水中管道智能巡檢機器人設計*

*基于項目：第七屆全國大學(xué)生工程實(shí)訓大賽

作者簡(jiǎn)介：李澤科（1999—），男，漢族，甘肅天水，本科生，專(zhuān)業(yè)，機械設計制造及其自動(dòng)化。

通訊作者簡(jiǎn)介：陳越超（1987—），男，漢族，吉林長(cháng)春，碩士，研究方向：檢測技術(shù)及儀器。

水下管道巡檢機器人是水下作業(yè)中必不可少的設備，它在很大程度上幫助人類(lèi)完成了一系列復雜的工作，提高了工作效率，解決了安全問(wèn)題。但是，目前水下管道巡檢機器人實(shí)現的功能并不完善，為了解決準確循跡以及標記管道泄露和腐蝕位置問(wèn)題，設計了一款用于水下管道智能巡檢機器人，它主要具有準確循跡、識別與檢測功能，可以解決上述問(wèn)題。本設計能夠在水下完成操作，當水下機器人船身出現傾斜，會(huì )通過(guò)姿態(tài)傳感器反饋到主控板，顯示當前機器人的姿態(tài)狀況。在下潛和上升過(guò)程中，通過(guò)水壓傳感器進(jìn)行水壓檢測，在此過(guò)程中感知被測量的信息，并根據一定的規律轉換成可用信號；在水下管道檢測中，能夠發(fā)現管道表面腐蝕的地方并進(jìn)行標記，以便修復管道；在行走過(guò)程中，可對水下垃圾進(jìn)行抓取回收，實(shí)現水下環(huán)境的清理與保護。

1 系統方案設計

本設計主要由2 塊ATMEGA2560 單片機作為主控板，分別接收OpenMV、水壓傳感器和姿態(tài)傳感器的數據和信息，以及控制電機的轉動(dòng)和標志物的識別。啟動(dòng)電源之后，循跡模塊和識別模塊開(kāi)始工作，利用水壓傳感器與姿態(tài)傳感器實(shí)時(shí)檢測水壓和水下機器人的姿態(tài)狀況。本設計能夠更好地進(jìn)行水下管道檢測，提高工作效率且便于操作。系統設計框圖如圖1所示。

圖1 系統設計

2 系統硬件設計分析

2.1 主控板的選用

本設計選用Arduino Mega2560 作為主控板；核心電路板設計采用USB 接口，操作簡(jiǎn)單。在燒制程序時(shí)，可直接利用USB 接口下載程序。此外，主控板具有2 種供電模式：USB 直接供電或利用電池外部供電。與其他主控板不同，其I/O 接口較多，包括16 位PWM 輸入口在內有54 位數字I/O 口，其處理器核心為ATmega2560。此外，Arduino Mega2560 已發(fā)展到最新版，在前2 版的基礎上又增加了SDA、SCL（位置在A(yíng)REF 的左側)，作用于接口I2C 處。而shield 可利用IOREF 接口提供一個(gè)電壓參考，在串口的設計上，ATmega2560 內置的4 路UART 可以實(shí)現與外部的串口通信，并且USB 上的虛擬串口可以通過(guò) ATmega16U2去訪(fǎng)問(wèn)串口0 實(shí)現。

2.2 循跡以及識別模塊

在本設計中采用OpenMV 作為循跡和標志物識別的主要模塊。其具有較強的處理功能，能在水中敏銳地識別出管道，通過(guò)PID 算法可以精準的識別出管道路線(xiàn)，并識別標志物所在的位置。其所有引腳均可承受5 V 電壓，輸出電壓為3.3 V，在運行時(shí)可工作的范圍為-20～70 ℃。

2.3 水壓傳感器

在本系統中為了去實(shí)時(shí)的檢測水壓狀況而采用M10深度傳感器，此傳感器具有高分辨率，而且內部設有高分辨率的I2C 接口MS5837 壓力傳感器；此傳感器設有VCC（ 紅線(xiàn)）、SCL（ 綠線(xiàn)）、SDA（白線(xiàn)）、GED（黑線(xiàn)）4 個(gè)引腳，用于連接深度傳感器解算板，讀取深度傳感器的測量信息及其修正系數；并與主控板形成串口輸出。

