雨污管道巡檢機器人嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

王 帥 , 孫丙宇

(1.安徽建筑大學 電子與信息工程學院, 合肥 230601;2.中國科學院 合肥智能機械研究所, 合肥 230031)

雨污排水管道是重要的基礎(chǔ)設(shè)施,其安全可靠性對生產(chǎn)和生活的有效開展及其生命和財產(chǎn)的安全保障有著十分重要的影響.據(jù)統(tǒng)計,全國地下排水管道總長度在2021年末已有87.2×104km,全國管道總長度每年以8%的速度在增加,同時老舊的地下排水管道也急需翻修和維護,給我國的地下管網(wǎng)運營帶來了巨大挑戰(zhàn)[1].

目前,我國管道的檢測維護仍有60%以上采用傳統(tǒng)人工巡檢方式,這種方式有著很大的局限性,例如:受維護人員身材影響,無法進入一些管徑較小的排水管道;管道內(nèi)部充斥著大量有毒有害氣體,對維護人員身體健康危害極大,導致維護人員不能長時間在管道內(nèi)工作,巡檢距離十分有限;管道內(nèi)部環(huán)境錯綜復(fù)雜,無法準確定位管道內(nèi)部問題所在位置.因此,需要使用巡檢機器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工巡檢的方式,但目前國內(nèi)主流CCTV巡檢機器人均采用有纜方式進行信號與數(shù)據(jù)的傳輸以及給機器人供電,這種方式對于遠距離巡檢的工況時,由于線纜的長度限制以及管道內(nèi)部復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境,將導致巡檢機器人工作不穩(wěn)定,能耗高,所以具有很大的局限性.同時,有纜方式十分依靠人工控制,需要工作人員操作線纜并根據(jù)巡檢視頻進行檢測,這導致整個巡檢過程智能化程度低,并且存在人眼觀察誤差[2].

因此,對于上述問題,本文研究設(shè)計一種輪式管道巡檢機器人如圖1所示.其通過搭載工業(yè)攝像頭,溫濕度傳感器,壓力傳感器,氣體檢測模塊等設(shè)備采集數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至上位機后,采用深度學習方式自主判斷管道內(nèi)部是否存在淤積物堵塞問題,從而實現(xiàn)雨污管道的智能巡檢.嵌入式系統(tǒng)是雨污管道巡檢機器人運動控制、傳感器檢測以及與上位機之間建立通信的重要平臺,也是其實現(xiàn)技術(shù)及功能需求的基礎(chǔ).

圖1 管道巡檢機器人Figure 1 Pipeline Inspection Robot

雨污管道巡檢工作對雨污管道巡檢機器人提出的技術(shù)及功能需求包括:對雨污管道內(nèi)部進行實時檢測,發(fā)現(xiàn)有管道堵塞問題時自主記錄堵塞照片與位置;實時反饋機器人在管道內(nèi)的電機運行狀態(tài)、傳感器數(shù)據(jù)以及視頻信息等.本文提出一種采用STM32F429作為主控芯片的高性能檢測和實時控制的嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)方法.

1 巡檢機器人嵌入式系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 嵌入式硬件系統(tǒng)設(shè)計

雨污管道巡檢機器人主要由6個模塊組成:處理器模塊、傳感器模塊、運動控制模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊、視頻處理模塊以及供電模塊,如圖2所示.

圖2 硬件系統(tǒng)框架圖Figure 2 Hardware System Framework Diagram

處理器模塊由STM32F429主控芯片、NOR FLASH、SDRAM等構(gòu)成,實現(xiàn)的功能包括傳感器數(shù)據(jù)的處理、視頻數(shù)據(jù)的無線傳輸、運動控制等.

傳感器模塊由工業(yè)攝像頭、溫濕度傳感器、氣體檢測傳感器、壓力傳感器構(gòu)成,其中工業(yè)攝像頭通過搭載云臺360°采集視頻數(shù)據(jù);氣體檢測模塊可以檢測出管道內(nèi)常見的氨氣、硫化氫、二氧化硫、一氧化碳以及甲烷等有害及可燃氣體;壓力傳感器能夠?qū)崟r監(jiān)測機器人內(nèi)部氣壓是否正常,一旦發(fā)現(xiàn)機器人內(nèi)部漏氣,氣壓發(fā)生較大變化時,機器人會自主停止工作,從而實現(xiàn)機器人防爆功能.上述傳感器完成數(shù)據(jù)的采集與處理后,通過I2C總線將經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)發(fā)送給STM32F429主控芯片.

