基于STM32 控制的水下管道智能巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)＊

湯 俊，滿達(dá)虎，王麗芳，周玉華

（九江學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 九江 332005）

隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，智能機(jī)器人在眾多領(lǐng)域已全部或部分代替了人類完成規(guī)定的任務(wù)。近幾年，水中智能機(jī)器人的發(fā)展尤為迅猛。水中智能機(jī)器人可應(yīng)用于軍事、海洋開發(fā)、水中工程監(jiān)測(cè)、水中娛樂休閑等領(lǐng)域[1]?；谒袡C(jī)器人廣泛的市場(chǎng)前景和應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)也為了培養(yǎng)新時(shí)代大學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力以及團(tuán)隊(duì)溝通協(xié)作能力，教育部高等教育司每2 年主辦一屆“中國(guó)大學(xué)生工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力大賽”，水下管道智能巡檢是該項(xiàng)賽事“智能+”賽道中的一個(gè)賽項(xiàng)。

1 比賽規(guī)則

參賽隊(duì)伍將機(jī)器人放置在出發(fā)區(qū)等待出發(fā)，如圖1所示。裁判發(fā)出指令，計(jì)時(shí)開始，機(jī)器人從出發(fā)區(qū)沿著水下白色PVC 管道進(jìn)行巡跡游動(dòng)，依次進(jìn)入淺水區(qū)、漸變區(qū)和深水區(qū)；機(jī)器人在巡游的同時(shí)檢測(cè)管道上是否有黑色吸附物，并按照吸附物的不同形狀閃爍不同顏色的燈光進(jìn)行報(bào)警提示；完成規(guī)定的任務(wù)后，水中機(jī)器人來(lái)到返回區(qū)，結(jié)束計(jì)時(shí)。根據(jù)水中機(jī)器人是否檢測(cè)到吸附物并報(bào)警的正確與否以及回到返回區(qū)用時(shí)長(zhǎng)短等計(jì)算比賽成績(jī)。

圖1 比賽場(chǎng)地示意圖（單位：mm）

2 硬件設(shè)計(jì)方案

2.1 整體硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖2 所示，基于STM32 控制的水下管道智能巡檢機(jī)器人由STM32 單片機(jī)主控模塊、電源穩(wěn)壓模塊、OpenMV 模塊、運(yùn)動(dòng)組件、顯示模塊（TFTLCD）和LED 信號(hào)燈模塊等構(gòu)成。以STM32 單片機(jī)為核心控制器，結(jié)合OpenMV 視覺模塊上的攝像頭（感光元件為OV7725），利用OV7725 采集到的信號(hào)并通過(guò)圖像處理算法將信息傳遞給STM32 控制器，通過(guò)運(yùn)動(dòng)組件控制機(jī)器人沿水下白色PVC 管道的游動(dòng)方向、轉(zhuǎn)彎等運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)航道的巡跡。同時(shí)，機(jī)器人在沿管道巡游過(guò)程中，利用OpenMV 內(nèi)置的庫(kù)函數(shù)資源對(duì)管道上的黑色吸附物形狀進(jìn)行判斷，STM32 單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)整合處理后將吸附物信息顯示在TFTLCD 屏幕上，同時(shí)使LED 信號(hào)燈閃爍相應(yīng)顏色的燈光作為檢測(cè)信號(hào)。

圖2 總體框架圖

2.2 主控模塊

主控模塊采用STM32F103VET6 單片機(jī)作為整個(gè)執(zhí)行系統(tǒng)的控制核心。該單片機(jī)擁有實(shí)時(shí)功能強(qiáng)、功耗低、信號(hào)處理能力強(qiáng)、體積小等優(yōu)點(diǎn)，具有USART、I2C、定時(shí)器等豐富的外設(shè)，便于開發(fā)和應(yīng)用[2]。STM32F103VET6 具有4 個(gè)通用定時(shí)器、2 個(gè)高級(jí)定時(shí)器、2 個(gè)基本定時(shí)器，能夠輕松地實(shí)現(xiàn)定時(shí)器中斷、輸入捕獲、輸出比較、PWM 輸出等功能[3]；5 路USART接口，支持ISO7816、LIN、IrDA 接口和調(diào)制解調(diào)控制，方便與其他控制器進(jìn)行串口通信；7 通道DMA 控制器，節(jié)省MCU 計(jì)算資源；3 路12 位ADC 和2 路12 位DAC，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換；80個(gè)快速I/O 口。

