仿蛇形巡檢機器人控制系統設計

王甦 薛超 李雅琳 佘彥杰

摘? 要：現有地下農業電纜中已出現相當數量的老化線路，為保證其穩定性需要對電纜進行巡檢和常規維護。但由于通道狹窄且人工操作時電纜帶電運行，極易發生事故。仿蛇形機器人具有其獨特的形態結構，以樹莓派作為遠程控制端，搭載具有識別功能的紅外攝像頭及高敏度傳感器，可在復雜地形中實現避障，翻越等自由活動。該成果可應用于地下農業電纜定點檢測和維修項目，減少農業生產成本、提高工作效率。

關鍵詞：仿蛇形巡檢機器人;地下電纜維護;Raspberry Pi;紅外識別;避障翻越;控制系統

中圖分類號：TP242 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）36-0037-02

Abstract： In order to ensure the stability of the existing underground agricultural cables， it is necessary to inspect and maintain the cables routinely.However， due to the narrow channel and manual operation when the cable is running live， accidents are very easy to occur.Snake-like robot has its unique morphological structure. With raspberry PI as the remote control terminal， it is equipped with infrared camera with recognition function and high sensitivity sensor， and it can achieve free activities such as obstacle avoidance and jumping in complex terrain.The results can be applied to the fixed-point inspection and maintenance project of underground agricultural cable to reduce the cost of agricultural production and improve work efficiency.

Keywords： snake-like patrol robot; underground cable maintenance; Raspberry Pi; infrared identification; obstacle avoidance crossing; control system

引言

電纜溝內鋪設電線節省投資、占地更少、走向更加靈活且能容納較多電纜，但是由于纜溝位于地下，環境腐蝕或其他自然災害很容易對其造成影響，在檢修維護時非常不方便。傳統的巡檢方式不能深入電纜溝內部，檢修人員無法查看內部狀況，維修會消耗大量人力與財力。因此，電纜巡檢工作迫切地需要可以靈活穿梭于地下通道之間的一種機器人。

在吸收和消化現有巡檢機器人的優點上，設計出一套可以實時監測并反饋電纜溝內排線狀況的裝置，并能根據電纜溝內具體環境智能避障的仿蛇形巡檢機器人，對農業電纜巡檢具有重要意義。

1 蛇形機器人本體結構及控制系統硬件設計

該系統由正交結構、主動輪、從動輪、步進電機、數字舵機、舵機控制板、紅外攝像頭以及Raspberry Pi組成，可劃分為本體結構和電氣控制兩部分。

本體結構采用部分模塊化設計，仿蛇形巡檢機器人分成若干個模塊，蛇身各個模塊具有相同的結構設計和控制元器件。每個模塊包括舵機連接件和蛇身，各舵機連接件裝有兩個數字舵機和兩個舵機模型。

電氣控制部分由Raspberry Pi結合舵機控制板，通過控制舵機角度的變化來控制機體的運動;Raspberry Pi作為機體的大腦，負責圖像識別和處理。電氣控制部分和紅外攝像頭經過Raspberry Pi圖像處理的有效結合，實現巡檢機器人的智能化靈活轉動，完成電纜溝的巡檢工作。

蛇身由多個結構相同的模塊組成，各個模塊之間通過正交結構連接，保證機體實現“仿蛇形”自由動作。每個模塊包括機身和關節兩部分，數字舵機相比于模擬舵機，具有防抖動，響應速度快、作用效果靈活可變的優點，在使用時可提供更高的精度和更好的固定力量，而相比于伺服電機，數字舵機更易于實現控制。關節底部設計有兩個萬向輪作為從動輪，保障機體二維平面的運動。

蛇尾裝有雙軸步進電機，相比于單軸電機，結構更加一體化，且步進電機既可調節速度，也可實現正反轉。電機上裝有主動輪，與從動輪協調動作，用來驅動機體的運動。系統整體結構如圖1所示。

Raspberrry Pi與舵機控制板形成串口通信，通過遠程控制實現仿蛇形巡檢機器人直行、裝向、避障等功能。樹莓派通過攝像頭實時捕捉電纜溝內的復雜情況，并傳送至技術人員的PC端，技術人員通過圖像分析，可通過遠程遙控器調整機器人的運動，如發現纜溝內有異常情況，可及時形成對應解決措施，有效實現電纜溝檢測工作。

2 控制系統軟件設計

2.1 Raspberry Pi控制紅外感應攝像頭

Raspberry Pi鑲嵌linux系統，具有強大的語言整合功能，仿蛇形巡檢機器人頭部安裝有兩自由度云臺，板載PC9685芯片和TSL2581環境光傳感器，通過I2C接口控制可實現云臺轉動和光強檢測，通過多個GPIO口與Raspberry Pi本體進行連接，達到引腳初始化，攝像頭初始化的目的。啟動后可同時使用PC端和手機端進行遠程控制，界面可視化效果較好，能夠實時檢測電纜溝情況。

2.2 32路舵機控制板控制舵機動作

32路舵機控制板，CPU采用ARM Cortex-M3內核的高性能STM32單片機，可對32路舵機速度與角度隨意根據所需實現精準控制。該控制板擁有16M大容量內存，可容納230個動作組，每個動作組可以容納510個動作，正極電壓低于5V時蜂鳴器報警。本設計通過32路舵機控制板實現多個舵機的控制，通過對舵機的控制來實現蛇形巡檢機器人的實時運動和整體形狀的及時轉變。

3 頸部分動作分析

仿蛇形機器人運動設計想法是通過改變不同關節之間相對運動角度，使得整個蛇體運動到所需要的姿態，實現蛇形巡檢機器人的不同動作的運動。通過對機器人樣機進行實驗，來驗證蛇形機器人本體結構和控制系統的可靠性;通過蛇形機器人的抬頭動作、轉彎動作、前進直行動作等運動方式來驗證蛇形機器人控制方法的有效性，并進一步測試蛇形機器人的越障功能、視覺監測及圖像傳輸功能。如圖2所示，蛇形機器人由直流電源供電，實驗通過遠程遙控對蛇形機器人發送控制指令，機器人接收指令后完成對應動作，實現基本動作、越障動作、對周圍環境觀察并及時傳輸等功能。

4 視覺監測及圖像傳輸下的避障實驗

仿蛇形機器人在避障時，首先進行識別傳輸，同時傳感器收到信號做出避障反饋，其頭部相關關節可進行自由角度轉動，視頻內顯示有障礙物時，做出相應避障動作，運動至一定位置后，蛇身舵機開始還原，此時整體呈現伸展狀態，機器人將按與障礙物形成一定的角度，成功將障礙物避過，如圖3。

5 結束語

本文提出一種關于仿蛇形機器人的蜿蜒步態控制方式，實現了機器人的自主避障行走，極大地提高了機器本體運動精度，搭載有紅外感應攝像頭的Raspberry Pi可實現遠程信號傳輸使用更方便。隨著農業電氣的發展，電纜溝內電纜的數量也會逐漸增加，電纜溝空間會越來越小，仿蛇形巡檢機器人將會有廣闊的應用前景，對于電纜溝的維護與檢修將提供很大的幫助。

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