水下管道巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蒲小虎，杜 青，王小東

(天津天獅學(xué)院 信息科學(xué)與工程學(xué)院，天津 301700)

0 引言

水下機(jī)器人作為一種高技術(shù)手段，在海洋開(kāi)發(fā)和利用領(lǐng)域的重要性日漸上升。隨著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，各行各業(yè)迫切需要大量適用于水下作業(yè)的各式各樣的水下機(jī)器人[1]。本設(shè)計(jì)以水下管道智能檢測(cè)的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景和未來(lái)發(fā)展為主題，利用智能技術(shù)自主設(shè)計(jì)一臺(tái)按照給定任務(wù)完成水下管道檢測(cè)的機(jī)器人。該機(jī)器人能夠沿著水下管道運(yùn)動(dòng)，檢測(cè)管道上的吸附物，并發(fā)出警報(bào)。任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中可以不使用包括遙控在內(nèi)的任何人工交互的手段控制水中機(jī)器人及輔助裝置。

1 方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)可分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分，上位機(jī)通過(guò)VNC遠(yuǎn)程登錄界面可以進(jìn)行程序調(diào)試、修改閾值參數(shù)，還可以進(jìn)行圖像和信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。下位機(jī)以樹(shù)莓派為主體連接各個(gè)傳感器，通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，下位機(jī)主要包括樹(shù)莓派4B、視覺(jué)模塊、深度傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、潛水電機(jī)、報(bào)警模塊和電源電路等，系統(tǒng)框如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框

具體實(shí)現(xiàn)的功能如下。

(1)管道循跡：利用樹(shù)莓派獲取內(nèi)窺鏡采集的圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并將處理過(guò)的圖像數(shù)據(jù)通過(guò)遠(yuǎn)程界面窗口顯示出圖像，對(duì)其進(jìn)行記錄；在程序上設(shè)置電機(jī)前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停止的閾值條件，通過(guò)設(shè)置的顏色閾值來(lái)識(shí)別管道，滿足機(jī)器人對(duì)不同的顏色管道的識(shí)別，可以適應(yīng)多種場(chǎng)景和不同的環(huán)境。

(2)對(duì)水下場(chǎng)景的拍攝：在進(jìn)行管道巡檢中，VNC界面會(huì)實(shí)時(shí)顯示畫(huà)面，可以使用內(nèi)窺鏡對(duì)圖像進(jìn)行拍照，保存在樹(shù)莓派內(nèi)部文件里，可用于分析后期水下場(chǎng)景數(shù)據(jù)。

(3)附著物識(shí)別報(bào)警：在進(jìn)行管道巡檢中，可以對(duì)管道上的附著物進(jìn)行形狀識(shí)別，并發(fā)出報(bào)警。

(4)可以采集水下深度信息。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 樹(shù)莓派最小系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)主控單元采用樹(shù)莓派，樹(shù)莓派是一款基于ARM的微型電腦主板，其大小僅比信用卡稍大點(diǎn)。其以SD/MicroSD卡為內(nèi)存硬盤，卡片主板周圍有1個(gè)10/100 以太網(wǎng)接口和4個(gè)USB接口，可連接鼠標(biāo)、鍵盤、網(wǎng)線，擁有HDMI高清視頻輸出接口和模擬信號(hào)的電視輸出接口，以上部件全部整合在1張主板上，具備PC的所有基本功能。擁有40個(gè)GPIO引腳，可以連接多個(gè)模塊，并且有著強(qiáng)大的可擴(kuò)張性，可以添加拓展板來(lái)增加連接模塊的數(shù)量。設(shè)計(jì)中只需接通內(nèi)窺鏡和外圍設(shè)備，就能執(zhí)行實(shí)時(shí)視頻播放等諸多功能。

2.2 視覺(jué)模塊電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的電子內(nèi)窺鏡是TYPE-C&Android&PC三合一的，用USB接口跟樹(shù)莓派連接便可使用，不用安裝驅(qū)動(dòng)[2]。電壓為5 V，分辨率有1 080×720和640×480兩種，頻率在30 fps，支持多個(gè)系統(tǒng)，在本次設(shè)計(jì)中用來(lái)采集圖像和拍照(JPEG格式)。

2.3 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

L298N是一種具有大電流、高電壓的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點(diǎn)是：輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3 A，持續(xù)工作電流為2 A；額定功率可達(dá)25 W；工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46 V。L298N內(nèi)部含有兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；L298N是使用邏輯電平信號(hào)控制；可以外接檢測(cè)電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。本次根據(jù)設(shè)計(jì)要求，需要控制兩臺(tái)直流電機(jī)。

2.4 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

使用蜂鳴器加LED燈組合成一個(gè)聲光報(bào)警電路，所用蜂鳴器是一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電。這里使用的是高電平，給予它一個(gè)高(HIGH)信號(hào)就會(huì)發(fā)出警報(bào)，此時(shí)再給它一個(gè)低(LOW)信號(hào)報(bào)警就會(huì)停止，在設(shè)計(jì)中用來(lái)報(bào)警。在報(bào)警的時(shí)候，LED燈也會(huì)一并閃爍，進(jìn)行報(bào)警提醒。

2.5 深度傳感器電路設(shè)計(jì)

水深傳感器采用TE公司的MS5837壓力傳感器，MS5837壓力傳感器是高精度水深測(cè)量的理想選擇，水深測(cè)量分辨率高達(dá)2 mm。MS5837是新一代的高分辨率 I2C 接口壓力傳感器。MS5837壓力傳感器模塊包括高線性度的壓力傳感元件和超低功耗的 24 位△ADC 內(nèi)置工廠校準(zhǔn)系數(shù)。MS5837-30BA壓力傳感器可以提供高精度的24位壓力和溫度數(shù)字輸出,使用者可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要配置功耗和轉(zhuǎn)換的速度。該型號(hào)傳感器的通信協(xié)議簡(jiǎn)單,不需要修改內(nèi)部的寄存器，可以與所有形式的微控器配合使用。