2.3 OpenMV 模塊

OpenMV 是一款基于STM32 單片機(jī)和圖像傳感器的機(jī)器視覺模塊，通過(guò)OpenMV IDE 可以輕松地完成機(jī)器視覺（Machine Vision）應(yīng)用，可選的圖像處理像素模式有灰度模式和色彩模式2 種。由于灰度模式的算法比色彩模式的算法運(yùn)行得更快，因此本次比賽的機(jī)器人選用了灰度模式。OpenMV 上搭載了Micro Python 解釋器，用戶可以通過(guò)Python 語(yǔ)言編寫程序從而實(shí)現(xiàn)一系列的功能[4]。通過(guò)調(diào)用OpenMV 內(nèi)置的圖像識(shí)別算法庫(kù)函數(shù)資源完成對(duì)物體形狀的判斷，得到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口通信傳遞給STM32 主控模塊，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理將物體信息顯示在TFTLCD 屏幕上，同時(shí)使LED 信號(hào)燈閃爍相應(yīng)顏色的燈光作為檢測(cè)信號(hào)。將OpenMV 資源豐富的優(yōu)點(diǎn)和STM32 單片機(jī)控制簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，從而達(dá)到精確識(shí)別物體的目的。

2.4 電源穩(wěn)壓模塊

整個(gè)系統(tǒng)完成規(guī)定任務(wù)所需要的能量由電源穩(wěn)壓模塊提供。本設(shè)計(jì)采用12 V 航模電池，可以通過(guò)充電器對(duì)其充電。由于STM32 單片機(jī)所有的I/O 引腳輸出3.3 V 并且5 V 耐受，因此，首先通過(guò)LM2596S 穩(wěn)壓電源將12 V 航模電池的電壓降到5 V，然后給各模塊供電。

2.5 運(yùn)動(dòng)組件

本次比賽所用機(jī)器人運(yùn)動(dòng)組件包括4 個(gè)垂直方向的螺旋槳推進(jìn)器和2 個(gè)水平方向的螺旋槳推進(jìn)器。垂直推進(jìn)器和金屬配重塊用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人游動(dòng)過(guò)程中自由的上浮和下沉，水平推進(jìn)器用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人游動(dòng)過(guò)程中順暢的前后運(yùn)動(dòng)和偏航導(dǎo)正運(yùn)動(dòng)。

2.6 顯示模塊（TFTLCD）

本設(shè)計(jì)選用的顯示模塊（TFTLCD）是2.8 in（約71.12 cm）的ILI9341 屏幕。這是一款性價(jià)比很高的屏幕，分辨率為240×320，可實(shí)現(xiàn)720 源輸出和320 門輸出，采用常見的電極輸出VCOM。接口模式有8080MCU 和RGB 2 種模式（本設(shè)計(jì)采用RGB 接口模式），有全彩模式、減色模式、空閑模式、睡眠模式等多種模式，能夠完成26 萬(wàn)種顏色深度，8 個(gè)色階的顯示，具有生成、調(diào)整VCOM，充當(dāng)時(shí)序發(fā)生器或振蕩器，調(diào)整背光亮度，完成直流轉(zhuǎn)換、線反轉(zhuǎn)、幀反轉(zhuǎn)、獨(dú)立RGB 伽馬校正、預(yù)設(shè)伽馬曲線等眾多功能。

2.7 機(jī)器人密封設(shè)計(jì)

機(jī)器人作業(yè)工況為水下，主控模塊、電源穩(wěn)壓模塊、OpenMV 模塊、顯示模塊（TFTLCD）和LED 信號(hào)燈等這些硬件易被水浸泡而失效。為了確保機(jī)器人各組件在水下正常運(yùn)轉(zhuǎn)，需要對(duì)其做一定的防水密封處理，對(duì)此本設(shè)計(jì)上述部分采用密封箱進(jìn)行密封。密封箱材料為透明的PP，壁厚為3 mm。密封箱殼體與上蓋板之間需要進(jìn)行密封，密封性質(zhì)為靜密封，通過(guò)O 形橡膠圈密封后在密封面涂以平面密封膠，以保證密封的可靠性[5]。在密封艙側(cè)面使用8 mm 厚PMMA板貫穿6 個(gè)5 mm 孔用于密封箱走線。走線過(guò)程中如果密封不良，極易使密封箱漏水，所以在結(jié)構(gòu)上采用空心CNC 加工，316 不銹鋼材質(zhì)穿線螺絲，把線纜剝下保護(hù)套，尾端套入熱縮管，用藍(lán)丁膠固定，最后用環(huán)氧樹脂進(jìn)行灌封。

