CN114484147A - 一种基于前视摄像与多传感器的盐碱地暗管检测机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人制造技术领域，具体涉及一种基于前视摄像与多传感器的盐碱地暗管检测机器人。利用前视摄像头实现暗管内表面视频获取；然后通过多元传感器融合进行暗管内表面形变检测，利用安装在机械支架结构上的压力传感器检测管道的圆形率参数，完成暗管内壁形变反馈；同时利用大气压强传感器检测环境压强变化，并将所得数据通过中继器传输至PC上位机端，通过软件计算得出机器人的距地高度。最后结合暗管内壁视频、暗管形变参数和机器人高程参数，实现多模式融合的盐碱地暗管智能分析。检测成本低，方便快捷，检测数据准确可靠。

Description

一种基于前视摄像与多传感器的盐碱地暗管检测机器人

技术领域

本发明属于机器人制造技术领域，具体涉及一种基于前视摄像与多传感器的盐碱地暗管检测机器人。

背景技术

随着土地盐碱化问题日益严重，为更好地改良盐碱地，我国在十一五科技支撑计划中引入了暗管排水、暗管排盐技术，暗管工程是一种地下工程，在暗管的使用过程中，常会发生堵塞、变形等问题，但由于管沟已经回填，安装后检查十分复杂，目测和派遣监理员已无济于事。检查工作的重点是确定暗管***存在问题的位置与情况。而国内大部分对暗管排盐的研究还处在如何铺管建设中，对暗管的检测研究较少。现如今，国内通常采用传统的人工方法进行检测，由于暗管长度较长，一般采用抽样检测，利用冲洗机从下游检查井向上游冲洗并清理集水管。如果冲洗机软管无法前进，即可判定堵点位置。如果冲洗无法排除堵塞，则通过测量伸入集水管的软管长度标记堵塞位置。此过程不仅工作量大、效率低，而且会因抽样检测随机性高而出现漏检现象，无法精准、直观地了解管道内部情况。人们发现管道机器人能够突破人眼观察的局限性，通过管道机器人结合数字图像处理等技术对其进行高效的检测与分析工作。对于暗管排盐工程，急需一台专属暗管检测的机器人问世。

申请号为CN201710796875的中国发明专利，记载一种基于视觉技术的管道检测机器人***及工作方法，所述管道检测机器人基于视觉技术，能够简洁方便的获取管道内部环境图像信息，并将这些信息传送至远程控制中心，通过对管道内部图像信息进行分析处理，判断出当前管道的使用情况。但是，该***依靠的是视觉技术，作用较为单一，对于管道形变大小是难以监测的。

目前，同时携带传感器和摄像头的机器人专利有申请号为201610337853.3的中国发明专利，该专利所述是一种可越障的壁面清洁机器人的控制***。该控制***包括:控制器、传感器集合、Wifi摄像头模块、Wifi传输模块、手机操作APP。其应用领域为高楼壁面清洁，在应用领域和技术上与管道有很大差别。

在管道堵塞检测方面，同时携带摄像头与传感器的***有中国发明专利201610103158.0，该专利涉及一种新型管道堵塞检测装置，包括主控制器，还分别包括了多个沿管道的长度方向均匀布置的压力采集机构，压力采集机构包括了设于管道内壁上的压力传感器、与压力传感器的输出端连接的从控制器和与从控制器的通信端连接的从无线通信模块，在位于压力传感器处的管道内壁上还设有防水摄像头其外部还设有透明防护罩，通过采用上述结构，能够更加快捷、有效地对管道是否堵塞进行检测。但该发明不属于一种机器人技术，其主要结构需要安装在管壁上面，所以应用领域方面也有局限性，从该发明的具体实施方式来看，不适用于地下暗管的检测。而且该专利是每隔3-10m，分点采集压力值，压力信号不连续，应用领域受限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于前视摄像与多传感器的盐碱地暗管检测机器人，集管壁内表面视频监控、暗管高程测量、行进路程测量、管道形变测量于一体，实现暗管检测的智能化与自动化。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于前视摄像与多传感器的盐碱地暗管检测机器人，包括圆柱形车体，所述车体包括前车身和后车身，前车身与后车身之间通过伸缩硅胶管柔性连接；前车身与后车身上均安装有硅胶记米轮，硅胶记米轮通过固定连杆固定于前车身与后车身的外壁上，前车身与后车身上均安装有自适应连杆管径形变装置，自适应连杆管径形变装置包括压力传感器、活动连杆和压力回位弹簧，压力传感器固定于前车身和后车身上，压力传感器通过压力回位弹簧与活动连杆的一端连接，活动连杆的另一端与固定连杆连接；后车身内安装有单片机，前车身内安装有大气压强传感器、步进电机、联轴器、电池，步进电机通过联轴器与丝杆连接，丝杆与硅胶记米轮连接，大气压强传感器、压力传感器分别通过电压转换模块与单片机连接，步进电机通过电机驱动模块与单片机连接，电池通过电源模块与单片机连接，前车身的前端安装有照明灯和摄像头，摄像头通过无线通讯模块与单片机连接，无线通讯模块还通过中继器与PC上位机连接。

