水下管道智能巡检清理机器人的设计

时间：2024-05-04

钟思付书媛李玉寒* 黄明毅

（1.桂林电子科技大学教学实践部广西壮族自治区桂林市 541004）

（2.桂林电子科技大学机电工程学院广西壮族自治区桂林市 541004）

1 引言

水下管道是一种铺设在水下用来输送液体、气体、或松散固体的运输管道。这种管道输送方式因具有效率高、耗能少等优点，而广泛应用在生产制造业的工业水池及户外的水下环境等使用场景[1]。但这种设于水下的管道，在长时间的使用中易受外力、环境等因素的影响，在某些位置管体可能会受到粘附物影响而造成管道损伤、甚至泄漏的情况，因此维修人员需定期对管道进行检测清理或水下维修[2]。

随着科技、经济建设的发展，人们渐渐不满于这种操作复杂的人工作业方式。水下机器人作为水下工程装备中的生力军，符合水下管道巡检装备的需求，具有广阔的应用前景。目前，管外检测多用于检测其外表面情况，如水下电视，但由于管道外表面常常附着有大量的污物，导致其检测效果大打折扣，因此，若想获得较佳的检测效果，检测前还需要对其表面进行清理，而清理过程中又会造成水质的浑浊，需要等待较长时间，从而制约了检测效率，故有必要研发一种兼具清理功能的水下检测机器人，以实现水下管道的全长度、全天候检测。

2 水下机器人的整体设计思路

水下机器人是一种具有智能功能的水下潜器，可在水面和水下移动，具有视觉等感知系统，通过遥控或自主操作方式，使用机械手或其他工具，代替或辅助人工去完成某些水面和水下作业的装置。主要由机械部分、控制部分、传感部分等三个部分构成，见图1所示。机械部分包括下潜机构和清理机构。控制部分包括驱动模块和蓝牙模块和电源部分。传感器部分包括是摄像头识别部分和串口通信部分。通过各个部分之间的配合控制，共同完成水下管道的巡检清理功能。

3 水下机器人的机械部分

如图2所示，水下机器人的基础支撑是机械部分，该部分由运动机构、清理机构组成。其中运动机构的组成：主要由螺旋桨、无刷电机、电机支架组成。其中通过螺旋桨的配合可以实现水下的移动及浮潜等动作；无刷电机可以通过差速较为精准的控制机器人水下的运动，大大增加了机器人在水下的运动及转向的灵活性；电机支架起连接电机与机器人防水箱体的作用。

管道巡检的清理机构由拟合管体的清理爪和海绵布组成，其原理主要是根据摄像头实现对管道的识别处理后，机器人下潜由装携海绵布的机械爪与管道管体实现准确的抓取接触。此后与上部分所述的运动机构组合使用，机器人螺旋桨被电机带动，整体沿着管道受向前的推进力影响，从而实现水下管道管体的污物进行擦除。清理爪的结构主要根据应用场景管道直径的大小来进行设计更替，且能在一定的张合范围进行调节。

4 水下机器人的控制部分

控制部分是控制水下机器人进行水下作业的重要部分，该部分主要由驱动模块和蓝牙模块所构成。各个模块的信息通过控制系统的内部算法处理共同完成任务。

4.1 驱动模块

图1：水下机器人组成部分示意图

图2：水下机器人机械部分渲染效果图

图3：电机驱动模块原理图

图4：图像识别到管体弯折

图5：差速控制转弯

图6：识别后的处理逻辑

本设计采用STM32f103RCT6作为控制系统控制芯片。主控芯片产生四路PWM输出，通过输出具有一定频率且脉冲宽度可调脉冲电，分别控制两个垂直方向运动的无刷直流电机和两个水平方向运动的无刷直流电机。如图3所示，驱动模块采用TB6612驱动器件，它具有很高的集成度，能够双向控制两个直流电机。两个TB6612驱动芯片就能直接控制水下机器人的四个推进器。控制信号输入端主要接入直流电机正反转信号，PWMA、PWMB接单片机的PWM输出控制直流电机的转速。电机控制模式主要分为四种：正转、反转、制动、停止。

在水下机器人到达作业位置后，控制系统主控芯片通将串行接口接受到的信息进行处理，得到一系列的位置坐标参数。直流电机在水下工作时，实时反馈自身运动状态给主控芯片。主控芯片将坐标参数和电机状态参数进行PID调整，将调整结果作用回电机，从而对水下机器人进行姿态平稳调整。PID控制能够对水下机器人进行姿态调整，有效地保证其运行稳定性。以水下机器人转弯为例，通过识别系统、控制系统与运动系统的配合，利用上位机的高性能快速识别水下管道状况，当识别以后通过端口发送信息给下位机，解算成功后反馈给巡检机器人，因有两个无刷电机在主水舱两侧控制水中机器人航偏转向。当两侧的电机转向转速不同时，产生速度差，使主体产生转向力而发生航偏，基于此实现管道巡检机器人转弯功能，如图4、图5所示。

4.2 蓝牙模块

蓝牙模块主要采用HC-06通信模块。本设计的水下机器人虽然两边属于对称结构，但是误差不可避免。即水下机器人两边的推进器在水下工作时所受到的影响程度是不一样的。因此需要通过蓝牙模块，人工操控水下机器人，确定水平方向和垂直方向上两组电机的目标转速。

4.3 电源部分

水下机器人整体通过航模3s电池供电。使用LM2596稳压模块将12V的电池输入转换成5V的输出，对蓝牙模块、控制系统主控芯片、摄像头、电机驱动模块TB6612进行5V供电。

5 传感器部分

传感器部分主要采用星瞳OpwnMV4 H7 Plus 机器视觉模块。以STM32F427 CPU为摄像头主控芯片，用C 语言直接高效的控制核心机器视觉算法。主要通过调用库函数，用python语言控制。首先摄像头对水下管道和管道两边水体颜色进行高速度拍照，对图像进行阈值像素点提取，再通过最小二乘法对所有阈值像素进行线性回归计算。将计算结果，即摄像头拍摄区域所处位置中心点的坐标通过函数返回给STM32F427芯片。摄像头主控芯片与控制系统控制芯片之间进行串口通信。摄像头主控芯片的位置坐标转换成并行数据字符之后，通过串行接口，转换成连续的串行数据流发送给控制系统主控芯片。识别后的处理逻辑如图6所示。