基于OpenCV3的自主巡檢遠程應急機器人系統設計

張軍 孫梓豪 衛藝冉

摘 要：根據傳統機器人在無人監督狀態下的高效運轉，設計了基于OpenCV3函數庫對圖像識別傳感器采集的環境信息進行處理和分析，通過將數據結果傳遞給STM32F1做出決策，控制機器人運動軌跡與機械臂的狀態，從而對周圍環境做出應答，提高變電站巡檢作業和設備管理水平。

關鍵詞：OpenCV3;STM32F1;機器人;變電站巡檢

0 ? 引言

在當今時代，智能化與自動化越來越普及。變電站通過對電壓的高低壓變換，成為全國電力系統必不可少的一個環節，同時，為減少人為事故，變電站的自動化變得更加緊迫。通過引用機器人提高巡檢作業和設備管理水平，保障了無人值守變電站等電力系統的安全運行，促進變電站更好地適應社會的發展[1-3]。

1 機器人總體方案設計

本設計主要采用微控制器進行控制，控制器與超聲波的模塊進行通信，從而判斷外部環境，將數據傳輸到上位機，由機器人自主做出相應的動作解決問題[4-5]。設計流程如圖1所示。具體而言：（1）機器人整體采用履帶小車的結構。相同重量的履帶式小車牽引力是輪式小車的1.4～1.8倍;履帶式小車有較強的通過性與爬坡能力，在防側翻與滑坡地帶行駛有良好的穩定性，在道路不平、土質松軟、惡劣的天氣條件下都具有通用性。（2）機器人的主控芯片采用STM32F103ZET，屬于32位ARM微控制器，內核位Cortex-m3。此芯片工作頻率最高可達72 MHz，有8個定時器，2個18 M/s的SPI接口，2個I2C接口，3個USART接口，是現在被廣泛使用的一款低功耗芯片。（3）機器人的運動模塊主要采用直流減速電機、超聲波模塊。由電機帶動小車運動，超聲波檢測與周圍障礙物的距離，防止機器人碰撞損壞。（4）機器人的環境視頻與紅外視頻的傳輸主要用的nrf24l01無線數據傳輸模塊。（5）機器人的機械臂結構由4個舵機構成。通過主控芯片，機械臂可以實現水平方向與垂直方向180°轉動;其末端的機械爪可以幫助機器人清理行進過程中遇到的障礙物。

2 系統框圖

本機器人系統主要分為控制系統、紅外視頻傳輸系統和機械臂系統3個部分。系統框如圖2所示。

（1）機器人的控制系統主要由STM32微控制單元構成。通過輸出PWM波形的占空比控制電機與舵機運動;判斷超聲波返回來的距離值，控制小車的合理運動;向紅外傳輸區域發送初始化信息，進而啟動紅外傳輸區域工作?？刂葡到y還可以接受上位機的信息，能夠做到實時監控處理。

（2）機器人的運動模塊主要采用直流減速電機、超聲波模塊，由電機帶動小車運動，超聲波檢測與周圍障礙物距離，防止機器人碰撞損壞。

（3）紅外視頻傳輸區域，由攝像頭OV2640與紅外成像模塊AMG8833進行數據采集，通過無線傳輸模塊nrf24l01處理采集到的數據，最后發送到上位機。

（4）機器人的機械臂結構由4個舵機構成。通過主控芯片，機械臂可以實現水平方向與垂直方向180°轉動，其末端的機械爪可以幫助機器人清理行進過程中遇到的障礙物。

（5）電路原理如圖3所示。在硬件電路中，除了模塊接口外，主要用到了光耦隔離。光耦隔離電路的目的是使被隔離的兩部分電路之間沒有電的直接連接，一般常用于低壓的控制電路與外部高壓電路之間。在本電路中主要是用于隔離驅動電機的+12 V對電路的不良影響。

3 機器人平臺的搭建

機器人平臺為履帶車型[6-7]，其搭建過程如下：（1）機器人框架：車身主體采用2 mm鋁合金板;履帶采尺寸為4×75 cm，材料為塑料制黑色;由兩個驅動輪帶動履帶，并且還有4個承重輪，保證履帶正常運轉。（2）電機：選用33GB-520直流減速電機，扭矩大而且安全可靠，電機額定電壓為DC12 V，空載電流為100 mA。（3）電源：選用一塊4000 mA的H鋰電池，最大放大電流4 A。（4）電路板：將各個模塊集成在一塊電路板上，電路板上采用光耦隔離，避免信號間的相互干擾，通過PCB繪制電路板。（5）上位機：由LCD顯示屏通過無線傳輸模塊構成，用于和機器人通信，顯示屏則用于顯示傳輸過來的視頻與紅外圖像。

