隧道排水管沟机器人摄像云台系统设计

侯 凡，孟祥印，2，唐志锋，谢江鹏

（1.西南交通大学机械工程学院，四川 成都 610036；2.轨道交通运维技术与装备四川省重点实验室，四川 成都 610036）

1 引言

目前，随着我国智慧城市管网系统的逐步建立，排水管沟的应用日益广泛。排水管沟广泛应用于城市排水、公路排水、铁路隧道排水。大多数排水管沟的工作环境非常恶劣，随着作业年限的增长，管沟内壁和外壁将随着排水和外力的冲击、矿物质腐蚀、淤泥义务等因素影响，出现管沟裂纹、扭曲、磨损变形问题［1］，这将给工程的继续运转带来巨大压力。基于此，管道质量的定期检测尤为重要。由于管径的限制，人工无法进入管沟，目前主要是采用量泥斗法、反光镜法等。量泥斗法检测淤泥效果较好，但是无法检测管沟内壁的结构性问题。反光镜法只能对没有液体的管道内壁进行检测［2］，否则误差较大。可见人工检测效率低下，不适用于对日益庞大的管沟进行维护。近二十年来，随着微电子技术、精密传感器设备、通讯、工业设计等多个领域的迅速发展。在隧道排水管沟的巡检中运用机器人技术来逐渐成为研究的热点［3］。管沟机器人的控制命令依赖于各传感器采集反馈的数据，其中管沟采集图像的清晰度直接决定了操作者对管沟环境的判断，进而对机器人的运动控制、故障识别和故障诊断都有着非常重要的影响［4］。摄像云台系统被称为隧道排水管沟机器人的“眼睛”，该系统的摄像头像素、云台升降角度、摄像头转动角度、俯仰角度、照明设备、防水等级等参数决定了管沟机器人在隧道排水管沟中的工作精度。

2 总体方案设计

本摄像头云台主要是应用在隧道管沟中，受限于管沟的高度限制，摄像头云台系统的体积应当比较小，以提高管沟机器人对不同管径的适应能力。摄像头云台系统的前视摄像头需要较高的像素，用以确保机器人在隧道中巡检时能清晰显示管沟情况，保存高质量的管沟故障点图像。在完成巡检任务后，为避免回退过程中线缆和障碍物对机器人造成影响，需设计后视方案。在故障点处，需采集不同的角度的故障点图片，便于后续工作人员对故障点进行判断，摄像头的转动速度和俯仰速度要确保稳定且匀速。在实际的管沟环境中，可能存在大量积水的情况，摄像头云台系统需要有一定的密封措施。此外在无巡检任务时，摄像头可拆卸单独保存。

因此，根据上述需求，摄像头云台系统应具有如下特点：

（1）转轴360°的无限制旋转；

（2）俯仰180°，速度平稳；

（3）镜头具有高清晰度，具备变焦变倍功能；

（4）具备可调的光源，用于照明，照明距离不能小于2.5m；

（6）云台为可拆卸结构，便于无任务时的保养；

（6）具备后视摄像头，便于机器人回到巡检起点；

（7）安全可靠的供能、通讯电路。

摄像头云台系统的核心控制部分采用STM32最小核心板，该控制板具备通信和控制功能。当上位机控制面板输入指令时，上位机控制器对指令进行量化并打包，通过RS485通信传输到云台控制器。当接收到数据时，云台控制器对数据进行验证，验证通过后进行解码，并驱动执行机构完成对应功能。

这里设计的摄像头云台体积为：长30cm，宽5cm，高15cm。摄像头云台系统三维图，如图1所示。

图1 云台三维设计Fig.1 3D Design of Pan Tilt

3 硬件部分设计

3.1 运动机构选择

这里设计的摄像头云台控制系统具有两个自由度，分别为轴向360°转动，上下180°俯仰。齿轮传动是现代各种设备中应用最广泛的一种机械传动方式，它的效率比较准确、效率高，但是占用空间较大且不宜用于相对距离较大的场合［5］，故这里采用其它机构进行传动。

