侯 凡，孟祥印，2，唐志鋒，謝江鵬

（1.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610036；2.軌道交通運(yùn)維技術(shù)與裝備四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610036）

1 引言

目前，隨著我國智慧城市管網(wǎng)系統(tǒng)的逐步建立，排水管溝的應(yīng)用日益廣泛。排水管溝廣泛應(yīng)用于城市排水、公路排水、鐵路隧道排水。大多數(shù)排水管溝的工作環(huán)境非常惡劣，隨著作業(yè)年限的增長，管溝內(nèi)壁和外壁將隨著排水和外力的沖擊、礦物質(zhì)腐蝕、淤泥義務(wù)等因素影響，出現(xiàn)管溝裂紋、扭曲、磨損變形問題［1］，這將給工程的繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)帶來巨大壓力?；诖耍艿蕾|(zhì)量的定期檢測尤為重要。由于管徑的限制，人工無法進(jìn)入管溝，目前主要是采用量泥斗法、反光鏡法等。量泥斗法檢測淤泥效果較好，但是無法檢測管溝內(nèi)壁的結(jié)構(gòu)性問題。反光鏡法只能對沒有液體的管道內(nèi)壁進(jìn)行檢測［2］，否則誤差較大?？梢娙斯z測效率低下，不適用于對日益龐大的管溝進(jìn)行維護(hù)。近二十年來，隨著微電子技術(shù)、精密傳感器設(shè)備、通訊、工業(yè)設(shè)計等多個領(lǐng)域的迅速發(fā)展。在隧道排水管溝的巡檢中運(yùn)用機(jī)器人技術(shù)來逐漸成為研究的熱點(diǎn)［3］。管溝機(jī)器人的控制命令依賴于各傳感器采集反饋的數(shù)據(jù)，其中管溝采集圖像的清晰度直接決定了操作者對管溝環(huán)境的判斷，進(jìn)而對機(jī)器人的運(yùn)動控制、故障識別和故障診斷都有著非常重要的影響［4］。攝像云臺系統(tǒng)被稱為隧道排水管溝機(jī)器人的“眼睛”，該系統(tǒng)的攝像頭像素、云臺升降角度、攝像頭轉(zhuǎn)動角度、俯仰角度、照明設(shè)備、防水等級等參數(shù)決定了管溝機(jī)器人在隧道排水管溝中的工作精度。

2 總體方案設(shè)計

本攝像頭云臺主要是應(yīng)用在隧道管溝中，受限于管溝的高度限制，攝像頭云臺系統(tǒng)的體積應(yīng)當(dāng)比較小，以提高管溝機(jī)器人對不同管徑的適應(yīng)能力。攝像頭云臺系統(tǒng)的前視攝像頭需要較高的像素，用以確保機(jī)器人在隧道中巡檢時能清晰顯示管溝情況，保存高質(zhì)量的管溝故障點(diǎn)圖像。在完成巡檢任務(wù)后，為避免回退過程中線纜和障礙物對機(jī)器人造成影響，需設(shè)計后視方案。在故障點(diǎn)處，需采集不同的角度的故障點(diǎn)圖片，便于后續(xù)工作人員對故障點(diǎn)進(jìn)行判斷，攝像頭的轉(zhuǎn)動速度和俯仰速度要確保穩(wěn)定且勻速。在實(shí)際的管溝環(huán)境中，可能存在大量積水的情況，攝像頭云臺系統(tǒng)需要有一定的密封措施。此外在無巡檢任務(wù)時，攝像頭可拆卸單獨(dú)保存。

因此，根據(jù)上述需求，攝像頭云臺系統(tǒng)應(yīng)具有如下特點(diǎn)：

（1）轉(zhuǎn)軸360°的無限制旋轉(zhuǎn)；

（2）俯仰180°，速度平穩(wěn)；

（3）鏡頭具有高清晰度，具備變焦變倍功能；

（4）具備可調(diào)的光源，用于照明，照明距離不能小于2.5m；

（6）云臺為可拆卸結(jié)構(gòu)，便于無任務(wù)時的保養(yǎng)；

（6）具備后視攝像頭，便于機(jī)器人回到巡檢起點(diǎn)；

（7）安全可靠的供能、通訊電路。

攝像頭云臺系統(tǒng)的核心控制部分采用STM32最小核心板，該控制板具備通信和控制功能。當(dāng)上位機(jī)控制面板輸入指令時，上位機(jī)控制器對指令進(jìn)行量化并打包，通過RS485通信傳輸?shù)皆婆_控制器。當(dāng)接收到數(shù)據(jù)時，云臺控制器對數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證通過后進(jìn)行解碼，并驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成對應(yīng)功能。

