管道巡检机器人的开发

李琪，黄庆典，方嘉炜，庄子槺

管道巡检机器人的开发

李琪，黄庆典，方嘉炜，庄子槺

（广东慧航物联科技有限公司，广东 东莞 523000）

针对管道环境存在较恶劣的状况，开发了一种三轮式的管道巡检机器人，能平稳地沿管道移动，并且对管道外径存在微小变化的情况具有自适应性，该机器人能在地下管道较远的范围内正常回传检测数据及图像。

管道；巡检机器人；Stm32F103；Χ射线

随着城市化和工业的发展，信息与能源的输送都采用地下管道的方式，管道成为了城市的重要组成部分。管道的布局往往是沿着马路进行的，这些管道需要定期检查与维护，因此人们平时所见的道路施工很可能就是在进行管道维护。由于管道深埋地下，容易藏水，工人检查管道时的环境比较恶劣，黑暗、潮湿、缺氧甚至可能还有臭味，这些因素都影响着工人的工作效率以及身体健康。因此，国内外涌现了一大批学者研究管道巡检机器人来代替传统的人工检查，其中韩国高校开发了特种检测机器人，其由6组行星驱动轮支撑在管壁上，可调连杆调节驱动轮以适应不同的管径检测。国内有代表性的管道检测机器人是由哈工大开发的Χ射线实时检测机器人[1]。

本文在分析现有管道巡检机器人的基础上，结合管道的实际布局情况，开发了可沿管道外壁作业的巡检机器人，对管道外径存在微小变化的情况具有自适应性，具有自动巡检与手动控制的工作方式，具有360°监控以及10倍变焦的摄像头功能，能实现管道环境的高清检测。

1 机械结构设计

管道一般呈圆形，管道上表面是接触潮湿空气最多的部位，容易锈蚀破裂[2]，因此，需要重点检测管道上表面。本文的管道巡检机器人的机构设计如图1所示，其移动方式为三轮式，三个轮分别设置在0°、90°、180°的位置，机器人通过接触管道的这三个位置进行移动，每个轮子都单独由一个电机驱动。0°与180°位置的轮子水平设置，并分别与右支架、左支架连接，90°位置的轮子竖直设置在左支架与右支架的夹缝处，左支架与右支架上方的通孔同轴设置，并通过扭簧连接，其效果是可自动调节0°与180°位置的轮子的相对距离，从而适应不同的管径。

为了增加机器人的功能，实现更好的检测效果，本文在三轮式移动平台上方设置了用于盛放传感器的载板，载板上方设置有舵机架，通过舵机架进一步在上方设置了连接舵机的转盘，舵机设在舵机架的下方并与舵机架固定连接。转盘上方设置了用于固定LED照明灯以及10倍变焦摄像头的日字架，为获得更好的照明环境，LED照明灯设置在10倍变焦摄像头的正上方。在舵机的作用下，LED照明灯与10倍变焦摄像头可多角度转动，从而能仔细查看管道各个角度的实际情况。为保护机器人的整体结构，避免意外撞壁造成塌方，机器人载板的上前方还设置了激光测距传感器。管道巡检机器人如图1所示。

1—管道；2—左支架；3—右支架；4—扭簧；5—轮子；6—电机；7—载板；8—舵机架；9—舵机；10—转盘；11—日字架；12—10倍变焦摄像头；13—LED照明灯；14—激光测距传感器。

2 控制系统开发

管道巡检机器人的控制系统主要由机器人移动及云台系统、无线通讯系统、照明及监控系统、检测系统组成。Stm32F103控制器运算速度快、运行稳定，并且能耗低，因此利用它搭载控制系统，外接电机驱动器以及检测类传感器、通讯传感器，另由摄像头以及图传模块、显示器组成监测系统。机器人系统框架如图2所示。