俯仰功能的实现采用同步带进行传动。同步带工作时无滑动、有准确的传动比、效率高、可用于远距离传输，中心距10m以上，符合云台系统的设计要求［6］。采用舵机作为执行机构实现。它由直流电机、减速齿轮组、传感器和控制电路组成，适用于需要角度不断变化并可以保持的控制系统。在高档遥控玩具，如飞机、潜艇模型，遥控机器人中已经得到了普遍应用［7］。舵机的输入仅有三根线，电源线VCC、GND 和信号线，三根线通过杜邦线固定在云台部分的控制板IO引脚。控制舵机的时候，需要不断的给PWM波才能使得舵机在某个角度有扭矩。转动功能的实现采用反作用机构，如图2所示。可拆卸摄像头通过电机转动的反作用力带动，电机延长轴通过轴端固定架（键连接限制转动，再通过锁紧螺母进行轴向限位）固定，当电机转动时，电机延长轴不动，电机的反作用力带动前方云台实现360°的转动。

图2 转动结构图Fig.2 Rotation Structure Diagram

3.2 STM32最小系统板性能

该系统板配置STM32 芯片，具有72M 主频、64K-FLASH、20K-RAM，具有多个定制器通道、20个IO引脚，足够满足摄像头云台系统的控制输出。此外，它具有全双工的可编程串行通信接口，保证与上位机通信的可靠性［8］。

3.3 电机选型

本项目设计的摄像头轴向角度范围为（0～360）°，采用鸣志MS11HS3P4067步进电机。该电机尺寸小、力矩高、低噪音。由于对转动的速度、位置没有精确的要求，使用开环控制即可。电机驱动器采用鸣志SR3-mini，该驱动器具有抗共振、低速力矩平滑、输入信息平滑等功能。使用云台控制器控制该驱动器。测得该驱动器和电机在不同电压下的速度转矩曲线，如图3所示。

图3 速度转矩曲线图Fig.3 Speed Torque Curve

3.4 LED模块

隧道排水管沟常深埋在地下没有光源，为了提供更好的拍摄条件，管沟机器人必须有充足的光源去照明，LED 模组控制电路［9］，如图4所示。

图4 LED灯驱动电路Fig.4 LED Lamp Driving Circuit

该项目LED 灯设计思路：一块LED 模组选用6 颗同规格的LED 灯珠，使用PT4115芯片进行恒流控制，PT4115输入电压范围为（6～30）V，输出电流可调。当外部接入电压为12V 时，通过Rs采样电阻进行电流采样，通过PT4115芯片的DIM引脚可以接入PWM波进行控制，考虑到单路PWM波输入驱动不足的情况，设计了两个PWM输入端口。当DIM的电压低于0.3V时，功率开关关断，PT4115进入极低工作电流的待机状态，如此保证了整个模组的可靠性。LED的最大平均电流由在VIN和CSN两端的电阻Rs决定，计算方法如下所示：

式中：D—PWM波的占空比；

RS—采样电阻，本项目选用电阻为300MΩ。

3.5 图像视频采集模块

由于隧道机器人的单次巡检距离较长，摄像头必须具备远距离图像传输接口。摄像头前视部分选用数字和模拟信号一体的SONY-EV7100机芯，该机芯有效像素为238万，光学变焦40倍，具有防抖及透雾功能；后视镜头选用imx385模组，最大分辨率为（1920×1080）。前后摄像头均能输出SDI信号，通过同轴线缆即可进行远距离视频传输，连接简单可靠。

3.6 电源及通信模块设计

摄像头云台系统电源及通信设计，如图5所示。爬行器与云台摄像头的控制板使用USB线进行供电和通讯，LED 灯通过IO引脚输出PWM波进行亮度控制，爬行器的输出电压为12V，通过分线板输出3路12V电路，一路给摄像头部分供电，一路给电机驱动器进行供电，最后一路通过降压模块给舵机进行供电。

