水下管道巡检机器人控制系统设计

蒲小虎，杜 青，王小东

(天津天狮学院 信息科学与工程学院，天津 301700)

0 引言

水下机器人作为一种高技术手段，在海洋开发和利用领域的重要性日渐上升。随着产业的发展，各行各业迫切需要大量适用于水下作业的各式各样的水下机器人[1]。本设计以水下管道智能检测的现实场景和未来发展为主题，利用智能技术自主设计一台按照给定任务完成水下管道检测的机器人。该机器人能够沿着水下管道运动，检测管道上的吸附物，并发出警报。任务执行过程中可以不使用包括遥控在内的任何人工交互的手段控制水中机器人及辅助装置。

1 方案设计

本系统可分为上位机和下位机两部分，上位机通过VNC远程登录界面可以进行程序调试、修改阈值参数，还可以进行图像和信息数据的实时监测。下位机以树莓派为主体连接各个传感器，通过图像识别技术实现系统功能，下位机主要包括树莓派4B、视觉模块、深度传感器、电机驱动模块、潜水电机、报警模块和电源电路等，系统框如图1所示。

图1 系统框

具体实现的功能如下。

(1)管道循迹：利用树莓派获取内窥镜采集的图像进行数据处理，并将处理过的图像数据通过远程界面窗口显示出图像，对其进行记录；在程序上设置电机前进、左转、右转和停止的阈值条件，通过设置的颜色阈值来识别管道，满足机器人对不同的颜色管道的识别，可以适应多种场景和不同的环境。

(2)对水下场景的拍摄：在进行管道巡检中，VNC界面会实时显示画面，可以使用内窥镜对图像进行拍照，保存在树莓派内部文件里，可用于分析后期水下场景数据。

(3)附着物识别报警：在进行管道巡检中，可以对管道上的附着物进行形状识别，并发出报警。

(4)可以采集水下深度信息。

2 系统硬件设计

2.1 树莓派最小系统

本设计主控单元采用树莓派，树莓派是一款基于ARM的微型电脑主板，其大小仅比信用卡稍大点。其以SD/MicroSD卡为内存硬盘，卡片主板周围有1个10/100 以太网接口和4个USB接口，可连接鼠标、键盘、网线，拥有HDMI高清视频输出接口和模拟信号的电视输出接口，以上部件全部整合在1张主板上，具备PC的所有基本功能。拥有40个GPIO引脚，可以连接多个模块，并且有着强大的可扩张性，可以添加拓展板来增加连接模块的数量。设计中只需接通内窥镜和外围设备，就能执行实时视频播放等诸多功能。

2.2 视觉模块电路设计

本设计中的电子内窥镜是TYPE-C&Android&PC三合一的，用USB接口跟树莓派连接便可使用，不用安装驱动[2]。电压为5 V，分辨率有1 080×720和640×480两种，频率在30 fps，支持多个系统，在本次设计中用来采集图像和拍照(JPEG格式)。

2.3 L298N电机驱动电路设计

L298N是一种具有大电流、高电压的电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。主要特点是：输出电流大，瞬间峰值电流可达3 A，持续工作电流为2 A；额定功率可达25 W；工作电压高，最高工作电压可达46 V。L298N内部含有两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；L298N是使用逻辑电平信号控制；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。本次根据设计要求，需要控制两台直流电机。

2.4 报警电路设计

使用蜂鸣器加LED灯组合成一个声光报警电路，所用蜂鸣器是一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电。这里使用的是高电平，给予它一个高(HIGH)信号就会发出警报，此时再给它一个低(LOW)信号报警就会停止，在设计中用来报警。在报警的时候，LED灯也会一并闪烁，进行报警提醒。

