作者：毛砚锋 刘颖 高宗英 刘一博

单位：武汉科技大学

指导老师：陶波 李公法

1. 研发背景及意义

1.1 研究背景

      近几十年来，我国城市化进程的进展飞速，但过快的城市化进程也让一系列问题接踵而至，“城市的心脏”——城市地下排水管网系统不堪重负，城市内涝问题尤为突出。自2008年以来中国351个城市中有62%面对暴雨发生过内涝，雨后习惯性瘫痪的城市多达一百多个，带来巨大的人员伤害和经济损失。部分排水系统设计不合理，大量建造时间久远的管道任在使用，长时间的冲刷腐蚀、道路负荷加重导致地基变形、城市改造导致排水管道结构性和功能性的缺陷，使得排水管道泄露、变形、破裂甚至坍塌。

如果能及时发现管道损坏、堵塞等问题，方便修理人员及时维修，将在很大程度上缓解城市内涝问题，但现有的检测方法大多基于人力实地勘测，检测范围小、损坏部位检测不明确、不能进行实时损坏标记、效率低、易忽视问题和易发生危险等问题。如修复人员能进行实时检查的管道直径必须够大，部分铺设有电缆的管道需停电检修；人力配合反光镜等设备的检测，可测量距离短，对较远距离的损坏部位不能进行准确的测量等问题，极大阻碍了城市排水管网系统的修复工作。

1.2 研究的目的及意义

      一场暴雨过后，有过少城市能避免被大水淹没？在逐步实现城市化、现代化的今天，再美好的描述都会被这打破，被大水淹没的城市交通堵塞，对人们的出行带来极大不便，不仅人们的日常生活受到影响，甚至一座城市的发展也会因此停滞。如果能及时发现管道损坏、堵塞等问题，方便修理人员及时维修，将在很大程度上缓解城市内涝问题。一般来说，排水管道损坏的可能性随着使用时间的增长而急剧增加，到了损坏的高峰期，必须采用有效措施，最大限度的减少事故的发生。若能运用先进技术开展管道状况调查，准确掌控管道状况并对管道损坏进行等级排序，对存在严重缺陷的管道进行及时维修就可以避免事故的发生，并且大大延长管道寿命。

在发达国家或地区，平均每几年就会对所有下水管道进行普查。检测的费用和疏通费的比例大于1。而国内排水管道的检测工作起步不久，很多城市已经认识到管道检测技术的重要性，会定期进行排水管道检测评估与非开挖修复的示范工程。国内一座城市的排水管道长达数百千米，排水管道造价、检测价格、修复价格也都较为昂贵，研究一整套便捷的管道检测系统即是城市发展所需，也将具有广阔的应用前景。

1.3 现有技术分析

      现有检测技术可大致分为三类，如下图所示：

      其中，传统检测方法又包括目测法、光镜检查、水员下管道检查、泥斗检测，目测法：观察同条管道窨井内的水位，确定管道是否堵塞。观察窨井内的水质，如上游窨井中为正常的雨、污水，而下游窨井内流出的是黄泥浆水，则说明管道中间有穿孔、断裂或坍塌。光镜检查：借助日光折射，目视观察管道堵塞、坍塌、错位等情况。潜水员下管道检查：在缺少检测设备的地区，针对人可进入的大口径管道可采用该方法，但要采取相应的安全预防措施，包括暂停管道的服务、确保管道内没有有毒有害气体(如硫化氢)。量泥斗检测：主要用于检测窨井和管口、检查井内和管口内的积泥厚度。传统检测方法虽然简单、方便，在条件受到限制的情况下可起到一定的作用，但有很多局限性，已不适应现代化排水管网管理的要求。

      仪器检测技术包括CCTV、声呐、潜望镜、透地雷达四种。CCTV（管道闭路电视检测系）：基本设备包括摄像头、灯光、电线(线卷)及录影设备、监视器、电源控制设备、承载摄影机的支架、爬行器、长度测量仪等。采用CCTV进行检测时需要排干管道中的水，操作人员在地面远程控制CCTV检测车的行走并进行管道内的录像拍摄，由相关的技术人员根据这些录像进行管道内部状况的评价与分析。声纳管道监测仪：将传感器头浸入水中进行检测，声纳系统对管道内进行声纳扫描，声纳探头快速旋转并向外发射声纳信号，然后接收被管壁或管中物体反射的信号，经计算机处理后形成管道的横断面图。潜望镜(Quickview)：为便携式视频检测系统，操作人员将设备的控制盒和电池挎在腰带上，使用摄像头操作杆(一般可延长至5.5m以上)将摄像头送至窨井内的管道口，通过控制盒来调节摄像头和照明以获取清晰的录像或图像。透地雷达：可用来检测管材、管壁厚度、管道渗漏并检查管道与周围土壤之间是否淘空以及周围其他管线的情况。其输出图像较复杂，需要有很丰富的实际经验才能对其进行判断。

