智能管道探测机器人的研制

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 智能管道探测机器人的研制 摘要：管道作为一种重要的物料 运输手段，其应用范围极为广泛。在对 工业管道检测现状进行调研的基础上， 文章设计了应用于工业管道的结合机器 视觉技术的智能管道探测机器人。其原 理是在目前已普及的轮式小车的基础上 结合机器视觉设备和信号传输设备，与 各种探测传感器合作。利用机器视觉技 术解决了探测机器人在复杂环境下的探 测的局限性以及通过无线信号传输解决 线缆的穿引问题。本系统机器视觉模块 采用现成的 DSP+FPGA 开发板，进行 再次开发，实现图像采集与处理。 中国论文网 /8/view-12903509.htm 关键词：管道探测机器人；机器 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 视觉；DSP 管道在使用过程中，由于杂质的 长期堆积，会在管道各个地方形成堵塞， 产生损伤故障。如果不及时对管道进行 检测、维修及清理，就可能阻碍工业生 产，造成损失。因此及时探测管道工作 环境显得尤其重要。然而，管道内部环 境狭窄难以人工作业。因此最有效的方 法 就是利用管道探测机器人来实现 对管道内工作环境的探测。 机器视觉技术可以快速获取大量 信息，而且能处理大量图像数据，机器 视觉系统的特点是可以提高生产的智能 化和自动化程度。在管道探测机器人方 面，通过相关文献和网络调研发现，国 内传统管道机器人的采用有线控制的结 构模式以及传输图像信号未经机器视觉 处理。人们通过对它的技术和实物运行 进行分析了解发现，这种结构具有一些 缺点。首先，传统探测机器人采用有线 式控制的结构模式会随着机器人运动距 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 离增大与环境的复杂多变而阻碍机器人 的运动，这样使得探测机器人对环境要 求较高，而对环境适应性较差。其次， 机器人对于一些有烟雾或者有毒气体以 及能见度较低的环境的探测，如果未经 处理而直接回传图像信息使探测的结果 准确度较低。 通过机器视觉和无线信号传输与 洞穴探测相结合可以提高此智能管道探 测机器人对环境的适应性以及对环境探 测的准确度。因此，研发这种与机器视 觉结合的智能管道探测机器人具有一定 的市场前景和科研价值。 1.机器人的结构设计 1.1 整体结构 本项目所研究的智能管道探测机 器人设计为两层层架构，尺寸为 40cmX30cm30cm，最上面一层顶端安 放摄像头以及安放 DSP+FPGA 图像采 集与处理设备，第二层安装运动控制设 备与运动驱动设备和信号传输设备以及 探测设备和电源。该智能管道探测机器 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 人以轮式机器人形式开发，由于机器人 要求在较为复杂的环境下运动进行探测， 因此，在满足功能的前提下机器人要求 体积最小，而要求智能管道探测机器人 在管道内稳定且灵活运动则要求机器人 结构重心低并且车轮大。机器人整体结 构如图 1 所示。 1.2 摄像头模块 为更好实现该款智能管道机器人 的图像采集功能，采用了 720P 的高清 摄像头，并搭载了 2 个自由度摄像云台， 使用舵机操作控制。从而使摄像机能够 实现上下左右多角度的旋转，在实际操 作下，能够采集到更多的图像信息便于 后面的机器视觉图像处理。 1.3DSP 模块 根据实际需求数字处理部分必须 采用以数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）芯片为核心的嵌入式 图像采集处理系统，以满足机器人对图 像处理的快速性，精确度高，低功耗的 要求。同时，本智能管道探测机器人直 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 接使用现成的 DSP+FPGA 开发板，进 行再次开发，可以极大限度地缩短本模 块的设计开发周期。同时，该 DSP 系 统具有体积小、重量轻的特点，非常适 合安装在机器人上。 