融合視覺和嗅覺的管道探測機器人設計

摘 要：融合嗅覺和視覺管道探測機器人設計相對復雜，文章將從機械結構設計、感知系統設計、控制系統設計三方面探討融合嗅覺和視覺管道探測機器人設計，以求推動我國管道探測機器人設計水平的提升。

關鍵詞：視覺；嗅覺；管道探測機器人

管道探測機器人主要用于對管道內狀況的判斷，已經在社會生產生活的很多領域應用。但是當前管道探測機器人能夠獲取的主要是管道內圖像信息，對于管道內有毒氣體的探測和判斷能力還相對較低，所以為了保障現場操作人員的安全，應當提升管道機器人的“嗅覺水平”。

1 機械結構設計

1.1 結構參數和特點

已經研制原理機型的長×寬×高為120mm×55mm×55mm；重量為1.5千克；作業管徑為160～200/min；作業具體為17m。

1.2 總體結構設計

機械部分由四部分構成：第一，螺旋驅動機構。如圖1，內部結構位于陰影部分，輪架上分布著驅動輪，同時輪桿以螺紋旋入輪架中，此槽中放置輪抽的兩端分別于輪子相連，并有彈簧置于輪桿中；第二，萬向節。選用的十字萬向節應當滿足傳動效率高、結構簡單的要求，并且應當有效連接于直流減速電機和螺旋驅動結構中間，在彎管內輔助機器人進行啟動；第三，直流減速電機。應當對減速器和電機的總長度進行控制，避免因此造成的過彎管能力降低。第四，保持機構。保持機構的兩個組成部分分別為保持架和保持機構，應當保證電機和保持架配合符合緊密型要求，這樣才能夠實現輪沿管道中心方向的從動，這樣在轉子轉動時電機定子才不會發生反轉。

1.3 移動能力設計

管內機器人運動本質上是理想螺旋運動，在管徑D不變的條件下，驅動輪直徑d、電機轉速n、管道和驅動輪向內夾角決定其移動速度。經試驗表明，管道和驅動輪向內夾角大于0°、小于25°時，v具有較好的線性度，為了使管道中機器人的行進速度較高且穩定，這里將管道和驅動輪內夾角設定為15°。

2 感知系統

2.1 視覺系統

2.1.1 視頻十字線的實現

為了保證機器人視覺的實現，這里選用的CCD攝像頭具有自帶紅外光源、視場范圍大的特點；為了準確、快速、實時判斷和識別探測目標，這里管理檢測運用視頻分化技術生成的十字線。根據視頻十字線動態和生成可調技術原理，同步分離輸入的視頻信號，包括場同步信號V和出行同步信號H。在每一個場同步頭信號到來時觸發延時，然后實現每場中某一行頭的獲取，延后觸發延時此行頭，讓行正程時間脈寬的脈沖信號取代行圖像信號，這樣一個橫線信號就能夠形成。每一個行同步信號到來時觸發延時，讓點脈沖信號替代每行某一點圖像，這樣豎線信號就形成了。在合成控制電路的作用下十字線信號代替視頻生成豎線信號和橫線信號，然后和原視頻信號的疊加，視頻十字信號就此產生。

通過場同步延時1、2的調節，進而將處理脈沖脈寬改變，這樣十字線在屏幕上的位置和橫線行數就能夠發生變化；通過延時1、2的調節，能夠時常橫線在屏幕上左右位置和橫線長度的改變；通過行同步延時1、2的調節，能夠實現十字線中豎線長度和豎線在屏幕中左右位置的改變。利用以上的調節措施能夠移動視頻十字線交點位置，進而瞄準屏幕上任何一點的目標。

2.1.2 視頻探測能力的實現

在實現探測目標的瞄準后，機器人還需進行測量和判斷，通過橫線視屏十字線中的橫線信號選行電路，并將視頻信號里橫線信號替代的視頻信號信息提取出來，然后采取二值化處理。我們在二值化處理橫線選出視屏信號中運用的是峰值保持浮動閾值，這樣獲得的輸出結構才足夠穩定。非正常管道表面光學信息轉化成電信號的量值能夠通過標定閾值反映出來。最后的二值化信號的觸發采用視頻十字線信號，這樣就能夠產生對應于屏幕的十字線焦點視頻信號的判斷和測量結果。

2.2 嗅覺的實現

為了保證機器人嗅覺的實現，機器人鼻子我們選擇半導體的氣體傳感器，在探測管中有毒氣體時在綜合運用傳感測控技術。實際當中氣體傳感器工作電壓決定了自身的工作溫度，所以在具有不變工作電壓的情形下，固定閾值標定值大小與氣體濃度大小相對應，因此能夠據此進行危險程度等級的設定，最后由單片機處理判斷信號。

但通常情況下會以混合氣體形式出現有毒氣體，同時在溫度不同和氣體濃度不同的情況下半導體敏元件的靈敏度和阻抗值會發生變化，進而會有交差干擾出現于不同氣體之間，因此在混合氣體的判斷和識別中是無法使用單一敏感元件的。這里我們用多個敏感元件代替單一敏感元件，對于不同氣體他們具有不同敏感度。因為本研究中機器人的主要任務是定性探測管中有無有毒氣體，不分析氣體的濃度和組分，所以只需要對消除混合氣體的交叉干擾進行考慮，這樣就能夠利用各氣敏元件工作溫度（工作電壓）的改變，實現各氣敏元件的靈敏度和阻抗值的改變，進而將混合氣體的交叉干擾降至最低。

3 控制系統設計

3.1 硬件系統設計

本研究中機械人運動控制主要通過硬件系統實現的，本研究中設計的是兩級控制的機器人，也就是結合自動控制和手動控制。在手動控制中能夠利用機電控制模塊實現電機的停止、啟動、反轉、正轉，進而實現對機器人啟停、后退、前進的控制；在自動控制中，主要是利用嗅覺、視覺判斷結果信號進行電機的停止和啟動的控制。

為保證自動控制和手動控制之間的合理轉換，在制作的過程中應當設定：選擇輸出高電平是自動控制，電機的啟停由嗅覺和視覺判斷結構進行控制；選擇輸出低電平時手動控制，電機不受視覺和嗅覺判斷結果的控制，管道中機器人的停止、后退、前進由正轉鍵和反轉鍵控制。

3.2 控制程序設計

控制程序設計通常是在自動控制情況下實現的，匯編語言編程時通過單片機實現的，處理嗅覺、視覺判斷信號信息，然后將判斷結果輸出，同時控制風扇和聲光報警器。這里兩個子程序只要由嗅覺判斷信號和視覺判斷信號處理。

4 結束語

文章分析了融合嗅覺和視覺管道探測機器人的設計，但仍存在一定局限，希望行業人員能夠加強重視，通過科學合理的管道探測機器人設計提升管道內部探測的嗅覺和視覺水平。

參考文獻

[1]張愛民.基于混合編程的管道視頻探測插值與融合實現[J].電子技術與軟件工程，2015（14）：94-95.

[2]趙小川，羅慶生，韓寶玲.機器人多傳感器信息融合研究綜述[J].傳感器與微系統，2012（11）：1-4+11.

作者簡介：陳遠偉（1969，10-），男，籍貫：四川開江人，工作單位：達州職業技術學院，職稱：副教授，學位：工學學士，研究方向：機械制造。