机器人在地下管道探测中的应用

  传输系统控制硬件为系统前后端传输的是指令及状态信息、视频信号及各类驱动电源等多类信息。由于作业现场处于野外存在各类自然及人为的干扰信号。为了能够更好的保证系统前端（即系统各类数据信息采集和转换端）能把数据准确、无失真的传递到系统后端（即系统各类数据信息还原端），本项目的传输系统采用长度为200米多芯合成电缆进行传输。多芯合成电缆采用15芯电线组合而成，其中视频图像信息是模拟通道的，其抗干扰能力较弱，所以视频图像信息采用同轴电缆传输。15芯合成传输电缆的外护套使用高密度聚乙烯材料起到抗拉伸抗耐磨的作用。

  系统前端控制硬件主要是采用MCU完成对系统前端各组成部件来控制包括爬行器行进、辅助光源照明、转动环节等;对系统各组成部件工作状态进行监测并对超限工作的部件进行保护：通过485接口和系统后端进行通信，实时与后端进行系统各部件状态和控制方式内容做通信。

  系统后端控制硬件主要是采用MCU完成对系统前端各组成部件来控制包括輪式爬行机器人行进速度、辅助光源照明的照度、转动环节速度等;对系统各功率电源工作状态进行监测并对超限工作的部件进行保护;通过485接口和系统前端进行通信，实时与前端进行系统各部件状态和控制方式内容做通信，并将各部分状态实时显示在监控屏幕上;操作人员通过无线键盘对总系统进行控制。其硬件组成方框图如下图2所示。

  管道机器人是一种可沿管道内部移动，携带一种或多种传感器及操作器，在操作人员的遥控操作或计算机的自动控制下，能够进行一系列管道作业的机电一体化系统。管道机器人可完成的作业有生产、安装过程中的管内外质量检测;使用过程中焊缝情况、表面腐蚀、裂缝破损等故障诊断等用途。地下管道检测机器人主要在地下管道等恶劣环境中使用，外负载不稳，且经常受到冲击，其主要实现如下功能：一体化可360度旋转摄像头置于轮式机器人上，轮式机器人携带各类传感器（包括激光传感器、倾角传感器、CCD传感器、电压电流传感器和旋转编码器等）和电控升降台沿管道行进并进行管道内部视频图像采集，同时通过多芯合成电缆实时传回图像资料。电缆中传输视频信号、控制信号、驱动电源等。后端的主控制机箱实现视频图像和各组成部件工作状态进行实时显示，现场工作人员根据实时显示的图像和部件状态对对机器人、旋转摄像机和辅助灯光照明等系统部件来控制。

  地下管道检测机器人的工作过程分为自检、初始化、作业、信息反馈四个部分。运动规划和操作管理部分根据上层规划的要求和准确的局部环境信息，在对作业环境信息综合性判断的基础上作出决策，选择出响应环境状态最合理的轨迹来进行合成，对运动模块进行调用。传感器检测信息所提供的局部环境模型是选择或调度的判断依据。运动控制采用模块化设计，运动模块之间相对独立。每个模块可以独立地被编码、测试、排错或修改，从而使复杂的土作简化。机器人达成目标所需的所有运动，均可由基本动作模块按照一定的逻辑关系组合而成。在规划结束后软件进入输出驱动控制阶段，具体分配、执行和管理动作序列，并最终形成各种状态信息，这一些信息作为故障诊断与处理的依据。总之，在地下管道检测机器人的控制管理系统中，作业、信息反馈不断传递，使得各个任务不断切换运行，总系统得以正确运转工作。

  [1]李强.管道机器人视像检测系统的研究与实现[D]大庆：大庆石油学院，2007.

  地下管道检测机器人的控制采用按偏差调节的闭式控制，其计算机采用单片机作为控制装置的核心，单片机主要负责地下检测机器人各组成部件的执行，该些组成部件包括驱动机器人行进、云台转动，升降台动作等相应的直流电机驱动控制：同时单片机对系统配置的各类传感器（包括激光传感器、倾角传感器、CCD传感器、电压电流传感器和旋转编码器等）进行监控测量，单片机采集各类传感器的状态进行计算判断同时反馈至机器人各组成部件的执行。该机器人的自动控制通过单片机技术等设计实现了步行、跟踪、越障、液晶显示、地面探测（等功能，使系统在智能性、准确性、实时性方面达到了较高的要求。使地下管道检测机器人在遇到地下管道内部外界条件发生明显的变化时，该机器人将采取不同的措施对待，较好地表现出该机器人的自动控制能力。

  随着多传感器技术及MCU控制技术的发展，远距离控制与监控必然会受其影响得到更大的发展。在木文所实现的地下管道机器人的控制中，多传感器技术及MCU控制技术起到了很重要的作用，是总系统控制的实时性、正确性得到保证的关键。地下管道检测机器人工作环境复杂，相应的检验测试的内容也较多，这就要求该产品携带的传感器将持续不断的增加，在后续该产品的开发中将不断加入声纳、气体等传感器的使用。