這里設(shè)計的攝像頭云臺體積為：長30cm，寬5cm，高15cm。攝像頭云臺系統(tǒng)三維圖，如圖1所示。

圖1 云臺三維設(shè)計Fig.1 3D Design of Pan Tilt

3 硬件部分設(shè)計

3.1 運(yùn)動機(jī)構(gòu)選擇

這里設(shè)計的攝像頭云臺控制系統(tǒng)具有兩個自由度，分別為軸向360°轉(zhuǎn)動，上下180°俯仰。齒輪傳動是現(xiàn)代各種設(shè)備中應(yīng)用最廣泛的一種機(jī)械傳動方式，它的效率比較準(zhǔn)確、效率高，但是占用空間較大且不宜用于相對距離較大的場合［5］，故這里采用其它機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動。

俯仰功能的實(shí)現(xiàn)采用同步帶進(jìn)行傳動。同步帶工作時無滑動、有準(zhǔn)確的傳動比、效率高、可用于遠(yuǎn)距離傳輸，中心距10m以上，符合云臺系統(tǒng)的設(shè)計要求［6］。采用舵機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。它由直流電機(jī)、減速齒輪組、傳感器和控制電路組成，適用于需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。在高檔遙控玩具，如飛機(jī)、潛艇模型，遙控機(jī)器人中已經(jīng)得到了普遍應(yīng)用［7］。舵機(jī)的輸入僅有三根線，電源線VCC、GND 和信號線，三根線通過杜邦線固定在云臺部分的控制板IO引腳?？刂贫鏅C(jī)的時候，需要不斷的給PWM波才能使得舵機(jī)在某個角度有扭矩。轉(zhuǎn)動功能的實(shí)現(xiàn)采用反作用機(jī)構(gòu)，如圖2所示?？刹鹦稊z像頭通過電機(jī)轉(zhuǎn)動的反作用力帶動，電機(jī)延長軸通過軸端固定架（鍵連接限制轉(zhuǎn)動，再通過鎖緊螺母進(jìn)行軸向限位）固定，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，電機(jī)延長軸不動，電機(jī)的反作用力帶動前方云臺實(shí)現(xiàn)360°的轉(zhuǎn)動。

圖2 轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Rotation Structure Diagram

3.2 STM32最小系統(tǒng)板性能

該系統(tǒng)板配置STM32 芯片，具有72M 主頻、64K-FLASH、20K-RAM，具有多個定制器通道、20個IO引腳，足夠滿足攝像頭云臺系統(tǒng)的控制輸出。此外，它具有全雙工的可編程串行通信接口，保證與上位機(jī)通信的可靠性［8］。

3.3 電機(jī)選型

本項(xiàng)目設(shè)計的攝像頭軸向角度范圍為（0～360）°，采用鳴志MS11HS3P4067步進(jìn)電機(jī)。該電機(jī)尺寸小、力矩高、低噪音。由于對轉(zhuǎn)動的速度、位置沒有精確的要求，使用開環(huán)控制即可。電機(jī)驅(qū)動器采用鳴志SR3-mini，該驅(qū)動器具有抗共振、低速力矩平滑、輸入信息平滑等功能。使用云臺控制器控制該驅(qū)動器。測得該驅(qū)動器和電機(jī)在不同電壓下的速度轉(zhuǎn)矩曲線，如圖3所示。

圖3 速度轉(zhuǎn)矩曲線圖Fig.3 Speed Torque Curve

3.4 LED模塊

隧道排水管溝常深埋在地下沒有光源，為了提供更好的拍攝條件，管溝機(jī)器人必須有充足的光源去照明，LED 模組控制電路［9］，如圖4所示。

圖4 LED燈驅(qū)動電路Fig.4 LED Lamp Driving Circuit

該項(xiàng)目LED 燈設(shè)計思路：一塊LED 模組選用6 顆同規(guī)格的LED 燈珠，使用PT4115芯片進(jìn)行恒流控制，PT4115輸入電壓范圍為（6～30）V，輸出電流可調(diào)。當(dāng)外部接入電壓為12V 時，通過Rs采樣電阻進(jìn)行電流采樣，通過PT4115芯片的DIM引腳可以接入PWM波進(jìn)行控制，考慮到單路PWM波輸入驅(qū)動不足的情況，設(shè)計了兩個PWM輸入端口。當(dāng)DIM的電壓低于0.3V時，功率開關(guān)關(guān)斷，PT4115進(jìn)入極低工作電流的待機(jī)狀態(tài)，如此保證了整個模組的可靠性。LED的最大平均電流由在VIN和CSN兩端的電阻Rs決定，計算方法如下所示：

