地鐵隧道智能巡檢機器人

陸京龍，李德魁，胡亮，劉旭，張舒晴，李猛

（天津職業技術師范大學，天津，300222）

0 引言

隨著社會經濟的發展和城市化進程的加快，使得城市人口數量迅速增長，地面交通難以滿足發展的需求，因此發展軌道交通已成為各大城市的第一選擇。相比較公共汽車的運輸能力來看，地鐵的運輸能力可以說是公交的幾倍之多，而且在速度上也是公交以及私家車所無可比擬的。正是因為這樣的大運輸能力，所以其安全性就顯得尤為重要。由于人流量巨大，而安全出入口少，且地鐵隧道以及車站通常是位于地下，一旦出現任何問題，人員的疏散和逃生都極為困難，必然造成巨大的生命財產損失和社會影響。

如何保護正在運行中的隧道，掌握其環境狀況，已成為一個越來越現實的問題。由于區間隧道較長，工程規模較大、情況復雜，且工程的隱蔽性較強，采用傳統的人工檢測方法需要大量人力與時間，且檢查結果主觀性較大，檢測靈敏度低，只能識別較為嚴重的損傷，而且檢查周期較長，會對地鐵隧道的運營造成較大的影響。為了確保地鐵工程結構長期服役的安全性和耐久性，有必要研究、開發和應用地鐵隧道智能巡檢機器人、實時監測其服役期間的安全狀況以便避免重大事故的發生。同時，通過檢測地鐵隧道中的早期問題，能大大節約工程的維修費用，避免出現頻繁大修關閉地鐵交通所引起的無可挽回的損失。

1 系統總體設計

地鐵隧道智能巡檢機器人工作時，首先輔助控制器（STM32）通過傳感器對環境參數進行采集。對采集到的數據進行濾波，然后將數據進行分析，判斷是否在合適的區間內。與此同時主控制器（NLEAI800）通過攝像頭拍攝圖像進行降噪等預處理后進行分析，判斷隧道中是否存在異常。以上兩者若任一不符合標準，主控制器則會將此時機器人所在的相對位置以及參數和圖像保存后通過聯網模塊上傳至云端。工作人員可在云端查看隧道內存在的異常情況以及異常位置，方便直接前往異常點進行相關工作。其模型圖如圖1 所示。

系統整體設計分為四部分：機器人設計、手機客戶端設計、上位機設計、網頁端設計。其系統總體設計框圖如圖2所示。

圖2 系統總體設計框圖

2 系統硬件設計

本文設計的地鐵隧道智能巡檢機器人的硬件系統主要包括視覺檢測系統的設計；傳感器檢測系統的設計；機械結構的設計；其硬件設計框圖如圖3 所示。

圖3 硬件設計框圖

通過系統硬件框圖可以看出，地鐵隧道智能巡檢機器人的硬件系統以新大陸AI 邊緣計算NLE-AI800 開發板為主控，通過STM32 外圍配置電機、傳感器、舵機模塊等，從而實現機器人的自動檢測地鐵隧道環境、圖像信息采集與分析、自身定位、數據上傳與可視化等多種功能。系統硬件連接圖如圖4所示。

圖4 系統硬件連接圖

■2.1 視覺檢測

機器人上搭載兩個攝像頭，前置攝像頭用于實時顯示機器人前方圖像，供工作人員觀察隧道環境，該攝像頭采用網絡攝像頭，NLE-AI800 連接網絡即可直接拉取實時視頻流，并可搭載一些神經網絡模型配合工作；下置攝像頭用于俯視地鐵軌道，以檢測軌道上是否存在損傷，該攝像頭采用海思hi3516 集成版，無需另外的圖像處理設備即可分析出軌道是否存在損傷，發現損傷后通過串口將信息傳輸給STM32。

2.1.1 NLE-AI800

新大陸AI 邊緣計算NLE-AI800 開發板是一款具備高可擴展性的AIOT 開發平臺，平臺具有AI 計算能力，提供4TFLOPS 的算力，支持多sensor 輸入，集成豐富的硬件接口，包括：雙千兆網口（一路POE 受電）、RS232/RS485、藍牙/ WiFi、4G、PCIE、擴展GPIO 等接口，內置各類深度學習算法，包括：分類檢測、車輛/車牌識別、人臉識別、人臉屬性分析等。亦可接入NLE Cloud 新大陸物聯網云平臺，以“云、管、邊、端”全棧式服務推進“萬物智聯”的時代。

