管道檢測機器人的設(shè)計和系統(tǒng)分析

文/吳忠海

隨著國家經(jīng)濟的飛速發(fā)展，管道使用范圍不斷擴大，對管道質(zhì)量的要求也隨之提高，但是在長期使用的過程中，管道必然會出現(xiàn)裂紋、漏孔等故障，因此必須要定期對管道進行排查和養(yǎng)護。但是因為一部分管道內(nèi)部可能含有有毒氣體，如果采用人工的方式展開養(yǎng)護檢測工作，會給工作人員造成身體上的傷害。因此，采用管道檢測機器人來代替人工，但是，很多管道檢測機器人的設(shè)計和系統(tǒng)還需要得到完善。

1 管道檢測機器人系統(tǒng)概述

管道檢測機器人系統(tǒng)應(yīng)用在管道內(nèi)部檢查工作中，可以幫助工作人員更好的檢查管道內(nèi)表面的質(zhì)量，及時開展相應(yīng)的修補工作，而且機器人可以代替工作人員進入一些環(huán)境惡劣、管徑較小、含有毒氣的管道。一般情況下，管道檢測機器人有以下幾個方面組成，分別為：機器人機械本體、圖像采集、地面監(jiān)控、電力供給這四個部分。其中機器人機械本體主要承擔(dān)著支撐機器人行走的工作，同時作為系統(tǒng)云臺輔助圖像采集、地面監(jiān)控、電力供給完成工作任務(wù)。圖像采集系統(tǒng)中除了攝像設(shè)備之外，還需要安裝光源、傳感器、掃描設(shè)備等零部件，以此保證圖像采集任務(wù)圓滿完成。而地面監(jiān)控系統(tǒng)是由計算機組成，針對機器人在管道內(nèi)的運行情況進行監(jiān)控，并且對圖像采集系統(tǒng)傳過來的圖片進行處理分析，具體判斷管道內(nèi)的實際情況，明確出現(xiàn)缺陷的位置、缺陷的危害程度以及缺陷等級等的信息，還要根據(jù)上述信息，借助計算機技術(shù)給出最優(yōu)方案。除了上述幾個方面之外，電力供給支撐著管道機器人運行，作為能量來源，是保證上述系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)。在實際工作中，工作人員通過計算機發(fā)出指令，讓管道機器人進入管道并且在規(guī)定速度下在管道內(nèi)運行，通過安裝在管道機器人機械本體上圖像傳感器和圖像采集系統(tǒng)，將管道內(nèi)的實際情況傳遞給監(jiān)控系統(tǒng)，讓工作人員及時的了解到管道內(nèi)部狀態(tài)，同時，還會傳遞管道內(nèi)的環(huán)境參數(shù)和機器人自身狀態(tài)，讓工作人員可以更加精準(zhǔn)的操縱管道機器人，完成管道信息采集工作。

表1：管道檢測機器人的行駛速度測試數(shù)據(jù)

2 管道檢測機器人的軟硬件設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

本文設(shè)計出來的管道檢測機器人硬件模塊包括：主控模塊、外設(shè)傳感器模塊、Wi-Fi傳輸模塊。主要的處理器模塊是多功能芯片STM32F105，這種芯片本身的功耗低、效率高，在實際應(yīng)用中可以更好的發(fā)揮作用。而且這種芯片包括了六種功能：CAN、ADC、SPI、I2C、USB、UART。

主控模塊：這個模塊主要負責(zé)的工作是控制管道檢測機器人的整個系統(tǒng)，主要包括四個部分：STM32F105微控制器、SDRAM、Flash、L298N電機驅(qū)動器。其中STM32F105微控制器最為重要，通過控制器控制機器人的轉(zhuǎn)動方向、前進方向、電機轉(zhuǎn)速、行駛速度。

外設(shè)傳感器模塊：在管道檢測機器人中包括了四個130型號的直流電機驅(qū)動，基于工作電壓，通過減速器后，最終輸出大約為180r/min。在這個模塊中主要包括了：兩個TowerPro SG90舵機、攝像機、UVC視頻捕獲設(shè)備、LED照明模塊、供電模塊等。其中SG90舵機的作用是控制攝像頭進行轉(zhuǎn)動，UVC視頻捕獲設(shè)備是這個模塊的核心，通過UVC可以對圖像數(shù)據(jù)進行高效快速的處理，不僅如此，使用這種視頻捕獲設(shè)備可以有效降低開發(fā)難度，同時還可以減少在硬件設(shè)計復(fù)雜性，減免驅(qū)動方式。

Wi-Fi傳輸模塊：在該管道檢測機器人中采用的是AR9331處理器，這種處理器本身功能較為強大，在實際開發(fā)中較為方便。只需要進行少量的外設(shè)就可以展開工作，在整個Wi-Fi傳輸模塊中包括了：SDRAM、ROM、Linux系統(tǒng)等部分，此外在Wi-Fi傳輸模塊還利用Micro-USB接口來傳輸控制數(shù)據(jù)信息。

