒng)

管道巡檢機(jī)器人需要具有自動(dòng)控制模式與手動(dòng)控制模式，模式之間的切換以及手動(dòng)控制需要通訊實(shí)現(xiàn)，特別是通過(guò)機(jī)器人多方向查看管道的環(huán)境時(shí)，就需要控制攝像頭的角度。機(jī)器人在地下沿管道巡檢時(shí)拖著控制用的電纜十分不便[3]，因此已經(jīng)有相關(guān)學(xué)者開(kāi)發(fā)了適用于地下通道的無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)，本文利用433數(shù)傳技術(shù)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行無(wú)線(xiàn)控制。Stm32F103控制器具有UART串口通訊的功能，433數(shù)傳模塊共有一對(duì)，其中一個(gè)433數(shù)傳模塊通過(guò)TX、RX接口分別連接到Stm32F103控制器的RX、TX，跟隨著機(jī)器人移動(dòng)，另一個(gè)433數(shù)傳模塊通過(guò)USB接口連接到地面站，地面站設(shè)置于機(jī)器人進(jìn)入地下管道的入口附近，如此就可以穩(wěn)定地控制機(jī)器人工作以及接收機(jī)器人反饋的信息。

2.3 照明及監(jiān)控系統(tǒng)

照明系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)是相互獨(dú)立的，但又是同步工作的。機(jī)器人通電時(shí)，照明系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)同時(shí)打開(kāi)，即LED照明燈亮起以及攝像頭開(kāi)始監(jiān)控。攝像頭是一種10倍變焦攝像頭，通過(guò)5.8 G圖傳模塊與地面站顯示器進(jìn)行無(wú)線(xiàn)圖像傳輸，5.8 G圖傳模塊由發(fā)射、接收兩個(gè)子模塊組成，5.8 G圖傳模塊發(fā)射端設(shè)置在機(jī)器人載板上，通過(guò)micro USB接口連接10倍變焦攝像頭的視頻輸出口，5.8 G圖傳模塊接收端設(shè)置在地面站，5.8 G圖傳模塊接收端與顯示器通過(guò)視頻線(xiàn)連接，在顯示器上即可看到拍攝的畫(huà)面。

2.4 檢測(cè)系統(tǒng)

檢測(cè)系統(tǒng)包括機(jī)器人測(cè)量移動(dòng)方向上有無(wú)障礙物，以及檢測(cè)管道環(huán)境的濕度。機(jī)器人利用激光測(cè)距傳感器檢測(cè)障礙物，通過(guò)Stm32F103控制器讀取激光測(cè)距傳感器的pwm輸入信號(hào)，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換，計(jì)算出測(cè)量前方的距離[4]，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊系統(tǒng)，激光測(cè)距傳感器的測(cè)距數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嬲撅@示。此外，機(jī)器人向前移動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)激光測(cè)距傳感器檢測(cè)到機(jī)器人十分接近障礙物時(shí)，機(jī)器人會(huì)優(yōu)先執(zhí)行自動(dòng)停止的指令，下一步只允許工作人員手動(dòng)控制機(jī)器人后退，如此保障機(jī)器人不撞上障礙物。機(jī)器人通過(guò)Stm32F103控制器連接的濕度傳感器測(cè)量管道環(huán)境的濕度，濕度的數(shù)據(jù)值也通過(guò)433數(shù)傳模塊回傳到地面站，如果當(dāng)前檢測(cè)的環(huán)境濕度值過(guò)大，工作人員需要通過(guò)攝像頭查看有無(wú)滲水情況，以便及時(shí)處理，防止管道發(fā)生更嚴(yán)重的銹蝕。

3 結(jié)束語(yǔ)

管道巡檢機(jī)器人在模擬的管道環(huán)境下測(cè)試結(jié)果如下：當(dāng)機(jī)器人開(kāi)始工作時(shí)，通過(guò)Visual Basic（VB）軟件開(kāi)發(fā)的地面站上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)能接收到檢測(cè)數(shù)據(jù)，并且通過(guò)上位機(jī)能控制攝像頭多角度轉(zhuǎn)動(dòng)，攝像頭拍攝的環(huán)境圖像回傳正常。綜上所述，本文針對(duì)圓形管道開(kāi)發(fā)了巡檢機(jī)器人，能有效代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工檢測(cè)，為管道檢測(cè)行業(yè)提供了一種電子化、數(shù)字化的解決方案。

［1］劉濤，佃松宜，龔永銘，等.一種用于電纜管道排管作業(yè)與巡檢的遙操作機(jī)器人［J］.現(xiàn)代制造工程，2013（4）：35-39.

［2］張寧.油氣管道腐蝕檢測(cè)技術(shù)與防腐措施［J］.全面腐蝕控制，2018，32（7）：108-109.

［3］李灝.基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的無(wú)纜管道檢測(cè)機(jī)器人研究［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2018.

［4］蘇燕，徐艷華.基于單片機(jī)的激光測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.激光雜志，2017，38（9）：128-131.

TP242

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.14.052

2095－6835（2019）14－0116－02

李琪（1990—），男，廣東東莞人，學(xué)士，研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)電工程。

〔編輯：張思楠〕