2.1.2 攝像頭模塊

攝像頭模塊采用網絡攝像頭開發，支持無線WiFi 連接，4mm 廣角鏡頭，onvif 網絡協議，支持電腦、手機遠程監控，通過rtsp 協議拉取視頻流。

■2.2 傳感器檢測

機器人上搭載多個不同傳感器，STM32 采集傳感器數據后進行10 次均值濾波后，將數據實時顯示在上位機畫面，當某個傳感器值異常時，會將數據背景色變為紅色以提示。

2.2.1 控制器

STM32F407VET6 最小系統，擁有512KB 內置flash，以及192+4KB 的運行內存，足以滿足大部分需求。但是實際運用中有128KB 可以使用，并且這里保存著運行過程中系統所占用的空間，所以實際可用空間低于128KB。主頻通過PLL 倍頻后能夠達到168MHz，而且芯片內置一個16MHz 的晶振和一個32kHz 的晶振，可以滿足不同功耗的需求。

2.2.2 溫濕度傳感器

DHT11 數字溫濕度傳感器是一款含有已經校準數字信號輸出的溫度濕度復合傳感器。它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感器技術，確保產品具有可靠性與卓越的長期穩定性，成本低、相對濕度和溫度測量、響應快、抗干擾能力強、信號傳輸距離遠、數字信號輸出、精確校準。

2.2.3 氣體傳感器

MQ-2 氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率比較低的二氧化錫（SnO2）。當傳感器所處環境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率會隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。

■2.3 機械結構

機械結構分為動力裝置、左側夾緊裝置、右側調節裝置、左側開合裝置；經這五部分組合，使得機器人在軌道上可以穩定運行，其設備總裝模型如圖5 所示。

圖5 設備總裝模型圖

2.3.1 動力裝置

由直流減速電機通過同步帶帶動主輪旋轉提供前進動力，通過自由輪提供一定的平衡性。其模型圖如圖6 所示。

圖6 動力裝置模型圖

2.3.2 左側夾緊裝置

由彈簧提供一定的張力，迫使小自由輪可緊貼軌道側面，為機器人進一步提供平衡性。其模型圖如圖7 所示。

圖7 左側夾緊裝置模型圖

2.3.3 右側調節裝置

由舵機通過齒輪來調節小自由輪與軌道側面的距離，配合左側夾緊裝置使整體對鐵軌兩側發力均勻，使得動力裝置能在軌道上方居中運動，不偏離軌道中心。其模型圖如圖8所示。

圖8 右側調節裝置模型圖

2.3.4 左側開合裝置

由舵機通過傳動桿來調節左側夾緊裝置，方便工作人員將機器人放置在軌道上或是從軌道上取下。其模型圖如圖9所示。

圖9 左側開合裝置模型圖

3 系統軟件設計

地鐵隧道智能巡檢機器人的軟件設計是在硬件系統的基礎上通過軟件程序的設計，實現機器人的自主運動、傳感器數據采集、圖像信息采集與分析以及數據上傳云端等功能。系統軟件的設計包括地鐵隧道智能巡檢機器人控制系統程序設計、手機客戶端設計及網頁端頁面設計三部分內容，實現機器人的自動工作與數據的可視化。

■3.1 機器人控制系統程序

機器人控制系統程序針對STM32 處理器進行設計，通過MDK5 采用C 語言進行程序編寫，主要包括傳感器數據采集、編碼器計數、電機與舵機控制、數據上傳等程序設計。

■3.2 手機客戶端

手機客戶端設計針對APP 用戶訪問歷史數據、異常點信息等進行設計，主要通過JAVA 語言進行開發。其界面如圖10 所示。

圖10 手機客戶端APP 界面

■3.3 網頁端

網頁端設計針對故障點信息查看、用戶管理、數據庫進行設計，數據庫設計使用了MySQL 數據庫，專門對機器人信息，用戶信息，異常信息的保存，后臺數據處理設計。其頁面如圖11 所示。

圖11 網頁端界面

4 結束語

本文提出一種地鐵隧道智能巡檢機器人，利用圖像識別技術、傳感器技術以及物聯網技術，更加高效準確地對地鐵隧道中的各項參數進行檢測。機器人全自動運行，發現問題上傳云端，節省人力資源；鐵路工人通過云端頁面可以查看設備上傳的具體數據，包括異常類型以及異常點所在位置，從而直接前往異常點進行檢修。實現機電一體化，并采用物聯網技術使檢測設備，鐵路工人互聯互通，實現信息的無線傳輸。