管道巡檢機器人的開發

李琪，黃慶典，方嘉煒，莊子槺

管道巡檢機器人的開發

李琪，黃慶典，方嘉煒，莊子槺

（廣東慧航物聯科技有限公司，廣東 東莞 523000）

針對管道環境存在較惡劣的狀況，開發了一種三輪式的管道巡檢機器人，能平穩地沿管道移動，并且對管道外徑存在微小變化的情況具有自適應性，該機器人能在地下管道較遠的范圍內正常回傳檢測數據及圖像。

管道；巡檢機器人；Stm32F103；Χ射線

隨著城市化和工業的發展，信息與能源的輸送都采用地下管道的方式，管道成為了城市的重要組成部分。管道的布局往往是沿著馬路進行的，這些管道需要定期檢查與維護，因此人們平時所見的道路施工很可能就是在進行管道維護。由于管道深埋地下，容易藏水，工人檢查管道時的環境比較惡劣，黑暗、潮濕、缺氧甚至可能還有臭味，這些因素都影響著工人的工作效率以及身體健康。因此，國內外涌現了一大批學者研究管道巡檢機器人來代替傳統的人工檢查，其中韓國高校開發了特種檢測機器人，其由6組行星驅動輪支撐在管壁上，可調連桿調節驅動輪以適應不同的管徑檢測。國內有代表性的管道檢測機器人是由哈工大開發的Χ射線實時檢測機器人[1]。

本文在分析現有管道巡檢機器人的基礎上，結合管道的實際布局情況，開發了可沿管道外壁作業的巡檢機器人，對管道外徑存在微小變化的情況具有自適應性，具有自動巡檢與手動控制的工作方式，具有360°監控以及10倍變焦的攝像頭功能，能實現管道環境的高清檢測。

1 機械結構設計

管道一般呈圓形，管道上表面是接觸潮濕空氣最多的部位，容易銹蝕破裂[2]，因此，需要重點檢測管道上表面。本文的管道巡檢機器人的機構設計如圖1所示，其移動方式為三輪式，三個輪分別設置在0°、90°、180°的位置，機器人通過接觸管道的這三個位置進行移動，每個輪子都單獨由一個電機驅動。0°與180°位置的輪子水平設置，并分別與右支架、左支架連接，90°位置的輪子豎直設置在左支架與右支架的夾縫處，左支架與右支架上方的通孔同軸設置，并通過扭簧連接，其效果是可自動調節0°與180°位置的輪子的相對距離，從而適應不同的管徑。

為了增加機器人的功能，實現更好的檢測效果，本文在三輪式移動平臺上方設置了用于盛放傳感器的載板，載板上方設置有舵機架，通過舵機架進一步在上方設置了連接舵機的轉盤，舵機設在舵機架的下方并與舵機架固定連接。轉盤上方設置了用于固定LED照明燈以及10倍變焦攝像頭的日字架，為獲得更好的照明環境，LED照明燈設置在10倍變焦攝像頭的正上方。在舵機的作用下，LED照明燈與10倍變焦攝像頭可多角度轉動，從而能仔細查看管道各個角度的實際情況。為保護機器人的整體結構，避免意外撞壁造成塌方，機器人載板的上前方還設置了激光測距傳感器。管道巡檢機器人如圖1所示。

1—管道；2—左支架；3—右支架；4—扭簧；5—輪子；6—電機；7—載板；8—舵機架；9—舵機；10—轉盤；11—日字架；12—10倍變焦攝像頭；13—LED照明燈；14—激光測距傳感器。

2 控制系統開發

管道巡檢機器人的控制系統主要由機器人移動及云臺系統、無線通訊系統、照明及監控系統、檢測系統組成。Stm32F103控制器運算速度快、運行穩定，并且能耗低，因此利用它搭載控制系統，外接電機驅動器以及檢測類傳感器、通訊傳感器，另由攝像頭以及圖傳模塊、顯示器組成監測系統。機器人系統框架如圖2所示。

