應(yīng)用于管道內(nèi)檢測(cè)的智能巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)

黃慶典 李琪

摘 ?要：針對(duì)傳統(tǒng)的管道檢測(cè)方法效率低下、檢測(cè)結(jié)果失真的問題，文章基于機(jī)械原理、高頻通訊技術(shù)以及傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于管道內(nèi)檢測(cè)的智能巡檢機(jī)器人，可以通過調(diào)整輪子的跨度實(shí)現(xiàn)適應(yīng)不同管徑的管道，并且檢測(cè)數(shù)據(jù)在上位機(jī)系統(tǒng)可直觀反映管道內(nèi)的狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：管道;檢測(cè);機(jī)器人;stm32;系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2019）22-0101-02

Abstract： In order to solve the problems of low efficiency and distortion of detection results of traditional pipeline detection methods， an intelligent inspection robot used in pipeline detection is designed based on mechanical principle， high frequency communication technology and sensor technology. The pipe can be adapted to different diameters by adjusting the span of wheels， and the detection data in the host computer system can directly reflect the state of the pipeline.

Keywords： pipeline; detection; robot; stm32; system

前言

信息的傳輸、能源的輸送都幾乎離不開管道，城市或工廠這些人口密集的區(qū)域，更是在地下匯集了大量的管道[1]。由于管道埋于地下，在長期使用過程中，管道會(huì)受到外力的擠壓，包括管道內(nèi)外，因此相關(guān)部門都需要定期檢查與維護(hù)管道。檢查的方法通常是每隔一段距離挖一個(gè)比較大的口徑的作業(yè)區(qū)，在兩個(gè)作業(yè)區(qū)的位置分別利用儀器進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而推斷兩個(gè)作業(yè)區(qū)之間的管道的狀況。該方法存在著較多的不足，第一，挖較多的作業(yè)區(qū)會(huì)對(duì)交通造成很大的不便，容易造成交通事故，第二，如果遇上雨天，作業(yè)區(qū)容易積水，既延長了檢查作業(yè)的時(shí)間，還增加了管道銹蝕的隱患，第三，利用現(xiàn)有的儀器進(jìn)行推斷式檢測(cè)，檢查結(jié)果比較片面，難以準(zhǔn)確推斷管道內(nèi)壁有無出現(xiàn)裂縫的情況。本文根據(jù)以上不良情況，提出設(shè)計(jì)一種效率高、效果好的應(yīng)用于管道內(nèi)檢測(cè)的智能巡檢機(jī)器人。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人由特殊的移動(dòng)機(jī)構(gòu)、移動(dòng)控制系統(tǒng)、自動(dòng)避障系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、無線通訊系統(tǒng)以及地面站上位機(jī)系統(tǒng)組成。普通的四輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的特征是四個(gè)輪子的胎面都在同一平面上，由于圓形管道容易導(dǎo)致這樣的機(jī)構(gòu)發(fā)生傾斜，因此不適合使用該機(jī)構(gòu)在圓形管道內(nèi)檢測(cè)。本文沿用輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)移動(dòng)效率高的優(yōu)勢(shì)[2]，結(jié)合管道環(huán)境設(shè)計(jì)了特殊的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖1（a）所示，輪子傾斜設(shè)置，兩對(duì)輪子各自所在的平面形成140°，如此機(jī)器人在管道里具有穩(wěn)定性。機(jī)器人在管道里的仿真工作狀態(tài)如圖1（b）所示，四個(gè)輪子都正向受到沿軸心方向的作用力，最終合力豎直向上。輪子的傾斜設(shè)置實(shí)際上是通過左右兩個(gè)支架實(shí)現(xiàn)的，兩個(gè)支架的斜面夾角同樣為140°。經(jīng)分析，同一側(cè)的輪子在管道內(nèi)的移動(dòng)狀態(tài)是一致的，因此，為減輕機(jī)器人的重量，同一側(cè)的輪子使用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過同步輪、同步帶以及張緊輪的組合機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)一個(gè)電機(jī)同時(shí)帶動(dòng)兩個(gè)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)。為使機(jī)器人適應(yīng)不同管道的移動(dòng)，本文設(shè)計(jì)機(jī)器人兩側(cè)輪子之間的距離可電動(dòng)調(diào)整，該功能通過一組絲杠及絲杠滑塊、兩組導(dǎo)軌及導(dǎo)軌滑塊的機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，絲杠電機(jī)及導(dǎo)軌固定件都設(shè)置于左支架，絲杠滑塊、導(dǎo)軌滑塊都設(shè)置于右支架，因此相對(duì)于左支架，右支架在絲杠電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，右支架連同絲杠滑塊、導(dǎo)軌滑塊會(huì)發(fā)生左右移動(dòng)，從而調(diào)整機(jī)器人的跨度，適應(yīng)不同的管徑。