2.6 LM2596S降壓模塊的電路設(shè)計(jì)

LM2596S降壓模塊是由德州儀器(TI)研發(fā)生產(chǎn)的一款降壓模塊，可以產(chǎn)生3 A電流輸出降壓，本質(zhì)上是一種非同步降壓型電源管理單片集成電路的開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器。模塊內(nèi)含150 kHz固定頻率振蕩器和1.23 V基準(zhǔn)穩(wěn)壓器。LM2596S具有功能完善的電流限制、熱關(guān)斷電路、保護(hù)電路等。該降壓模塊只需要非常少的外圍器件就可以構(gòu)成高效穩(wěn)定的穩(wěn)壓電路[3]。還可以提供3.3 V，5 V，12 V等多種電壓選擇，本次設(shè)計(jì)選擇5 V電壓作為需求。

2.7 水下電機(jī)

水下推進(jìn)器是一款全防水的水下推進(jìn)器，電機(jī)的轉(zhuǎn)子做了全面防水措施，可以完全浸泡在水下工作，如果需要在海水環(huán)境下工作，須在工作完畢后用淡水沖洗電機(jī)。如果不沖洗電機(jī)，電機(jī)內(nèi)部的海水干燥后會(huì)形成結(jié)晶，影響推進(jìn)器的壽命。

3 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是在樹(shù)莓派內(nèi)部進(jìn)行程序編寫，首先用SD卡配置鏡像，獲取樹(shù)莓派的IP地址并使用VNC登錄，配置好之后在其內(nèi)部進(jìn)行程序的編寫和調(diào)試。在本次設(shè)計(jì)中使用的是Python語(yǔ)言，在進(jìn)行編程時(shí)要清楚樹(shù)莓派GPIO口的定義如何使用和格式。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序的運(yùn)行過(guò)程：打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，系統(tǒng)正常供電，開(kāi)始初始化，使用內(nèi)窺鏡獲取圖像，樹(shù)莓派對(duì)獲取的圖像進(jìn)行處理，開(kāi)始檢測(cè)白色的水下管道，根據(jù)管道的點(diǎn)位不同給電機(jī)使能信號(hào)，讓電機(jī)開(kāi)始運(yùn)作，根據(jù)圖像上白色區(qū)域的閾值進(jìn)行前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)。在循跡過(guò)程中,內(nèi)窺鏡會(huì)識(shí)別管道上是否有異物，并對(duì)其進(jìn)行形狀識(shí)別。如果是圓形，LED燈(紅)閃爍，蜂鳴器報(bào)警；如果是方形，LED燈(綠)閃爍，蜂鳴器報(bào)警。主程序流程如圖2所示。

圖2 主程序流程

3.2 管道識(shí)別算法設(shè)計(jì)

管道識(shí)別需要對(duì)內(nèi)窺鏡的實(shí)時(shí)圖像進(jìn)行灰度處理，顯示出灰度圖像，然后進(jìn)行二值化處理。本設(shè)計(jì)的測(cè)試使用白色管道來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，在程序中單獨(dú)調(diào)用一個(gè)二值化圖像的窗口用來(lái)識(shí)別管道，設(shè)定一個(gè)閾值，高于這個(gè)閾值為白色，低于閾值為黑色，進(jìn)行劃線得到白色管道路徑。

3.3 方向控制算法設(shè)計(jì)

要控制機(jī)器人的前進(jìn)，左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，需要對(duì)當(dāng)前二值化圖像進(jìn)行處理，求出白色管道的平均點(diǎn)位，再和船在管道正上方的位置時(shí)的白色管道的點(diǎn)位(320)進(jìn)行比較，因?yàn)槊繋瑘D像的大小是640×320，當(dāng)船體(管道檢測(cè)機(jī)器人)在巡檢管道正上方時(shí)，所拍攝的圖像中，白色管道在圖像的中心位置，測(cè)試管道點(diǎn)位為320左右。當(dāng)所獲得的圖像點(diǎn)位偏離320時(shí)，即可判斷船體的形式方向。

3.4 形狀識(shí)別算法設(shè)計(jì)

形狀識(shí)別流程是首先對(duì)于獲取的圖像進(jìn)行腐蝕和膨脹處理，通過(guò)卷積核設(shè)置閾值來(lái)消除噪點(diǎn)，然后將膨脹和腐蝕過(guò)后的圖像分別顯示出來(lái)。有了腐蝕和膨脹圖像結(jié)果后，就可以在原圖上繪制輪廓線，通過(guò)繪制輪廓線可以獲取形狀面積，這個(gè)時(shí)候?qū)τ谳喞€的數(shù)量進(jìn)行一個(gè)判定，輪廓線大于13條說(shuō)明沒(méi)有檢測(cè)到附著物，反之則有。輪廓線小于13條在連續(xù)5次以上附著物為圓形，反之附著物為方形。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠識(shí)別水下白色管道并且能夠根據(jù)情況直行、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，能夠發(fā)現(xiàn)附著物并判斷其形狀，能在淺水區(qū)進(jìn)行有效識(shí)別。水下機(jī)器人的應(yīng)用在很大程度上可以降低人工巡檢的難度，提高工作效率。隨著社會(huì)的進(jìn)步,水下巡檢機(jī)器人在未來(lái)會(huì)有非常廣泛的應(yīng)用。