基于機(jī)器視覺的管道巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)探討

李洋 馮敏 葉韜 李歡 辛玉強(qiáng)

摘 要：管道屬于一種基礎(chǔ)設(shè)施，在很多領(lǐng)域中都有廣泛的應(yīng)用，比如排水、排污、輸氣、輸油等，和社會(huì)民生有重要的聯(lián)系，因此，對(duì)管道進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)非常重要。由于管道大部分都是金屬性質(zhì)，使用傳統(tǒng)的管道檢測(cè)機(jī)器人檢測(cè)的數(shù)據(jù)需要利用信號(hào)線進(jìn)行傳輸，這會(huì)對(duì)長(zhǎng)管道檢測(cè)產(chǎn)生限制。為了能夠彌補(bǔ)管道檢測(cè)機(jī)器人中存在的問題，文章基于機(jī)器視覺進(jìn)行了管道巡檢機(jī)器人的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，以供參考。

關(guān)鍵詞：管道巡檢機(jī)器人;機(jī)器視覺;設(shè)計(jì);實(shí)現(xiàn)

中圖分類號(hào)：TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-1064（2021）07-003-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.07.002

管道是基礎(chǔ)設(shè)施中的一種，在多個(gè)重要領(lǐng)域中都有較好的應(yīng)用，和社會(huì)民生具有密切的聯(lián)系。而且由于管道網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，維護(hù)工作難度的逐漸加大，對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)非常重要，是確保管道能夠正常使用的基礎(chǔ)。但是由于管道所處環(huán)境的特殊性，管道質(zhì)量檢測(cè)存在較大難度。在科技不斷進(jìn)步的過程中，使用機(jī)器人檢測(cè)管道內(nèi)部情況的方式逐漸被應(yīng)用，能夠有效提高檢測(cè)的便捷性和準(zhǔn)確性。

1 管道巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)方案

機(jī)器視覺下的管道巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)需要注意其性能和效率，所以總體設(shè)計(jì)方案要從預(yù)期效果、研發(fā)經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行綜合考量，從現(xiàn)階段管道巡檢機(jī)器人中存在的問題出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)模塊主要包含以下內(nèi)容。其中，系統(tǒng)照明單元的組成主要有LED照明、聚光鏡頭、電流調(diào)節(jié)等。系統(tǒng)圖像采集單元主要構(gòu)成有AD采集、驅(qū)動(dòng)電路、放大電路、鏡頭等。系統(tǒng)存儲(chǔ)單元的構(gòu)成主要有固態(tài)硬盤和接口芯片。動(dòng)力來源通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)在行走輪上安裝編碼器來實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)定位。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.1.1 圖像采集單元

在機(jī)器人兩側(cè)設(shè)計(jì)安裝CCD，利用驅(qū)動(dòng)電路、濾波電路、放大電路等對(duì)圖像進(jìn)行采集[1]?？刂坪诵耐ㄟ^對(duì)步機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，使機(jī)器人兩側(cè)的CCD對(duì)管道內(nèi)部完成360°的圖像采集。

1.1.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元

對(duì)于采集到的圖像數(shù)據(jù)，可利用控制核心控制接口芯片實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)。

1.1.3 管道內(nèi)定位單元

機(jī)器人上設(shè)測(cè)距輪，然后設(shè)置編碼器，利用控制器和編碼器實(shí)現(xiàn)連接，主要使用編碼器輸出脈沖對(duì)測(cè)距輪管壁行進(jìn)距離進(jìn)行測(cè)量[2]。

1.1.4 姿態(tài)控制單元

由于機(jī)器人在運(yùn)行中容易出現(xiàn)傾覆，為了避免這一情況發(fā)生，在機(jī)器人上設(shè)置陀螺儀，連接控制核心和陀螺儀。其中，控制核心對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的控制主要通過分析機(jī)器人的姿態(tài)信號(hào)來實(shí)現(xiàn)，對(duì)其姿態(tài)可以控制調(diào)整，以此保證機(jī)器人在運(yùn)行中處于平衡狀態(tài)。

