于尚君 朱旭輝 尹祺 鄒琪琪 楊宇佳

(鄭州大學(xué) 河南鄭州 450000)

我國基礎(chǔ)工程設(shè)施建設(shè)發(fā)展迅速。其中，城市地下管線被稱之為“城市的生命線”，為城市源源不斷地輸送物質(zhì)、能源及信息。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2016年末，中國大陸的地下管線總長度為346.5萬km，每年以新增11萬km的速度增長。其中，城市地下管線總長度為212.7萬km，占全國地下管線總長度的61.39%。

近年來，隨著地下管道建設(shè)規(guī)模的迅速發(fā)展以及大量在役管道的老化失修，工程安全隱患凸顯，造成重大經(jīng)濟損失和社會影響。針對現(xiàn)行管道人工檢測、開挖維修危險系數(shù)高的難題，研發(fā)并應(yīng)用管道檢測修復(fù)機器人已是大勢所趨。從長遠的角度出發(fā)，設(shè)計出一款結(jié)合視頻檢測與高聚物注漿技術(shù)一體化智能機器人是十分必要和迫切的。該機器人可以減輕人力施工的難操作性，降低危險系數(shù)，是一個具有工程效益和應(yīng)用價值的產(chǎn)品，符合未來行業(yè)發(fā)展的潮流。

管道檢測修復(fù)一體化智能機器人主要采用視覺檢測法和高聚物注漿技術(shù)：攝像模塊拍攝管道情況，通過視頻及傳感器記錄管道實時信息。將數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸單元上傳數(shù)據(jù)分析軟件，確定修復(fù)位置。通過云臺遠程控制鉆頭方向，可實現(xiàn)上升、下降、俯仰、旋轉(zhuǎn)等動作并固定鉆頭位置及方向。開啟鉆頭工作，鉆穿管道壁，插入注漿管，控制注漿頭將高聚物材料沿注漿管注入，最終使用密封膠將注漿孔封住，保證管道的正常使用。

1 注漿機器人的系統(tǒng)

1.1 控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由STM32單片機控制器、TBSN-K15 舵機、TBS2701 舵機及電機等部分組成，進行啟停的控制以及驅(qū)動。上位機由串口傳輸命令信號至控制器，由控制器控制小車前進、后退、轉(zhuǎn)向和舵機轉(zhuǎn)動方向?？刂瓢彘_關(guān)控制供電接口是否接到板子上，撥到ON開始工作。

本產(chǎn)品使用STM32單片機，配有20K字節(jié)SRAM，CRC計算單元,96位特有ID。具有兩個12位,1μs模數(shù)轉(zhuǎn)換器(高達10通道)，7通道DMA控制器,3個通用計時器和1個高級控制計時器，37個快速輸入輸出端口，串行線調(diào)試器(SWD)和JTAG接口，兩個SPI, 兩個I2C,三個USART,一個USB和一個CAN接口。

采用串行總線控制，采用大扭力總線電機，是一種集電機、伺服驅(qū)動、總線信號接口為一體的伺服單元，擺脫傳統(tǒng)舵機獨立接到主控板的控制方式，無需PWM波，控制更加簡單。流經(jīng)舵機接口的電源中增加保險絲，防治電流過大導(dǎo)致舵機損壞。兩路總線接口轉(zhuǎn)接總線設(shè)備，如總線舵機。

圖1 數(shù)據(jù)傳輸

1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具體由傳感器、視頻捕獲設(shè)備等多項檢測裝置組成。該機器人利用移動載體攜帶高靈敏度光纖聲壓傳感器、超聲波傳感器、磁探頭、攝像裝置和信號傳輸裝置在管道內(nèi)行走，對管內(nèi)情況進行檢測并將檢測到的數(shù)據(jù)和圖像通過無線傳輸系統(tǒng)傳到上位機上，通過顯示屏可以直接觀察到管內(nèi)實時情況，多項傳感器采集數(shù)據(jù)經(jīng)分析處理后得到的數(shù)據(jù)圖像，加以輔助管周問題方位的搜尋。

1.3 傳輸系統(tǒng)

管道檢測機器人在管內(nèi)進行修復(fù)工作時，需要隨時與外界進行聯(lián)系，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)及有關(guān)管內(nèi)環(huán)境的信息傳遞給控制臺，并接收操作人員的命令。這種信息的傳遞若采用有線傳輸，在管道中不便于移動，進行模擬信號傳輸時可能會出現(xiàn)相位滯后或重影現(xiàn)象,使信號到達接收器的時間不同，導(dǎo)致圖像顯示模糊。因此,管道修復(fù)機器人的傳輸系統(tǒng)采用無線傳輸，無線傳輸具有很強的方向性、通信容量大、傳輸距離遠、可靠性高。

采用BT12雙藍牙傳輸模塊，BT12雙模藍牙模組采用臺灣絡(luò)達Airoha推出的藍牙雙模芯片AB1122，采用標準的SPP Profile實現(xiàn)傳統(tǒng)藍牙的數(shù)據(jù)透傳，并通過內(nèi)嵌的數(shù)據(jù)透傳專用Service實現(xiàn)基于GATT的BLE數(shù)據(jù)透傳。藍牙接口在嵌入式數(shù)字信號處理器OMAP5910上，DSP對模擬信號進行采樣，并對A/D變換后的數(shù)字信號進行處理，通過藍牙接口傳輸?shù)浇邮斩耍瑯?，DSP對藍牙接收到的數(shù)字信號進行D/A變換，成為模擬信號。

該模塊可以方便的和PC機的藍牙設(shè)備相連，也可以與智能手機之間的數(shù)據(jù)互通，與一些其他外設(shè)相互配合，便可以直接應(yīng)用于：藍牙GPS；藍牙無線數(shù)據(jù)傳輸；工業(yè)遙控、遙測；POS系統(tǒng)；交通、井下定位、報警；自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等領(lǐng)域。

2 結(jié)語

本文提出了一種檢測與修復(fù)管道問題的解決方案，通過STM32單片機管理控制小車的運動（見圖1），通過視覺檢測模塊進行檢測，并進行精準打孔、注漿工作。該解決方案可以準確定位、精確操控小車的運動，可以完成復(fù)雜環(huán)境下管道的檢測與修復(fù)任務(wù)，減少了工人的工作負擔，節(jié)約了修復(fù)資金。下一步可以對檢測模塊進行改進，考慮可以在小車上搭載雷達檢測模塊，可以更精確的檢測管道需要修復(fù)的位置，并且可以克服管道內(nèi)復(fù)雜情況。