  建国以来，我国城市的发展迅速崛起，工业化城市、旅游城市、经济开发区等异军突起，国家一片昌盛繁荣的景象。虽然国家很大一部分市政公用设施都在不停的发展改造，但地下管线的新旧层次突出，部分城市甚至仍在使用明清时期的排水设施。地下管道设施由于其掩埋于地下的特殊性，导致各方而工作开展都很困难，这给城市地下管道内部检测和定位带来了困难。随着科学技术的快速的提升，特别是电子计算机技术、机器人控制技术等新技术发展与应用，以及测绘、探查技术本身的进步，为城市地下管线探测提供新的方法和手段，对推动和加速城市地下管线探测普查工作具积极的意义。

  系统后端子系统使用便携旅行箱结构作为主控机箱，机箱内部采用单片机处理系统。该部分完成对系统前端采集视频信息的还原和显示，实时显示轮式爬行机器人行进的距离，视频画面编辑，并对轮式爬行机器人各部件来控制。主控机箱界而增加视频输出接口以扩展系统外部功能。

  根据各子系统的划分地下管道检测机器人控制管理系统软硬件可以划分以下功能模块：系统前后端单片机嵌入式控制模块、辅助照明控制及超限監控模块、轮式机器人行进及超限监控模块、云台转动控制及超限监控模块、升降台转动控制及超限监控模块、激光测距控制及超限监控模块、视频采集处理传输模块、传输信号编解码模块和人机界面模块等。通过该些子系统和功能模块的划分及控制功能实现本智能机器人系统主要实现了步行、跟踪、实时显示，地面探测等功能。在遇到外界条件发生明显的变化时，经过控制系统该机器人将采取不同的措施对待，较好地表现出该机器人的智能化能力，体现了具有环境感知、判断决策、人机交互等功能显著的特点。地下管道检测机器人控制管理系统工作的地下管道环境比较恶劣，地下管道中存在障碍物、坡道、淤泥、污水等未知环境情况，本系统面向工程使用无疑要求系统具有更高的安全性和可靠性。机器人携带的各类传感器的配置与工作环境直接相关，又由于地下管道检测的特殊性机器人携带的传感器无法完全满足管道机器人对地下管道检测的全面控制，这就需要现场工作人员通过必要的CCD摄像头采集地下管道内部视频图像情况实时了解机器人作业的全局状态，以便做必要干预控制。同时地下管道检测机器人通过装载CCD图像传感器采集地下管道内壁图像，实现管道内腐蚀、裂痕和涂层损坏等缺陷检验测试，并得到很好的工程效果。

  地下管道检测机器人采用多种传感器，用以检测机器人与环境之间的相对状态和本体的运动情况。控制器通过对距离、位移等传感器信号的综合处理分析（融合），实现运动定位，完成局部自主智能控制，保证有效控制和流畅运动。机器人外传感器的配置与工作环境直接相关。位移传感器采用增量式编码器，并利用控制板卡上采用转换通道采用中断方式输入;各种运动界限状态的检测采用接近开关。为保护系统的正常工作在检测系统中还增加各类监测传感器。

  地下管道检测机器人控制管理系统大量采用硬件模块和软件模块化的设计，设计方法一般会用以自顶向下方法为主导，并结合使用自底向上的方法。这种方法既能保证设计的可靠性，又能减少设计的重复劳动，提高设计效率。

  地下管道检测机器人控制管理系统主要由主控制机箱、操纵架、轮式爬行机器人单元这三部分所组成，相应的可以将本系统分为系统前端、系统后端和传输系统共三个子系统。

  地下管道检测机器人控制主要由单片机系统组成，是属于底层控制级模块，是机器人控制管理系统硬件控制装置的核心，主要负责驱动机器人各组成部件动作相应的直流电机和人机界而的通信，对系统配置的各类传感器的监控，系统各部件状态的监控等。另外CCD摄像头通过有线图像传输的方法使地面操作人员能实时了解机器人作业的全局状态，以便做必要干预控制。单片机系统主要是通过异步通信的方式来进行数据传输，使人机界而更加友好，方便操作者根据系统提供的环境图像和返回状态信息对机器人进行监控和干预控制。

  系统前端子系统采用轮式爬行机器人行进，配合不同直径大小轮盘以适合不同直径大小的管道。轮式爬行机器人携带防爆头和升降云台、摄像头旋转云台等各类传感器行进，同时在该子系统各组成部件上安装各类传感器进行监控以控制管理系统在额定状态下工作。轮式爬行机器人通过CCD传感器完成对地下管道的视频采集并实时记录爬行器行进距离等功能。