1.1.5 照明單元

對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，如果內(nèi)部光線不足，機(jī)器人在采集圖像時(shí)就會(huì)受到限制，為了能夠提高圖像采集的清晰度，在CCD攝像機(jī)前設(shè)計(jì)LED照明燈，然后借助電流調(diào)節(jié)電路連接控制核心。

1.1.6 電源單元

為了能夠更好地實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)管道檢測(cè)，保證管道巡檢機(jī)器人在管道內(nèi)靈活地運(yùn)行，電源單元設(shè)計(jì)主要使用機(jī)器人自攜帶能源的方式。其中，電源供應(yīng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

借助驅(qū)動(dòng)電機(jī)為管道巡檢機(jī)器人提供動(dòng)力，保證在管道內(nèi)部可以前進(jìn)，同時(shí)利用圖像采集單元對(duì)內(nèi)壁圖像進(jìn)行收集，然后存儲(chǔ)到硬盤中，再由工作人員確認(rèn)檢查結(jié)果中有沒有出現(xiàn)管道損壞、腐蝕等問題，結(jié)合具體情況對(duì)管道進(jìn)行維護(hù)或更換。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的管道巡檢機(jī)器人適用的范圍較廣，而大部分管道都是埋于地下，管道內(nèi)部光線不足，圖像采集單元采集圖像受限，需要設(shè)置照明單元。同時(shí)，由于管道投入運(yùn)行后服役時(shí)間較長(zhǎng)，工作環(huán)境也較差，內(nèi)部情況復(fù)雜性較強(qiáng)，設(shè)計(jì)的機(jī)器人要能夠有較強(qiáng)的通行性和牽引力，以及較高的可靠性。具體設(shè)計(jì)要求：越過障礙能力較強(qiáng)，具有較大的牽引力，由于管道存在彎道情況，機(jī)器人要能夠自主轉(zhuǎn)向，部分管道較長(zhǎng)，行走距離要滿足對(duì)長(zhǎng)管道的檢測(cè)要求，具有較高的可靠性，滿足低成本的要求[3]。

機(jī)器人在管道內(nèi)部運(yùn)行主要是依照預(yù)定任務(wù)進(jìn)行檢測(cè)，需要有照明系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)，提供維持運(yùn)動(dòng)的牽引力，可以攜帶相關(guān)的裝置和檢測(cè)儀。由于管道內(nèi)部環(huán)境較為復(fù)雜，所以機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)具有不確定性，機(jī)器人在運(yùn)行時(shí)要具有較強(qiáng)的越過障礙能力。為了滿足復(fù)雜環(huán)境下對(duì)管道內(nèi)部的檢測(cè)需求，機(jī)器人設(shè)計(jì)主要使用履帶式行走方式，這種機(jī)器人可以適應(yīng)較復(fù)雜的環(huán)境，在管道檢測(cè)時(shí)牽引力、裝備攜帶能力較強(qiáng)。

2 巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制和管道內(nèi)自主定位實(shí)現(xiàn)

2.1 運(yùn)動(dòng)控制

管道巡檢機(jī)器人電機(jī)需要有足夠的電流支撐運(yùn)行，而數(shù)字電路輸出電流不能夠完全滿足驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行需求，所以在該設(shè)計(jì)中使用4片半橋芯片構(gòu)成雙H橋電路的方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。其中，H橋的前級(jí)使用HC541進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，數(shù)字電路的邏輯輸出有4個(gè)口，分別輸入到HC541的4個(gè)引腳，經(jīng)過HC541增強(qiáng)后再輸出，輸入到半橋芯片中進(jìn)行放大，接著通過端子連接到步進(jìn)電機(jī)的相中。系統(tǒng)使用16位寬度的總線，通過地址線、數(shù)據(jù)線驅(qū)動(dòng)和管理外圍的部件。

