基于機器視覺的管道巡檢機器人設計與實現探討

李洋 馮敏 葉韜 李歡 辛玉強

摘 要：管道屬于一種基礎設施，在很多領域中都有廣泛的應用，比如排水、排污、輸氣、輸油等，和社會民生有重要的聯系，因此，對管道進行質量檢測非常重要。由于管道大部分都是金屬性質，使用傳統的管道檢測機器人檢測的數據需要利用信號線進行傳輸，這會對長管道檢測產生限制。為了能夠彌補管道檢測機器人中存在的問題，文章基于機器視覺進行了管道巡檢機器人的設計和實現，以供參考。

關鍵詞：管道巡檢機器人;機器視覺;設計;實現

中圖分類號：TP2 文獻標識碼：A文章編號：1674-1064（2021）07-003-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.07.002

管道是基礎設施中的一種，在多個重要領域中都有較好的應用，和社會民生具有密切的聯系。而且由于管道網絡的不斷完善，維護工作難度的逐漸加大，對其進行質量檢測非常重要，是確保管道能夠正常使用的基礎。但是由于管道所處環境的特殊性，管道質量檢測存在較大難度。在科技不斷進步的過程中，使用機器人檢測管道內部情況的方式逐漸被應用，能夠有效提高檢測的便捷性和準確性。

1 管道巡檢機器人結構設計

1.1 總體設計方案

機器視覺下的管道巡檢機器人設計需要注意其性能和效率，所以總體設計方案要從預期效果、研發經濟性等方面進行綜合考量，從現階段管道巡檢機器人中存在的問題出發進行設計。結構模塊主要包含以下內容。其中，系統照明單元的組成主要有LED照明、聚光鏡頭、電流調節等。系統圖像采集單元主要構成有AD采集、驅動電路、放大電路、鏡頭等。系統存儲單元的構成主要有固態硬盤和接口芯片。動力來源通過電機驅動，同時在行走輪上安裝編碼器來實現管道內定位。系統結構圖如圖1所示。

1.1.1 圖像采集單元

在機器人兩側設計安裝CCD，利用驅動電路、濾波電路、放大電路等對圖像進行采集[1]。控制核心通過對步機的控制實現旋轉，使機器人兩側的CCD對管道內部完成360°的圖像采集。

1.1.2 數據存儲單元

對于采集到的圖像數據，可利用控制核心控制接口芯片實現存儲。

1.1.3 管道內定位單元

機器人上設測距輪，然后設置編碼器，利用控制器和編碼器實現連接，主要使用編碼器輸出脈沖對測距輪管壁行進距離進行測量[2]。

1.1.4 姿態控制單元

由于機器人在運行中容易出現傾覆，為了避免這一情況發生，在機器人上設置陀螺儀，連接控制核心和陀螺儀。其中，控制核心對驅動電路的控制主要通過分析機器人的姿態信號來實現，對其姿態可以控制調整，以此保證機器人在運行中處于平衡狀態。

1.1.5 照明單元

對管道進行檢測時，如果內部光線不足，機器人在采集圖像時就會受到限制，為了能夠提高圖像采集的清晰度，在CCD攝像機前設計LED照明燈，然后借助電流調節電路連接控制核心。

1.1.6 電源單元

為了能夠更好地實現長管道檢測，保證管道巡檢機器人在管道內靈活地運行，電源單元設計主要使用機器人自攜帶能源的方式。其中，電源供應結構圖如圖2所示。

借助驅動電機為管道巡檢機器人提供動力，保證在管道內部可以前進，同時利用圖像采集單元對內壁圖像進行收集，然后存儲到硬盤中，再由工作人員確認檢查結果中有沒有出現管道損壞、腐蝕等問題，結合具體情況對管道進行維護或更換。

1.2 結構設計

所設計的管道巡檢機器人適用的范圍較廣，而大部分管道都是埋于地下，管道內部光線不足，圖像采集單元采集圖像受限，需要設置照明單元。同時，由于管道投入運行后服役時間較長，工作環境也較差，內部情況復雜性較強，設計的機器人要能夠有較強的通行性和牽引力，以及較高的可靠性。具體設計要求：越過障礙能力較強，具有較大的牽引力，由于管道存在彎道情況，機器人要能夠自主轉向，部分管道較長，行走距離要滿足對長管道的檢測要求，具有較高的可靠性，滿足低成本的要求[3]。

