基于STM32 單片機的電纜探傷機器人系統(tǒng)設(shè)計

李 想 夏 棚 黃 哲 苗原榮 李恒朝

（中國民航大學(xué)，天津300300）

電力電纜是電能傳輸?shù)闹匾d體，所以對電纜的定期檢測和維護是必不可少的。但是，大部分電纜溝存在空間狹小、夏季溫度高、氣體環(huán)境惡劣等問題，人工巡檢費時費力、故障查找難、處置效率低且工作量大[1]，本文提出了一種能夠在電纜溝道內(nèi)進行巡檢的機器人，并根據(jù)機器人在溝道內(nèi)工作的特點，制定了相應(yīng)的控制方法[2]，能有效規(guī)避惡劣環(huán)境工作風(fēng)險，大幅減輕人力勞動強度，節(jié)省維護成本，提高運維效率，為溝道電纜運維提供技術(shù)支撐。

日?？梢姷难矙z類機器人大多采用的是四輪結(jié)構(gòu)，行駛不穩(wěn)定，視覺探察裝置只支持水平移動，不適用于電纜溝等復(fù)雜環(huán)境。本文在機器視覺理論與控制理論研究的基礎(chǔ)上[3]，設(shè)計了一種采用了履帶式底盤電纜溝巡檢機器人，攜帶能夠自主跟蹤拍攝的高精度紅外攝像頭和可見光高清攝像頭進行大范圍的圖像采集，通過對采集信息進行處理即可獲取電纜情況，并準確定位電纜故障點，具有成本低、操作簡便、可靠性高、工作效率高等特點。

1 機器人結(jié)構(gòu)和功能

1.1 機器人基本結(jié)構(gòu)

圖1 機器人結(jié)構(gòu)圖

（1）機械結(jié)構(gòu)。

電纜探傷機器人的機械結(jié)構(gòu)由機器人小車和跟隨探傷云臺兩部分組成，整體車身長30cm，寬25cm，高82cm，小車大部分采用金屬板作為承力結(jié)構(gòu)，小車和云臺之間由碳纖維管支撐連接，整體連接堅固可靠，能進行靈活的機械運動，為機器人運動控制系統(tǒng)和探傷系統(tǒng)提供可靠的機械基礎(chǔ)。下面分兩部分具體介紹，結(jié)構(gòu)圖如圖1。

機器人小車采用履帶式小車，能夠在道路不平整的環(huán)境下行駛平穩(wěn)。履帶材質(zhì)為塑料，能夠保證在電纜溝道有觸電危險的情況下，起到一定的絕緣效果。整個車身大部分為金屬架構(gòu)，能保證上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，電機設(shè)計在金屬結(jié)構(gòu)下部，有利于檢查和維護。車身分為兩層，分別放置驅(qū)動、變壓器和STM32 開發(fā)板。在車身四周設(shè)計了可靠且美觀的結(jié)構(gòu)，滿足各個方向和高度布置超聲波傳感器的要求。電池盒位于車身尾部，相對于其他部件比較獨立，便于充電以及更換。

跟隨探傷云臺用于放置LED 燈、微型計算機、紅外熱成像攝像頭以及高清攝像頭。所用材料大都是非金屬材料，為的是減輕上部的重量，減小上部抖動的程度。這部分與車體部分使用長50cm 的碳纖維管連接，既滿足結(jié)構(gòu)連接可靠性，又能提供足夠的高度實現(xiàn)探傷功能。

（2）電路結(jié)構(gòu)。

機器人的電子器件主要有STM32芯片，8 個超聲波探測器，小型變壓器，微型集成電路電機驅(qū)動芯片，和兩個12V 主動電機。在機器人機械結(jié)構(gòu)總體分為兩層的基礎(chǔ)上，我們將所有的電子器件分為三層布置，為了便于觀察在最上面一層放置了STM32 芯片顯示屏和用以循跡的探測器，為了整體美觀第二層用于放置變壓器，驅(qū)動芯片及面包板等連線眾多的器件，為了保證避障模塊可以保護車的整體我們將用于避障的探測器放置在最下面一層以保證避障時位于機器人最下方的電機不會受損。