进一步地，所述前车身与后车身上的硅胶记米轮分别设有偶数个，且对称式分布，每个硅胶记米轮均与一个自适应连杆管径形变装置相对应。

进一步地，所述自适应连杆管径形变装置还包括壳体，壳体固定于前称身和后车身的外壁上，压力传感器位于壳体的后端，压力回位弹簧置于壳体内。

进一步地，所述活动连杆连接于固定连杆上靠近硅胶记米轮的一端。

进一步地，所述单片机为STM32单片机。

上述基于前视摄像与多传感器的盐碱地暗管检测机器人的工作步骤如下：

1)给暗管检测机器人上电后，PC上位机与暗管检测机器人建立连接，由PC上位机发送指令，包括运动方向和运动速度的控制，控制指令通过无线通讯模块经中继器传送至单片机；

2)单片机接收到指令后，电机驱动模块驱动步进电机得到PWM控制信号后，通过联轴器带动硅胶记米轮旋转，硅胶记米轮紧贴管壁，凭借较大的摩擦力驱动暗管检测机器人沿管道内壁向前运动；

3)暗管检测机器人向前运动时，通过压力传感器采集管壁对小车的压力，通过无线通讯模块经中继器上传给PC上位机；PC上位机对压力值设定一个阈值，由于硅胶记米轮紧贴管壁，硅胶记米轮通过固定连杆、活动连杆、压力回位弹簧与压力传感器连接，当压力超过设定阈值，PC上位机报警；

4)同时，在暗管检测机器人前进过程中，通过大气压强传感器测量暗管检测机器人随高度位置改变而产生的环境压强变化，测量数据经电压转换模块传送至单片机，进而通过无线通讯模块经中继器上传给PC上位机，通过公式计算，进而得出暗管检测机器人在垂直方向上的高度变化；公式如下：

其中，R为常数8.51，T为热力学温度，g为重力加速度，M为气体的分子量29，P₀为标准大气压，P为所测高度的气压；

5)通过硅胶计步轮得到行驶距离S，S＝2πR*A，其中A为轮胎所转圈数，2πR为轮胎周长，进而得到暗管检测机器人在管径中的位置，通过无线通讯模块经中继器传输给PC上位机；

6)暗管检测机器人前端装载的摄像头开始获取管道内部的图像信息，并通过无线通讯模块经中继器传送至PC上位机，从而对暗管内部进行实时监控。

本发明具有以下有益效果：

本发明利用前视摄像头实现暗管内表面视频获取；然后通过多元传感器融合进行暗管内表面形变检测，利用安装在机械支架结构上的压力传感器检测管道的圆形率参数，完成暗管内壁形变反馈；同时利用大气压强传感器检测环境压强变化，并将所得数据通过中继器传输至PC上位机端，通过软件计算得出机器人的距地高度。最后结合暗管内壁视频、暗管形变参数和机器人高程参数，实现多模式融合的盐碱地暗管智能分析。

与传统暗管检测方法相比，本发明采用基于前视摄像与多元传感器相结合的暗管检测***，有以下有益效果：

1)成本低，在目前实际工程中，检测依靠人工挖开土层逐段排查，不仅费时费力，还需要支付高额的人工费用，而采用本发明的检测机器人大大降低了时间成本和人工成本；

2)准确可靠，较于传统方法，本发明采用了视觉技术和传感技术，保障了暗管内表面信息检测的准确性；

3)方便快捷，只需将暗管检测机器人放入需要检测的暗管，即可在控制平台实时接收暗管内表面的数据，而且暗管检测机器人的行进速度可以远程遥控，只需一人一机即可完成对暗管的检测；

