基于OpenCV3的自主巡检远程应急机器人系统设计

张军 孙梓豪 卫艺冉

摘 要：根据传统机器人在无人监督状态下的高效运转，设计了基于OpenCV3函数库对图像识别传感器采集的环境信息进行处理和分析，通过将数据结果传递给STM32F1做出决策，控制机器人运动轨迹与机械臂的状态，从而对周围环境做出应答，提高变电站巡检作业和设备管理水平。

关键词：OpenCV3;STM32F1;机器人;变电站巡检

0   引言

在当今时代，智能化与自动化越来越普及。变电站通过对电压的高低压变换，成为全国电力系统必不可少的一个环节，同时，为减少人为事故，变电站的自动化变得更加紧迫。通过引用机器人提高巡检作业和设备管理水平，保障了无人值守变电站等电力系统的安全运行，促进变电站更好地适应社会的发展[1-3]。

1 机器人总体方案设计

本设计主要采用微控制器进行控制，控制器与超声波的模块进行通信，从而判断外部环境，将数据传输到上位机，由机器人自主做出相应的动作解决问题[4-5]。设计流程如图1所示。具体而言：（1）机器人整体采用履带小车的结构。相同重量的履带式小车牵引力是轮式小车的1.4～1.8倍;履带式小车有较强的通过性与爬坡能力，在防侧翻与滑坡地带行驶有良好的稳定性，在道路不平、土质松软、恶劣的天气条件下都具有通用性。（2）机器人的主控芯片采用STM32F103ZET，属于32位ARM微控制器，内核位Cortex-m3。此芯片工作频率最高可达72 MHz，有8个定时器，2个18 M/s的SPI接口，2个I2C接口，3个USART接口，是现在被广泛使用的一款低功耗芯片。（3）机器人的运动模块主要采用直流减速电机、超声波模块。由电机带动小车运动，超声波检测与周围障碍物的距离，防止机器人碰撞损坏。（4）机器人的环境视频与红外视频的传输主要用的nrf24l01无线数据传输模块。（5）机器人的机械臂结构由4个舵机构成。通过主控芯片，机械臂可以实现水平方向与垂直方向180°转动;其末端的机械爪可以帮助机器人清理行进过程中遇到的障碍物。

2 系统框图

本机器人系统主要分为控制系统、红外视频传输系统和机械臂系统3个部分。系统框如图2所示。

（1）机器人的控制系统主要由STM32微控制单元构成。通过输出PWM波形的占空比控制电机与舵机运动;判断超声波返回来的距离值，控制小车的合理运动;向红外传输区域发送初始化信息，进而启动红外传输区域工作。控制系统还可以接受上位机的信息，能够做到实时监控处理。

（2）机器人的运动模块主要采用直流减速电机、超声波模块，由电机带动小车运动，超声波检测与周围障碍物距离，防止机器人碰撞损坏。

（3）红外视频传输区域，由摄像头OV2640与红外成像模块AMG8833进行数据采集，通过无线传输模块nrf24l01处理采集到的数据，最后发送到上位机。

（4）机器人的机械臂结构由4个舵机构成。通过主控芯片，机械臂可以实现水平方向与垂直方向180°转动，其末端的机械爪可以帮助机器人清理行进过程中遇到的障碍物。

（5）电路原理如图3所示。在硬件电路中，除了模块接口外，主要用到了光耦隔离。光耦隔离电路的目的是使被隔离的两部分电路之间没有电的直接连接，一般常用于低压的控制电路与外部高压电路之间。在本电路中主要是用于隔离驱动电机的+12 V对电路的不良影响。

3 机器人平台的搭建

机器人平台为履带车型[6-7]，其搭建过程如下：（1）机器人框架：车身主体采用2 mm铝合金板;履带采尺寸为4×75 cm，材料为塑料制黑色;由两个驱动轮带动履带，并且还有4个承重轮，保证履带正常运转。（2）电机：选用33GB-520直流减速电机，扭矩大而且安全可靠，电机额定电压为DC12 V，空载电流为100 mA。（3）电源：选用一块4000 mA的H锂电池，最大放大电流4 A。（4）电路板：将各个模块集成在一块电路板上，电路板上采用光耦隔离，避免信号间的相互干扰，通过PCB绘制电路板。（5）上位机：由LCD显示屏通过无线传输模块构成，用于和机器人通信，显示屏则用于显示传输过来的视频与红外图像。