機器人整體運行實驗：由于實驗環境的限制，機器人只能在模擬變電站空間場地進行運行實驗。

4 紅外視頻傳輸模塊的開發

機器人的紅外視頻傳輸是機器人的主要功能，可以實現在遠距離將采集到的視頻通過無線傳輸模塊傳送給上位機，只要登錄上位機，就可以觀測機器人狀態、變電站環境變化，以便能夠隨時應對一些突發的變故。

在綜合考慮視頻采集的清晰度、紅外視頻的數據量與無線傳輸模塊一次能夠傳輸的數據量的前提下，完成軟件總體設計程序流程（見圖4）。

當整個機器人啟動時，紅外視頻傳輸模塊得到供電，經過STM32對OV2640模塊和AMG8833模塊進行初始化。初始化后，兩個模塊開始工作，OV2640模塊采集視頻，AMG8833模塊采集紅外成像，由于采集到的兩個數據量較大，需進行一定的數據處理。采集到的數據經過nrf24l01無線傳輸模塊，將數據發送給上位機，上位機可以根據得到的數據實時監控機器人的活動軌跡。

5 機器人運動模塊

機器人由兩個直流電機帶動履帶運動，經過控制器處理得到的距離信息，控制機器人無障礙運動。

對控制器+5 V供電，初始化超聲波模塊，超聲波模塊發送超聲波，碰到障礙物反射，接收器接收超聲波。將得到的距離數值返回給STM32控制器，由控制器判斷障礙物所處位置，進而控制STM32輸出PWM波形占空比，控制電機轉動的快慢。由電機驅動模塊控制機器人左轉、右轉和后退。

機器人的電機驅動模塊為L298N，該模塊屬于H橋集成電路，輸出的電流一般為2 A，最高時可以達到4 A。L298N預留有接口，可以與單片機直接通信。當準備驅動直流電機時，通過連接步進電機信號線，進而輸出不同的高低電平實現電機的正反轉。運動模塊流程圖如圖5所示。

機器人有兩個超聲波模塊分布在機器人的前端，時刻不停地檢測機器人前方的環境狀況，控制器不停地接受超聲波返回的數據，不停地與預設值比較，控制機器人行走。機器人運動模塊整體架構如圖6所示。

6 機械臂控制系統

機器人的機械臂由3個舵機和1個機械爪組成，使機械臂能夠靈活的抓取周圍的障礙物，為小車開辟道路。

機械臂由主控芯片控制，芯片產生PWM信號進行舵機角度的控制，PWM信號以20 ms為一個周期，通過改變時間調整脈沖控制舵機的角度。主控芯片控制舵機聯動，由上位機通過無線通信模塊傳給STM32控制器，控制芯片經過舵機的傳送信號接口，舵機控制電路對收到的信號做出計算反應，驅動電機運轉，電機不僅會帶動舵機輸出軸的輸出力矩，也會同時帶動電位器。舵機中的電位器相當于一個位置傳感器，當電位器阻值轉到信號所要求的阻值，電路控制電機停止轉動。

7 機器人電源系統

機器人整體采用+12 V鋰電池作為機器人的外接電源。2個直流電機由+12 V供電，為機器人行走提供足夠的功率。鋰電池經過78L05穩壓芯片輸出+5 V的穩定電壓為STM32控制芯片供電。

8 結語

本項目機器人在模擬的變電站場景下運行良好，能夠流暢地按照規定的路線運動，在U形彎道和S形彎道，調節小車電機轉速的不同，可以流暢地轉彎。在有障礙物的實驗場景下，機器人通過超聲波模塊避免與障礙物的碰撞，調節機器人與障礙物之間的距離，通過機械臂移動障礙物使機器人繼續前進。小車通過攝像頭采集周圍環境視頻，經過無線傳輸模塊，將視頻傳到上位機。但經過測試發現，視頻傳輸速率過慢，幀數過低，且機器人的攝像頭采集易受外部光線的影響，導致采集的圖像曝光過于嚴重。無線數據傳輸容易受到外部環境影響，此類問題還有待優化。

[參考文獻]

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（編輯 何 琳）