4)相较于单一的基于视觉技术的管道检测机器人，本发明将机器视觉与传感器检测技术相结合，在实现视频检测的同时，可以利用传感器准确得出管道形变的大小和管道高度参数。

5)相较于WiFi通讯的机器人，本发明通过中继器的合理布局，将信号巧妙传输，实现地下远程无线操控。

6)本发明拥有独特的自适应机械结构以及合理的控制***，体积小、功能多样，可以在不同类型的管道中灵活作业。

附图说明

图1是本发明暗管检测机器人的整体结构示意图。

图2是本发明暗管检测机器人***连接结构示意图。

图3是本发明暗管检测机器人无线通讯示意图。

图中，1、压力传感器，2、自适应连杆管径形变装置，3、伸缩硅胶管，4、大气压强传感器，5、步进电机，6、联轴器，7、硅胶计米轮，8、单片机，9、电池，10、丝杆，11、照明灯，12、摄像头，13、活动连杆，14、压力回位弹簧，15、固定连杆，16、前车身，17、后车身，18、壳体、19、PC上位机，20、中继器，21、暗管检测机器人。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案做进一步描述，但是本发明的保护范围并不限于这些实施例。凡是不背离本发明构思的改变或等同替代均包括在本发明的保护范围之内。

如图1、2所示，一种基于前视摄像与多传感器的盐碱地暗管检测机器人，包括圆柱形车体，圆柱型车体有助于机器人在管道中行进，同时提高车体内部空间。所述车体包括前车身16和后车身17，前车身16与后车身17之间通过伸缩硅胶管3柔性连接，使暗管检测机器人在管道中可以灵活行驶。车身分为前后两部分，采用前驱驱动，为暗管检测机器人21在管道中能够大幅度转弯提供了前提。在驱动车体转弯时，利用伸缩硅胶管3的柔性属性使车体维持当前方向，之后在前车身的带动下通过弯道，使机器人拥有大幅度转弯的能力。

后车身17内安装有单片机8，单片机8为STM32单片机。前车身16与后车身17上均安装有硅胶记米轮7，硅胶记米轮7通过固定连杆15固定于前车身16与后车身17的外壁上，前车身16与后车身17上均安装有自适应连杆管径形变装置2，前车身16与后车身17上的硅胶记米轮7分别设有偶数个，且对称式分布，每个硅胶记米轮7均与一个自适应连杆管径形变装置2相对应。自适应连杆管径形变装置2包括压力传感器1、活动连杆13和压力回位弹簧14，压力传感器1固定于前车身16和后车身17上，压力传感器1通过压力回位弹簧14与活动连杆13的一端连接，活动连杆13的另一端与固定连杆15连接。活动连杆13连接于固定连杆15上靠近硅胶记米轮7的一端。自适应连杆管径形变装置2还包括壳体18，壳体固定于前称身16和后车身17的外壁上，压力传感器1位于壳体18的后端，压力回位弹簧14置于壳体18内。当管径发生变化时，管壁挤压硅胶记米轮7，硅胶记米轮7受到压力通过活动连杆13压缩压力回位弹簧14，同时压力传感器1即时将压力数值变化传输给STM32单片机。自适应连杆管径形变装置2作用是在保证暗管检测机器人21在管径发生变化时，可以正常前行运动，同时实时检测压力变化。压力检测程序设置一个阈值T，若压力传感器1测得压力超过该阈值，则说明该处管径发生形变，于STM32单片机上触发报警并将形变信号及此时位置信息反馈至PC上位机19。自适应连杆管径形变装置2将自适应管径变化的机械结构与压力传感器结合，利用压力回位弹簧与连杆装置将管壁凹凸的变化值转换成压力信号，通过压力传感器将压力信号转为电信号传输给控制器即STM32单片机。自适应连杆管径形变装置2通过管壁压力检测技术实现了暗管管壁的形变监控，结合前视摄像头，实现了对暗管的智能化分析，摆脱了人工开挖查寻形变管道的缺点。

