水下管道智能巡檢清理機器人的設計

鐘思 付書媛 李玉寒* 黃明毅

（1.桂林電子科技大學教學實踐部 廣西壯族自治區桂林市 541004）

（2.桂林電子科技大學機電工程學院 廣西壯族自治區桂林市 541004）

1 引言

水下管道是一種鋪設在水下用來輸送液體、氣體、或松散固體的運輸管道。這種管道輸送方式因具有效率高、耗能少等優點，而廣泛應用在生產制造業的工業水池及戶外的水下環境等使用場景[1]。但這種設于水下的管道，在長時間的使用中易受外力、環境等因素的影響，在某些位置管體可能會受到粘附物影響而造成管道損傷、甚至泄漏的情況，因此維修人員需定期對管道進行檢測清理或水下維修[2]。

隨著科技、經濟建設的發展，人們漸漸不滿于這種操作復雜的人工作業方式。水下機器人作為水下工程裝備中的生力軍，符合水下管道巡檢裝備的需求，具有廣闊的應用前景。目前，管外檢測多用于檢測其外表面情況，如水下電視，但由于管道外表面常常附著有大量的污物，導致其檢測效果大打折扣，因此，若想獲得較佳的檢測效果，檢測前還需要對其表面進行清理，而清理過程中又會造成水質的渾濁，需要等待較長時間，從而制約了檢測效率，故有必要研發一種兼具清理功能的水下檢測機器人，以實現水下管道的全長度、全天候檢測。

2 水下機器人的整體設計思路

水下機器人是一種具有智能功能的水下潛器，可在水面和水下移動，具有視覺等感知系統，通過遙控或自主操作方式，使用機械手或其他工具，代替或輔助人工去完成某些水面和水下作業的裝置。主要由機械部分、控制部分、傳感部分等三個部分構成，見圖1所示。機械部分包括下潛機構和清理機構。控制部分包括驅動模塊和藍牙模塊和電源部分。傳感器部分包括是攝像頭識別部分和串口通信部分。通過各個部分之間的配合控制，共同完成水下管道的巡檢清理功能。

3 水下機器人的機械部分

如圖2所示，水下機器人的基礎支撐是機械部分，該部分由運動機構、清理機構組成。其中運動機構的組成：主要由螺旋槳、無刷電機、電機支架組成。其中通過螺旋槳的配合可以實現水下的移動及浮潛等動作；無刷電機可以通過差速較為精準的控制機器人水下的運動，大大增加了機器人在水下的運動及轉向的靈活性；電機支架起連接電機與機器人防水箱體的作用。

管道巡檢的清理機構由擬合管體的清理爪和海綿布組成，其原理主要是根據攝像頭實現對管道的識別處理后，機器人下潛由裝攜海綿布的機械爪與管道管體實現準確的抓取接觸。此后與上部分所述的運動機構組合使用，機器人螺旋槳被電機帶動，整體沿著管道受向前的推進力影響，從而實現水下管道管體的污物進行擦除。清理爪的結構主要根據應用場景管道直徑的大小來進行設計更替，且能在一定的張合范圍進行調節。

4 水下機器人的控制部分

控制部分是控制水下機器人進行水下作業的重要部分，該部分主要由驅動模塊和藍牙模塊所構成。各個模塊的信息通過控制系統的內部算法處理共同完成任務。

4.1 驅動模塊

圖1：水下機器人組成部分示意圖

圖2：水下機器人機械部分渲染效果圖

圖3：電機驅動模塊原理圖

圖4：圖像識別到管體彎折

圖5：差速控制轉彎

圖6：識別后的處理邏輯

本設計采用STM32f103RCT6作為控制系統控制芯片。主控芯片產生四路PWM輸出，通過輸出具有一定頻率且脈沖寬度可調脈沖電，分別控制兩個垂直方向運動的無刷直流電機和兩個水平方向運動的無刷直流電機。如圖3所示，驅動模塊采用TB6612驅動器件，它具有很高的集成度，能夠雙向控制兩個直流電機。兩個TB6612驅動芯片就能直接控制水下機器人的四個推進器。控制信號輸入端主要接入直流電機正反轉信號，PWMA、PWMB接單片機的PWM輸出控制直流電機的轉速。電機控制模式主要分為四種：正轉、反轉、制動、停止。

在水下機器人到達作業位置后，控制系統主控芯片通將串行接口接受到的信息進行處理，得到一系列的位置坐標參數。直流電機在水下工作時，實時反饋自身運動狀態給主控芯片。主控芯片將坐標參數和電機狀態參數進行PID調整，將調整結果作用回電機，從而對水下機器人進行姿態平穩調整。PID控制能夠對水下機器人進行姿態調整，有效地保證其運行穩定性。以水下機器人轉彎為例，通過識別系統、控制系統與運動系統的配合，利用上位機的高性能快速識別水下管道狀況，當識別以后通過端口發送信息給下位機，解算成功后反饋給巡檢機器人，因有兩個無刷電機在主水艙兩側控制水中機器人航偏轉向。當兩側的電機轉向轉速不同時，產生速度差，使主體產生轉向力而發生航偏，基于此實現管道巡檢機器人轉彎功能，如圖4、圖5所示。

4.2 藍牙模塊

藍牙模塊主要采用HC-06通信模塊。本設計的水下機器人雖然兩邊屬于對稱結構，但是誤差不可避免。即水下機器人兩邊的推進器在水下工作時所受到的影響程度是不一樣的。因此需要通過藍牙模塊，人工操控水下機器人，確定水平方向和垂直方向上兩組電機的目標轉速。

4.3 電源部分

水下機器人整體通過航模3s電池供電。使用LM2596穩壓模塊將12V的電池輸入轉換成5V的輸出，對藍牙模塊、控制系統主控芯片、攝像頭、電機驅動模塊TB6612進行5V供電。

5 傳感器部分

傳感器部分主要采用星瞳OpwnMV4 H7 Plus 機器視覺模塊。以STM32F427 CPU為攝像頭主控芯片，用C 語言直接高效的控制核心機器視覺算法。主要通過調用庫函數，用python語言控制。首先攝像頭對水下管道和管道兩邊水體顏色進行高速度拍照，對圖像進行閾值像素點提取，再通過最小二乘法對所有閾值像素進行線性回歸計算。將計算結果，即攝像頭拍攝區域所處位置中心點的坐標通過函數返回給STM32F427芯片。攝像頭主控芯片與控制系統控制芯片之間進行串口通信。攝像頭主控芯片的位置坐標轉換成并行數據字符之后，通過串行接口，轉換成連續的串行數據流發送給控制系統主控芯片。識別后的處理邏輯如圖6所示。

6 結語

本設計是基于STM32F103的集巡檢和清理于一體的智能水下管道清理機器人。其內部各個模塊之間的配合調整使得水下機器人能夠獨立完成自主巡檢清理水下管道的任務。在實際應用中，這種水下機器人能進一步的降低管道清理成本且可以達到穩定可靠清理水平。