智能管道探測(cè)機(jī)器人的研制

張卓　陳旭　王文斌　趙越

摘要：管道作為一種重要的物料運(yùn)輸手段，其應(yīng)用范圍極為廣泛。在對(duì)工業(yè)管道檢測(cè)現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上，文章設(shè)計(jì)了應(yīng)用于工業(yè)管道的結(jié)合機(jī)器視覺技術(shù)的智能管道探測(cè)機(jī)器人。其原理是在目前已普及的輪式小車的基礎(chǔ)上結(jié)合機(jī)器視覺設(shè)備和信號(hào)傳輸設(shè)備，與各種探測(cè)傳感器合作。利用機(jī)器視覺技術(shù)解決了探測(cè)機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下的探測(cè)的局限性以及通過無線信號(hào)傳輸解決線纜的穿引問題。本系統(tǒng)機(jī)器視覺模塊采用現(xiàn)成的DSP+FPGA開發(fā)板，進(jìn)行再次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)圖像采集與處理。

關(guān)鍵詞：管道探測(cè)機(jī)器人；機(jī)器視覺；DSP

管道在使用過程中，由于雜質(zhì)的長期堆積，會(huì)在管道各個(gè)地方形成堵塞，產(chǎn)生損傷故障。如果不及時(shí)對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)、維修及清理，就可能阻礙工業(yè)生產(chǎn)，造成損失。因此及時(shí)探測(cè)管道工作環(huán)境顯得尤其重要。然而，管道內(nèi)部環(huán)境狹窄難以人工作業(yè)。因此最有效的方法

就是利用管道探測(cè)機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)對(duì)管道內(nèi)工作環(huán)境的探測(cè)。

機(jī)器視覺技術(shù)可以快速獲取大量信息，而且能處理大量圖像數(shù)據(jù)，機(jī)器視覺系統(tǒng)的特點(diǎn)是可以提高生產(chǎn)的智能化和自動(dòng)化程度。在管道探測(cè)機(jī)器人方面，通過相關(guān)文獻(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)傳統(tǒng)管道機(jī)器人的采用有線控制的結(jié)構(gòu)模式以及傳輸圖像信號(hào)未經(jīng)機(jī)器視覺處理。人們通過對(duì)它的技術(shù)和實(shí)物運(yùn)行進(jìn)行分析了解發(fā)現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)具有一些缺點(diǎn)。首先，傳統(tǒng)探測(cè)機(jī)器人采用有線式控制的結(jié)構(gòu)模式會(huì)隨著機(jī)器人運(yùn)動(dòng)距離增大與環(huán)境的復(fù)雜多變而阻礙機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，這樣使得探測(cè)機(jī)器人對(duì)環(huán)境要求較高，而對(duì)環(huán)境適應(yīng)性較差。其次，機(jī)器人對(duì)于一些有煙霧或者有毒氣體以及能見度較低的環(huán)境的探測(cè)，如果未經(jīng)處理而直接回傳圖像信息使探測(cè)的結(jié)果準(zhǔn)確度較低。

通過機(jī)器視覺和無線信號(hào)傳輸與洞穴探測(cè)相結(jié)合可以提高此智能管道探測(cè)機(jī)器人對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性以及對(duì)環(huán)境探測(cè)的準(zhǔn)確度。因此，研發(fā)這種與機(jī)器視覺結(jié)合的智能管道探測(cè)機(jī)器人具有一定的市場前景和科研價(jià)值。

1.機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1整體結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目所研究的智能管道探測(cè)機(jī)器人設(shè)計(jì)為兩層層架構(gòu)，尺寸為40cmX30cm×30cm，最上面一層頂端安放攝像頭以及安放DSP+FPGA圖像采集與處理設(shè)備，第二層安裝運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備與運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)設(shè)備和信號(hào)傳輸設(shè)備以及探測(cè)設(shè)備和電源。該智能管道探測(cè)機(jī)器人以輪式機(jī)器人形式開發(fā)，由于機(jī)器人要求在較為復(fù)雜的環(huán)境下運(yùn)動(dòng)進(jìn)行探測(cè)，因此，在滿足功能的前提下機(jī)器人要求體積最小，而要求智能管道探測(cè)機(jī)器人在管道內(nèi)穩(wěn)定且靈活運(yùn)動(dòng)則要求機(jī)器人結(jié)構(gòu)重心低并且車輪大。機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2攝像頭模塊

