仿蛇形巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王甦 薛超 李雅琳 佘彥杰

摘? 要：現(xiàn)有地下農(nóng)業(yè)電纜中已出現(xiàn)相當(dāng)數(shù)量的老化線(xiàn)路，為保證其穩(wěn)定性需要對(duì)電纜進(jìn)行巡檢和常規(guī)維護(hù)。但由于通道狹窄且人工操作時(shí)電纜帶電運(yùn)行，極易發(fā)生事故。仿蛇形機(jī)器人具有其獨(dú)特的形態(tài)結(jié)構(gòu)，以樹(shù)莓派作為遠(yuǎn)程控制端，搭載具有識(shí)別功能的紅外攝像頭及高敏度傳感器，可在復(fù)雜地形中實(shí)現(xiàn)避障，翻越等自由活動(dòng)。該成果可應(yīng)用于地下農(nóng)業(yè)電纜定點(diǎn)檢測(cè)和維修項(xiàng)目，減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本、提高工作效率。

關(guān)鍵詞：仿蛇形巡檢機(jī)器人;地下電纜維護(hù);Raspberry Pi;紅外識(shí)別;避障翻越;控制系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）36-0037-02

Abstract： In order to ensure the stability of the existing underground agricultural cables， it is necessary to inspect and maintain the cables routinely.However， due to the narrow channel and manual operation when the cable is running live， accidents are very easy to occur.Snake-like robot has its unique morphological structure. With raspberry PI as the remote control terminal， it is equipped with infrared camera with recognition function and high sensitivity sensor， and it can achieve free activities such as obstacle avoidance and jumping in complex terrain.The results can be applied to the fixed-point inspection and maintenance project of underground agricultural cable to reduce the cost of agricultural production and improve work efficiency.

Keywords： snake-like patrol robot; underground cable maintenance; Raspberry Pi; infrared identification; obstacle avoidance crossing; control system

引言

電纜溝內(nèi)鋪設(shè)電線(xiàn)節(jié)省投資、占地更少、走向更加靈活且能容納較多電纜，但是由于纜溝位于地下，環(huán)境腐蝕或其他自然災(zāi)害很容易對(duì)其造成影響，在檢修維護(hù)時(shí)非常不方便。傳統(tǒng)的巡檢方式不能深入電纜溝內(nèi)部，檢修人員無(wú)法查看內(nèi)部狀況，維修會(huì)消耗大量人力與財(cái)力。因此，電纜巡檢工作迫切地需要可以靈活穿梭于地下通道之間的一種機(jī)器人。

在吸收和消化現(xiàn)有巡檢機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)上，設(shè)計(jì)出一套可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并反饋電纜溝內(nèi)排線(xiàn)狀況的裝置，并能根據(jù)電纜溝內(nèi)具體環(huán)境智能避障的仿蛇形巡檢機(jī)器人，對(duì)農(nóng)業(yè)電纜巡檢具有重要意義。

1 蛇形機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由正交結(jié)構(gòu)、主動(dòng)輪、從動(dòng)輪、步進(jìn)電機(jī)、數(shù)字舵機(jī)、舵機(jī)控制板、紅外攝像頭以及Raspberry Pi組成，可劃分為本體結(jié)構(gòu)和電氣控制兩部分。

本體結(jié)構(gòu)采用部分模塊化設(shè)計(jì)，仿蛇形巡檢機(jī)器人分成若干個(gè)模塊，蛇身各個(gè)模塊具有相同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制元器件。每個(gè)模塊包括舵機(jī)連接件和蛇身，各舵機(jī)連接件裝有兩個(gè)數(shù)字舵機(jī)和兩個(gè)舵機(jī)模型。

電氣控制部分由Raspberry Pi結(jié)合舵機(jī)控制板，通過(guò)控制舵機(jī)角度的變化來(lái)控制機(jī)體的運(yùn)動(dòng);Raspberry Pi作為機(jī)體的大腦，負(fù)責(zé)圖像識(shí)別和處理。電氣控制部分和紅外攝像頭經(jīng)過(guò)Raspberry Pi圖像處理的有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人的智能化靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，完成電纜溝的巡檢工作。

蛇身由多個(gè)結(jié)構(gòu)相同的模塊組成，各個(gè)模塊之間通過(guò)正交結(jié)構(gòu)連接，保證機(jī)體實(shí)現(xiàn)“仿蛇形”自由動(dòng)作。每個(gè)模塊包括機(jī)身和關(guān)節(jié)兩部分，數(shù)字舵機(jī)相比于模擬舵機(jī)，具有防抖動(dòng)，響應(yīng)速度快、作用效果靈活可變的優(yōu)點(diǎn)，在使用時(shí)可提供更高的精度和更好的固定力量，而相比于伺服電機(jī)，數(shù)字舵機(jī)更易于實(shí)現(xiàn)控制。關(guān)節(jié)底部設(shè)計(jì)有兩個(gè)萬(wàn)向輪作為從動(dòng)輪，保障機(jī)體二維平面的運(yùn)動(dòng)。

蛇尾裝有雙軸步進(jìn)電機(jī)，相比于單軸電機(jī)，結(jié)構(gòu)更加一體化，且步進(jìn)電機(jī)既可調(diào)節(jié)速度，也可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。電機(jī)上裝有主動(dòng)輪，與從動(dòng)輪協(xié)調(diào)動(dòng)作，用來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)體的運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