2.1 机器人移动及云台系统

该系统以Stm32F103控制器为中心，输出3组高低电平以及3路脉冲到电机驱动器，从而控制3个电机带动轮子，实现在管道上移动，Stm32F103控制器具有最多30路的pwm输出功能。本文需要3个直流电机协同作业，因此需要分别独立驱动3个电机，不同的L298N电机驱动模块差异在于具有2路或者4路的输出功能，本文将使用具有4路输出的该模块。通过Stm32F103控制器变换L298N电机驱动模块同一组方向控制端子的电平信号改变电机转向，从而实现控制机器人的前进与后退，通过Stm32F103控制器改变L298N电机驱动模块各路的pwm输入值来改变电机转速，从而控制机器人移动的速度。通过Stm32F103控制器输出第4路pwm控制舵机带动转盘，使得摄像头多角度拍摄管道环境，最终构成机器人的云台系统。

图2 机器人系统框架

2.2 无线通讯系统

管道巡检机器人需要具有自动控制模式与手动控制模式，模式之间的切换以及手动控制需要通讯实现，特别是通过机器人多方向查看管道的环境时，就需要控制摄像头的角度。机器人在地下沿管道巡检时拖着控制用的电缆十分不便[3]，因此已经有相关学者开发了适用于地下通道的无线通讯技术，本文利用433数传技术对机器人进行无线控制。Stm32F103控制器具有UART串口通讯的功能，433数传模块共有一对，其中一个433数传模块通过TX、RX接口分别连接到Stm32F103控制器的RX、TX，跟随着机器人移动，另一个433数传模块通过USB接口连接到地面站，地面站设置于机器人进入地下管道的入口附近，如此就可以稳定地控制机器人工作以及接收机器人反馈的信息。

2.3 照明及监控系统

照明系统与监控系统是相互独立的，但又是同步工作的。机器人通电时，照明系统与监控系统同时打开，即LED照明灯亮起以及摄像头开始监控。摄像头是一种10倍变焦摄像头，通过5.8 G图传模块与地面站显示器进行无线图像传输，5.8 G图传模块由发射、接收两个子模块组成，5.8 G图传模块发射端设置在机器人载板上，通过micro USB接口连接10倍变焦摄像头的视频输出口，5.8 G图传模块接收端设置在地面站，5.8 G图传模块接收端与显示器通过视频线连接，在显示器上即可看到拍摄的画面。

2.4 检测系统

检测系统包括机器人测量移动方向上有无障碍物，以及检测管道环境的湿度。机器人利用激光测距传感器检测障碍物，通过Stm32F103控制器读取激光测距传感器的pwm输入信号，通过AD转换，计算出测量前方的距离[4]，通过无线通讯系统，激光测距传感器的测距数据传输到地面站显示。此外，机器人向前移动过程中，当激光测距传感器检测到机器人十分接近障碍物时，机器人会优先执行自动停止的指令，下一步只允许工作人员手动控制机器人后退，如此保障机器人不撞上障碍物。机器人通过Stm32F103控制器连接的湿度传感器测量管道环境的湿度，湿度的数据值也通过433数传模块回传到地面站，如果当前检测的环境湿度值过大，工作人员需要通过摄像头查看有无渗水情况，以便及时处理，防止管道发生更严重的锈蚀。

3 结束语

管道巡检机器人在模拟的管道环境下测试结果如下：当机器人开始工作时，通过Visual Basic（VB）软件开发的地面站上位机监控系统能接收到检测数据，并且通过上位机能控制摄像头多角度转动，摄像头拍摄的环境图像回传正常。综上所述，本文针对圆形管道开发了巡检机器人，能有效代替传统的人工检测，为管道检测行业提供了一种电子化、数字化的解决方案。

［1］刘涛，佃松宜，龚永铭，等.一种用于电缆管道排管作业与巡检的遥操作机器人［J］.现代制造工程，2013（4）：35-39.

［2］张宁.油气管道腐蚀检测技术与防腐措施［J］.全面腐蚀控制，2018，32（7）：108-109.

［3］李灏.基于数字图像处理技术的无缆管道检测机器人研究［D］.南京：南京航空航天大学，2018.

［4］苏燕，徐艳华.基于单片机的激光测距系统设计［J］.激光杂志，2017，38（9）：128-131.

TP242

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.14.052

2095－6835（2019）14－0116－02

李琪（1990—），男，广东东莞人，学士，研究领域为机电工程。

〔编辑：张思楠〕