2.2 管道內(nèi)自主定位

巡檢機(jī)器人對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，要能夠?qū)崿F(xiàn)自主定位，這樣在管道內(nèi)部的運(yùn)行才會(huì)更加靈活。設(shè)計(jì)中主要使用測(cè)距輪實(shí)現(xiàn)，將編碼器安裝設(shè)置在測(cè)距輪上，機(jī)器人在運(yùn)行時(shí)，編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)，借助編碼器能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人直線轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的角位移，利用控制核心讀取編碼器的脈沖信號(hào)，然后檢測(cè)出機(jī)器人各個(gè)時(shí)刻的位置，以此實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主定位。設(shè)計(jì)中使用的核心編碼器，主要使用增量式，這種編碼器具有較長(zhǎng)的使用壽命、較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性、較高的穩(wěn)定性和可靠性。增量式編碼器可以將機(jī)器人行走的位移信息轉(zhuǎn)換為具有規(guī)律變化的電信號(hào)，再轉(zhuǎn)換成脈沖信息，通過脈沖個(gè)數(shù)體現(xiàn)位移大小。

3 管道內(nèi)壁圖像采集系統(tǒng)和照明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 圖像采集系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)管道內(nèi)全圖像數(shù)據(jù)信息的采集，設(shè)計(jì)中使用線陣CCD圖像采集芯片。在機(jī)器人兩側(cè)安裝兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，以此帶動(dòng)其實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，對(duì)管道進(jìn)行連續(xù)掃描，每次采集的圖像經(jīng)過拼接后就能夠形成管道360°全圖像。由于圖像傳感器的不同，線陣相機(jī)有CCD型和CMOS型，而CCD型具有較強(qiáng)的成像質(zhì)量，噪聲較低，失真性低。在管道內(nèi)進(jìn)行圖像采集，需要具有較高的分辨率，所以設(shè)計(jì)中選擇了線陣CCD作為圖像采集芯片，圖像采集之后存儲(chǔ)到硬盤中，等待下一步處理。

3.2 CCD圖像采集系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

3.2.1 數(shù)據(jù)采集電路

管道內(nèi)壁圖像數(shù)據(jù)采集中，通常會(huì)包含直流偏置和復(fù)位噪聲信號(hào)，所以需要進(jìn)行濾波處理，線陣CCD輸出的圖像數(shù)據(jù)中含有直流分量，對(duì)圖像數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。在輸入圖像信號(hào)前，可使用電容隔離直流，將采集圖像數(shù)據(jù)信號(hào)中的直流分量去除。

3.2.2 放大電路

由于CCD輸出信號(hào)不強(qiáng)，而且伴有噪聲，在進(jìn)行采集之前需要進(jìn)行濾波和放大處理。放大電路中，通過高速運(yùn)算放大器放大信號(hào)到可以處理的程度，然后經(jīng)過另外的運(yùn)算放大器和外圍部件共同組成限幅濾波器，可將信號(hào)增強(qiáng)到能夠采集的程度。

3.2.3 CCD電路

線陣CCD是由電荷轉(zhuǎn)移電極和光電二極管構(gòu)成的光敏模塊，驅(qū)動(dòng)信號(hào)邏輯電路、轉(zhuǎn)移柵、模擬寄存器、輸出緩存結(jié)構(gòu)部分構(gòu)成。

3.3 照明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

照明系統(tǒng)主要使用LED點(diǎn)陣光源，主要是因?yàn)長(zhǎng)ED屬于固體半導(dǎo)體發(fā)光材料，具有較好的響應(yīng)速度，而且節(jié)能環(huán)保。LED燈對(duì)電流具有較高的要求，設(shè)計(jì)中為了使LED燈在運(yùn)行時(shí)滿足照明要求，同時(shí)在安全的電流范圍內(nèi)，使用發(fā)光二極管進(jìn)行恒流控制，電源電流在經(jīng)過控制后流過發(fā)光二極管。

4 結(jié)語

綜上所述，筆者對(duì)基于機(jī)器視覺的管道巡檢機(jī)器人進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)可以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，對(duì)管道檢測(cè)能有較好的效果。

參考文獻(xiàn)

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