融合視覺(jué)和嗅覺(jué)的管道探測(cè)機(jī)器人設(shè)計(jì)

摘 要：融合嗅覺(jué)和視覺(jué)管道探測(cè)機(jī)器人設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，文章將從機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)三方面探討融合嗅覺(jué)和視覺(jué)管道探測(cè)機(jī)器人設(shè)計(jì)，以求推動(dòng)我國(guó)管道探測(cè)機(jī)器人設(shè)計(jì)水平的提升。

關(guān)鍵詞：視覺(jué)；嗅覺(jué)；管道探測(cè)機(jī)器人

管道探測(cè)機(jī)器人主要用于對(duì)管道內(nèi)狀況的判斷，已經(jīng)在社會(huì)生產(chǎn)生活的很多領(lǐng)域應(yīng)用。但是當(dāng)前管道探測(cè)機(jī)器人能夠獲取的主要是管道內(nèi)圖像信息，對(duì)于管道內(nèi)有毒氣體的探測(cè)和判斷能力還相對(duì)較低，所以為了保障現(xiàn)場(chǎng)操作人員的安全，應(yīng)當(dāng)提升管道機(jī)器人的“嗅覺(jué)水平”。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)和特點(diǎn)

已經(jīng)研制原理機(jī)型的長(zhǎng)×寬×高為120mm×55mm×55mm；重量為1.5千克；作業(yè)管徑為160～200/min；作業(yè)具體為17m。

1.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械部分由四部分構(gòu)成：第一，螺旋驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。如圖1，內(nèi)部結(jié)構(gòu)位于陰影部分，輪架上分布著驅(qū)動(dòng)輪，同時(shí)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(wàn)向節(jié)。選用的十字萬(wàn)向節(jié)應(yīng)當(dāng)滿足傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的要求，并且應(yīng)當(dāng)有效連接于直流減速電機(jī)和螺旋驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)中間，在彎管內(nèi)輔助機(jī)器人進(jìn)行啟動(dòng)；第三，直流減速電機(jī)。應(yīng)當(dāng)對(duì)減速器和電機(jī)的總長(zhǎng)度進(jìn)行控制，避免因此造成的過(guò)彎管能力降低。第四，保持機(jī)構(gòu)。保持機(jī)構(gòu)的兩個(gè)組成部分分別為保持架和保持機(jī)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)保證電機(jī)和保持架配合符合緊密型要求，這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)輪沿管道中心方向的從動(dòng)，這樣在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)電機(jī)定子才不會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)。

1.3 移動(dòng)能力設(shè)計(jì)

管內(nèi)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)本質(zhì)上是理想螺旋運(yùn)動(dòng)，在管徑D不變的條件下，驅(qū)動(dòng)輪直徑d、電機(jī)轉(zhuǎn)速n、管道和驅(qū)動(dòng)輪向內(nèi)夾角決定其移動(dòng)速度。經(jīng)試驗(yàn)表明，管道和驅(qū)動(dòng)輪向內(nèi)夾角大于0°、小于25°時(shí)，v具有較好的線性度，為了使管道中機(jī)器人的行進(jìn)速度較高且穩(wěn)定，這里將管道和驅(qū)動(dòng)輪內(nèi)夾角設(shè)定為15°。

2 感知系統(tǒng)

2.1 視覺(jué)系統(tǒng)

2.1.1 視頻十字線的實(shí)現(xiàn)

為了保證機(jī)器人視覺(jué)的實(shí)現(xiàn)，這里選用的CCD攝像頭具有自帶紅外光源、視場(chǎng)范圍大的特點(diǎn)；為了準(zhǔn)確、快速、實(shí)時(shí)判斷和識(shí)別探測(cè)目標(biāo)，這里管理檢測(cè)運(yùn)用視頻分化技術(shù)生成的十字線。根據(jù)視頻十字線動(dòng)態(tài)和生成可調(diào)技術(shù)原理，同步分離輸入的視頻信號(hào)，包括場(chǎng)同步信號(hào)V和出行同步信號(hào)H。在每一個(gè)場(chǎng)同步頭信號(hào)到來(lái)時(shí)觸發(fā)延時(shí)，然后實(shí)現(xiàn)每場(chǎng)中某一行頭的獲取，延后觸發(fā)延時(shí)此行頭，讓行正程時(shí)間脈寬的脈沖信號(hào)取代行圖像信號(hào)，這樣一個(gè)橫線信號(hào)就能夠形成。每一個(gè)行同步信號(hào)到來(lái)時(shí)觸發(fā)延時(shí)，讓點(diǎn)脈沖信號(hào)替代每行某一點(diǎn)圖像，這樣豎線信號(hào)就形成了。在合成控制電路的作用下十字線信號(hào)代替視頻生成豎線信號(hào)和橫線信號(hào)，然后和原視頻信號(hào)的疊加，視頻十字信號(hào)就此產(chǎn)生。

通過(guò)場(chǎng)同步延時(shí)1、2的調(diào)節(jié)，進(jìn)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(shù)就能夠發(fā)生變化；通過(guò)延時(shí)1、2的調(diào)節(jié)，能夠時(shí)常橫線在屏幕上左右位置和橫線長(zhǎng)度的改變；通過(guò)行同步延時(shí)1、2的調(diào)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)十字線中豎線長(zhǎng)度和豎線在屏幕中左右位置的改變。利用以上的調(diào)節(jié)措施能夠移動(dòng)視頻十字線交點(diǎn)位置，進(jìn)而瞄準(zhǔn)屏幕上任何一點(diǎn)的目標(biāo)。