Raspberrry Pi與舵機(jī)控制板形成串口通信，通過(guò)遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)仿蛇形巡檢機(jī)器人直行、裝向、避障等功能。樹(shù)莓派通過(guò)攝像頭實(shí)時(shí)捕捉電纜溝內(nèi)的復(fù)雜情況，并傳送至技術(shù)人員的PC端，技術(shù)人員通過(guò)圖像分析，可通過(guò)遠(yuǎn)程遙控器調(diào)整機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，如發(fā)現(xiàn)纜溝內(nèi)有異常情況，可及時(shí)形成對(duì)應(yīng)解決措施，有效實(shí)現(xiàn)電纜溝檢測(cè)工作。

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 Raspberry Pi控制紅外感應(yīng)攝像頭

Raspberry Pi鑲嵌linux系統(tǒng)，具有強(qiáng)大的語(yǔ)言整合功能，仿蛇形巡檢機(jī)器人頭部安裝有兩自由度云臺(tái)，板載PC9685芯片和TSL2581環(huán)境光傳感器，通過(guò)I2C接口控制可實(shí)現(xiàn)云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)和光強(qiáng)檢測(cè)，通過(guò)多個(gè)GPIO口與Raspberry Pi本體進(jìn)行連接，達(dá)到引腳初始化，攝像頭初始化的目的。啟動(dòng)后可同時(shí)使用PC端和手機(jī)端進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，界面可視化效果較好，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)電纜溝情況。

2.2 32路舵機(jī)控制板控制舵機(jī)動(dòng)作

32路舵機(jī)控制板，CPU采用ARM Cortex-M3內(nèi)核的高性能STM32單片機(jī)，可對(duì)32路舵機(jī)速度與角度隨意根據(jù)所需實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。該控制板擁有16M大容量?jī)?nèi)存，可容納230個(gè)動(dòng)作組，每個(gè)動(dòng)作組可以容納510個(gè)動(dòng)作，正極電壓低于5V時(shí)蜂鳴器報(bào)警。本設(shè)計(jì)通過(guò)32路舵機(jī)控制板實(shí)現(xiàn)多個(gè)舵機(jī)的控制，通過(guò)對(duì)舵機(jī)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)蛇形巡檢機(jī)器人的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)和整體形狀的及時(shí)轉(zhuǎn)變。

3 頸部分動(dòng)作分析

仿蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)想法是通過(guò)改變不同關(guān)節(jié)之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)角度，使得整個(gè)蛇體運(yùn)動(dòng)到所需要的姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)蛇形巡檢機(jī)器人的不同動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)對(duì)機(jī)器人樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證蛇形機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的可靠性;通過(guò)蛇形機(jī)器人的抬頭動(dòng)作、轉(zhuǎn)彎動(dòng)作、前進(jìn)直行動(dòng)作等運(yùn)動(dòng)方式來(lái)驗(yàn)證蛇形機(jī)器人控制方法的有效性，并進(jìn)一步測(cè)試蛇形機(jī)器人的越障功能、視覺(jué)監(jiān)測(cè)及圖像傳輸功能。如圖2所示，蛇形機(jī)器人由直流電源供電，實(shí)驗(yàn)通過(guò)遠(yuǎn)程遙控對(duì)蛇形機(jī)器人發(fā)送控制指令，機(jī)器人接收指令后完成對(duì)應(yīng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)基本動(dòng)作、越障動(dòng)作、對(duì)周?chē)h(huán)境觀察并及時(shí)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

4 視覺(jué)監(jiān)測(cè)及圖像傳輸下的避障實(shí)驗(yàn)

仿蛇形機(jī)器人在避障時(shí)，首先進(jìn)行識(shí)別傳輸，同時(shí)傳感器收到信號(hào)做出避障反饋，其頭部相關(guān)關(guān)節(jié)可進(jìn)行自由角度轉(zhuǎn)動(dòng)，視頻內(nèi)顯示有障礙物時(shí)，做出相應(yīng)避障動(dòng)作，運(yùn)動(dòng)至一定位置后，蛇身舵機(jī)開(kāi)始還原，此時(shí)整體呈現(xiàn)伸展?fàn)顟B(tài)，機(jī)器人將按與障礙物形成一定的角度，成功將障礙物避過(guò)，如圖3。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種關(guān)于仿蛇形機(jī)器人的蜿蜒步態(tài)控制方式，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的自主避障行走，極大地提高了機(jī)器本體運(yùn)動(dòng)精度，搭載有紅外感應(yīng)攝像頭的Raspberry Pi可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程信號(hào)傳輸使用更方便。隨著農(nóng)業(yè)電氣的發(fā)展，電纜溝內(nèi)電纜的數(shù)量也會(huì)逐漸增加，電纜溝空間會(huì)越來(lái)越小，仿蛇形巡檢機(jī)器人將會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)于電纜溝的維護(hù)與檢修將提供很大的幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]方勇純，朱威，等.基于路徑積分強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法的蛇形機(jī)器人目標(biāo)導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)[J].模式識(shí)別與人工智能，2019，32（01）：1-9.

[2]馬小林，王元友，等.基于多運(yùn)動(dòng)步態(tài)的蛇形機(jī)器人設(shè)計(jì)與研究[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2020（05）：76-77+80.

[3]顏凱凱，王亞慧.管道探測(cè)蛇形機(jī)器人的行走結(jié)構(gòu)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2019，42（19）：84.

[4]張衛(wèi)兵.基于單目視覺(jué)的未知環(huán)境蛇形機(jī)器人SLAM技術(shù)研究[J].電子世界，2019（18）：181-182.