為更好實(shí)現(xiàn)該款智能管道機(jī)器人的圖像采集功能，采用了720P的高清攝像頭，并搭載了2個(gè)自由度攝像云臺(tái)，使用舵機(jī)操作控制。從而使攝像機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)上下左右多角度的旋轉(zhuǎn)，在實(shí)際操作下，能夠采集到更多的圖像信息便于后面的機(jī)器視覺圖像處理。

1.3DSP模塊

根據(jù)實(shí)際需求數(shù)字處理部分必須采用以數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processing，DSP）芯片為核心的嵌入式圖像采集處理系統(tǒng)，以滿足機(jī)器人對(duì)圖像處理的快速性，精確度高，低功耗的要求。同時(shí)，本智能管道探測(cè)機(jī)器人直接使用現(xiàn)成的DSP+FPGA開發(fā)板，進(jìn)行再次開發(fā)，可以極大限度地縮短本模塊的設(shè)計(jì)開發(fā)周期。同時(shí)，該DSP系統(tǒng)具有體積小、重量輕的特點(diǎn)，非常適合安裝在機(jī)器人上。

1.4運(yùn)動(dòng)控制與驅(qū)動(dòng)模塊

為使移動(dòng)機(jī)器人具有較高的機(jī)動(dòng)性和靈活性，能準(zhǔn)確迅速地完成前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向與急停等動(dòng)作，需要對(duì)智能管道探測(cè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制芯片與驅(qū)動(dòng)芯片以及電機(jī)進(jìn)行精心選擇。本機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制模塊與驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)采用80$52單片機(jī)與LM629芯片，而電機(jī)選用直流伺服電動(dòng)機(jī)。

1.5探測(cè)設(shè)備

本智能管道探測(cè)機(jī)器人在機(jī)器人上加裝不同的探測(cè)傳感器可以實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)的探測(cè)。例如可以通過在智能管道探測(cè)機(jī)器人上安裝用于溫度、濕度、有毒氣體等探測(cè)傳感器與位置傳感器實(shí)時(shí)回傳環(huán)境的數(shù)據(jù)。探測(cè)設(shè)備與單片機(jī)串口連接通過信號(hào)傳輸模塊傳輸實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)。

2.機(jī)器視覺處理的實(shí)現(xiàn)

此部分主要包括的是對(duì)攝像頭采集的圖像進(jìn)行圖像處理，例如圖像去霧處理、降噪處理、圖像增強(qiáng)處理、圖像壓縮處理。對(duì)于本智能管道探測(cè)機(jī)器人，機(jī)器視覺處理過程運(yùn)算量大且復(fù)雜，因此需要較高的運(yùn)算速度和運(yùn)算精度，可以考慮時(shí)鐘頻率高的浮點(diǎn)型DSP來解決計(jì)算精度問題和速度問題。本智能管道探測(cè)機(jī)器人機(jī)器視覺處理部分的開發(fā)以及機(jī)器視覺處理過程如圖2-3所示。

2.1圖像壓縮

對(duì)于本智能管道探測(cè)機(jī)器人，機(jī)器視覺處理過程運(yùn)算量大且復(fù)雜，因此需要對(duì)管道內(nèi)采集的圖像進(jìn)行壓縮處理，其首要任務(wù)是設(shè)法去掉各種冗余的數(shù)據(jù)。為了提高后續(xù)圖像處理的精度，本智能管道探測(cè)機(jī)器人采用的無損壓縮算法為LZw壓縮算法。LZW壓縮技術(shù)具有很高的壓縮比，可以在保持管道內(nèi)部圖像準(zhǔn)確度的前提下降低后續(xù)圖像處理的計(jì)算量。