2.1 機器人移動及云臺系統

該系統以Stm32F103控制器為中心，輸出3組高低電平以及3路脈沖到電機驅動器，從而控制3個電機帶動輪子，實現在管道上移動，Stm32F103控制器具有最多30路的pwm輸出功能。本文需要3個直流電機協同作業，因此需要分別獨立驅動3個電機，不同的L298N電機驅動模塊差異在于具有2路或者4路的輸出功能，本文將使用具有4路輸出的該模塊。通過Stm32F103控制器變換L298N電機驅動模塊同一組方向控制端子的電平信號改變電機轉向，從而實現控制機器人的前進與后退，通過Stm32F103控制器改變L298N電機驅動模塊各路的pwm輸入值來改變電機轉速，從而控制機器人移動的速度。通過Stm32F103控制器輸出第4路pwm控制舵機帶動轉盤，使得攝像頭多角度拍攝管道環境，最終構成機器人的云臺系統。

圖2 機器人系統框架

2.2 無線通訊系統

管道巡檢機器人需要具有自動控制模式與手動控制模式，模式之間的切換以及手動控制需要通訊實現，特別是通過機器人多方向查看管道的環境時，就需要控制攝像頭的角度。機器人在地下沿管道巡檢時拖著控制用的電纜十分不便[3]，因此已經有相關學者開發了適用于地下通道的無線通訊技術，本文利用433數傳技術對機器人進行無線控制。Stm32F103控制器具有UART串口通訊的功能，433數傳模塊共有一對，其中一個433數傳模塊通過TX、RX接口分別連接到Stm32F103控制器的RX、TX，跟隨著機器人移動，另一個433數傳模塊通過USB接口連接到地面站，地面站設置于機器人進入地下管道的入口附近，如此就可以穩定地控制機器人工作以及接收機器人反饋的信息。

2.3 照明及監控系統

照明系統與監控系統是相互獨立的，但又是同步工作的。機器人通電時，照明系統與監控系統同時打開，即LED照明燈亮起以及攝像頭開始監控。攝像頭是一種10倍變焦攝像頭，通過5.8 G圖傳模塊與地面站顯示器進行無線圖像傳輸，5.8 G圖傳模塊由發射、接收兩個子模塊組成，5.8 G圖傳模塊發射端設置在機器人載板上，通過micro USB接口連接10倍變焦攝像頭的視頻輸出口，5.8 G圖傳模塊接收端設置在地面站，5.8 G圖傳模塊接收端與顯示器通過視頻線連接，在顯示器上即可看到拍攝的畫面。

2.4 檢測系統

檢測系統包括機器人測量移動方向上有無障礙物，以及檢測管道環境的濕度。機器人利用激光測距傳感器檢測障礙物，通過Stm32F103控制器讀取激光測距傳感器的pwm輸入信號，通過AD轉換，計算出測量前方的距離[4]，通過無線通訊系統，激光測距傳感器的測距數據傳輸到地面站顯示。此外，機器人向前移動過程中，當激光測距傳感器檢測到機器人十分接近障礙物時，機器人會優先執行自動停止的指令，下一步只允許工作人員手動控制機器人后退，如此保障機器人不撞上障礙物。機器人通過Stm32F103控制器連接的濕度傳感器測量管道環境的濕度，濕度的數據值也通過433數傳模塊回傳到地面站，如果當前檢測的環境濕度值過大，工作人員需要通過攝像頭查看有無滲水情況，以便及時處理，防止管道發生更嚴重的銹蝕。

3 結束語

管道巡檢機器人在模擬的管道環境下測試結果如下：當機器人開始工作時，通過Visual Basic（VB）軟件開發的地面站上位機監控系統能接收到檢測數據，并且通過上位機能控制攝像頭多角度轉動，攝像頭拍攝的環境圖像回傳正常。綜上所述，本文針對圓形管道開發了巡檢機器人，能有效代替傳統的人工檢測，為管道檢測行業提供了一種電子化、數字化的解決方案。

［1］劉濤，佃松宜，龔永銘，等.一種用于電纜管道排管作業與巡檢的遙操作機器人［J］.現代制造工程，2013（4）：35-39.

［2］張寧.油氣管道腐蝕檢測技術與防腐措施［J］.全面腐蝕控制，2018，32（7）：108-109.

［3］李灝.基于數字圖像處理技術的無纜管道檢測機器人研究［D］.南京：南京航空航天大學，2018.

［4］蘇燕，徐艷華.基于單片機的激光測距系統設計［J］.激光雜志，2017，38（9）：128-131.

TP242

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.14.052

2095－6835（2019）14－0116－02

李琪（1990—），男，廣東東莞人，學士，研究領域為機電工程。

〔編輯：張思楠〕