管道檢測機器人的設計和系統分析

文/吳忠海

隨著國家經濟的飛速發展，管道使用范圍不斷擴大，對管道質量的要求也隨之提高，但是在長期使用的過程中，管道必然會出現裂紋、漏孔等故障，因此必須要定期對管道進行排查和養護。但是因為一部分管道內部可能含有有毒氣體，如果采用人工的方式展開養護檢測工作，會給工作人員造成身體上的傷害。因此，采用管道檢測機器人來代替人工，但是，很多管道檢測機器人的設計和系統還需要得到完善。

1 管道檢測機器人系統概述

管道檢測機器人系統應用在管道內部檢查工作中，可以幫助工作人員更好的檢查管道內表面的質量，及時開展相應的修補工作，而且機器人可以代替工作人員進入一些環境惡劣、管徑較小、含有毒氣的管道。一般情況下，管道檢測機器人有以下幾個方面組成，分別為：機器人機械本體、圖像采集、地面監控、電力供給這四個部分。其中機器人機械本體主要承擔著支撐機器人行走的工作，同時作為系統云臺輔助圖像采集、地面監控、電力供給完成工作任務。圖像采集系統中除了攝像設備之外，還需要安裝光源、傳感器、掃描設備等零部件，以此保證圖像采集任務圓滿完成。而地面監控系統是由計算機組成，針對機器人在管道內的運行情況進行監控，并且對圖像采集系統傳過來的圖片進行處理分析，具體判斷管道內的實際情況，明確出現缺陷的位置、缺陷的危害程度以及缺陷等級等的信息，還要根據上述信息，借助計算機技術給出最優方案。除了上述幾個方面之外，電力供給支撐著管道機器人運行，作為能量來源，是保證上述系統正常工作的基礎。在實際工作中，工作人員通過計算機發出指令，讓管道機器人進入管道并且在規定速度下在管道內運行，通過安裝在管道機器人機械本體上圖像傳感器和圖像采集系統，將管道內的實際情況傳遞給監控系統，讓工作人員及時的了解到管道內部狀態，同時，還會傳遞管道內的環境參數和機器人自身狀態，讓工作人員可以更加精準的操縱管道機器人，完成管道信息采集工作。

表1：管道檢測機器人的行駛速度測試數據

2 管道檢測機器人的軟硬件設計

2.1 硬件設計

本文設計出來的管道檢測機器人硬件模塊包括：主控模塊、外設傳感器模塊、Wi-Fi傳輸模塊。主要的處理器模塊是多功能芯片STM32F105，這種芯片本身的功耗低、效率高，在實際應用中可以更好的發揮作用。而且這種芯片包括了六種功能：CAN、ADC、SPI、I2C、USB、UART。

主控模塊：這個模塊主要負責的工作是控制管道檢測機器人的整個系統，主要包括四個部分：STM32F105微控制器、SDRAM、Flash、L298N電機驅動器。其中STM32F105微控制器最為重要，通過控制器控制機器人的轉動方向、前進方向、電機轉速、行駛速度。

外設傳感器模塊：在管道檢測機器人中包括了四個130型號的直流電機驅動，基于工作電壓，通過減速器后，最終輸出大約為180r/min。在這個模塊中主要包括了：兩個TowerPro SG90舵機、攝像機、UVC視頻捕獲設備、LED照明模塊、供電模塊等。其中SG90舵機的作用是控制攝像頭進行轉動，UVC視頻捕獲設備是這個模塊的核心，通過UVC可以對圖像數據進行高效快速的處理，不僅如此，使用這種視頻捕獲設備可以有效降低開發難度，同時還可以減少在硬件設計復雜性，減免驅動方式。

Wi-Fi傳輸模塊：在該管道檢測機器人中采用的是AR9331處理器，這種處理器本身功能較為強大，在實際開發中較為方便。只需要進行少量的外設就可以展開工作，在整個Wi-Fi傳輸模塊中包括了：SDRAM、ROM、Linux系統等部分，此外在Wi-Fi傳輸模塊還利用Micro-USB接口來傳輸控制數據信息。

