基于翻转聚焦的爬行机器人有缆管道可视化检测系统

                                      郝力军，李策策，楼伟杰，何悦星

(金华送变电工程有限公司三为电力分公司，浙江 金华 310053)

作者简介：〖HTSS〗郝力军（1961—），男，高级工程师，硕士，主要研究方向为变电运维检修，zixcan1001@163.com.

摘要：为解决当前爬行机器人检测系统检测管道时，在管道内工作存在的消耗能量较高、获取管道图像不清晰的问题，设计出一种基于翻转聚焦的爬行机器人有缆管道可视化检测系统。该系统由主控模块、驱动模块、传感器模块和摄像模块实现爬行机器人有缆管道可视化检测。首先，将SEED-DEC2812芯片作为处理芯片应用到主控模块中，实现编码器信号采集、信号放大及电源转换的控制；其次，在驱动模块中，通过电动驱动器控制爬行机器人的位置和速度；然后，利用传感器模块中的光电编码器将采集的信息传输到上位机中，获取爬行机器人在管道内的水平高度和倾斜角等信息；最后，通过具有翻转聚焦控制功能的摄像头获取管道内部的图像，结合系统软件设计实现管道的可视化检测。实验结果表明，所提方法设计的系统能耗低、获取的图像清晰度高。

关键词：翻转聚焦；爬行机器人；管道；可视化检测

中图分类号：TH89 文献标识码：A 文章编号：2095-509X(2019)07-0035-05

    通过人工方式检测管道污染环境，存在工作强度大、安全性低和施工时间长的问题，人工检测管道的方式已经不符合当代技术发展的要求，在未来的管道检测领域中必将淘汰人工作业的方式［1］。在上述背景下，科学家们研究出了爬行机器人。利用爬行机器人可以实现管道维护、检测、维修和清洁等工作。无缆爬行机器人主要采用自带的燃油发电机和蓄电池为爬行机器人供给能源，无缆爬行机器人中存储能量较少，工作时间和工作距离的增加会造成爬行机器人工作动力不足的问题［2］。机器人只能通过无线方式进行通信，管道内的环境复杂，会对无线传输造成影响，爬行机器人接收不到外界的命令会出现失控的现象。有缆爬行机器人可以解决上述问题，并被广泛应用在管道的可视化检测中［3］。

当前大部分爬行机器人管道可视化检测系统存在能耗高和获取图像清晰度低的问题，迫切需要设计更节能、更高效的爬行机器人管道可视化检测系统，因而本文设计了基于翻转聚焦的爬行机器人有缆管道可视化检测系统［4]。

1爬行机器人有缆管道可视化检测系统硬件设计

1.1系统整体设计

爬行机器人实现管道可视化检测的前提和基础是设计一个适应性、准确性和实时性等性能好的检测系统。

爬行机器人根据用户下达的指令完成对应的工作，主控系统利用SEED-DEC2812芯片作为处理芯片控制信号的采集、放大及电源的转换；利用传感器在管道中检测到的环境信息控制爬行机器人，保障爬行机器人在管道中的正常运作。爬行机器人的性能主要由系统决定。高性能的系统具有简单快捷的操作方式，准确高效的处理能力，以及较高的稳定性［5]。爬行机器人的运动控制模块是主控模块的重要组成部分，主要由传感器、控制软件和输出/输入装置构成。

爬行机器人可视化检测系统性能和机器人结构设计应具有以下特点：

1）操作灵活、稳定性高、控制简单。

2）爬行机器人在管道中的爬行速度和移动方向的调整，可以通过功能按键全方位地控制机器人的移动。

3）可以利用可靠性高、使用简单的有线遥控对爬行机器人进行控制，以克服爬行机器人因管道中工作环境较差对机器人控制方式造成的阻碍。

4）简单化设计上位机的监控程序，实现操作盒的低成本和小型化。

5）通过上位机监控爬行机器人在管道中的状态，并对其进行控制。

将两级控制结构应用到爬行机器人中，通过串口在调试阶段实现人机之间的通讯，将输入PC机的控制命令传输到数字信号处理器（DSP）。DSP处理接收到的控制命令，获取相关信息。

爬行机器人的核心是控制系统，控制系统的主要功能包括摄像监控以及传感、转向和行走信号的反馈。控制系统由上位机和下位机构成。其中主控PC机为上位机，用来检测爬行机器人在管道中的状态和运动状况。下位机中包括控制板和DSP2812，主要负责采集并处理机器人反馈的信号以及对底层运动的控制，下位机还负责与上位机之间的通信，处理上位机传输到下位机的控制指令，并将获取的信号传送到系统的驱动器中，实现对爬行机器人的遥控。