2.1.2 視頻探測(cè)能力的實(shí)現(xiàn)

在實(shí)現(xiàn)探測(cè)目標(biāo)的瞄準(zhǔn)后，機(jī)器人還需進(jìn)行測(cè)量和判斷，通過(guò)橫線視屏十字線中的橫線信號(hào)選行電路，并將視頻信號(hào)里橫線信號(hào)替代的視頻信號(hào)信息提取出來(lái)，然后采取二值化處理。我們?cè)诙祷幚頇M線選出視屏信號(hào)中運(yùn)用的是峰值保持浮動(dòng)閾值，這樣獲得的輸出結(jié)構(gòu)才足夠穩(wěn)定。非正常管道表面光學(xué)信息轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的量值能夠通過(guò)標(biāo)定閾值反映出來(lái)。最后的二值化信號(hào)的觸發(fā)采用視頻十字線信號(hào)，這樣就能夠產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于屏幕的十字線焦點(diǎn)視頻信號(hào)的判斷和測(cè)量結(jié)果。

2.2 嗅覺(jué)的實(shí)現(xiàn)

為了保證機(jī)器人嗅覺(jué)的實(shí)現(xiàn)，機(jī)器人鼻子我們選擇半導(dǎo)體的氣體傳感器，在探測(cè)管中有毒氣體時(shí)在綜合運(yùn)用傳感測(cè)控技術(shù)。實(shí)際當(dāng)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(biāo)定值大小與氣體濃度大小相對(duì)應(yīng)，因此能夠據(jù)此進(jìn)行危險(xiǎn)程度等級(jí)的設(shè)定，最后由單片機(jī)處理判斷信號(hào)。

但通常情況下會(huì)以混合氣體形式出現(xiàn)有毒氣體，同時(shí)在溫度不同和氣體濃度不同的情況下半導(dǎo)體敏元件的靈敏度和阻抗值會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而會(huì)有交差干擾出現(xiàn)于不同氣體之間，因此在混合氣體的判斷和識(shí)別中是無(wú)法使用單一敏感元件的。這里我們用多個(gè)敏感元件代替單一敏感元件，對(duì)于不同氣體他們具有不同敏感度。因?yàn)楸狙芯恐袡C(jī)器人的主要任務(wù)是定性探測(cè)管中有無(wú)有毒氣體，不分析氣體的濃度和組分，所以只需要對(duì)消除混合氣體的交叉干擾進(jìn)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(shí)現(xiàn)各氣敏元件的靈敏度和阻抗值的改變，進(jìn)而將混合氣體的交叉干擾降至最低。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本研究中機(jī)械人運(yùn)動(dòng)控制主要通過(guò)硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，本研究中設(shè)計(jì)的是兩級(jí)控制的機(jī)器人，也就是結(jié)合自動(dòng)控制和手動(dòng)控制。在手動(dòng)控制中能夠利用機(jī)電控制模塊實(shí)現(xiàn)電機(jī)的停止、啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人啟停、后退、前進(jìn)的控制；在自動(dòng)控制中，主要是利用嗅覺(jué)、視覺(jué)判斷結(jié)果信號(hào)進(jìn)行電機(jī)的停止和啟動(dòng)的控制。

為保證自動(dòng)控制和手動(dòng)控制之間的合理轉(zhuǎn)換，在制作的過(guò)程中應(yīng)當(dāng)設(shè)定：選擇輸出高電平是自動(dòng)控制，電機(jī)的啟停由嗅覺(jué)和視覺(jué)判斷結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制；選擇輸出低電平時(shí)手動(dòng)控制，電機(jī)不受視覺(jué)和嗅覺(jué)判斷結(jié)果的控制，管道中機(jī)器人的停止、后退、前進(jìn)由正轉(zhuǎn)鍵和反轉(zhuǎn)鍵控制。

3.2 控制程序設(shè)計(jì)

控制程序設(shè)計(jì)通常是在自動(dòng)控制情況下實(shí)現(xiàn)的，匯編語(yǔ)言編程時(shí)通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的，處理嗅覺(jué)、視覺(jué)判斷信號(hào)信息，然后將判斷結(jié)果輸出，同時(shí)控制風(fēng)扇和聲光報(bào)警器。這里兩個(gè)子程序只要由嗅覺(jué)判斷信號(hào)和視覺(jué)判斷信號(hào)處理。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章分析了融合嗅覺(jué)和視覺(jué)管道探測(cè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)，但仍存在一定局限，希望行業(yè)人員能夠加強(qiáng)重視，通過(guò)科學(xué)合理的管道探測(cè)機(jī)器人設(shè)計(jì)提升管道內(nèi)部探測(cè)的嗅覺(jué)和視覺(jué)水平。

參考文獻(xiàn)

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

作者簡(jiǎn)介：陳遠(yuǎn)偉（1969，10-），男，籍貫：四川開(kāi)江人，工作單位：達(dá)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，職稱：副教授，學(xué)位：工學(xué)學(xué)士，研究方向：機(jī)械制造。