一種可視化管道檢測機器人系統的設計

陳小花

摘 要：管道作為城市的“生命線”，維護檢修是管道維護人員的日常工作。為提高管道維護便利性，降低維護成本，本文設計一個基于視頻采集技術的管道檢測機器人系統，做到管道檢測的可視化。系統物理上分為管道檢測機器人、遠程操作器兩大部分。管道檢測機器人內置控制器用于驅動電機，實現對機器人的運動控制；通過攝像頭視頻采集后以無線網絡方式回傳到遠程操作器，在液晶屏上實時顯示視頻；在遠程操作器上可對視頻進行錄像、抓圖、文件導出、也可控制機器人的運動方向、攝像頭的轉動方向等。

關鍵詞：視頻 管道檢測 機器人 可視化

中圖分類號：TP311.52 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）07（c）-0084-02

管道是保障城市運行的重要基礎設施，覆蓋城市供排水、燃氣、電力、通信等管線及其附屬設施，管道極大方便了人類的生活[1]。但管道部署環境復雜、內部物質特殊、作業不可隨意間斷，管道的日常保養維護、尤其當管道內部出現問題時快速定位及緊急搶修就顯得困難。借助管道檢測機器人可以很大程度上解決此難題。目前管道檢測機器人實現存在多種方案，有采用基于分布式光纖傳感器的檢測方法[2]、采用超聲檢測方案[3]、采用傳感器感知機構的檢測機器人[4]、輸油管道上的無人機巡檢方式應用[5]、有采用同軸電纜進行視頻采集的四輪驅動檢測機器人。以上多方案各有優缺點及不同的適用場景，本文主要設計一套采用無線網絡方式，由遠程操作器控制機其運動的器人，利用機器人前方安裝的攝像頭采集視頻，通過網絡回傳視頻供維修人員參考、操作，系統使用方便，設備較為輕巧，便于日常檢測。

1 功能設計

在可視化方面，系統遠程操作器上配置液晶屏，實時顯示當前機器人在管道內拍攝到的畫面及當前所處位置。在遠程操作器上可啟、停錄像動作，對錄像文件進行保存，便于后續視頻回放及分析定位。在視頻實時顯示或者錄像文件回放過程中如發現某處管道存在隱患則可觸發抓拍，抓取當前幀畫面。通過錄像的動態顯示、圖片的靜態顯示，為管道檢測人員提供數據分析，快速檢索定位問題（圖1）。

2 系統硬件框架

根據系統功能設計系統框架如圖2所示。

系統分為管道機器人設備及遠程操作器。管道機器人放置在管道內運行，硬件上配備：六輪驅動，動力電池組，在機器人前方安裝攝像頭，考慮到管道內可能光線不足在攝像頭兩側安裝照明燈用于補光，利于拍攝清晰畫面。機器人內置控制板處理器基于ARM的內核設計，選擇低功耗芯片，內含Wi-Fi模塊，電機驅動等模塊。機器人遠程操作器可接收攝像頭視頻數據，還與機器人控制器進行通信，控制機器人運動方向及照明燈的開關。檢測到用戶操作時，轉換成指定協議命令，下發到機器人內置的控制器上控制電機；接收攝像頭控制命令，調整拍攝角度；遠程操作器另可外配無線鼠標及鍵盤，配備液晶屏、外接存儲設備。遠程操作器提供友好人機操作界面，設置檢測的管道區域名稱、系統參數配置、錄像文件導入導出等。遠程操作器的主控模塊采用樹莓派，樹莓派是一款基于Linux的單片機電腦，體積小巧，支持分辨率從640×350至1920×1200、支持PAL和NTSC制式、具備Wi-Fi無線網絡及藍牙功能、標準SD卡接口[6]，符合本系統需求。