式中：D—PWM波的占空比；

RS—采樣電阻，本項(xiàng)目選用電阻為300MΩ。

3.5 圖像視頻采集模塊

由于隧道機(jī)器人的單次巡檢距離較長，攝像頭必須具備遠(yuǎn)距離圖像傳輸接口。攝像頭前視部分選用數(shù)字和模擬信號一體的SONY-EV7100機(jī)芯，該機(jī)芯有效像素為238萬，光學(xué)變焦40倍，具有防抖及透霧功能；后視鏡頭選用imx385模組，最大分辨率為（1920×1080）。前后攝像頭均能輸出SDI信號，通過同軸線纜即可進(jìn)行遠(yuǎn)距離視頻傳輸，連接簡單可靠。

3.6 電源及通信模塊設(shè)計

攝像頭云臺系統(tǒng)電源及通信設(shè)計，如圖5所示。爬行器與云臺攝像頭的控制板使用USB線進(jìn)行供電和通訊，LED 燈通過IO引腳輸出PWM波進(jìn)行亮度控制，爬行器的輸出電壓為12V，通過分線板輸出3路12V電路，一路給攝像頭部分供電，一路給電機(jī)驅(qū)動器進(jìn)行供電，最后一路通過降壓模塊給舵機(jī)進(jìn)行供電。

圖5 攝像頭云臺供電及通信設(shè)計Fig.5 Power Supply and Communication Design of Camera Pan Tilt

3.7 密封設(shè)計

這里設(shè)計的防水等級要求為IP68，為實(shí)現(xiàn)該要求，在云臺系統(tǒng)無相對運(yùn)動部分采用靜密封，并在殼體內(nèi)填充硅膠發(fā)泡條。俯仰轉(zhuǎn)動出使用雙層O型密封圈進(jìn)行密封，在可拆卸處使用航空插頭進(jìn)行密封。將云臺放置在云中30min取出，各接口出沒有進(jìn)水現(xiàn)象，表明本云臺的密封性能［10］。

4 控制程序設(shè)計

攝像頭云臺系統(tǒng)軟件部分主要實(shí)現(xiàn)以下功能。（1）控制芯片接收上位機(jī)的數(shù)據(jù)指令，數(shù)據(jù)解析；（2）軸向轉(zhuǎn)動控制；（3）俯仰角度控制?？刂瞥绦蛘w設(shè)計流程，如圖6所示。這里所涉及的控制程序采用C語言編寫，編譯環(huán)境選用Keil5，庫函數(shù)豐富、代碼緊湊，容易理解。

圖6 控制程序流程圖Fig.6 Control Program Flow Chart

4.1 攝像頭360°轉(zhuǎn)動電機(jī)程序設(shè)計

云臺控制器與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器及電機(jī)典型接線圖，如圖7所示。脈沖信號主要是通過控制器的定時器TIM8_CH2 產(chǎn)生，僅需要通過杜邦線將IO引腳連接即可。在本程序中，先初始化定時器的溢出時間為一個時間周期，設(shè)定控制器定時器模式為脈沖寬度調(diào)制模式2，設(shè)置輸出極性高。

圖7 典型接線圖Fig.7 Typical Connection Diagram

PWM2模式時序圖，如圖8所示。計數(shù)值CNT以每周期固定從0開始計數(shù)，一直累加到ARR，通過設(shè)置CCR值輸出不同占空比的PWM波［11］，PWM的周期時間由式（1）獲得：

