管道無損檢測(cè)與注漿修復(fù)一體化智能機(jī)器人的設(shè)計(jì)與開發(fā)

于尚君 朱旭輝 尹祺 鄒琪琪 楊宇佳

(鄭州大學(xué) 河南鄭州 450000)

我國(guó)基礎(chǔ)工程設(shè)施建設(shè)發(fā)展迅速。其中，城市地下管線被稱之為“城市的生命線”，為城市源源不斷地輸送物質(zhì)、能源及信息。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2016年末，中國(guó)大陸的地下管線總長(zhǎng)度為346.5萬(wàn)km，每年以新增11萬(wàn)km的速度增長(zhǎng)。其中，城市地下管線總長(zhǎng)度為212.7萬(wàn)km，占全國(guó)地下管線總長(zhǎng)度的61.39%。

近年來，隨著地下管道建設(shè)規(guī)模的迅速發(fā)展以及大量在役管道的老化失修，工程安全隱患凸顯，造成重大經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。針對(duì)現(xiàn)行管道人工檢測(cè)、開挖維修危險(xiǎn)系數(shù)高的難題，研發(fā)并應(yīng)用管道檢測(cè)修復(fù)機(jī)器人已是大勢(shì)所趨。從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)出一款結(jié)合視頻檢測(cè)與高聚物注漿技術(shù)一體化智能機(jī)器人是十分必要和迫切的。該機(jī)器人可以減輕人力施工的難操作性，降低危險(xiǎn)系數(shù)，是一個(gè)具有工程效益和應(yīng)用價(jià)值的產(chǎn)品，符合未來行業(yè)發(fā)展的潮流。

管道檢測(cè)修復(fù)一體化智能機(jī)器人主要采用視覺檢測(cè)法和高聚物注漿技術(shù)：攝像模塊拍攝管道情況，通過視頻及傳感器記錄管道實(shí)時(shí)信息。將數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸單元上傳數(shù)據(jù)分析軟件，確定修復(fù)位置。通過云臺(tái)遠(yuǎn)程控制鉆頭方向，可實(shí)現(xiàn)上升、下降、俯仰、旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作并固定鉆頭位置及方向。開啟鉆頭工作，鉆穿管道壁，插入注漿管，控制注漿頭將高聚物材料沿注漿管注入，最終使用密封膠將注漿孔封住，保證管道的正常使用。

1 注漿機(jī)器人的系統(tǒng)

1.1 控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由STM32單片機(jī)控制器、TBSN-K15 舵機(jī)、TBS2701 舵機(jī)及電機(jī)等部分組成，進(jìn)行啟停的控制以及驅(qū)動(dòng)。上位機(jī)由串口傳輸命令信號(hào)至控制器，由控制器控制小車前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向和舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向?？刂瓢彘_關(guān)控制供電接口是否接到板子上，撥到ON開始工作。

本產(chǎn)品使用STM32單片機(jī)，配有20K字節(jié)SRAM，CRC計(jì)算單元,96位特有ID。具有兩個(gè)12位,1μs模數(shù)轉(zhuǎn)換器(高達(dá)10通道)，7通道DMA控制器,3個(gè)通用計(jì)時(shí)器和1個(gè)高級(jí)控制計(jì)時(shí)器，37個(gè)快速輸入輸出端口，串行線調(diào)試器(SWD)和JTAG接口，兩個(gè)SPI, 兩個(gè)I2C,三個(gè)USART,一個(gè)USB和一個(gè)CAN接口。

采用串行總線控制，采用大扭力總線電機(jī)，是一種集電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)、總線信號(hào)接口為一體的伺服單元，擺脫傳統(tǒng)舵機(jī)獨(dú)立接到主控板的控制方式，無需PWM波，控制更加簡(jiǎn)單。流經(jīng)舵機(jī)接口的電源中增加保險(xiǎn)絲，防治電流過大導(dǎo)致舵機(jī)損壞。兩路總線接口轉(zhuǎn)接總線設(shè)備，如總線舵機(jī)。