1.2 系統(tǒng)總體功能

電纜探傷機器人由主機系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)、電纜追蹤系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)和電源系統(tǒng)組成。該機器人系統(tǒng)框架如圖2。

圖2 機器人系統(tǒng)框圖

（1）運動控制系統(tǒng)由通過安裝在車身周圍的八個超聲波模塊來實現(xiàn)路徑規(guī)劃，充分利用電纜溝道狹窄的特點，通過八個超聲波合理配合實現(xiàn)自主準確確定小車車身狀態(tài)，保證小。

（2）正常、平穩(wěn)運行。

（3）定位系統(tǒng)主要由GPS 模塊和編碼器組成，準確定位電纜損傷位置。

（4）電纜自主跟隨系統(tǒng)由可見光攝像頭和微型處理器樹莓派組成，通過對攝像頭捕獲的圖像進行處理，實時確定電纜在整幅圖像中的位置，并將對應(yīng)不同位置情況反饋給樹莓派，樹莓派輸出對應(yīng)的PWM波控制舵機平臺三維度旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)攝像頭實時跟隨電纜功能。

（5）圖像采集系統(tǒng)通過高清攝像頭和紅外攝像頭獲取電纜感情圖像和溫度數(shù)據(jù)，以備后期觀看和圖像處理。

（6）電源系統(tǒng)由DC-DC 模塊和電池組成，為主機系統(tǒng)、運動系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)及電纜追蹤系統(tǒng)等提供足夠的能源。

2 機器人控制技術(shù)

2.1 自主路徑規(guī)劃技術(shù)

自主路徑規(guī)劃技術(shù)分為超聲波避障和自主循跡，控制流程框圖如圖3 所示。

超聲波避障技術(shù)主要是由安裝在機器人四周的超聲波探測器和相關(guān)供電電路組成。其主要原理是在同一位置發(fā)射并接收超聲波，根據(jù)時間差計算出距被測物體的實際距離L：

Th：高電平持續(xù)時間；C：聲速

機器人前方用4 個超聲波探測器并排的方式達到探測整個車身的前方環(huán)境的目的。由于機器人的實際寬度近似電纜溝寬度的3/10，所以在設(shè)計的時候?qū)㈦娎|溝假分為三條跑道來設(shè)計相關(guān)程序。機器人工作時會優(yōu)先行駛在中間的跑道上，在探測到前方障礙物后會按照超聲波反饋信號選擇最優(yōu)通道。

自主循跡技術(shù)是由安裝在機器人兩側(cè)的超聲波探測器及相關(guān)供電電路組成，其基本過程是確保車身擺正的基礎(chǔ)上貼墻循跡。

機器人車身擺正功能主要根據(jù)靠近墻體一側(cè)的兩個超聲波探測到的距離來判斷車身是否與墻體平行，當近墻一側(cè)的兩個超聲波探測到的距離數(shù)據(jù)相同時說明車身與墻面平行。若不等則說明車身不正，則機器人會利用PWM控制技術(shù)，通過控制輸入電機的電信號的高電平占比來控制兩個電機的轉(zhuǎn)速的大小直至車身平行與墻面。

貼墻循跡是在以車身擺正的基礎(chǔ)上將判斷車身是否擺正的條件從近墻一側(cè)的兩個探測器探測數(shù)據(jù)相同變?yōu)閿?shù)據(jù)之間的差值小于5，然后根據(jù)車身兩邊的探測器探測到的距離數(shù)據(jù)調(diào)控機器人到墻壁的距離，使機器人的前端與墻體間隔保持在28-32cm，若超過這個范圍則機器人會采用單側(cè)輪加速的方式使機器人與墻體之間的距離回歸到這個范圍內(nèi)。