管道在長時(shí)間使用過程中，有可能受到多種擠壓力而變形，導(dǎo)致管徑發(fā)生變化[3]，機(jī)器人需要具有根據(jù)管徑自動(dòng)調(diào)整橫向輪距的功能，否則將難以前進(jìn)甚至損壞本身機(jī)構(gòu)。如圖2所示，本文通過相對(duì)于移動(dòng)正方向上的斜45°對(duì)稱設(shè)置兩個(gè)超聲波傳感器檢測(cè)管道內(nèi)徑是否發(fā)生變化，其自動(dòng)調(diào)整的動(dòng)作由移動(dòng)控制系統(tǒng)完成，下文將具體論述。自動(dòng)避障系統(tǒng)是基于正向設(shè)置的超聲波傳感器而實(shí)現(xiàn)的。圖像采集系統(tǒng)是基于云臺(tái)+攝像頭+LED燈而實(shí)現(xiàn)的，云臺(tái)由舵機(jī)Ⅰ、轉(zhuǎn)臺(tái)、舵機(jī)Ⅱ以及U型架組成，共同設(shè)置于左支架的上方，與左支架固定連接。攝像頭以45°斜向上設(shè)置，檢測(cè)管道頂面有無裂縫是基本工作，檢測(cè)其它角度通過控制云臺(tái)實(shí)現(xiàn)。攝像頭正后方設(shè)置有LED燈，攝像頭與LED燈共同設(shè)置于轉(zhuǎn)臺(tái)上方。

2 控制系統(tǒng)開發(fā)

控制系統(tǒng)包括移動(dòng)控制系統(tǒng)、自動(dòng)避障系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、無線通訊系統(tǒng)以及地面站上位機(jī)系統(tǒng)。利用stm32處理器作為核心處理器，讀取多個(gè)傳感器的信息，輸出控制多類電機(jī)。

移動(dòng)控制系統(tǒng)：機(jī)器人深入到管道里作業(yè)時(shí)，相對(duì)于移動(dòng)正方向上的斜45°對(duì)稱設(shè)置兩個(gè)超聲波傳感器會(huì)實(shí)時(shí)檢測(cè)管道內(nèi)徑，如圖2右側(cè)所示，若遇上管道突然變窄的情況，L1+L2的總值會(huì)比正常管徑通行時(shí)的值偏小較多。超聲波傳感器檢測(cè)的距離數(shù)據(jù)在stm32處理器里進(jìn)行運(yùn)算，根據(jù)比較后的結(jié)果輸出指令到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器從而控制絲杠電機(jī)產(chǎn)生正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)，如此實(shí)現(xiàn)調(diào)整左右支架的間距，即輪子在橫向的相對(duì)距離，從而適應(yīng)管徑發(fā)生變化的環(huán)境。

自動(dòng)避障系統(tǒng)：機(jī)器人正前方的超聲波傳感器會(huì)實(shí)時(shí)檢測(cè)前方障礙物的距離[4]，例如前方的管道斷裂，泥土堵住了管道，該情況下超聲波傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)縮小得很快，stm32處理器將輸出指令控制機(jī)器人自動(dòng)停下。

圖像采集系統(tǒng)：圖像采集系統(tǒng)是基于云臺(tái)+攝像頭+LED燈而實(shí)現(xiàn)的，在stm32處理器控制下，云臺(tái)可多角度旋轉(zhuǎn)，使得能采集管道內(nèi)多個(gè)方向的環(huán)境圖像，LED燈作為光源，跟隨著攝像頭同步轉(zhuǎn)動(dòng)，照亮著視覺的正前方。攝像頭通過usb接口連接著圖傳發(fā)射模塊，進(jìn)一步通過無線傳輸?shù)竭B接地面站的圖傳接收模塊，如此在地面站可讀取機(jī)器人在管道內(nèi)的檢測(cè)圖像。

無線通訊系統(tǒng)：主要是指地面站上位機(jī)與機(jī)器人進(jìn)行通訊的系統(tǒng)，傳遞信息的模塊是一對(duì)433數(shù)傳模塊，帶串口的433數(shù)傳模塊連接著stm32控制器，帶USB接口的433數(shù)傳模塊連接著地面站上位機(jī)，如此進(jìn)行雙向通信。

地面站上位機(jī)系統(tǒng)：主要負(fù)責(zé)管道檢測(cè)數(shù)據(jù)的可視化以及手動(dòng)控制、檢測(cè)圖像顯示。三個(gè)超聲波傳感器的數(shù)據(jù)都會(huì)在上位機(jī)顯示，顯示的特征是三個(gè)數(shù)據(jù)在同一個(gè)坐標(biāo)系顯示，其中正向設(shè)置以及左側(cè)設(shè)置的超聲波的數(shù)據(jù)真實(shí)顯示，而右側(cè)設(shè)置的超聲波的數(shù)據(jù)做減去二分之一管徑處理后再顯示，如此使得左側(cè)設(shè)置與右側(cè)設(shè)置的超聲波的數(shù)據(jù)線條描繪出該檢測(cè)截面上管道的特征。通過點(diǎn)擊上位機(jī)的控件可手動(dòng)控制機(jī)器人。

3 結(jié)束語

經(jīng)過實(shí)踐證明，本文設(shè)計(jì)的應(yīng)用于管道內(nèi)檢測(cè)的智能巡檢機(jī)器人能適應(yīng)一定管徑范圍的管道環(huán)境的工作，傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)能在地面站上位機(jī)系統(tǒng)正常顯示，通過上位機(jī)可以控制機(jī)器人移動(dòng)以及攝像頭多角度轉(zhuǎn)動(dòng)。本文所論述的機(jī)器人能有效代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工檢測(cè)，獲得良好的檢測(cè)效果。

參考文獻(xiàn)：

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