前车身16内安装有大气压强传感器4、步进电机5、联轴器6、电池9，步进电机5通过联轴器6与丝杆10连接，丝杆10与硅胶记米轮7连接，大气压强传感器4、压力传感器1分别通过电压转换模块与单片机8连接，大气压强传感器4与单片机8相连进行实时监测暗管检测机器人21周围的压强变化，同时大气压强传感器4感应压强数值变化，通过电压转换模块转化为单片机可识别的模拟电压信号，通过透传模块，经中继器传输至PC端，进而通过公式计算出暗管检测机器人21的高度变化。保证机器人前进的同时，得到机器人的距地高度数据，并将此时的高度信息反馈给PC上位机19。

前车身的硅胶记米轮7采用硅胶材质，具有很高的摩擦系数，抓地性强，具有突出的越野性能。暗管中经常会有水流通过，管壁湿滑，使用高摩擦系数的硅胶轮胎可以有效地防止出现轮胎打滑编码器误判位移量的情况。后车身的硅胶记米轮7可采用硅胶材质也可以采用普通轮胎。在前车身硅胶记米轮7上加装编码器，用于将位移信息转化为脉冲传输给单片机8，***取位移最小值，作为暗管检测机器人21位移量，进而判断暗管检测机器人21位置。使用高精度编码器将位移信息转化为脉冲传输给控制***确定小车位置，准确高效。硅胶轮胎摩擦力大，可以适应暗管中潮湿光滑的环境，保证小车不会打滑。同时，也提高了编码器计步的准确性。

步进电机5通过电机驱动模块与单片机8连接，电池9通过电源模块与单片机8连接，步进电机具有精度高、起停和反转响应快的优点。步进电机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以开环控制，且使得电机结构简单而且控制成本。且步进电机可以在低速状态下稳定运行，与暗管检测机器人21在管道内低速行进的特点相匹配。另外，由于暗管一般较长，暗管检测机器人21移动需要较多的电量，本发明采用航模锂电池，续航时间长，放电稳定，寿命长，安全环保。

前车身16的前端安装有照明灯11和摄像头12，摄像头12通过无线通讯模块与单片机8连接，摄像头12为可拆卸连接，便于现场组装。摄像头12拍摄视频并将视频传输到PC上位机19，判断暗管是否破损。同时，将视频时间与编码器测得的位移量联系起来确定淤堵或形变的位置。

无线通讯模块还通过中继器20与PC上位机19连接。由于暗管深埋地下，WiFi通讯无法满足工作条件，本发明利用中继器，对其合理布局，实现更稳定、距离更广的无线通讯。

如图2、3所示，基于前视摄像与多传感器的盐碱地暗管检测机器人的工作步骤如下：

1)给暗管检测机器人21上电后，PC上位机19与暗管检测机器人21建立连接，由PC上位机19发送指令，包括运动方向和运动速度的控制，控制指令通过无线通讯模块经中继器20传送至单片机8；

2)单片机8接收到指令后，电机驱动模块驱动步进电机5得到PWM控制信号后，通过联轴器6带动硅胶记米轮7旋转，硅胶记米轮7紧贴管壁，凭借较大的摩擦力驱动暗管检测机器人21沿管道内壁向前运动；

3)暗管检测机器人21向前运动时，通过压力传感器1采集管壁对小车的压力，通过无线通讯模块经中继器20上传给PC上位机19；PC上位机19对压力值设定一个阈值，由于硅胶记米轮7紧贴管壁，硅胶记米轮7通过固定连杆15、活动连杆13、压力回位弹簧14与压力传感器1连接，当压力超过设定阈值，PC上位机19报警；

4)同时，在暗管检测机器人21前进过程中，通过大气压强传感器4测量暗管检测机器人21随高度位置改变而产生的环境压强变化，测量数据经电压转换模块传送至单片机8，进而通过无线通讯模块经中继器20上传给PC上位机19，通过公式计算，进而得出暗管检测机器人21在垂直方向上的高度变化；公式如下：

其中，R为常数8.51，T为热力学温度，g为重力加速度，M为气体的分子量29，P₀为标准大气压，P为所测高度的气压；

5)通过硅胶计步轮7得到行驶距离S，S＝2πR*A，其中A为轮胎所转圈数，2πR为轮胎周长，进而得到暗管检测机器人21在管径中的位置，通过无线通讯模块经中继器20传输给PC上位机19；

