一種水上管道去污機器人的設計

王奕帆 趙澤鑫 馬詩晏 翁積宏 蔡武煒

摘? 要：隨著科學技術的發展，智能控制技術愈加成熟，智能機器在生活中的比重越來越大，市場對水上管道智能巡檢機器人[1]的需求也愈來旺盛，智能巡檢機器人的研發順應了時代發展的潮流。文章提出一種水上管道去污機器人的設計，該機器人包含總控系統，總控系統首先通過攝像頭實時采集水上管道圖像，接著利用圖像處理模塊對畫面進行分析，最后判斷是否需要對管道進行去污，從而解決水上管道檢測、清理的問題。

關鍵詞：智能巡檢;圖像采集與處理;硬件設計

引言

近年來，城市建設進程加快，水下管道體系更加錯綜復雜。一旦部分水下管道出現問題，便可能影響整個水下管道的運作。同時，水下管道作為城市系統的重要組成部分，直接影響居民的日常生活。在這一領域的技術水平發展較為緩慢。水下管道通常會安裝管道檢測儀，監測管道情況。然而，在管道檢測儀不到位的情況下，常常需要進行人工檢測和維修。隨著經濟的高速發展，人工處理成本也越來越高。使用機器檢測，有助于減少工作人員的工作量、降低工作難度、提高工作效率。針對上述問題，文章提出一種管道去污機器人的設計，從而保證對水下管道檢測、清理的高效性。

1 裝置介紹

該裝置由總控系統、攝像頭、推進電機和機械爪四部分組成。總控系統包含電源模塊、圖像處理器、微控制器和電機驅動四部分部分。

2 總控系統介紹

2.1電源模塊

電源模塊分為兩部分，第一部分為12V轉5V，在12V轉5V電路設計中，采用的降壓芯片為TPS54302。TPS54302是一款容壓差較高的降壓轉換器[2]，有效電壓輸入范圍為4.5V-28V，其最大輸出電流可達3A。該芯片包含兩個集成開關MOS并且擁有內部回路補償。根據TPS54302數據手冊，如需開啟此芯片且輸出5V電壓，必須使得使能電壓 大于1.2V，且其反饋電壓 等于0.6V，在本電路中開啟電壓計算公式以及反饋電壓的計算公式分別為

2.2圖像處理模塊

該機器人搭載的圖像處理模塊為MAIX Bit開發板，MAIX Bit開發板是由SiPEED公司MAIX產品線負責開發的視覺處理器，基于嘉楠堪智科技的邊緣智能計算芯片K210設計的一款AIOT開發板。開發板使用模塊+底板方式設計，整潔小巧，板載Type-C接口和USB-UART電路，可以直接通過USB Type-C線連接電腦進行開發，配置128Mbit Flash、LCD、DVP、Micro SD卡等接口;MaixBit 開發板參數MaixBit 開發板以M1WAl模塊作為核心單元，功能非常很強大，能夠更好地支持管道去污機器人進行快速的圖像處理算法。其中內核計算芯片K210采用RISC-V架構[4]64位雙核設計，該模塊處于工作狀態時，實時接收攝像頭傳送的管道環境畫面，接著由模塊內核計算芯片K210對管道環境圖像進行二值化[5]，獲得與吸附物顏色相同的物體的區域信息，再對區域進行形狀識別，獲得物體的顏色和形狀信息以及坐標位置，最后將物體的顏色和形狀信息以及坐標位置傳回微控制器，由微控制器發出相應命令至機械爪與電機驅動，通過整體配合對當前管道進行去污處理。

2.3系統控制原理

該裝置的總控系統采用意法半導體公司生產的STM32F407VGT6芯片作為核心控制器。總體控制原理如圖3。STM32F407VGT6，該型號芯片是基于ARMCortex-M3內核的32位微控制器。其時鐘頻率為72Mhz，便于快速處理分析攝像頭回傳數據，多達112個快速I/O端口，滿足了總控系統下接多外設的需求;內置閃存程序存儲器和512K的FLASH容量及64K的SRAM，便于存儲水下管道去污機器人拍攝的畫面。

該裝置在工作過程中攝像頭實時回傳所拍圖像，經由圖像處理模塊分析處理后回傳至微控制器，由微控制器進行判斷，如識別到需要進行去污的對象，處理器會發送信號至下接外設，從而對管道進行去污處理。

水下管道去污機器人進行管道去污處理時， 實驗結果表明：該裝置穩定性好， 功能效果突出， 是水下管道巡檢過程中有力的工具。

3結束語

本文針對傳統管道檢測設備存在的缺點提出了一種水上管道去污機器人的設計，該裝置結構穩定，環境適應性高，貼合了水下管道檢測、清理的需求，對提高水下設備數字化、智慧化有一定的借鑒意義，具有較高的推廣價值。

參考文獻

[1]李澤科，陳越超.水中管道智能巡檢機器人設計[J].電子產品世界，2022，29（01）：86-88.

[2]王立萍，周锎，王俊，等.一種同步整流大功率降壓轉換器的設計[J].南開大學學報（自然科學版），2012，45（05）：32-36.

[3]王紅蕾.新型輸入浪涌電流抑制電路[J].集成電路應用，2021，38（06）：1-3.

[4]劉暢，武延軍，吳敬征，等.RISC-V指令集架構研究綜述[J].軟件學報，2021，32（12）：3992-4024.

基金項目：廣西大學生創業訓練項目水上管道去污機器人（項目編號：202110595282）項目成果8A183044-E76F-4A31-B66C-98E4C5FA6920