应用于管道内检测的智能巡检机器人设计

黄庆典 李琪

摘  要：针对传统的管道检测方法效率低下、检测结果失真的问题，文章基于机械原理、高频通讯技术以及传感器技术设计一种应用于管道内检测的智能巡检机器人，可以通过调整轮子的跨度实现适应不同管径的管道，并且检测数据在上位机系统可直观反映管道内的状态。

关键词：管道;检测;机器人;stm32;系统

中图分类号：TP242 文献标志码：A       文章编号：2095-2945（2019）22-0101-02

Abstract： In order to solve the problems of low efficiency and distortion of detection results of traditional pipeline detection methods， an intelligent inspection robot used in pipeline detection is designed based on mechanical principle， high frequency communication technology and sensor technology. The pipe can be adapted to different diameters by adjusting the span of wheels， and the detection data in the host computer system can directly reflect the state of the pipeline.

Keywords： pipeline; detection; robot; stm32; system

前言

信息的传输、能源的输送都几乎离不开管道，城市或工厂这些人口密集的区域，更是在地下汇集了大量的管道[1]。由于管道埋于地下，在长期使用过程中，管道会受到外力的挤压，包括管道内外，因此相关部门都需要定期检查与维护管道。检查的方法通常是每隔一段距离挖一个比较大的口径的作业区，在两个作业区的位置分别利用仪器进行检测，进而推断两个作业区之间的管道的状况。该方法存在着较多的不足，第一，挖较多的作业区会对交通造成很大的不便，容易造成交通事故，第二，如果遇上雨天，作业区容易积水，既延长了检查作业的时间，还增加了管道锈蚀的隐患，第三，利用现有的仪器进行推断式检测，检查结果比较片面，难以准确推断管道内壁有无出现裂缝的情况。本文根据以上不良情况，提出设计一种效率高、效果好的应用于管道内检测的智能巡检机器人。

1 机械结构设计

机器人由特殊的移动机构、移动控制系统、自动避障系统、图像采集系统、无线通讯系统以及地面站上位机系统组成。普通的四轮式移动机构的特征是四个轮子的胎面都在同一平面上，由于圆形管道容易导致这样的机构发生倾斜，因此不适合使用该机构在圆形管道内检测。本文沿用轮式移动机构移动效率高的优势[2]，结合管道环境设计了特殊的移动机构，如图1（a）所示，轮子倾斜设置，两对轮子各自所在的平面形成140°，如此机器人在管道里具有稳定性。机器人在管道里的仿真工作状态如图1（b）所示，四个轮子都正向受到沿轴心方向的作用力，最终合力竖直向上。轮子的倾斜设置实际上是通过左右两个支架实现的，两个支架的斜面夹角同样为140°。经分析，同一侧的轮子在管道内的移动状态是一致的，因此，为减轻机器人的重量，同一侧的轮子使用一个电机驱动，通过同步轮、同步带以及张紧轮的组合机构实现一个电机同时带动两个轮子转动。为使机器人适应不同管道的移动，本文设计机器人两侧轮子之间的距离可电动调整，该功能通过一组丝杠及丝杠滑块、两组导轨及导轨滑块的机构实现，丝杠电机及导轨固定件都设置于左支架，丝杠滑块、导轨滑块都设置于右支架，因此相对于左支架，右支架在丝杠电机的驱动下，右支架连同丝杠滑块、导轨滑块会发生左右移动，从而调整机器人的跨度，适应不同的管径。

管道在长时间使用过程中，有可能受到多种挤压力而变形，导致管径发生变化[3]，机器人需要具有根据管径自动调整横向轮距的功能，否则将难以前进甚至损坏本身机构。如图2所示，本文通过相对于移动正方向上的斜45°对称设置两个超声波传感器检测管道内径是否发生变化，其自动调整的动作由移动控制系统完成，下文将具体论述。自动避障系统是基于正向设置的超声波传感器而实现的。图像采集系统是基于云台+摄像头+LED灯而实现的，云台由舵机Ⅰ、转台、舵机Ⅱ以及U型架组成，共同设置于左支架的上方，与左支架固定连接。摄像头以45°斜向上设置，检测管道顶面有无裂缝是基本工作，检测其它角度通过控制云台实现。摄像头正后方设置有LED灯，摄像头与LED灯共同设置于转台上方。

2 控制系统开发

控制系统包括移动控制系统、自动避障系统、图像采集系统、无线通讯系统以及地面站上位机系统。利用stm32处理器作为核心处理器，读取多个传感器的信息，输出控制多类电机。

移动控制系统：机器人深入到管道里作业时，相对于移动正方向上的斜45°对称设置两个超声波传感器会实时检测管道内径，如图2右侧所示，若遇上管道突然变窄的情况，L1+L2的总值会比正常管径通行时的值偏小较多。超声波传感器检测的距离数据在stm32处理器里进行运算，根据比较后的结果输出指令到电机驱动器从而控制丝杠电机产生正转或者反转，如此实现调整左右支架的间距，即轮子在横向的相对距离，从而适应管径发生变化的环境。

自动避障系统：机器人正前方的超声波传感器会实时检测前方障碍物的距离[4]，例如前方的管道断裂，泥土堵住了管道，该情况下超声波传感器的检测数据会缩小得很快，stm32处理器将输出指令控制机器人自动停下。

图像采集系统：图像采集系统是基于云台+摄像头+LED灯而实现的，在stm32处理器控制下，云台可多角度旋转，使得能采集管道内多个方向的环境图像，LED灯作为光源，跟随着摄像头同步转动，照亮着视觉的正前方。摄像头通过usb接口连接着图传发射模块，进一步通过无线传输到连接地面站的图传接收模块，如此在地面站可读取机器人在管道内的检测图像。

无线通讯系统：主要是指地面站上位机与机器人进行通讯的系统，传递信息的模块是一对433数传模块，带串口的433数传模块连接着stm32控制器，带USB接口的433数传模块连接着地面站上位机，如此进行双向通信。

地面站上位机系统：主要负责管道检测数据的可视化以及手动控制、检测图像显示。三个超声波传感器的数据都会在上位机显示，显示的特征是三个数据在同一个坐标系显示，其中正向设置以及左侧设置的超声波的数据真实显示，而右侧设置的超声波的数据做减去二分之一管径处理后再显示，如此使得左侧设置与右侧设置的超声波的数据线条描绘出该检测截面上管道的特征。通过点击上位机的控件可手动控制机器人。

3 结束语

经过实践证明，本文设计的应用于管道内检测的智能巡检机器人能适应一定管径范围的管道环境的工作，传感器检测的数据能在地面站上位机系统正常显示，通过上位机可以控制机器人移动以及摄像头多角度转动。本文所论述的机器人能有效代替传统的人工检测，获得良好的检测效果。

参考文献：

[1]林勃府，张新有.管道检测机器人设计与实现[J].测控技术，2017，36（07）：84-87+91.

[2]胡晓达.基于PLC的轮式移动机器人系统设计[J].技术与市场，2018，25（01）：142.

[3]许利惟，刘旭，陈福全.塌陷作用下埋地悬空管道的力学响应分析[J].工程力学，2018，35（12）：212-219+228.

[4]崔靓，王冠龙，朱学军.超声波测距系统的设计與实现[J].传感器与微系统，2019，38（01）：72-74+78.