2.5 深度传感器电路设计

水深传感器采用TE公司的MS5837压力传感器，MS5837压力传感器是高精度水深测量的理想选择，水深测量分辨率高达2 mm。MS5837是新一代的高分辨率 I2C 接口压力传感器。MS5837压力传感器模块包括高线性度的压力传感元件和超低功耗的 24 位△ADC 内置工厂校准系数。MS5837-30BA压力传感器可以提供高精度的24位压力和温度数字输出,使用者可以根据实际应用需要配置功耗和转换的速度。该型号传感器的通信协议简单,不需要修改内部的寄存器，可以与所有形式的微控器配合使用。

2.6 LM2596S降压模块的电路设计

LM2596S降压模块是由德州仪器(TI)研发生产的一款降压模块，可以产生3 A电流输出降压，本质上是一种非同步降压型电源管理单片集成电路的开关电压调节器。模块内含150 kHz固定频率振荡器和1.23 V基准稳压器。LM2596S具有功能完善的电流限制、热关断电路、保护电路等。该降压模块只需要非常少的外围器件就可以构成高效稳定的稳压电路[3]。还可以提供3.3 V，5 V，12 V等多种电压选择，本次设计选择5 V电压作为需求。

2.7 水下电机

水下推进器是一款全防水的水下推进器，电机的转子做了全面防水措施，可以完全浸泡在水下工作，如果需要在海水环境下工作，须在工作完毕后用淡水冲洗电机。如果不冲洗电机，电机内部的海水干燥后会形成结晶，影响推进器的寿命。

3 软件设计

本设计是在树莓派内部进行程序编写，首先用SD卡配置镜像，获取树莓派的IP地址并使用VNC登录，配置好之后在其内部进行程序的编写和调试。在本次设计中使用的是Python语言，在进行编程时要清楚树莓派GPIO口的定义如何使用和格式。

3.1 主程序设计

主程序的运行过程：打开电源开关，系统正常供电，开始初始化，使用内窥镜获取图像，树莓派对获取的图像进行处理，开始检测白色的水下管道，根据管道的点位不同给电机使能信号，让电机开始运作，根据图像上白色区域的阈值进行前进、左转、右转。在循迹过程中,内窥镜会识别管道上是否有异物，并对其进行形状识别。如果是圆形，LED灯(红)闪烁，蜂鸣器报警；如果是方形，LED灯(绿)闪烁，蜂鸣器报警。主程序流程如图2所示。

图2 主程序流程

3.2 管道识别算法设计

管道识别需要对内窥镜的实时图像进行灰度处理，显示出灰度图像，然后进行二值化处理。本设计的测试使用白色管道来进行检测，在程序中单独调用一个二值化图像的窗口用来识别管道，设定一个阈值，高于这个阈值为白色，低于阈值为黑色，进行划线得到白色管道路径。

3.3 方向控制算法设计

要控制机器人的前进，左转和右转，需要对当前二值化图像进行处理，求出白色管道的平均点位，再和船在管道正上方的位置时的白色管道的点位(320)进行比较，因为每帧图像的大小是640×320，当船体(管道检测机器人)在巡检管道正上方时，所拍摄的图像中，白色管道在图像的中心位置，测试管道点位为320左右。当所获得的图像点位偏离320时，即可判断船体的形式方向。

3.4 形状识别算法设计

形状识别流程是首先对于获取的图像进行腐蚀和膨胀处理，通过卷积核设置阈值来消除噪点，然后将膨胀和腐蚀过后的图像分别显示出来。有了腐蚀和膨胀图像结果后，就可以在原图上绘制轮廓线，通过绘制轮廓线可以获取形状面积，这个时候对于轮廓线的数量进行一个判定，轮廓线大于13条说明没有检测到附着物，反之则有。轮廓线小于13条在连续5次以上附着物为圆形，反之附着物为方形。

4 结语

综上所述，本文所设计的系统能够识别水下白色管道并且能够根据情况直行、左转和右转，能够发现附着物并判断其形状，能在浅水区进行有效识别。水下机器人的应用在很大程度上可以降低人工巡检的难度，提高工作效率。随着社会的进步,水下巡检机器人在未来会有非常广泛的应用。