2.4 姿態(tài)傳感器

本系統利用JY90X 傳感器檢測機器人在水下的姿態(tài)狀況。水下機器人通過(guò)讀取傳感器的三軸加速度、三軸角速度、三軸磁場(chǎng)的原始數據，將數據實(shí)時(shí)反饋到主控板，然后使用自主研發(fā)的姿態(tài)動(dòng)力學(xué)核心算法，通過(guò)結合高動(dòng)態(tài)卡爾曼濾波融合算法表示機器人在水中行走時(shí)穩定的三軸姿態(tài)角度。此外，傳感器采用高密度4 層板設計，小巧方便；并且6 軸或9 軸算法可自由切換，同時(shí)可外接GPS 模塊，實(shí)時(shí)定位水下機器人的位置。

2.5 L298N電機驅動(dòng)模塊

本設計采用L298N 作為電機驅動(dòng)模塊，如圖2 所示。該電機驅動(dòng)模塊內部包含4 通道邏輯驅動(dòng)電路，它是一種兩相和四相電機的專(zhuān)用驅動(dòng)器。電機可由L298N 直接控制，而電機正反轉的驅動(dòng)可通過(guò)主控芯片I/O 輸入對其控制電平進(jìn)行設定，操作步驟簡(jiǎn)潔，穩定性良好，可以滿(mǎn)足直流電機的大電流驅動(dòng)條件。1 個(gè)L298N 模塊可同時(shí)控制2 個(gè)直流減速電機的不同動(dòng)作，在6 ～ 46 V的電壓范圍內，提供2 A 的電流，且具有過(guò)熱自斷和反饋檢測功能。在本設計中主要利用L298N 控制6 個(gè)直流電動(dòng)機來(lái)實(shí)現巡檢機器人的前進(jìn)、轉彎及上下運動(dòng)，使巡檢機器人實(shí)現循跡及深水區淺水區檢測的功能。

圖2 L298N電路原理

3 軟件分析

3.1 PID算法及其控制

由于在水中要適應多種復雜的環(huán)境，在本設計中，水下機器人要按照要求通過(guò)指定的線(xiàn)路，這就要求水下機器人具有精準的前進(jìn)方向。所以通過(guò)PID 控制回路算法保證水下機器人在前進(jìn)過(guò)程中能夠沿著(zhù)要求的線(xiàn)路航行，并完成任務(wù)，以提高工作效率。主控板通過(guò)接受姿態(tài)傳感器的數據反饋，進(jìn)而控制電機速度。當水下機器人偏離管道，控制器發(fā)出指令信息，調節前進(jìn)方向，使之回到主管道。

4 程序設計

本系統利用不同語(yǔ)言對不同模塊編程。主程序部分利用特有編程軟件Arduino 編程，使編譯環(huán)境更加簡(jiǎn)單、方便，各種功能的調用十分便捷，各種庫函數的調用也十分方便。OpenMV機器視覺(jué)模塊利用Python 編程軟件，通過(guò)程序控制OpenMV 機器視覺(jué)模塊將采集到的視覺(jué)信息顯示到電腦上。然后調節PID 算法使OpenMV 模塊傳回的信息更加精確。

本系統程序設計包含主程序部分、L298N 電機驅動(dòng)子程序和OpenMV 循跡物塊識別子程序。開(kāi)始先進(jìn)行系統初始化，然后按下開(kāi)始按鍵，整個(gè)系統進(jìn)入工作狀態(tài)，接著(zhù)調用OpenMV 子程序使水下機器人尋找到指定線(xiàn)路，然后開(kāi)始循跡。在前進(jìn)過(guò)程中，利用水壓傳感器檢測水壓，同時(shí)根據姿態(tài)傳感器檢測機器人的姿態(tài)狀況及時(shí)調整方向，通過(guò)PID 算法控制L298N 電機驅動(dòng)實(shí)現機器人的前進(jìn)、轉彎。在循跡行走中，OpenMV 子程序實(shí)時(shí)將外界信息傳遞給主控板，巡檢機器人在檢測到不同標志物時(shí)通過(guò)三色LED 小燈進(jìn)行不同顯示。當識別的物體為正方形時(shí)，LED 小燈顯示為綠色；當物體為圓形時(shí)LED 小燈顯示為紅色。程序框圖如圖3 所示。

圖3 程序框圖

5 結束語(yǔ)

隨著(zhù)社會(huì )的進(jìn)步與發(fā)展，水下巡檢機器人在未來(lái)應用會(huì )非常廣泛，在水中作業(yè)方面將起到很大作用。本文主要研究水下機器人的控制系統，獲取相應的結論：水下機器人的行走及物塊識別都需要依靠智能控制進(jìn)行反饋；在很大程度上解決了水中作業(yè)的問(wèn)題，降低了工人巡檢的難度，提高了工作效率。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年1月期）