圖3 自主路徑規(guī)劃流程框圖

2.2 視覺跟隨技術(shù)

實現(xiàn)物體追蹤技術(shù)主要依靠顏色識別和舵機控制。我們對于顏色識別使用的是Opencv 計算機視覺庫，為達到對于某種顏色的識別，只需在程序中直接設(shè)置顏色在HSV 空間的閾值范圍即可。

舵機控制部分主要使用樹莓派對舵機進行控制，根據(jù)舵機的參數(shù)特點可以看出舵機從0°轉(zhuǎn)變到180°時，占空比應(yīng)該在2.5%～12.5%之間變化。再通過實際測試對理論結(jié)果加以驗證，得到占空比3%～13%對應(yīng)著舵機轉(zhuǎn)動角度0°～180°，二者是線性變化的，則D=angle/18+3，因此，給定一個角度便可以得到對應(yīng)的占空比，達到控制舵機的目的。

通過顏色識別和舵機轉(zhuǎn)動，就可以實現(xiàn)電纜追蹤，根據(jù)攝像頭所捕獲的影像大小為640*480，確定舵機的初始位置即中心點（320，240），設(shè)定一個允許被追蹤物體活動的最大范圍，稱為中心區(qū)域，用X、Y 分別表示影像的橫縱坐標，定義中心區(qū)域的坐標范圍為：X（220-420），Y（120-330），當所檢測物體處于此閾值范圍內(nèi)時，不需要調(diào)整舵機角度，當物體超出此范圍，每次在初始位置的基礎(chǔ)上加2 來逐步調(diào)整舵機的角度。為防止角度超出180°，再加上實際情況的使用、攝像頭的視野范圍，限定X＜40,X＞105;Y＜40,Y＞100 為超出范圍情況。

2.3 圖像采集與處理技術(shù)

圖像采集技術(shù)通過攜帶陀螺儀防抖裝置的高清攝像頭和分辨率為32×24 的紅外攝像頭獲取電纜高清圖像和溫度數(shù)據(jù)，通過微處理器樹莓派進行實時存儲，當電纜探傷機器人返回至起始點時，通過WIFI 將數(shù)據(jù)傳輸至上位機。

圖像處理技術(shù)：上位機對獲取的高清圖像進行高斯濾波、分割提取、二值化、膨脹腐蝕，通過計算二值圖像最小矩形面積判斷電纜表皮外力損傷，通過對紅外熱成像攝像頭獲取的溫度數(shù)據(jù)進行距離矯正，并與電纜過負荷閾值溫度比較從而判斷電纜過負荷狀態(tài)。

3 系統(tǒng)設(shè)計特點

采用電纜探傷機器人代替人工進行日常電纜巡檢工作，提高了巡檢工作效率，本文提出的電纜探傷機器人主要創(chuàng)新點如下：

3.1 選用履帶式的車體結(jié)構(gòu)作為機器人移動載體，通過多路超聲波模塊相互配合實現(xiàn)機器人自主路徑規(guī)劃，在保證車體平穩(wěn)的同時實現(xiàn)機器人穩(wěn)定自主運行。

3.2 機器人具有運行一定距離自動返回功能，運行距離可人工隨意調(diào)節(jié)。

3.3 采用GPS 和編碼器測距相配合的定位技術(shù)，大大提升機器人定位精準度。

3.4 采用基于HSV 模型的顏色識別追蹤技術(shù)實現(xiàn)電纜追蹤功能，保證高清攝像頭和紅外熱成像攝像頭始終對準電纜，確保數(shù)據(jù)采集的完整性。

4 結(jié)論

本文提出的電纜探傷機器人具有成本低，操作簡單，可靠性高等優(yōu)點，可代替人工完成電力電纜的日常巡檢工作，滿足電纜巡檢的工作要求。極大的降低了相關(guān)人員的工作強度和工作風(fēng)險，提高工作效率，具有一定的應(yīng)用前景。