管道检测机器人的设计和系统分析

文/吴忠海

随着国家经济的飞速发展，管道使用范围不断扩大，对管道质量的要求也随之提高，但是在长期使用的过程中，管道必然会出现裂纹、漏孔等故障，因此必须要定期对管道进行排查和养护。但是因为一部分管道内部可能含有有毒气体，如果采用人工的方式展开养护检测工作，会给工作人员造成身体上的伤害。因此，采用管道检测机器人来代替人工，但是，很多管道检测机器人的设计和系统还需要得到完善。

1 管道检测机器人系统概述

管道检测机器人系统应用在管道内部检查工作中，可以帮助工作人员更好的检查管道内表面的质量，及时开展相应的修补工作，而且机器人可以代替工作人员进入一些环境恶劣、管径较小、含有毒气的管道。一般情况下，管道检测机器人有以下几个方面组成，分别为：机器人机械本体、图像采集、地面监控、电力供给这四个部分。其中机器人机械本体主要承担着支撑机器人行走的工作，同时作为系统云台辅助图像采集、地面监控、电力供给完成工作任务。图像采集系统中除了摄像设备之外，还需要安装光源、传感器、扫描设备等零部件，以此保证图像采集任务圆满完成。而地面监控系统是由计算机组成，针对机器人在管道内的运行情况进行监控，并且对图像采集系统传过来的图片进行处理分析，具体判断管道内的实际情况，明确出现缺陷的位置、缺陷的危害程度以及缺陷等级等的信息，还要根据上述信息，借助计算机技术给出最优方案。除了上述几个方面之外，电力供给支撑着管道机器人运行，作为能量来源，是保证上述系统正常工作的基础。在实际工作中，工作人员通过计算机发出指令，让管道机器人进入管道并且在规定速度下在管道内运行，通过安装在管道机器人机械本体上图像传感器和图像采集系统，将管道内的实际情况传递给监控系统，让工作人员及时的了解到管道内部状态，同时，还会传递管道内的环境参数和机器人自身状态，让工作人员可以更加精准的操纵管道机器人，完成管道信息采集工作。

表1：管道检测机器人的行驶速度测试数据

2 管道检测机器人的软硬件设计

2.1 硬件设计

本文设计出来的管道检测机器人硬件模块包括：主控模块、外设传感器模块、Wi-Fi传输模块。主要的处理器模块是多功能芯片STM32F105，这种芯片本身的功耗低、效率高，在实际应用中可以更好的发挥作用。而且这种芯片包括了六种功能：CAN、ADC、SPI、I2C、USB、UART。

主控模块：这个模块主要负责的工作是控制管道检测机器人的整个系统，主要包括四个部分：STM32F105微控制器、SDRAM、Flash、L298N电机驱动器。其中STM32F105微控制器最为重要，通过控制器控制机器人的转动方向、前进方向、电机转速、行驶速度。

外设传感器模块：在管道检测机器人中包括了四个130型号的直流电机驱动，基于工作电压，通过减速器后，最终输出大约为180r/min。在这个模块中主要包括了：两个TowerPro SG90舵机、摄像机、UVC视频捕获设备、LED照明模块、供电模块等。其中SG90舵机的作用是控制摄像头进行转动，UVC视频捕获设备是这个模块的核心，通过UVC可以对图像数据进行高效快速的处理，不仅如此，使用这种视频捕获设备可以有效降低开发难度，同时还可以减少在硬件设计复杂性，减免驱动方式。

Wi-Fi传输模块：在该管道检测机器人中采用的是AR9331处理器，这种处理器本身功能较为强大，在实际开发中较为方便。只需要进行少量的外设就可以展开工作，在整个Wi-Fi传输模块中包括了：SDRAM、ROM、Linux系统等部分，此外在Wi-Fi传输模块还利用Micro-USB接口来传输控制数据信息。