圖8 PWM原理示意圖Fig.8 Schematic Diagram of PWM Principle

式中：Arr—定時器重裝載值；

Psc—時鐘預(yù)分頻數(shù)；

Tclk—TIM的輸入時鐘頻率（單位為MHz）；

Tout—TIM3溢出時間（單位為μs）。

攝像頭轉(zhuǎn)動電機(jī)的位置控制采用手動按鍵控制，通過按鈕的按下和彈起狀態(tài)調(diào)整攝像頭轉(zhuǎn)動電機(jī)的開閉狀態(tài)，通過左右方向控制攝像頭的轉(zhuǎn)動方向，考慮到復(fù)位情況在上位機(jī)預(yù)留復(fù)位按鍵，在控制過程中由式（2）設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)動速度。通過上位機(jī)按鍵的狀態(tài)觸發(fā)中斷處理函數(shù)，在中斷處理函數(shù)中根據(jù)具體按鍵執(zhí)行相關(guān)函數(shù)。

式中：Ω—轉(zhuǎn)速單位轉(zhuǎn)/分；f—頻率Hz；x—細(xì)分倍數(shù)；T—步距角。

根據(jù)上述功能編寫如下函數(shù)控制電機(jī)：

void Driver_Ini（tvoid）；//驅(qū)動器初始化（初始化ENA+、DIR+IO引腳）。

void TIM8_OPM_RCR_Init（u16 arr，u16 psc）；//TIM8_CH2初始化單脈沖+重復(fù)計數(shù)模式。

void Locate_Rle（long num，u32 frequency，DIR_Type dir）//相對定位函數(shù)，帶方向控制，主要用于控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)。

void Locate_Abs（long num，u32 frequency）；/絕對定位函數(shù)，主要用于電機(jī)回0。

4.2 攝像頭俯仰程序設(shè)計

本項(xiàng)目使用的舵機(jī)就是根據(jù)云臺控制器高電平持續(xù)時間（0.5～2.5）ms來實(shí)現(xiàn)（0～180）°的轉(zhuǎn)動的。通過改變TIMx_CCRx寄存器的值調(diào)整每個周期內(nèi)高電平的持續(xù)時間，如圖8所示。本程序設(shè)定在上位機(jī)控制面板采集的AD 量化后的數(shù)值范圍為（0～1024），角度和數(shù)值比為1：5.7，通過式（3）帶入?yún)?shù)即可求得當(dāng)前AD 數(shù)值下所對應(yīng)的CCR寄存器數(shù)值。當(dāng)數(shù)據(jù)傳送到云臺控制器后，通過轉(zhuǎn)化改變CCRx寄存器的數(shù)值來控制舵機(jī)在（0～180）°。設(shè)置占空比的函數(shù)如下：

void TIM_SetComparex（TIM_TypeDef* TIMx，uint16_t Compare2）。

式中：Arr—定時器重裝載值；psc—時鐘預(yù)分頻數(shù)；Tclk—TIM的輸入時鐘頻率（單位為MHz）；value—上位機(jī)AD量化數(shù)值。

4.3 LED模塊程序設(shè)計

本項(xiàng)目中LED燈模組亮度調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)原理，如圖9所示。控制面上的亮度調(diào)節(jié)旋鈕變動，其電位計在被上位機(jī)控制器AD采集量化后，根據(jù)通信協(xié)議打包并傳輸?shù)皆婆_控制器。云臺控制器對AD量化值進(jìn)行解碼后，求出當(dāng)前量化值對應(yīng)的占空比，根據(jù)占空比的值，求出CCRx 應(yīng)該設(shè)置的具體數(shù)值，并通過函數(shù)void TIM_SetComparex（TIM_TypeDef*TIMx，uint16_t Compare2）確保定時器輸出的PWM占空比為上述計算值。通過杜邦線將PWM輸出引腳連接到LED 模塊中PT4115 芯片的DIM 引腳。通過上述方式，改變占空比來改變LED回路中的電流，使LED模塊實(shí)現(xiàn)調(diào)光功能。