图5 摄像头云台供电及通信设计Fig.5 Power Supply and Communication Design of Camera Pan Tilt

3.7 密封设计

这里设计的防水等级要求为IP68，为实现该要求，在云台系统无相对运动部分采用静密封，并在壳体内填充硅胶发泡条。俯仰转动出使用双层O型密封圈进行密封，在可拆卸处使用航空插头进行密封。将云台放置在云中30min取出，各接口出没有进水现象，表明本云台的密封性能［10］。

4 控制程序设计

摄像头云台系统软件部分主要实现以下功能。（1）控制芯片接收上位机的数据指令，数据解析；（2）轴向转动控制；（3）俯仰角度控制。控制程序整体设计流程，如图6所示。这里所涉及的控制程序采用C语言编写，编译环境选用Keil5，库函数丰富、代码紧凑，容易理解。

图6 控制程序流程图Fig.6 Control Program Flow Chart

4.1 摄像头360°转动电机程序设计

云台控制器与步进电机驱动器及电机典型接线图，如图7所示。脉冲信号主要是通过控制器的定时器TIM8_CH2 产生，仅需要通过杜邦线将IO引脚连接即可。在本程序中，先初始化定时器的溢出时间为一个时间周期，设定控制器定时器模式为脉冲宽度调制模式2，设置输出极性高。

图7 典型接线图Fig.7 Typical Connection Diagram

PWM2模式时序图，如图8所示。计数值CNT以每周期固定从0开始计数，一直累加到ARR，通过设置CCR值输出不同占空比的PWM波［11］，PWM的周期时间由式（1）获得：

图8 PWM原理示意图Fig.8 Schematic Diagram of PWM Principle

式中：Arr—定时器重装载值；

Psc—时钟预分频数；

Tclk—TIM的输入时钟频率（单位为MHz）；

Tout—TIM3溢出时间（单位为μs）。

摄像头转动电机的位置控制采用手动按键控制，通过按钮的按下和弹起状态调整摄像头转动电机的开闭状态，通过左右方向控制摄像头的转动方向，考虑到复位情况在上位机预留复位按键，在控制过程中由式（2）设定电机转动速度。通过上位机按键的状态触发中断处理函数，在中断处理函数中根据具体按键执行相关函数。

式中：Ω—转速单位转/分；f—频率Hz；x—细分倍数；T—步距角。

根据上述功能编写如下函数控制电机：

void Driver_Ini（tvoid）；//驱动器初始化（初始化ENA+、DIR+IO引脚）。

void TIM8_OPM_RCR_Init（u16 arr，u16 psc）；//TIM8_CH2初始化单脉冲+重复计数模式。

void Locate_Rle（long num，u32 frequency，DIR_Type dir）//相对定位函数，带方向控制，主要用于控制电机正反转。

void Locate_Abs（long num，u32 frequency）；/绝对定位函数，主要用于电机回0。

4.2 摄像头俯仰程序设计

本项目使用的舵机就是根据云台控制器高电平持续时间（0.5～2.5）ms来实现（0～180）°的转动的。通过改变TIMx_CCRx寄存器的值调整每个周期内高电平的持续时间，如图8所示。本程序设定在上位机控制面板采集的AD 量化后的数值范围为（0～1024），角度和数值比为1：5.7，通过式（3）带入参数即可求得当前AD 数值下所对应的CCR寄存器数值。当数据传送到云台控制器后，通过转化改变CCRx寄存器的数值来控制舵机在（0～180）°。设置占空比的函数如下：

void TIM_SetComparex（TIM_TypeDef* TIMx，uint16_t Compare2）。

式中：Arr—定时器重装载值；psc—时钟预分频数；Tclk—TIM的输入时钟频率（单位为MHz）；value—上位机AD量化数值。

4.3 LED模块程序设计

本项目中LED灯模组亮度调节的实现原理，如图9所示。控制面上的亮度调节旋钮变动，其电位计在被上位机控制器AD采集量化后，根据通信协议打包并传输到云台控制器。云台控制器对AD量化值进行解码后，求出当前量化值对应的占空比，根据占空比的值，求出CCRx 应该设置的具体数值，并通过函数void TIM_SetComparex（TIM_TypeDef*TIMx，uint16_t Compare2）确保定时器输出的PWM占空比为上述计算值。通过杜邦线将PWM输出引脚连接到LED 模块中PT4115 芯片的DIM 引脚。通过上述方式，改变占空比来改变LED回路中的电流，使LED模块实现调光功能。