      管道检测新技术主要包括SSET和SAM两种。SSET（管道扫描与评价技术）结合了扫描仪与回转仪的技术优势，能够提供详细的数字图像，由CORE公司与日本东京市政府下水道服务公司开发。SSET的主要优势在于：可获得更高质量的数据；加快了评估过程；数字成像有助于分类并将缺陷数据表格化；用不同色彩对缺陷处作标记有助于快速识别，并完成对管道水平和垂直偏差的测量。但其检测费用过高，目前大约是CCTV的1.5～2倍。SAM(多重传感器)：是德国研发的一项管道检测新技术，它包括一套CCTV系统和各种传感器，可对管道的渗漏、腐蚀等缺陷进行检查，同时检测管径、管道周围土质等参数。多重传感器包括：学三角测量系统、波传感器和声学系统。

      管道检测技术的发展非常迅速，目前CCTV的应用最普遍，许多国家都针对CCTV检测制定了检测规程，我们设计的管道智能检测机器人在CCTV的基础上进行升级，具有一定的防水功能，小车运行也更加稳定，马力更加强劲，试用的范围更广，对摄像头的改进使我们能更清楚准确的拍摄到管道损坏部位，外加主控制器对小车的控制更加便捷稳定，并能对拍摄到的实时视频进行损坏标记、存储，方便工程人员维修。

2. 作品设计思路

      通过对与排水管道传统方法的缺点进行研究，并根据目前城市里排水管道问题所引起的内涝、水体污染和路面塌陷等现象，本项目得出了一个结论：设计一种管道智能检测机器人，它由主控制器、爬行器和镜头三个部分组成。通过操作主控制器人机界面来控制爬行器在管道内行走，并在爬行器上装有摄像头，将管道内部图像通过无线实时传输到主控制器的界面上进行监视。监视的过程中发现管道有损坏，可以通过主控制器进行标识，并叠加在视频上。

2.1 爬行器分析

      爬行器主要负责携带摄像头进入管道，沿管道行进，采集管道内部图像，并将图像数据通过线缆传输到管道外部的显示和存储设备。在具体项目时，必须针对爬行器要实现的动作及状态，选择了相应的传动机构，并通过对零件的强度计算确定零件的尺寸及电机功率。爬行器的驱动主要是通过电机（该爬行器选择双直流电机驱动）输出力矩通过齿轮传递到轮轴上，车轮与轮轴连接实现车轮的转动。该爬行器上采取了稳定性较强的四连杆机构作为运动平台，车体作为一个连杆、摄像头作为一个连杆、两个支撑臂作为另外两个连杆。连杆的旋转销轴位置固定保证了摄像头水平状态。拉动四连杆机构的一个边，即可实现摄像头高度的升降。

2.2 摄像头分析

      摄像头在观察管道内部情况时，除了直视前方管道状况外，还需要正面观察管道内壁。所以摄像头需要能够旋转一定的角度。同时摄像头在转动后可以一键使其回到原位正视向前。针对此要求设计了传动机构，通过对零件的强度计算确定零件的尺寸及电机功率。并根据工作环境设计了外形，最终确定各个零件的尺寸和形状。摄像头的径向旋转的实现是将旋转电机装配合适减速比的减速器与摄像头外壳固定减速器出轴上安装一个小正齿轮，并且减速器出轴末端增加深沟轴承，安装在摄像头外壳上，使小正齿轮两端支撑，保证了减速器的使用安全。通过小齿轮围绕着支架上大齿轮旋转，实现径向旋转，大小为180度。轴向旋转按照相同的原理设计出一个可360度旋转的结构。摄像头要设置为可变焦的镜头，当我们发现管道内有裂缝时，我们需要放大观察，并给出管道属于什么样的损坏以及损坏等级。

2.3 主控制器分析

      主控制器主要控制爬行器的行走、实时监控、视频储存、缺陷标定、镜头操作杆以及上下左右旋转等。它包含处理图像功能，可外接PC机或U盘进行图像存储，在监视图像时如果发现管道有损坏，可以通过主控制器键盘输入字符进行标识，实时的叠加在视频上。

3. 机械结构设计

      考虑到管道内特殊的环境，障碍、涉水、淤泥、滑坡等环境，小车结构必需简单可靠，同时不能过于笨重和复杂。结合项目要求和探索者模块化设计的理念，本作品结构创新设计主要有两大模块，分别为：主体车身和驱动模块、辅助模块。