1.4 运动控制与驱动模块 为使移动机器人具有较高的机动 性和灵活性，能准确迅速地完成前进、 后退、转向与急停等动作，需要对智能 管道探测机器人的运动控制芯片与驱动 芯片以及电机进行精心选择。本机器人 的运动控制模块与驱动芯片设计采用 80$52 单片机与 LM629 芯片，而电机选 用直流伺服电动机。 1.5 探测设备 本智能管道探测机器人在机器人 上加装不同的探测传感器可以实现不同 数据的探测。例如可以通过在智能管道 探测机器人上安装用于温度、湿度、有 毒气体等探测传感器与位置传感器实时 回传环境的数据。探测设备与单片机串 口连接通过信号传输模块传输实时环境 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 数据。 2.机器视觉处理的实现 此部分主要包括的是对摄像头采 集的图像进行图像处理，例如图像去雾 处理、降噪处理、图像增强处理、图像 压缩处理。对于本智能管道探测机器人， 机器视觉处理过程运算量大且复杂，因 此需要较高的运算速度和运算精度，可 以考虑时钟频率高的浮点型 DSP 来解 决计算精度问题和速度问题。本智能管 道探测机器人机器视觉处理部分的开发 以及机器视觉处理过程如图 2-3 所示。 2.1 图像压缩 对于本智能管道探测机器人，机 器视觉处理过程运算量大且复杂，因此 需要对管道内采集的图像进行压缩处理， 其首要任务是设法去掉各种冗余的数据。 为了提高后续图像处理的精度，本智能 管道探测机器人采用的无损压缩算法为 LZw 压缩算法。 LZW 压缩技术具有很 高的压缩比，可以在保持管道内部图像 准确度的前提下降低后m 图像处理的 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 计算量。 2.2 图像降噪 管道应用与各种复杂恶劣的生产 环境。因此管道环境通常处于亮度弱能 见度低的条件下，因此在管道中采集常 常会受到各种噪声的干扰和影响而使图 像降质。本智能机器人采用偏微分方程 降噪算法，偏微分方程具有各向异性的 特点，应用在图像去噪中，可以在去除 噪声的同时，很好地保持边缘吲。 2.3 去雾处理 管道探测机器人在实际运用中会 在具有烟雾，能见度低的环境下工作。 这种环境导致摄像机采集到的管道图像 存在模糊对管道环境探测不明的情况， 这时使用去雾算法来对采集到的管道环 境图像进行处理。该智能管道探测机器 人使用的 Dark Channel Prior 算法可以 还原图像的颜色和能见度，是一种简单 有效的去雾方法。通过我们核心去雾算 法的实现，能够看到所对采集的视频图 像经过自动去雾处理后变得明显清楚， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 通过此功能的应用，智能管道探测机器 人应用到一些有毒有色气泄漏或者有烟 雾的管道进行探测工作。 2.4 图像增强 图像增强的目的是提高管道图像 的质量，除噪声，提高图像的清晰度突 出探测视频流中重要的部分，使管道环 境中物体轮廓清晰，细节明显。本智能 管道探测机器人图像增强处理采用对数 图像增强算法，对数图像增强是图像增 强的一种常见方法，通过图像增强算法 提高了对环境探测的准确度以及增加了 对管道环境的了解。 3.控制系统设计 该系统中，由高清摄像头与 TI 公司的视频采集子卡负责图像的采集。 通过图像处理母板获得视频采集子卡捕 获的管道图像信息后对其进行处理，经 过复杂的图像算法处理后通过信号传输 模块进行传输。同时，通过通信接口， 信号传输设备参数传递给 89S52 单片机。 89S52 主要完成以下功能：首先，接收 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 通信接口的控制数据，经程序运算输出 左右轮的速度参数，下载运动参数给 IM629 芯片控制直流电机工作。其次， 89S52 单片机将传感器获取的探测数据 通过通信串口传输到信号传输设备。 根据整体设计分析，最终确定系 统的总体方案如图 4 所示。 4.结语 本智能管道探测机器人的核心技 术涉及机器视觉技术的实现，机械结构 与控制系统结构的实现。首先，为了避 免数据信号线降低管道探测机器人环境 适应能力，使其