图9 LED模组控制流程图Fig.9 Module Control Flow Chart

5 通信协议

上位机将数据线通过RS485传输到爬行器的下位机控制器，下位机控制器与云台控制器使用串口进行数据传输。RS232、RS422 还是RS485 这些典型的串口标准通讯协议，只是定义了部分物理层，对于数据链路层基本没有涉及，需要使用者自己来定义合适的数据协议来传输自己的数据［12］。根据摄像头云台系统的功能需要，我们指定了如下表1的通信协议格式。其说明如下［13-14］：（1）起始标志：是协议数据帧的开始标志，本协议规定起始标志有1字节（0X55）。（2）指令类型：根据不同的功能要求自定义，使目标设备按照指令数据做出对应的动作，主要是告诉接收方“做什么”。其中0X0f轴向正转，0X10轴向反转，0X11上俯仰，0X12下俯仰。（3）应用数据：它包含详细的数据，可以理解为补充“做”的内容以及一些具体的参数。（4）CRC检验：是对协议数据帧中检验字段之前的字节进行检验的结果。本协议采用CRC16进行检验。这种编码的基本思想是将要传递的信息M（X）表示为一个多项式L，用L除以一个实现预定的多项式G（X），得到的余式就是所需要的循环冗杂编码［15］。（5）结束标志：表示协议数据帧的结束特性标识，通常和起始标志一起用于通信两端的数据同步和完整性判断。本协议中规定结束字为0XBB。

表1 通信协议数据帧格式Tab.1 Communication Protocol Data Frame Format

6 实验分析

6.1 LED模组测试

为验证本模组设计的LED模组在云台控制器下调光的性能，设计检测方法：Led灯珠的一端焊接在PCB上，另一引脚脱开，再通过导线将万用表打在相应电流档位串接在电路中即可。实验过程：通过上述将硬件连接好后，通过改变定时器PWM输出的占空比来测量流过LED模组的电流。实验图片，如图10所示。对2次实验数据进行记录结果，如图11所示。由图11可知：LED模组在占空比50%内存在较为明显的波动，50%以后，波动较小。通过分析推测波动的出现原因有如下两点。（1）电路中电阻和电感的物理特性导致；（2）测试过程中操作不当造成误差。尽管存在些许波动，但是还是能够验证LED模组电路及程序设计满足功能需求。

图11 输出电流与占空比关系曲线Fig.11 Relation Curve Between Output Current and Duty Cycle

6.2 轴向转动实验

为验证本云台通信是否正常、控制程序是否合理，设计如下验证实验：将轴向转动电机轴与角度传感器链接，传感器的数据通过串口反馈至检测设备，测试云台复位函数的准确性。实验图片，如图12所示。8组实验结果，如表2所示。表2实验数据及图13表明：本系统通信正常，控制程序准确。实际值与期望值存在部分误差，误差范围在（-2～3.5）°方位内，分析在转动过程中存在摩擦力的影响，本设计符合预期设计的定位精度。

表2 复位函数实验数据Tab.2 Reset Function Experimental Results

图13 轴向转动误差变化Fig.13 Variation of Axial Rotation Error

7 结论

（1）本设计将STM32控制器、步进电机、舵机、摄像头、LED模组整合为摄像头云台系统，建立该系统三维模型。硬件设计合理，确保体积小、结构简单。（2）控制程序的详细设计确保系统能够按照指令完成对应功能。（3）通过LED模组实验及轴向转动实验，验证了该系统的可靠性和稳定性。