機器人在管道內部運行主要是依照預定任務進行檢測，需要有照明系統、圖像采集系統，提供維持運動的牽引力，可以攜帶相關的裝置和檢測儀。由于管道內部環境較為復雜，所以機器人的運動具有不確定性，機器人在運行時要具有較強的越過障礙能力。為了滿足復雜環境下對管道內部的檢測需求，機器人設計主要使用履帶式行走方式，這種機器人可以適應較復雜的環境，在管道檢測時牽引力、裝備攜帶能力較強。

2 巡檢機器人運動控制和管道內自主定位實現

2.1 運動控制

管道巡檢機器人電機需要有足夠的電流支撐運行，而數字電路輸出電流不能夠完全滿足驅動電機的運行需求，所以在該設計中使用4片半橋芯片構成雙H橋電路的方式進行驅動。其中，H橋的前級使用HC541進行驅動，數字電路的邏輯輸出有4個口，分別輸入到HC541的4個引腳，經過HC541增強后再輸出，輸入到半橋芯片中進行放大，接著通過端子連接到步進電機的相中。系統使用16位寬度的總線，通過地址線、數據線驅動和管理外圍的部件。

2.2 管道內自主定位

巡檢機器人對管道進行檢測時，要能夠實現自主定位，這樣在管道內部的運行才會更加靈活。設計中主要使用測距輪實現，將編碼器安裝設置在測距輪上，機器人在運行時，編碼器轉動，借助編碼器能夠實現機器人直線轉換為旋轉的角位移，利用控制核心讀取編碼器的脈沖信號，然后檢測出機器人各個時刻的位置，以此實現機器人自主定位。設計中使用的核心編碼器，主要使用增量式，這種編碼器具有較長的使用壽命、較強的環境適應性、較高的穩定性和可靠性。增量式編碼器可以將機器人行走的位移信息轉換為具有規律變化的電信號，再轉換成脈沖信息，通過脈沖個數體現位移大小。

3 管道內壁圖像采集系統和照明系統實現

3.1 圖像采集系統整體設計

為了實現對管道內全圖像數據信息的采集，設計中使用線陣CCD圖像采集芯片。在機器人兩側安裝兩個步進電機，以此帶動其實現旋轉，對管道進行連續掃描，每次采集的圖像經過拼接后就能夠形成管道360°全圖像。由于圖像傳感器的不同，線陣相機有CCD型和CMOS型，而CCD型具有較強的成像質量，噪聲較低，失真性低。在管道內進行圖像采集，需要具有較高的分辨率，所以設計中選擇了線陣CCD作為圖像采集芯片，圖像采集之后存儲到硬盤中，等待下一步處理。

3.2 CCD圖像采集系統電路設計

3.2.1 數據采集電路

管道內壁圖像數據采集中，通常會包含直流偏置和復位噪聲信號，所以需要進行濾波處理，線陣CCD輸出的圖像數據中含有直流分量，對圖像數據產生影響。在輸入圖像信號前，可使用電容隔離直流，將采集圖像數據信號中的直流分量去除。

3.2.2 放大電路

由于CCD輸出信號不強，而且伴有噪聲，在進行采集之前需要進行濾波和放大處理。放大電路中，通過高速運算放大器放大信號到可以處理的程度，然后經過另外的運算放大器和外圍部件共同組成限幅濾波器，可將信號增強到能夠采集的程度。

3.2.3 CCD電路

線陣CCD是由電荷轉移電極和光電二極管構成的光敏模塊，驅動信號邏輯電路、轉移柵、模擬寄存器、輸出緩存結構部分構成。

3.3 照明系統實現

照明系統主要使用LED點陣光源，主要是因為LED屬于固體半導體發光材料，具有較好的響應速度，而且節能環保。LED燈對電流具有較高的要求，設計中為了使LED燈在運行時滿足照明要求，同時在安全的電流范圍內，使用發光二極管進行恒流控制，電源電流在經過控制后流過發光二極管。

4 結語

綜上所述，筆者對基于機器視覺的管道巡檢機器人進行了設計，通過試驗驗證，設計可以達到預期目標，對管道檢測能有較好的效果。

參考文獻

[1] 王鵬飛.基于機器視覺的管道巡檢機器人設計與實現[D].西安：西京學院，2020.

[2] 湯義勤，高彥波，鄒洪亮，等.基于機器視覺的室內無軌巡檢機器人導航系統[J].自動化與儀表，2020（8）：42-46.

[3] 盧銀輝，楊勇.基于機器視覺的輸煤現場巡檢機器人控制系統設計[J].電子技術與軟件工程，2019（6）：102-103.