3 軟件編寫設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要采用Python 和C 兩種語(yǔ)言編寫程序，程序流程如圖3 所示。首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，主要包括OpenMV 模塊初始化和STM32 單片機(jī)的中斷初始化。然后啟動(dòng)系統(tǒng)，隨后將機(jī)器人釋放。機(jī)器人被釋放后會(huì)沿著白色PVC 管道直行，期間會(huì)遇到3 種情況，分別是直行偏差、直角右拐彎和檢測(cè)到不同形狀的黑色吸附物。

圖3 程序流程圖

攝像頭實(shí)時(shí)回傳數(shù)據(jù)至主控板，主控制板通過(guò)算法對(duì)可能出現(xiàn)的3 種情況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：第一種情況出現(xiàn)直線行駛偏移時(shí)，串口回傳，單片機(jī)利用函數(shù)通過(guò)左右微調(diào)使機(jī)器人保持在白色PVC 管道的正上方；第二種情況出現(xiàn)直角右轉(zhuǎn)彎時(shí)，串口回傳，單片機(jī)利用右轉(zhuǎn)函數(shù)控制水下機(jī)器人右轉(zhuǎn)；第三種情況在運(yùn)行過(guò)程中當(dāng)檢測(cè)到不同形狀的黑色吸附物時(shí)，串口回傳，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)整合處理后將吸附物信息顯示在TFTLCD屏幕上，同時(shí)，單片機(jī)利用函數(shù)控制LED 燈光閃爍相應(yīng)的顏色作為報(bào)警示意。最終在整個(gè)循環(huán)程序中完成圖1 比賽場(chǎng)地的管道巡跡并識(shí)別不同形狀吸附物的比賽任務(wù)，機(jī)器人到達(dá)返回區(qū)等待被撈取。

4 比賽測(cè)試及優(yōu)化

機(jī)器人在巡跡游動(dòng)過(guò)程中必將受到水波的影響產(chǎn)生不同程度的擺動(dòng)，從而使機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中偏移管道的概率增大。雖然在程序設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)機(jī)器人偏移管道做了處理，但在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試發(fā)現(xiàn)，偏移管道時(shí)有時(shí)未能及時(shí)得到修正，使機(jī)器人不能按照預(yù)期直游甚至偶爾會(huì)徹底離開管道，導(dǎo)致根本完不成全部任務(wù)或者完成全部任務(wù)后超出比賽規(guī)定時(shí)間和存在一定的漏檢率。通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)和不斷摸索，發(fā)現(xiàn)在機(jī)器人身上裝配一定的配重塊，能夠大幅度降低偏航的概率。意外發(fā)現(xiàn)，由于機(jī)器人身上加以配重塊，機(jī)器人在深水區(qū)的下潛更為順暢。在機(jī)器人身上裝配重塊時(shí)要盡量做到以下2 點(diǎn)：第一，盡可能使機(jī)器人重心在幾何體的中線上；第二，盡可能降低機(jī)器人游動(dòng)時(shí)尾部產(chǎn)生的水波。

此外，比賽場(chǎng)地有2 處直角右轉(zhuǎn)彎，在實(shí)驗(yàn)室前期調(diào)試中，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人不能順暢地完成直角轉(zhuǎn)彎動(dòng)作，且與管道的重合度不高，從而多次出現(xiàn)未檢測(cè)到拐彎處吸附物的現(xiàn)象。為解決這個(gè)問(wèn)題，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，在右拐彎時(shí)，機(jī)器人不能全速游動(dòng)通過(guò)，否則由于慣性很容易沖出管道導(dǎo)致比賽失敗，經(jīng)過(guò)再三測(cè)試得出結(jié)論：通過(guò)在右拐彎時(shí)把速度降為直線管道時(shí)的60%，能夠順利完成比賽。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的過(guò)程中吸附物的識(shí)別率都在100%，并且能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)跑完全程，在2021 年第六屆江西省大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽中取得第一名的好成績(jī)。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究提出了基于STM32 控制的水下管道智能巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)及測(cè)試與優(yōu)化。OpenMV 攝像頭模塊作為數(shù)據(jù)采集模塊，以STM32 單片機(jī)作為水下機(jī)器人運(yùn)行核心。整體系統(tǒng)在該項(xiàng)目比賽中識(shí)別率和運(yùn)行時(shí)間都有很強(qiáng)的優(yōu)越性。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也為智能水下機(jī)器人在水底管道巡檢等應(yīng)用領(lǐng)域提供了思路和參考。