圖1 數(shù)據(jù)傳輸

1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具體由傳感器、視頻捕獲設(shè)備等多項(xiàng)檢測(cè)裝置組成。該機(jī)器人利用移動(dòng)載體攜帶高靈敏度光纖聲壓傳感器、超聲波傳感器、磁探頭、攝像裝置和信號(hào)傳輸裝置在管道內(nèi)行走，對(duì)管內(nèi)情況進(jìn)行檢測(cè)并將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)和圖像通過無線傳輸系統(tǒng)傳到上位機(jī)上，通過顯示屏可以直接觀察到管內(nèi)實(shí)時(shí)情況，多項(xiàng)傳感器采集數(shù)據(jù)經(jīng)分析處理后得到的數(shù)據(jù)圖像，加以輔助管周問題方位的搜尋。

1.3 傳輸系統(tǒng)

管道檢測(cè)機(jī)器人在管內(nèi)進(jìn)行修復(fù)工作時(shí)，需要隨時(shí)與外界進(jìn)行聯(lián)系，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)及有關(guān)管內(nèi)環(huán)境的信息傳遞給控制臺(tái)，并接收操作人員的命令。這種信息的傳遞若采用有線傳輸，在管道中不便于移動(dòng)，進(jìn)行模擬信號(hào)傳輸時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)相位滯后或重影現(xiàn)象,使信號(hào)到達(dá)接收器的時(shí)間不同，導(dǎo)致圖像顯示模糊。因此,管道修復(fù)機(jī)器人的傳輸系統(tǒng)采用無線傳輸，無線傳輸具有很強(qiáng)的方向性、通信容量大、傳輸距離遠(yuǎn)、可靠性高。

采用BT12雙藍(lán)牙傳輸模塊，BT12雙模藍(lán)牙模組采用臺(tái)灣絡(luò)達(dá)Airoha推出的藍(lán)牙雙模芯片AB1122，采用標(biāo)準(zhǔn)的SPP Profile實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)藍(lán)牙的數(shù)據(jù)透?jìng)?，并通過內(nèi)嵌的數(shù)據(jù)透?jìng)鲗Ｓ肧ervice實(shí)現(xiàn)基于GATT的BLE數(shù)據(jù)透?jìng)鳌Ｋ{(lán)牙接口在嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器OMAP5910上，DSP對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，并對(duì)A/D變換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，通過藍(lán)牙接口傳輸?shù)浇邮斩?，同樣，DSP對(duì)藍(lán)牙接收到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行D/A變換，成為模擬信號(hào)。

該模塊可以方便的和PC機(jī)的藍(lán)牙設(shè)備相連，也可以與智能手機(jī)之間的數(shù)據(jù)互通，與一些其他外設(shè)相互配合，便可以直接應(yīng)用于：藍(lán)牙GPS；藍(lán)牙無線數(shù)據(jù)傳輸；工業(yè)遙控、遙測(cè)；POS系統(tǒng)；交通、井下定位、報(bào)警；自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等領(lǐng)域。

2 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種檢測(cè)與修復(fù)管道問題的解決方案，通過STM32單片機(jī)管理控制小車的運(yùn)動(dòng)（見圖1），通過視覺檢測(cè)模塊進(jìn)行檢測(cè)，并進(jìn)行精準(zhǔn)打孔、注漿工作。該解決方案可以準(zhǔn)確定位、精確操控小車的運(yùn)動(dòng)，可以完成復(fù)雜環(huán)境下管道的檢測(cè)與修復(fù)任務(wù)，減少了工人的工作負(fù)擔(dān)，節(jié)約了修復(fù)資金。下一步可以對(duì)檢測(cè)模塊進(jìn)行改進(jìn)，考慮可以在小車上搭載雷達(dá)檢測(cè)模塊，可以更精確的檢測(cè)管道需要修復(fù)的位置，并且可以克服管道內(nèi)復(fù)雜情況。