2.2圖像降噪

管道應(yīng)用與各種復(fù)雜惡劣的生產(chǎn)環(huán)境。因此管道環(huán)境通常處于亮度弱能見度低的條件下，因此在管道中采集常常會(huì)受到各種噪聲的干擾和影響而使圖像降質(zhì)。本智能機(jī)器人采用偏微分方程降噪算法，偏微分方程具有各向異性的特點(diǎn)，應(yīng)用在圖像去噪中，可以在去除噪聲的同時(shí)，很好地保持邊緣吲。

2.3去霧處理

管道探測(cè)機(jī)器人在實(shí)際運(yùn)用中會(huì)在具有煙霧，能見度低的環(huán)境下工作。這種環(huán)境導(dǎo)致攝像機(jī)采集到的管道圖像存在模糊對(duì)管道環(huán)境探測(cè)不明的情況，這時(shí)使用去霧算法來對(duì)采集到的管道環(huán)境圖像進(jìn)行處理。該智能管道探測(cè)機(jī)器人使用的Dark Channel Prior算法可以還原圖像的顏色和能見度，是一種簡單有效的去霧方法。通過我們核心去霧算法的實(shí)現(xiàn)，能夠看到所對(duì)采集的視頻圖像經(jīng)過自動(dòng)去霧處理后變得明顯清楚，通過此功能的應(yīng)用，智能管道探測(cè)機(jī)器人應(yīng)用到一些有毒有色氣泄漏或者有煙霧的管道進(jìn)行探測(cè)工作。

2.4圖像增強(qiáng)

圖像增強(qiáng)的目的是提高管道圖像的質(zhì)量，除噪聲，提高圖像的清晰度突出探測(cè)視頻流中重要的部分，使管道環(huán)境中物體輪廓清晰，細(xì)節(jié)明顯。本智能管道探測(cè)機(jī)器人圖像增強(qiáng)處理采用對(duì)數(shù)圖像增強(qiáng)算法，對(duì)數(shù)圖像增強(qiáng)是圖像增強(qiáng)的一種常見方法，通過圖像增強(qiáng)算法提高了對(duì)環(huán)境探測(cè)的準(zhǔn)確度以及增加了對(duì)管道環(huán)境的了解。

3.控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)中，由高清攝像頭與TI公司的視頻采集子卡負(fù)責(zé)圖像的采集。通過圖像處理母板獲得視頻采集子卡捕獲的管道圖像信息后對(duì)其進(jìn)行處理，經(jīng)過復(fù)雜的圖像算法處理后通過信號(hào)傳輸模塊進(jìn)行傳輸。同時(shí)，通過通信接口，信號(hào)傳輸設(shè)備參數(shù)傳遞給89S52單片機(jī)。89S52主要完成以下功能：首先，接收通信接口的控制數(shù)據(jù)，經(jīng)程序運(yùn)算輸出左右輪的速度參數(shù)，下載運(yùn)動(dòng)參數(shù)給IM629芯片控制直流電機(jī)工作。其次，89S52單片機(jī)將傳感器獲取的探測(cè)數(shù)據(jù)通過通信串口傳輸?shù)叫盘?hào)傳輸設(shè)備。

根據(jù)整體設(shè)計(jì)分析，最終確定系統(tǒng)的總體方案如圖4所示。

4.結(jié)語

本智能管道探測(cè)機(jī)器人的核心技術(shù)涉及機(jī)器視覺技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)。首先，為了避免數(shù)據(jù)信號(hào)線降低管道探測(cè)機(jī)器人環(huán)境適應(yīng)能力，使其探測(cè)具有較大局限性，本智能管道探測(cè)機(jī)器人采用無線信號(hào)傳輸。其次，將機(jī)器視覺技術(shù)與管道探測(cè)機(jī)器人相結(jié)合發(fā)揮了機(jī)器視覺技術(shù)精度高、智能化、靈活性好的優(yōu)點(diǎn)，使本智能管道探測(cè)機(jī)器人在有煙霧、能見度低的環(huán)境下，精確地探測(cè)管道環(huán)境，并且對(duì)于一些特殊復(fù)雜的環(huán)境探測(cè)具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。