2.2 軟件設(shè)計

在管道檢測機器人的軟件設(shè)計部分主要可以分為三個環(huán)節(jié)，分別為：下位機軟件模塊、上位機軟件模塊、Wi-Fi軟件模塊。其中上下位機軟件模塊實現(xiàn)了對管道檢測機器人的運動控制、數(shù)據(jù)收發(fā)、圖像數(shù)據(jù)的接收處理、發(fā)送控制命令等功能。在軟件設(shè)計過程中下位機軟件模塊以及Wi-Fi軟件模塊最為重要，是管道檢測機器人的核心部分。首先是Wi-Fi模塊設(shè)計，在對這個模塊進行設(shè)計中，需要利用三個軟件：MJPG-streamer、LuCI、Ser2net。經(jīng)過參數(shù)初始化后，首先要啟動配套的服務(wù)程序，在此基礎(chǔ)上，建無線連接點AP，對登錄管理界面進行簡單的設(shè)置，在建立好無線連接點后，就可以和上位機進行連接。其次是下位機軟件設(shè)計，由上述內(nèi)容可知，下位機中的控制芯片為STM32F105，這種通用嵌入式處理器，可以更好的控制機器人的運動軌跡，還具有了告警檢測功能。

3 管道檢測機器人內(nèi)部系統(tǒng)設(shè)計

3.1 機器人的本體

一般的管道檢測機器人系統(tǒng)由機械本體、圖像采集系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)以及電力供給系統(tǒng)組成，不同系統(tǒng)承擔(dān)著不同的任務(wù)。機器人機械本體是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分，機械本體性能的好壞，會對控制性能造成直接的影響。因此，必須要保證機器人本體性能、結(jié)構(gòu)的良好，以此讓管道機器人可以完成多樣化運動。這就需要對管道機器人的移動方式、管道機器人的驅(qū)動方式、云臺系統(tǒng)進行設(shè)計，從而有效提高的環(huán)境適應(yīng)能力。

3.2 圖像采集系統(tǒng)

管道檢測機器人中最為重要的就是圖像采集系統(tǒng)，通過圖像采集系統(tǒng)可以讓工作人員對管道內(nèi)部情況形成更加全面的了解。利用CCD攝像頭、PCI數(shù)據(jù)采集卡和PC機組成一個CCD圖像采集系統(tǒng)，基于數(shù)字圖像處理技術(shù)，針對管道內(nèi)部采集到的圖片信息進行處理。不僅如此，通過圖像采集系統(tǒng)還可以管道內(nèi)部檢測和缺陷進行全面的評價。

3.3 控制系統(tǒng)設(shè)計

在管道檢測機器人中應(yīng)用的控制系統(tǒng)是由PC機和運動控制卡組成的，通過這種方式，可以對管道檢測機器人的運動以及圖像采集工作進行全面的控制，根據(jù)上文對管道檢測機器人軟件設(shè)計的分析，可知在控制系統(tǒng)中基于PC機對下位機進行開放式控制。而通過PMAC2A-PC104運動控制卡控制機器人的四軸運動?？偟膩碚f，這種控制系統(tǒng)有效提高了機器人的開放性、可移植性、網(wǎng)絡(luò)通訊能力。

3.4 電力供給系統(tǒng)

除了上述幾個方面之外，管道檢測機器人的電力供給系統(tǒng)也必不可少，一般會設(shè)計兩種不同的電力供給方式，分別為：機械內(nèi)部蓄電池、動力電纜。但是前者，存在較大的故障隱患，一旦在管道檢測機器人運行中電池發(fā)生故障，那么就會直接導(dǎo)致管道機器人無法正常工作，嚴(yán)重的情況下，甚至無法收回管道機器人。但是后者也存在一定的缺點，主要表現(xiàn)為：管道機器人的拖動負載加大，無法完成遠距離的運行。綜合這兩種動力供給方式，選擇分段檢測的方式，同時采用輕質(zhì)抗拉力的纜線，以此規(guī)避電纜使用中存在的缺陷。

4 管道檢測機器人實踐驗證分析

本文設(shè)計出來的管道檢測機器人可以各種管道的檢測，不僅可以在被檢測管道中實現(xiàn)穩(wěn)定的行走，同時還可以對管道檢測進行自動檢測和評價。除此之外，在實際應(yīng)用中，還能為管道檢測機器人提供強勁動力，為了進一步驗證機器人的實際應(yīng)用情況，本文對進行了全面的實驗研究，針對管道檢測機器人的機動性能、云臺性能、防水性能、以及自動排線性能等都進行了全面的分析研究。以行駛速度測試為例，以普通水平地面走廊作為實驗環(huán)境，驗證機器人的行駛速度，計算出行駛速度的平均值，表1為管道檢測機器人的行駛速度測試數(shù)據(jù)。

爬坡能力測試也是管道檢測機器人應(yīng)用過程中的重要檢測項目，觀察管道檢測機器人在橡膠坡面、平板車坡面等方面的運行情況，通過本文的具體實驗分析檢測可知，本文設(shè)計出來的管道檢測機器人，具有著較強的越障能力、爬坡能力、運行能力，可以滿足不同管道對管道檢測機器人的作業(yè)要求。將其放置在實際的管道中測試后，可以得到清晰的管道內(nèi)部面貌。

5 總結(jié)

綜上所述，基于管道檢測工作的主要作業(yè)內(nèi)容，提出了一種管道檢測機器人系統(tǒng)，通過實際驗證結(jié)果表明本文設(shè)計出來的系統(tǒng)可以完成管道巡檢任務(wù)。不僅如此，工作人員可以通過手動控制保證管道檢測機器人的運動軌跡，從根本上簡化了小車運動軌跡，從而高效完成巡檢作業(yè)。此外，管道檢測機器人系統(tǒng)中還增加了圖像檢測、報警等功能，進一步減輕了工作人員的負擔(dān)，值得在未來管道工作中推廣。