2.2 軟件設計

在管道檢測機器人的軟件設計部分主要可以分為三個環節，分別為：下位機軟件模塊、上位機軟件模塊、Wi-Fi軟件模塊。其中上下位機軟件模塊實現了對管道檢測機器人的運動控制、數據收發、圖像數據的接收處理、發送控制命令等功能。在軟件設計過程中下位機軟件模塊以及Wi-Fi軟件模塊最為重要，是管道檢測機器人的核心部分。首先是Wi-Fi模塊設計，在對這個模塊進行設計中，需要利用三個軟件：MJPG-streamer、LuCI、Ser2net。經過參數初始化后，首先要啟動配套的服務程序，在此基礎上，建無線連接點AP，對登錄管理界面進行簡單的設置，在建立好無線連接點后，就可以和上位機進行連接。其次是下位機軟件設計，由上述內容可知，下位機中的控制芯片為STM32F105，這種通用嵌入式處理器，可以更好的控制機器人的運動軌跡，還具有了告警檢測功能。

3 管道檢測機器人內部系統設計

3.1 機器人的本體

一般的管道檢測機器人系統由機械本體、圖像采集系統、地面監控系統以及電力供給系統組成，不同系統承擔著不同的任務。機器人機械本體是整個系統的基礎部分，機械本體性能的好壞，會對控制性能造成直接的影響。因此，必須要保證機器人本體性能、結構的良好，以此讓管道機器人可以完成多樣化運動。這就需要對管道機器人的移動方式、管道機器人的驅動方式、云臺系統進行設計，從而有效提高的環境適應能力。

3.2 圖像采集系統

管道檢測機器人中最為重要的就是圖像采集系統，通過圖像采集系統可以讓工作人員對管道內部情況形成更加全面的了解。利用CCD攝像頭、PCI數據采集卡和PC機組成一個CCD圖像采集系統，基于數字圖像處理技術，針對管道內部采集到的圖片信息進行處理。不僅如此，通過圖像采集系統還可以管道內部檢測和缺陷進行全面的評價。

3.3 控制系統設計

在管道檢測機器人中應用的控制系統是由PC機和運動控制卡組成的，通過這種方式，可以對管道檢測機器人的運動以及圖像采集工作進行全面的控制，根據上文對管道檢測機器人軟件設計的分析，可知在控制系統中基于PC機對下位機進行開放式控制。而通過PMAC2A-PC104運動控制卡控制機器人的四軸運動。總的來說，這種控制系統有效提高了機器人的開放性、可移植性、網絡通訊能力。

3.4 電力供給系統

除了上述幾個方面之外，管道檢測機器人的電力供給系統也必不可少，一般會設計兩種不同的電力供給方式，分別為：機械內部蓄電池、動力電纜。但是前者，存在較大的故障隱患，一旦在管道檢測機器人運行中電池發生故障，那么就會直接導致管道機器人無法正常工作，嚴重的情況下，甚至無法收回管道機器人。但是后者也存在一定的缺點，主要表現為：管道機器人的拖動負載加大，無法完成遠距離的運行。綜合這兩種動力供給方式，選擇分段檢測的方式，同時采用輕質抗拉力的纜線，以此規避電纜使用中存在的缺陷。

4 管道檢測機器人實踐驗證分析

本文設計出來的管道檢測機器人可以各種管道的檢測，不僅可以在被檢測管道中實現穩定的行走，同時還可以對管道檢測進行自動檢測和評價。除此之外，在實際應用中，還能為管道檢測機器人提供強勁動力，為了進一步驗證機器人的實際應用情況，本文對進行了全面的實驗研究，針對管道檢測機器人的機動性能、云臺性能、防水性能、以及自動排線性能等都進行了全面的分析研究。以行駛速度測試為例，以普通水平地面走廊作為實驗環境，驗證機器人的行駛速度，計算出行駛速度的平均值，表1為管道檢測機器人的行駛速度測試數據。

爬坡能力測試也是管道檢測機器人應用過程中的重要檢測項目，觀察管道檢測機器人在橡膠坡面、平板車坡面等方面的運行情況，通過本文的具體實驗分析檢測可知，本文設計出來的管道檢測機器人，具有著較強的越障能力、爬坡能力、運行能力，可以滿足不同管道對管道檢測機器人的作業要求。將其放置在實際的管道中測試后，可以得到清晰的管道內部面貌。

5 總結

綜上所述，基于管道檢測工作的主要作業內容，提出了一種管道檢測機器人系統，通過實際驗證結果表明本文設計出來的系統可以完成管道巡檢任務。不僅如此，工作人員可以通過手動控制保證管道檢測機器人的運動軌跡，從根本上簡化了小車運動軌跡，從而高效完成巡檢作業。此外，管道檢測機器人系統中還增加了圖像檢測、報警等功能，進一步減輕了工作人員的負擔，值得在未來管道工作中推廣。