2.2 软件设计

在管道检测机器人的软件设计部分主要可以分为三个环节，分别为：下位机软件模块、上位机软件模块、Wi-Fi软件模块。其中上下位机软件模块实现了对管道检测机器人的运动控制、数据收发、图像数据的接收处理、发送控制命令等功能。在软件设计过程中下位机软件模块以及Wi-Fi软件模块最为重要，是管道检测机器人的核心部分。首先是Wi-Fi模块设计，在对这个模块进行设计中，需要利用三个软件：MJPG-streamer、LuCI、Ser2net。经过参数初始化后，首先要启动配套的服务程序，在此基础上，建无线连接点AP，对登录管理界面进行简单的设置，在建立好无线连接点后，就可以和上位机进行连接。其次是下位机软件设计，由上述内容可知，下位机中的控制芯片为STM32F105，这种通用嵌入式处理器，可以更好的控制机器人的运动轨迹，还具有了告警检测功能。

3 管道检测机器人内部系统设计

3.1 机器人的本体

一般的管道检测机器人系统由机械本体、图像采集系统、地面监控系统以及电力供给系统组成，不同系统承担着不同的任务。机器人机械本体是整个系统的基础部分，机械本体性能的好坏，会对控制性能造成直接的影响。因此，必须要保证机器人本体性能、结构的良好，以此让管道机器人可以完成多样化运动。这就需要对管道机器人的移动方式、管道机器人的驱动方式、云台系统进行设计，从而有效提高的环境适应能力。

3.2 图像采集系统

管道检测机器人中最为重要的就是图像采集系统，通过图像采集系统可以让工作人员对管道内部情况形成更加全面的了解。利用CCD摄像头、PCI数据采集卡和PC机组成一个CCD图像采集系统，基于数字图像处理技术，针对管道内部采集到的图片信息进行处理。不仅如此，通过图像采集系统还可以管道内部检测和缺陷进行全面的评价。

3.3 控制系统设计

在管道检测机器人中应用的控制系统是由PC机和运动控制卡组成的，通过这种方式，可以对管道检测机器人的运动以及图像采集工作进行全面的控制，根据上文对管道检测机器人软件设计的分析，可知在控制系统中基于PC机对下位机进行开放式控制。而通过PMAC2A-PC104运动控制卡控制机器人的四轴运动。总的来说，这种控制系统有效提高了机器人的开放性、可移植性、网络通讯能力。

3.4 电力供给系统

除了上述几个方面之外，管道检测机器人的电力供给系统也必不可少，一般会设计两种不同的电力供给方式，分别为：机械内部蓄电池、动力电缆。但是前者，存在较大的故障隐患，一旦在管道检测机器人运行中电池发生故障，那么就会直接导致管道机器人无法正常工作，严重的情况下，甚至无法收回管道机器人。但是后者也存在一定的缺点，主要表现为：管道机器人的拖动负载加大，无法完成远距离的运行。综合这两种动力供给方式，选择分段检测的方式，同时采用轻质抗拉力的缆线，以此规避电缆使用中存在的缺陷。

4 管道检测机器人实践验证分析

本文设计出来的管道检测机器人可以各种管道的检测，不仅可以在被检测管道中实现稳定的行走，同时还可以对管道检测进行自动检测和评价。除此之外，在实际应用中，还能为管道检测机器人提供强劲动力，为了进一步验证机器人的实际应用情况，本文对进行了全面的实验研究，针对管道检测机器人的机动性能、云台性能、防水性能、以及自动排线性能等都进行了全面的分析研究。以行驶速度测试为例，以普通水平地面走廊作为实验环境，验证机器人的行驶速度，计算出行驶速度的平均值，表1为管道检测机器人的行驶速度测试数据。

爬坡能力测试也是管道检测机器人应用过程中的重要检测项目，观察管道检测机器人在橡胶坡面、平板车坡面等方面的运行情况，通过本文的具体实验分析检测可知，本文设计出来的管道检测机器人，具有着较强的越障能力、爬坡能力、运行能力，可以满足不同管道对管道检测机器人的作业要求。将其放置在实际的管道中测试后，可以得到清晰的管道内部面貌。

5 总结

综上所述，基于管道检测工作的主要作业内容，提出了一种管道检测机器人系统，通过实际验证结果表明本文设计出来的系统可以完成管道巡检任务。不仅如此，工作人员可以通过手动控制保证管道检测机器人的运动轨迹，从根本上简化了小车运动轨迹，从而高效完成巡检作业。此外，管道检测机器人系统中还增加了图像检测、报警等功能，进一步减轻了工作人员的负担，值得在未来管道工作中推广。