圖9 LED模組控制流程圖Fig.9 Module Control Flow Chart

5 通信協(xié)議

上位機(jī)將數(shù)據(jù)線通過RS485傳輸?shù)脚佬衅鞯南挛粰C(jī)控制器，下位機(jī)控制器與云臺控制器使用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。RS232、RS422 還是RS485 這些典型的串口標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議，只是定義了部分物理層，對于數(shù)據(jù)鏈路層基本沒有涉及，需要使用者自己來定義合適的數(shù)據(jù)協(xié)議來傳輸自己的數(shù)據(jù)［12］。根據(jù)攝像頭云臺系統(tǒng)的功能需要，我們指定了如下表1的通信協(xié)議格式。其說明如下［13-14］：（1）起始標(biāo)志：是協(xié)議數(shù)據(jù)幀的開始標(biāo)志，本協(xié)議規(guī)定起始標(biāo)志有1字節(jié)（0X55）。（2）指令類型：根據(jù)不同的功能要求自定義，使目標(biāo)設(shè)備按照指令數(shù)據(jù)做出對應(yīng)的動作，主要是告訴接收方“做什么”。其中0X0f軸向正轉(zhuǎn)，0X10軸向反轉(zhuǎn)，0X11上俯仰，0X12下俯仰。（3）應(yīng)用數(shù)據(jù)：它包含詳細(xì)的數(shù)據(jù)，可以理解為補(bǔ)充“做”的內(nèi)容以及一些具體的參數(shù)。（4）CRC檢驗(yàn)：是對協(xié)議數(shù)據(jù)幀中檢驗(yàn)字段之前的字節(jié)進(jìn)行檢驗(yàn)的結(jié)果。本協(xié)議采用CRC16進(jìn)行檢驗(yàn)。這種編碼的基本思想是將要傳遞的信息M（X）表示為一個多項(xiàng)式L，用L除以一個實(shí)現(xiàn)預(yù)定的多項(xiàng)式G（X），得到的余式就是所需要的循環(huán)冗雜編碼［15］。（5）結(jié)束標(biāo)志：表示協(xié)議數(shù)據(jù)幀的結(jié)束特性標(biāo)識，通常和起始標(biāo)志一起用于通信兩端的數(shù)據(jù)同步和完整性判斷。本協(xié)議中規(guī)定結(jié)束字為0XBB。

表1 通信協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式Tab.1 Communication Protocol Data Frame Format

6 實(shí)驗(yàn)分析

6.1 LED模組測試

為驗(yàn)證本模組設(shè)計的LED模組在云臺控制器下調(diào)光的性能，設(shè)計檢測方法：Led燈珠的一端焊接在PCB上，另一引腳脫開，再通過導(dǎo)線將萬用表打在相應(yīng)電流檔位串接在電路中即可。實(shí)驗(yàn)過程：通過上述將硬件連接好后，通過改變定時器PWM輸出的占空比來測量流過LED模組的電流。實(shí)驗(yàn)圖片，如圖10所示。對2次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄結(jié)果，如圖11所示。由圖11可知：LED模組在占空比50%內(nèi)存在較為明顯的波動，50%以后，波動較小。通過分析推測波動的出現(xiàn)原因有如下兩點(diǎn)。（1）電路中電阻和電感的物理特性導(dǎo)致；（2）測試過程中操作不當(dāng)造成誤差。盡管存在些許波動，但是還是能夠驗(yàn)證LED模組電路及程序設(shè)計滿足功能需求。

圖11 輸出電流與占空比關(guān)系曲線Fig.11 Relation Curve Between Output Current and Duty Cycle

6.2 軸向轉(zhuǎn)動實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證本云臺通信是否正常、控制程序是否合理，設(shè)計如下驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)：將軸向轉(zhuǎn)動電機(jī)軸與角度傳感器鏈接，傳感器的數(shù)據(jù)通過串口反饋至檢測設(shè)備，測試云臺復(fù)位函數(shù)的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)圖片，如圖12所示。8組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及圖13表明：本系統(tǒng)通信正常，控制程序準(zhǔn)確。實(shí)際值與期望值存在部分誤差，誤差范圍在（-2～3.5）°方位內(nèi)，分析在轉(zhuǎn)動過程中存在摩擦力的影響，本設(shè)計符合預(yù)期設(shè)計的定位精度。

表2 復(fù)位函數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Reset Function Experimental Results

圖13 軸向轉(zhuǎn)動誤差變化Fig.13 Variation of Axial Rotation Error

7 結(jié)論

（1）本設(shè)計將STM32控制器、步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)、攝像頭、LED模組整合為攝像頭云臺系統(tǒng)，建立該系統(tǒng)三維模型。硬件設(shè)計合理，確保體積小、結(jié)構(gòu)簡單。（2）控制程序的詳細(xì)設(shè)計確保系統(tǒng)能夠按照指令完成對應(yīng)功能。（3）通過LED模組實(shí)驗(yàn)及軸向轉(zhuǎn)動實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。