6)暗管检测机器人21前端装载的摄像头12开始获取管道内部的图像信息，并通过无线通讯模块经中继器20传送至PC上位机19，从而对暗管内部进行实时监控。

本发明不局限于上述实施方式，任何人应得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (5)

1.一种基于前视摄像与多传感器的盐碱地暗管检测机器人，其特征在于，包括圆柱形车体，所述车体包括前车身和后车身，前车身与后车身之间通过伸缩硅胶管柔性连接；

所述前车身与后车身上均安装有硅胶记米轮，硅胶记米轮通过固定连杆固定于前车身与后车身的外壁上，前车身与后车身上均安装有自适应连杆管径形变装置，自适应连杆管径形变装置包括压力传感器、活动连杆和压力回位弹簧，压力传感器固定于前车身和后车身上，压力传感器通过压力回位弹簧与活动连杆的一端连接，活动连杆的另一端与固定连杆连接；

所述后车身内安装有单片机，前车身内安装有大气压强传感器、步进电机、联轴器、电池，步进电机通过联轴器与丝杆连接，丝杆与硅胶记米轮连接，大气压强传感器、压力传感器分别通过电压转换模块与单片机连接，步进电机通过电机驱动模块与单片机连接，电池通过电源模块与单片机连接，前车身的前端安装有照明灯和摄像头，摄像头通过无线通讯模块与单片机连接，无线通讯模块还通过中继器与PC上位机连接。

2.如权利要求1所述的基于前视摄像与多传感器的盐碱地暗管检测机器人，其特征在于，所述前车身与后车身上的硅胶记米轮分别设有偶数个，且对称式分布，每个硅胶记米轮均与一个自适应连杆管径形变装置相对应。

3.如权利要求1或2所述的基于前视摄像与多传感器的盐碱地暗管检测机器人，其特征在于，所述自适应连杆管径形变装置还包括壳体，壳体固定于前称身和后车身的外壁上，压力传感器位于壳体的后端，压力回位弹簧置于壳体内。

4.如权利要求1所述的基于前视摄像与多传感器的盐碱地暗管检测机器人，其特征在于，所述活动连杆连接于固定连杆上靠近硅胶记米轮的一端。

5.如权利要求1所述的基于前视摄像与多传感器的盐碱地暗管检测机器人，其特征在于，暗管检测机器人的工作步骤如下：

1)给暗管检测机器人上电后，PC上位机与暗管检测机器人建立连接，由PC上位机发送指令，包括运动方向和运动速度的控制，控制指令通过无线通讯模块经中继器传送至单片机；

2)单片机接收到指令后，电机驱动模块驱动步进电机得到PWM控制信号后，通过联轴器带动硅胶记米轮旋转，硅胶记米轮紧贴管壁，凭借较大的摩擦力驱动暗管检测机器人沿管道内壁向前运动；

3)暗管检测机器人向前运动时，通过压力传感器采集管壁对小车的压力，通过无线通讯模块经中继器上传给PC上位机；PC上位机对压力值设定一个阈值，由于硅胶记米轮紧贴管壁，硅胶记米轮通过固定连杆、活动连杆、压力回位弹簧与压力传感器连接，当压力超过设定阈值，PC上位机报警；

4)同时，在暗管检测机器人前进过程中，通过大气压强传感器测量暗管检测机器人随高度位置改变而产生的环境压强变化，测量数据经电压转换模块传送至单片机，进而通过无线通讯模块经中继器上传给PC上位机，通过公式计算，进而得出暗管检测机器人在垂直方向上的高度变化；公式如下：

其中，R为常数8.51，T为热力学温度，g为重力加速度，M为气体的分子量29，P₀为标准大气压，P为所测高度的气压；

5)通过硅胶计步轮得到行驶距离S，S＝2πR*A，其中A为轮胎所转圈数，2πR为轮胎周长，进而得到暗管检测机器人在管径中的位置，通过无线通讯模块经中继器传输给PC上位机；

6)暗管检测机器人前端装载的摄像头开始获取管道内部的图像信息，并通过无线通讯模块经中继器传送至PC上位机，从而对暗管内部进行实时监控。

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