水中巡檢機器人的控制模塊設計*

姜 海，張鳳濤，鐘 晨，趙偉鵬，陳塏格

(長春師范大學工程學院，吉林 長春 130032)

0 引言

傳統的人工下水檢修不僅人力資源消耗大且存在極大的安全隱患，同時這類問題也引來了很多的討論。為此，本文設計了一款專用于水中的機器人，主要用于對管道的沿途檢測。本設計主要功能是使機器人在水中工作時通過攝像頭進行循跡，當自身偏離航道之后可以通過主控板對電機的控制進行航道重新拾取；在循跡過程中可以通過攝像頭進行物塊識別，再將信息傳輸到系統，由主控板將信息傳遞出來。

1 系統硬件的選擇

1.1 控制核心單片機的選擇

采用ATMEGA2560單片機。ATMEGA2560單片機是現今常使用的單片機，能實現的功能多于AT89C51，最主要的是它的54路數字輸入輸出，滿足本設計模塊多串口需求量大的要求。其次它本身可以通過3種方式供電，使用USB接口直接供電在進行程序編輯過程中可以給予極大便利；電池連接GND和VIN引腳又可以直接驅動整體。新版ATMEGA2560新增的IOREF與預留管腳兼容擴展板的特點也滿足不時之需。6路的外部中斷，在多程序循環過程中也可以起到十分重要的作用。

1.2 循跡模塊的選擇

采用OpenMV機器視覺模塊。OpenMV機器視覺模塊本身就可作為一個處理核心，但由于串口較少，就只令其作為循跡模塊使用。在水中，可以先采集周圍環境與管道視角對閾值進行調整，較之紅外傳感器的手動調整光感優勢極大，同時外接顯示器可以在測試時及時對運行識別狀況進行調整。

1.3 物塊識別模塊

同樣采用OpenMV機器視覺模塊。空氣中與水中視覺差別較大，傳統的紅外傳感器在進入水中后受到的影響較大，且在進入深水后同樣的限制條件下需要重新進行聚焦。而OpenMV機器視覺模塊的視覺算法能靈敏地識別出物塊的形狀，它優秀的處理功能在編程過程中能通過程序對需要識別的物塊提出限制條件，讓它能夠實現物塊辨別的功能。由此，可以連接電腦在現場選擇物體進行信息采集，觀察對應的物體是否被紅線框出，再選擇是否修改程序，這樣在設計過程中就不再需要進行整體修改。

1.4 電機的選擇及擺放方式

采用直流電機驅動。直流電動機更易控制，只需接入電路對輸出的PWM進行控制就可以實現電機的正、反轉及停止功能。

一組直流電動機與船體平行擺放控制船體的啟停及轉向。這種方式在運行過程中動力不足，且在水中進行轉向時會因為慣性以及水施加的力脫離軌道，且無法利用編程使其自動調整軌跡。

采用兩組直流電機菱形擺放控制船體的啟停及轉向。這種方式在運行過程中能夠準確地以船體為中心向X、Y軸的正負方向平穩移動，且動力充足，轉向過程中利用編程可以在船體受慣性以及水施加力的情況下自動調整軌跡。

1.5 驅動模塊

采用L9110S芯片作為電機驅動芯片。該芯片有兩個TTL/CMOS兼容電平的輸入，具有良好的抗干擾性，同時每個通道800 mA的實際通過電流與1.5 A最大電流，在保證電機驅動的最大利用下同時保證了安全性。兩個輸出端能直接驅動電機的正反向運動，且該模塊體積較小，管腳少，組裝方便。

2 實現系統設計

2.1 電路的設計

(1)控制系統電路設計

船體主要控制系統由單片機ATMEGA2560、OpenMV機器視覺模塊、電機驅動模塊及電機等組成。由此繪制其結構圖，如圖1。

核心控制模塊：單片機ATMEGA2560。

循跡、物塊識別模塊：OpenMV機器視覺模塊。

電機驅動模塊及電機：電機驅動芯片L9110S、直流電機。

(2)電機驅動模塊及電機

采用兩塊以L9110S為驅動芯片的驅動模塊，每一塊控制一組電機，兩電機分別接入驅動模塊的IA、IB串口，通過改變PWM控制電機的正、反轉及停止。在運行途中，單片機通過控制電機的啟停，正、反轉進而使船體在轉向及脫離軌道時能夠自行調整從而順利循跡。

(3)循跡模塊

采用OpenMV機器視覺模塊，通過Python語言進行編程，使OpenMV機器視覺模塊通過自身算法，通過拍攝信息采集后，在電腦上進行對管道識別的閾值調整，將閾值輸入程序中，使模塊能夠精準識別。

(4)物塊識別模塊

采用OpenMV機器視覺模塊，OpenMV機器視覺模塊本身自帶的視覺算法使其可以進行邊緣檢測，同時編輯程序給出條件，使其能夠通過自身判斷之后將信息傳輸到主控板，再通過主控板將識別的信息反饋出來。

系統電路原理圖如圖2。

2.2 程序的設計

OpenMV機器視覺模塊：OpenMV模塊自帶CPU核心，在程序編輯過程中將子程序編入其中，使其能夠獨立運行，實現循跡及物塊識別功能，主控板大大減少了運算，在對其余驅動模塊發出命令時能夠更加快速。

程序實現功能：船體在水中能夠自動循跡，同時能夠識別不同的物體并利用彩色LED燈閃爍不同顏色進行表示。在該設計中，利用PID算法，通過OpenMV機器視覺模塊在行程中自我調整航道軌跡。

設計思路如圖3。

3 實驗結果及數據分析

實驗在尺寸為(長、寬、高)3000 mm×2000 mm×600 mm、水面高度為460 mm的長方形水池中進行。管道采用直徑為75 mm的白色PVC管，將場地分成管道底部離池底分別為210 mm的淺水區(管道長度2500 mm)、靠淺水區有210 mm支撐的漸變區(管道長度1000 mm)、依附池底的深水區，管道與水池邊緣間隔500 mm。在場地的淺水區、深水區設置3個吸附物，漸變區設置2個吸附物，位置隨機。

船體在場地中對整體運行時長以及報警裝置的信息正確性進行測試。測試數據如表1。

表1 用時數據表

表2 正確報警計數表

通過對以上兩個表格的分析可知，在給定的區域內船體能夠對管道進行快速識別完成循跡，且不論在管道處于水深哪種區域均能對吸附物進行精準識別。

4 結語

隨著社會的發展，陸地的利用率終會趨向飽和，在水中的基礎設施建設只會越來越多。因此，在設施建設之后，維護也將成為必然。本設計能夠實現機器人在水中沿著管道行駛，同時在偏離航線后能夠自主巡回，可在惡劣的水波動環境下精準運行；其中的物塊識別功能是水下基建檢修的良好檢測器，加之報警功能，可以使檢測人員在陸地上觀察到何處發生了破壞。