運動控制模塊包括直流無刷電機、電調(diào)控制器等,主控芯片通過CAN總線發(fā)出指令控制電機的轉(zhuǎn)速和方向,同時電調(diào)控制器將電機的運行狀態(tài)實時反饋給主控芯片.

網(wǎng)絡(luò)接口模塊由LAN8720A通過RMII接口與STM32F429相連構(gòu)成,負責將采集到的電機運行狀態(tài)、視頻、溫濕度、氣體以及機器人內(nèi)部壓力等數(shù)據(jù)傳輸至上位機進行顯示,并接收其下發(fā)的控制指令.

視頻處理模塊通過工業(yè)攝像頭將采集的雨污管道視頻數(shù)據(jù)經(jīng)無線模塊傳輸至上位機后,利用YOLOV5s自主判斷是否存在淤積物堵塞問題.由于管道內(nèi)光照條件不足,所以采用紅外補光工業(yè)攝像頭拍攝視頻,在檢測到雨污管道內(nèi)部存在淤積物堵塞問題時,會標記管道巡檢機器人拍攝視頻時所在的位置,并存儲該幀圖像.

供電模塊由24 V鋰電池構(gòu)成,通過PW2312穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)換后,提供12 V,5 V以及3.3 V電源為系統(tǒng)使用.

1.2 嵌入式軟件系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)典型的嵌入式軟件系統(tǒng)開發(fā)特點,結(jié)合雨污管道巡檢實際任務(wù)需求,將雨污管道巡檢機器人嵌入式軟件系統(tǒng)設(shè)計成一種層次化的軟件架構(gòu),如圖3所示.

圖3 軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖Figure 3 Software System Architecture Diagram

1)設(shè)備驅(qū)動層:移植嵌入式實時操作系統(tǒng)FreeRTOS,并在此基礎(chǔ)上完成設(shè)備驅(qū)動軟件的設(shè)計,主要包括傳感器模塊數(shù)據(jù)傳輸?shù)腎2C總線驅(qū)動、電機控制的CAN通信、RMII接口驅(qū)動以及LWIP協(xié)議.設(shè)備驅(qū)動層的主要作用是為應(yīng)用層提供硬件設(shè)備的功能,其需要實現(xiàn)對設(shè)備的初始化、與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)讀寫以及檢測和處理設(shè)備出現(xiàn)錯誤等功能.

2)內(nèi)核層:本嵌入式軟件系統(tǒng)的內(nèi)核采用FreeRTOS操作系統(tǒng),其高優(yōu)先級任務(wù)可以打斷低優(yōu)先級任務(wù)的運行.同時,結(jié)合硬件系統(tǒng)資源進行裁剪和移植,有較好的實時性和適用性.

3)應(yīng)用層:在嵌入式操作系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動都已完成的基礎(chǔ)上,使用C# Winform系統(tǒng)進行上位機的開發(fā),如圖4所示.在巡檢管理界面添加巡檢任務(wù)信息如檢測地址、檢測時間、管徑、管材以及檢測方向等信息,之后便可以通過無線通信模塊將上位機與巡檢機器人進行連接.在控制界面左側(cè)顯示任務(wù)基本信息,設(shè)備信息以及方向與速度控制面板,在主面板上則實時顯示拍攝畫面以便工作人員進行操作.同時,上位機所掛載的GPS模塊能夠精準定位井口位置,方便維護人員后期尋找與維護管道.

2 YOLOV5s在巡檢機器人中的應(yīng)用

YOLOV5s網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖[3]如圖5所示,分為輸入端、Backbone、Neck以及Prediction四個部分.輸入端包括Mosaic數(shù)據(jù)增強、自適應(yīng)錨框計算、自適應(yīng)圖片縮放;Backbone包括Focus結(jié)構(gòu)與CSP結(jié)構(gòu);Neck包括FPN與PAN結(jié)構(gòu);Prediction包括回歸損失函數(shù)GIoU_Loss,其在IoU的基礎(chǔ)上,解決了邊框界不重合時的問題,公式如下:

(1)

其中:v是衡量長寬比一致性的參數(shù):

(2)

YOLOV5s相較于YOLOV5其他版本有著網(wǎng)絡(luò)最小,速度最快,更適用于嵌入式系統(tǒng)等特點,但其AP精度也最低.

YOLOV5s模型訓練過程如圖6所示.步驟如下:首先,建立一個數(shù)據(jù)庫,獲取管道內(nèi)淤積物堵塞的圖片;使用labelImg標記工具對這些圖片進行標記;然后,為模型設(shè)定了適當?shù)纳疃葘W習網(wǎng)絡(luò)參數(shù),從而提高模型的訓練效率;最后,設(shè)置相應(yīng)的訓練參數(shù),限定合理訓練次數(shù),以提高模型對目標物的檢測準確率.最終訓練結(jié)果表明YOLOV5s模型能夠?qū)崟r檢測管道內(nèi)的淤積物堵塞, 且能保證足夠的準確率.