3 子模塊系統介紹

3.1 供電系統

管道檢測機器人的電力供給，主要有機械本體攜帶電池和通過動力電纜從外部獲得電力供給兩種方式。外部動力電纜雖有不斷電優點，但負載重、拖曳不便，而機械本體攜電具有攜帶方便、拖動負載小、運動操控好的優點。本系統采用本體攜帶動力電池組方案。但自攜帶電池若電量不足或電池故障時，會存在機器人無法正常工作，甚至無法收回風險。為解決此問題，系統周期性檢測當前電量并顯示，當電量有不足風險時警告提醒。另配置輕質抗拉力的外接繩索，解決一旦發生上述問題時，可通過繩索取回機器人。管道機器人內部另攜帶供電模塊，一路為攝像機提供電源，另一路為機器人內的控制器提供電源。

3.2 控制系統

遠程操作器上配置有機器人的運動方向控制及啟停操作。通過遠程操作器與檢測機器人內部的控制器通信。當控制器接收到手桿操作后，根據協議約定發送命令，機器人控制器接收解析后發送信號到電機驅動模塊，驅動電機運動。兩者通過Wi-Fi進行通信，避免長距離的電纜外接，減少機器人負重。機器人上安裝的攝像頭帶有云臺功能，當遠程操作器檢測到攝像頭方位調整動作時，發送協議到攝像頭控制云臺轉動，支持對管道進行全方位掃描。

3.3 機械驅動系統

本系統中管道檢測機器人配置6輪驅動，增加機器人在管道中的運動精細度及驅動力。管道檢測機器人的驅動裝置，目前主要有電動、氣動、液壓3種方式，其中電動式動作靈敏度高，控制簡單，在管道機器人中應用最為廣泛[7]。管道檢測機器人的移動方式有輪式、蠕動式、蛇形式、多足行走、螺旋驅動式等。綜合比較，輪式驅動具有驅動能力強、主動轉向性好，運動效率高，可靠性好等優點，因此本系統選擇輪式移動方式。驅動結構上采用六輪驅動方式。

3.4 圖像采集系統

圖像采集系統是管道檢測機器人的重要組成部分。所采用的攝像頭結構輕巧，分辨率達到200萬以上。系統實時播放采集到的圖像且疊加當前管道位置信息。系統通過參數配置設置高清、標清、流暢畫面，調節視頻畫質。遠程控制器上可開啟錄像功能，將采集到的圖像以錄像文件保存。視頻實時播放過程中，當遇到管道可疑隱患時，操作人員可抓拍當前幀畫面，以圖片方式保存。錄像、圖片文件可通過USB口，外界存儲設備導出。錄制文件也可在遠程操作器上回放，便于工作人員回放定位，支持常用播放功能，如快進、快退、暫停、繼續功能。

4 結語

本文針對管道檢測作業設計了一種可視化的管道檢測機器人，通過機器人與遠程操作器通信，實現對機器人運動遠程控制；通過遠程操作器與安裝在機器人前方的攝像頭對接，獲取視頻畫面并顯示，做到準確控制機器人運動，完成檢測任務。借助本系統可提高檢測效率，改善檢修人員的作業環境。本系統目前是通過機器人攜帶攝像頭拍攝管道內部，提供視頻供檢修人員檢查分析，下一步工作可基于視頻智能分析，根據管道的常見問題，做到當拍攝到管道疑似隱患時自動報警、截圖，減少人工識別，探索無人化檢測技術。

參考文獻

[1] 張義.城市燃氣管道檢測機器人測控系統研究[D].北京：北京石油化工學院，2015.

[2] 馮新，張宇，劉洪飛，等.基于分布式光纖傳感器的埋地管道結構狀態檢測方法[J].油氣儲運，2017，36（11）：1251-1257.

[3] 周衛源，方飛，陳立建，等.面向地下管道的四向行走智能機器人系統[J].傳感器與微系統，2017，36（9）：73-76.

[4] 趙果，葉斯哈納提·葉爾哈力，吳敏.無人機巡線系統在高含硫集輸管道中的應用研究[J].試驗研究，2018，37（2）：20-23.

[5] 金權，王帥.詳解機器人基礎入門知識[J].機器人產業，2018，3（1）：73-75.

[6] 王偉，封立澤，劉占民.管道檢測機器人的設計和系統分析[J].安徽師范大學學報，2013，36（6）：547-549.