一種水上管道去污機器人的設(shè)計

王奕帆 趙澤鑫 馬詩晏 翁積宏 蔡武煒

摘? 要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能控制技術(shù)愈加成熟，智能機器在生活中的比重越來越大，市場對水上管道智能巡檢機器人[1]的需求也愈來旺盛，智能巡檢機器人的研發(fā)順應(yīng)了時代發(fā)展的潮流。文章提出一種水上管道去污機器人的設(shè)計，該機器人包含總控系統(tǒng)，總控系統(tǒng)首先通過攝像頭實時采集水上管道圖像，接著利用圖像處理模塊對畫面進行分析，最后判斷是否需要對管道進行去污，從而解決水上管道檢測、清理的問題。

關(guān)鍵詞：智能巡檢;圖像采集與處理;硬件設(shè)計

引言

近年來，城市建設(shè)進程加快，水下管道體系更加錯綜復(fù)雜。一旦部分水下管道出現(xiàn)問題，便可能影響整個水下管道的運作。同時，水下管道作為城市系統(tǒng)的重要組成部分，直接影響居民的日常生活。在這一領(lǐng)域的技術(shù)水平發(fā)展較為緩慢。水下管道通常會安裝管道檢測儀，監(jiān)測管道情況。然而，在管道檢測儀不到位的情況下，常常需要進行人工檢測和維修。隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，人工處理成本也越來越高。使用機器檢測，有助于減少工作人員的工作量、降低工作難度、提高工作效率。針對上述問題，文章提出一種管道去污機器人的設(shè)計，從而保證對水下管道檢測、清理的高效性。

1 裝置介紹

該裝置由總控系統(tǒng)、攝像頭、推進電機和機械爪四部分組成。總控系統(tǒng)包含電源模塊、圖像處理器、微控制器和電機驅(qū)動四部分部分。

2 總控系統(tǒng)介紹

2.1電源模塊

電源模塊分為兩部分，第一部分為12V轉(zhuǎn)5V，在12V轉(zhuǎn)5V電路設(shè)計中，采用的降壓芯片為TPS54302。TPS54302是一款容壓差較高的降壓轉(zhuǎn)換器[2]，有效電壓輸入范圍為4.5V-28V，其最大輸出電流可達3A。該芯片包含兩個集成開關(guān)MOS并且擁有內(nèi)部回路補償。根據(jù)TPS54302數(shù)據(jù)手冊，如需開啟此芯片且輸出5V電壓，必須使得使能電壓 大于1.2V，且其反饋電壓 等于0.6V，在本電路中開啟電壓計算公式以及反饋電壓的計算公式分別為

2.2圖像處理模塊

該機器人搭載的圖像處理模塊為MAIX Bit開發(fā)板，MAIX Bit開發(fā)板是由SiPEED公司MAIX產(chǎn)品線負(fù)責(zé)開發(fā)的視覺處理器，基于嘉楠堪智科技的邊緣智能計算芯片K210設(shè)計的一款A(yù)IOT開發(fā)板。開發(fā)板使用模塊+底板方式設(shè)計，整潔小巧，板載Type-C接口和USB-UART電路，可以直接通過USB Type-C線連接電腦進行開發(fā)，配置128Mbit Flash、LCD、DVP、Micro SD卡等接口;MaixBit 開發(fā)板參數(shù)MaixBit 開發(fā)板以M1WAl模塊作為核心單元，功能非常很強大，能夠更好地支持管道去污機器人進行快速的圖像處理算法。其中內(nèi)核計算芯片K210采用RISC-V架構(gòu)[4]64位雙核設(shè)計，該模塊處于工作狀態(tài)時，實時接收攝像頭傳送的管道環(huán)境畫面，接著由模塊內(nèi)核計算芯片K210對管道環(huán)境圖像進行二值化[5]，獲得與吸附物顏色相同的物體的區(qū)域信息，再對區(qū)域進行形狀識別，獲得物體的顏色和形狀信息以及坐標(biāo)位置，最后將物體的顏色和形狀信息以及坐標(biāo)位置傳回微控制器，由微控制器發(fā)出相應(yīng)命令至機械爪與電機驅(qū)動，通過整體配合對當(dāng)前管道進行去污處理。

2.3系統(tǒng)控制原理

該裝置的總控系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F407VGT6芯片作為核心控制器。總體控制原理如圖3。STM32F407VGT6，該型號芯片是基于ARMCortex-M3內(nèi)核的32位微控制器。其時鐘頻率為72Mhz，便于快速處理分析攝像頭回傳數(shù)據(jù)，多達112個快速I/O端口，滿足了總控系統(tǒng)下接多外設(shè)的需求;內(nèi)置閃存程序存儲器和512K的FLASH容量及64K的SRAM，便于存儲水下管道去污機器人拍攝的畫面。

該裝置在工作過程中攝像頭實時回傳所拍圖像，經(jīng)由圖像處理模塊分析處理后回傳至微控制器，由微控制器進行判斷，如識別到需要進行去污的對象，處理器會發(fā)送信號至下接外設(shè)，從而對管道進行去污處理。

水下管道去污機器人進行管道去污處理時， 實驗結(jié)果表明：該裝置穩(wěn)定性好， 功能效果突出， 是水下管道巡檢過程中有力的工具。

3結(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)管道檢測設(shè)備存在的缺點提出了一種水上管道去污機器人的設(shè)計，該裝置結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，環(huán)境適應(yīng)性高，貼合了水下管道檢測、清理的需求，對提高水下設(shè)備數(shù)字化、智慧化有一定的借鑒意義，具有較高的推廣價值。

參考文獻

[1]李澤科，陳越超.水中管道智能巡檢機器人設(shè)計[J].電子產(chǎn)品世界，2022，29（01）：86-88.

[2]王立萍，周锎，王俊，等.一種同步整流大功率降壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計[J].南開大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，45（05）：32-36.

[3]王紅蕾.新型輸入浪涌電流抑制電路[J].集成電路應(yīng)用，2021，38（06）：1-3.

[4]劉暢，武延軍，吳敬征，等.RISC-V指令集架構(gòu)研究綜述[J].軟件學(xué)報，2021，32（12）：3992-4024.

基金項目：廣西大學(xué)生創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目水上管道去污機器人（項目編號：202110595282）項目成果8A183044-E76F-4A31-B66C-98E4C5FA6920