圖6 YOLOV5s訓練過程Figure 6 YOLOV5s Training process

3 巡檢機器人無線通信方案

巡檢機器人無線通信示意圖如圖7所示,通信系統(tǒng)由TL-TR905工業(yè)無線路由器以及TL-CPE201無線網(wǎng)橋構(gòu)成.

圖7 無線通信示意圖Figure 7 Schematic diagram of wireless communication

TL-TR905工業(yè)無線路由器通過TCP/IP協(xié)議與STM32F429主控芯片建立Socket通信.其中:通過執(zhí)行LWIP協(xié)議中的socket函數(shù)創(chuàng)建一個套接字,之后設(shè)置sockaddr_in結(jié)構(gòu)體將STM32F429主控芯片作為Client端,設(shè)置為靜態(tài)IP地址,端口號為8080,最后執(zhí)行connect函數(shù)與Server端進行連接;TL-TR905工業(yè)無線路由器設(shè)置為Server端,通過socket函數(shù)創(chuàng)建一個套接字,之后使用bind函數(shù)與socket套接字綁定,然后執(zhí)行l(wèi)isten函數(shù)進行監(jiān)聽,最后執(zhí)行accept函數(shù)阻塞進程等待客戶端連接.

TL-CPE201無線網(wǎng)橋與上位機進行連接,采用802.11n MIMO無線通信協(xié)議,該通信協(xié)議的傳輸速率最大可達300 Mb/s,室外通信距離最遠可達1 km,能夠滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?經(jīng)多次實際測試,管道巡檢機器人的運行速度、通信距離等數(shù)據(jù)見表1.下面分別計算管道巡檢機器人的運行速度和運行路程:

表1 巡檢機器人的運行速度與不同環(huán)境下的通信距離Table 1 Running speed and communication distance of inspection robots in different environments

(3)

其中:VR為管道巡檢機器人的運行速度,m/s;r為驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速,r/min;D為輪徑,mm;C為減速器比例系數(shù).

(4)

其中:S為要計算的路程,m;T為從出發(fā)到計算路程時刻的總時間,s;v為所要統(tǒng)計路程內(nèi)的速度,其為分段函數(shù),每段的間隔是統(tǒng)計時間T0的長度,m/s.

如表1所示,由于雨污管道內(nèi)部存在積水,障礙物等因素對通信距離產(chǎn)生一定的影響,但所測得平均通信距離350 m也要優(yōu)于傳統(tǒng)有纜巡檢機器人的巡檢距離,并且使用無線通信的方式能夠減少人工操作,提升智能化.

4 現(xiàn)場試驗與調(diào)試

2022年6月在廣州市番禺區(qū)進行實地試驗,如圖8所示.將管道巡檢機器人放入雨污排水管道內(nèi),啟動機器人與上位機建立連接,機器人開始運行并采集數(shù)據(jù)與拍攝視頻,采集到的傳感器數(shù)據(jù)與視頻數(shù)據(jù)會通過無線通信模塊傳輸至上位機.上位機會對數(shù)據(jù)進行顯示,并對拍攝的視頻數(shù)據(jù)進行目標檢測,識別是否存在淤積物堵塞問題,將處理后的數(shù)據(jù)分別存儲在相應(yīng)的文件夾下,以便后期工作人員檢查與記錄.

圖8 現(xiàn)場試驗結(jié)果Figure 8 Field test results

5 結(jié) 語

針對雨污管道巡檢方式與功能需求,本文設(shè)計了一種基于STM32的嵌入式系統(tǒng)解決方案,實現(xiàn)了集數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)分析與顯示、智能巡檢、人機交互為一體的無線管道巡檢機器人.實地試驗結(jié)果表明:1)采用搭載了工業(yè)攝像頭、溫濕度傳感器、氣體檢測模塊以及壓力傳感器的機器人嵌入式系統(tǒng),既能保證采集到管道內(nèi)的各種環(huán)境數(shù)據(jù)與管道狀況,又能保證機器人進行雨污管道巡檢的安全性;2)采用無線通信的方式,摒棄了傳統(tǒng)管道巡檢機器人的有纜方式,能夠有效增加巡檢距離,減少人工操作,提升智能化;3)使用YOLOV5s對視頻進行處理,智能識別管道內(nèi)的淤積物堵塞問題,從而代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工巡檢,增加雨污管道巡檢的安全性與經(jīng)濟性.