机器人整体运行实验：由于实验环境的限制，机器人只能在模拟变电站空间场地进行运行实验。

4 红外视频传输模块的开发

机器人的红外视频传输是机器人的主要功能，可以实现在远距离将采集到的视频通过无线传输模块传送给上位机，只要登录上位机，就可以观测机器人状态、变电站环境变化，以便能够随时应对一些突发的变故。

在综合考虑視频采集的清晰度、红外视频的数据量与无线传输模块一次能够传输的数据量的前提下，完成软件总体设计程序流程（见图4）。

当整个机器人启动时，红外视频传输模块得到供电，经过STM32对OV2640模块和AMG8833模块进行初始化。初始化后，两个模块开始工作，OV2640模块采集视频，AMG8833模块采集红外成像，由于采集到的两个数据量较大，需进行一定的数据处理。采集到的数据经过nrf24l01无线传输模块，将数据发送给上位机，上位机可以根据得到的数据实时监控机器人的活动轨迹。

5 机器人运动模块

机器人由两个直流电机带动履带运动，经过控制器处理得到的距离信息，控制机器人无障碍运动。

对控制器+5 V供电，初始化超声波模块，超声波模块发送超声波，碰到障碍物反射，接收器接收超声波。将得到的距离数值返回给STM32控制器，由控制器判断障碍物所处位置，进而控制STM32输出PWM波形占空比，控制电机转动的快慢。由电机驱动模块控制机器人左转、右转和后退。

机器人的电机驱动模块为L298N，该模块属于H桥集成电路，输出的电流一般为2 A，最高时可以达到4 A。L298N预留有接口，可以与单片机直接通信。当准备驱动直流电机时，通过连接步进电机信号线，进而输出不同的高低电平实现电机的正反转。运动模块流程图如图5所示。

机器人有两个超声波模块分布在机器人的前端，时刻不停地检测机器人前方的环境状况，控制器不停地接受超声波返回的数据，不停地与预设值比较，控制机器人行走。机器人运动模块整体架构如图6所示。

6 机械臂控制系统

机器人的机械臂由3个舵机和1个机械爪组成，使机械臂能够灵活的抓取周围的障碍物，为小车开辟道路。

机械臂由主控芯片控制，芯片产生PWM信号进行舵机角度的控制，PWM信号以20 ms为一个周期，通过改变时间调整脉冲控制舵机的角度。主控芯片控制舵机联动，由上位机通过无线通信模块传给STM32控制器，控制芯片经过舵机的传送信号接口，舵机控制电路对收到的信号做出计算反应，驱动电机运转，电机不仅会带动舵机输出轴的输出力矩，也会同时带动电位器。舵机中的电位器相当于一个位置传感器，当电位器阻值转到信号所要求的阻值，电路控制电机停止转动。

7 机器人电源系统

机器人整体采用+12 V锂电池作为机器人的外接电源。2个直流电机由+12 V供电，为机器人行走提供足够的功率。锂电池经过78L05稳压芯片输出+5 V的稳定电压为STM32控制芯片供电。

8 结语

本项目机器人在模拟的变电站场景下运行良好，能够流畅地按照规定的路线运动，在U形弯道和S形弯道，调节小车电机转速的不同，可以流畅地转弯。在有障碍物的实验场景下，机器人通过超声波模块避免与障碍物的碰撞，调节机器人与障碍物之间的距离，通过机械臂移动障碍物使机器人继续前进。小车通过摄像头采集周围环境视频，经过无线传输模块，将视频传到上位机。但经过测试发现，视频传输速率过慢，帧数过低，且机器人的摄像头采集易受外部光线的影响，导致采集的图像曝光过于严重。无线数据传输容易受到外部环境影响，此类问题还有待优化。

[参考文献]

[1]梁丽勤，王岩，张宝健.基于Freescale单片机的智能赛车设计[J].机电产品开发与创新，2010（6）：114-116。

[2]马小亮.高性能变频调速及其典型控制系统[M].北京：机械工业出版社，2010.

[3]王海波，冯蓉珍，司俊，等.基于PWM调速的智能小车控制系统实现[J].科技广场，2011（5）：145.

[4]康華光.电子技术基础（模拟部分）[D].武汉：华中科技大学，2006.

[5]陈宗梅.模拟电子技术实验及课程设计[M].北京：北京理工大学出版社，2015.

[6]刘季秋，胡立夫，于晗，等.基于Open CV的快递分拣机器人设计[J].中国科技信息，2021（1）：80-81.

[7]王勇，陈荟西.基于机器视觉与单片机结合的机械臂抓取系统[J].自动化技术与应用，2021（1）：78-84.

（编辑 何 琳）