3.1 设计思路

      在前期准备工作中，本项目首先考虑到采用履带的方式驱动小车行驶，这样可以确保小车在栅格和草地等不同环境中的行动能力。在组装车身的过程中，首先的想法是做一个带倾角的履带式小车进行越障和循迹。但经过后期的调试后，发现车身长度太长会导致隧道无法通过，车身太短会导致重心偏后导致越障的时候会出现翻车现象，同时由于轮子的尺寸限制使的灰度传感器的加装位置十分难确定，过低会导致越障时灰度传感器被磨损，过高会影响灰度传感器的识别正确率。同时由于车身仅有四个轮子，所以导致车身容易偏差，越障程序执行完毕后需要一段很复杂的修正程序后才能再进行循迹程序。考虑到方案的容错性和复杂性，后期抛弃了这种方案，转而使用可用舵机调整支架变形的小车结构。如下图所示：

3.2 主体车身和驱动结构

      主体车身驱动采用两个伺服驱动，采用对称的方式进行设计，可以有效保证车身的稳定性，并且因为设计的简单化，使得主体车身在方案上有着很强适应性和优良的加装性能。能避免后来再对车身结构做出比较大的改变。如下图所示：

3.3 辅助模块

      小车辅助模块主要是通过大扭矩舵机控制，由舵机调整放下或拉起的前伸轮构成。同时前伸轮也包含着两个直流电机驱动模块，确保小车在越障、爬坡时候有足够的扭矩和马力。直流电机通过直流电机支架组成对称结构固定在前臂上，采用钣金件加固，两层固定方式确保结构更加稳固，如下图所示，前臂的作用是在进入障碍是提供一个合适的着力点，让车身稳定进入障碍或是滑坡，后臂的作用是在上高台时起支撑作用，平衡车身的着力分布。

4. 控制模块

4.1 管道内窥机器人控制结构设计

      由于管道机器人普遍应用在环境恶劣、人难以到达的管道内，通常控制系统采用上下位机联合的控制方式。经过综合考虑，这里我们的控制系统采用上位PC机联合Raspberry Pi控制板的控制方式。其中，上位PC机为核心控制单元，通过可视化窗口式软件接受并处理视频信号，并对下位机控制板发送控制信号。并以Raspberry Pi控制板为主体搭建运动执行系统和视频采集平台，作用是：处理通信数据、收集传感器反馈数据、采集图像数据、发出控制指令。其内部包含运动控制、电源管理、通信、视频采集等各自功能子系统。具体的运动控制结构组成如下图所示：

4.2 上位PC机软件

      计划利用c#语言开发一套上位机窗体式控制软件，用于接收、显示下位机传送的检测速度信息和图像信号并向下位机发出控制指令，实现操控人员能对执行器的远程控制和视频信息显示。

4.3 执行器控制结构

      ① 速度控制

      树莓派接收来自PC端的电机的速度指令，得到的相应的控制量，通过树莓派输出管脚发送给左右两侧电机的驱动器，驱动器根据收到的速度指令和来自电机传感器的反馈信号，相应的对电机速度进行控制，同时将电机的反馈信号发送给上位机。

      ② 自动避障

      通过管道内窥机器人前端超声波传感器采集前方障碍物距离，利用路径优化算法，实现机器人自动避障。

      ③ 保持母线行走

      因为地下管道大部分都是水平铺设，且管道内径为圆形，利用机器人上加载的水平陀螺仪，通过采集的陀螺仪信号，结合设计的机器人位置自动调节算法，保证机器人在管道的相对位置。

5. 树莓派远程局域网实时监控

     管道内环境复杂多样，为了对管道内壁的障碍以及缺陷进行实时监测，本项目在原本小车的基础增加了树莓派监控模块。树莓派是一种基于Linux系统的信用卡大小的微型电脑，其结构偏小、重量很轻，方便管道小车的搭载。

6. 项目总结

      针对目前排水道的检测问题，同时为节省人力物力，本项目希望能开发出一种安全高效多功能的管道智能检测机器人，该系统分为主控器、爬行器、摄像头三个部分；设计一套用于管道检测机器人系统，包括机器人机械本体、控制系统、视频通信系统、信号采集系统、动力系统等。

      通过操作主控制器人机界面来控制爬行器在管道内行走，并在爬行器上装有摄像头，将管道内部图像通过无线实时传输到主控制器的界面上进行监视，监视的过程中发现管道有损坏，可以通过主控制器进行标识，并叠加在视频上。管道智能检测机器人是一种极其实用，操作方便，功能完善的管道检测设备，该系统属于远程检测系统，降低了工人的劳动强度，提高了工作效率，在管道的疏通和维护方面具有广阔的应用前景和十分重要的意义。

* 本项目未获得作者开源授权，无法提供资料下载。