1.2 系统功能设计

爬行机器人有缆管道可视化检测系统的处理芯片选用TI公司生产的32位定点的TMS2812处理器。该系统通过摄像模块、控制模块、传感器检测模块和驱动模块，实现对爬行机器人在管道中不同状态的监测和远程控制。通信模块将数据传送到控制模块中，控制模块再利用驱动模块控制爬行机器人在管道中的运动方向和速度，然后利用摄像模块和传感器模块实时监控管道内的环境和机器人的本体状况。

1）主控模块。

处理器在爬行机器人可视化检测系统中主要负责接收上位机发送的指令，并对接收到的信息进行处理和输出。由于要对爬行机器人本身的状态和周围的环境进行监控，因而要求处理器具备可靠性高、运行周期短和运算能力强的性能。选择控制器时需要考虑爬行机器人在管道内的能量消耗和机器人尺寸［6］。当前爬行机器人中的微控制器通常为16位或8位的单片机，这些芯片存在控制困难和运行周期长的缺点。为了降低爬行机器人的能耗，基于翻转聚焦的爬行机器人有缆管道可视化检测系统选取高性价比、多功能、高性能的SEED-DEC2812芯片作为处理芯片，并配有特制的电路板，能够完成编码器信号的采集、控制信号的放大以及电源的转换等功能。

2）驱动模块。

    气压、液压和电动驱动是爬行机器人常用的驱动方式。

气压驱动的缺点是不能够精确对位置和速度进行控制，容易出现锈蚀现象。优点是易维修、低成本、高可靠性、高工作效率，不会出现失火的现象，具有无污染的特点，可以在粉尘、高温等环境中工作。综上可知，气压驱动器主要应用在处理要求和控制要求较低的末端执行器或轻负载机器人中。

液压驱动的缺点是维修管理困难、容易漏油、噪声大，优点是成本低、可靠性高、稳定性高、刚度大，主要应用在体积较大的机器人中［7］。电动驱动的缺点是需要减速器、力矩质量比低，优点是环保、方便控制、信号处理方便、位置控制精准，主要应用在体型较小的机器人中。爬行机器人主要在管道中工作，要求机器人具有不同的运动速度和运动模式，需要较大的转矩和功率，因而基于翻转聚焦的爬行机器人有缆管道可视化检测系统采用电动驱动器。电动驱动器可以精确控制电机的位置和速度，并实现数字化控制，具有效率高和控制性能好的特点。爬行机器人在管道内工作时，需要电机支持解决重力问题，电机的功率决定了爬行机器人在管道内的运动速度，电机功率越大爬行机器人在管道内的运行速度越高。基于翻转聚焦的爬行机器人有缆管道可视化检测系统采用具有调速范围广、速度稳定和效率高等特点的57ZWN78-2441电机，并将滚针轴承安装在齿轮中，提高了爬行机器人的寿命和负载能力。

3）传感器检测模块。

    传感器检测模块的主要作用是将爬行机器人在管道中的状态信息传输到可视化检测系统的上位机中。传感器检测模块的核心器件是光电编码器，其是一种检测元件，负责将光电编码器中的位置信息转换成对应的数字代码。光电编码器与显示装置和控制器件相连，可以实现数字显示、控制和测量［8］。光电码盘在爬行机器人有缆管道可视化检测系统中和被动轮同轴，随它同速转动，通过检测装置获取脉冲信号。通过光电编码器在一定时间内输出的脉冲总数可以算得被动滚轮当前的转速，进而得到爬行机器人在管道内的水平位移、高度和倾斜角等信息。

4）摄像模块。

    基于爬行机器人有缆管道可视化检测系统的主要目的是通过爬行机器人获取管道内的信息，并将信息传输到系统的上位机中，实现管道的可视化检测，因而需要在爬行机器人上安装摄像头。本文所提方法是将具有翻转聚焦控制功能的摄像头安装到机器人身上，该摄像头主要部件为CDD感光芯片［9］，具有分辨率高、传输快等优点。

2 爬行机器人有缆管道可视化检测系统软件设计

    本文将管道可视化检测作为目标，设计了基于翻转聚焦的爬行机器人有缆管道可视化检测系统的软件，软件中不同单元在系统中的协调过程如下：

1）将爬行机器人放入需要检测的管道中，在爬行机器人有缆管道可视化检测系统中输入管道的直径d0，读取已知管道的长度LL0和长度测量仪测得的初始管道长度L0。设Tz是爬行机器人的移动间隔阈值，设置间隔阈值的主要作用是保证获取的管道图像是连续的。