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摘 要：管道作为城市的“生命线”，维护检修是管道维护人员的日常工作。为提高管道维护便利性，降低维护成本，本文设计一个基于视频采集技术的管道检测机器人系统，做到管道检测的可视化。系统物理上分为管道检测机器人、远程操作器两大部分。管道检测机器人内置控制器用于驱动电机，实现对机器人的运动控制；通过摄像头视频采集后以无线网络方式回传到远程操作器，在液晶屏上实时显示视频；在远程操作器上可对视频进行录像、抓图、文件导出、也可控制机器人的运动方向、摄像头的转动方向等。
关键词：视频 管道检测 机器人 可视化
中图分类號：TP311.52 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）07（c）-0084-02
管道是保障城市运行的重要基础设施，覆盖城市供排水、燃气、电力、通信等管线及其附属设施，管道极大方便了人类的生活[1]。但管道部署环境复杂、内部物质特殊、作业不可随意间断，管道的日常保养维护、尤其当管道内部出现问题时快速定位及紧急抢修就显得困难。借助管道检测机器人可以很大程度上解决此难题。目前管道检测机器人实现存在多种方案，有采用基于分布式光纤传感器的检测方法[2]、采用超声检测方案[3]、采用传感器感知机构的检测机器人[4]、输油管道上的无人机巡检方式应用[5]、有采用同轴电缆进行视频采集的四轮驱动检测机器人。以上多方案各有优缺点及不同的适用场景，本文主要设计一套采用无线网络方式，由远程操作器控制机其运动的器人，利用机器人前方安装的摄像头采集视频，通过网络回传视频供维修人员参考、操作，系统使用方便，设备较为轻巧，便于日常检测。
1 功能设计
在可视化方面，系统远程操作器上配置液晶屏，实时显示当前机器人在管道内拍摄到的画面及当前所处位置。在远程操作器上可启、停录像动作，对录像文件进行保存，便于后续视频回放及分析定位。在视频实时显示或者录像文件回放过程中如发现某处管道存在隐患则可触发抓拍，抓取当前帧画面。通过录像的动态显示、图片的静态显示，为管道检测人员提供数据分析，快速检索定位问题（图1）。
2 系统硬件框架
根据系统功能设计系统框架如图2所示。
系统分为管道机器人设备及远程操作器。管道机器人放置在管道内运行，硬件上配备：六轮驱动，动力电池组，在机器人前方安装摄像头，考虑到管道内可能光线不足在摄像头两侧安装照明灯用于补光，利于拍摄清晰画面。机器人内置控制板处理器基于ARM的内核设计，选择低功耗芯片，内含Wi-Fi模块，电机驱动等模块。机器人远程操作器可接收摄像头视频数据，还与机器人控制器进行通信，控制机器人运动方向及照明灯的开关。检测到用户操作时，转换成指定协议命令，下发到机器人内置的控制器上控制电机；接收摄像头控制命令，调整拍摄角度；远程操作器另可外配无线鼠标及键盘，配备液晶屏、外接存储设备。远程操作器提供友好人机操作界面，设置检测的管道区域名称、系统参数配置、录像文件导入导出等。远程操作器的主控模块采用树莓派，树莓派是一款基于Linux的单片机电脑，体积小巧，支持分辨率从640×350至1920×1200、支持PAL和NTSC制式、具备Wi-Fi无线网络及蓝牙功能、标准SD卡接口[6]，符合本系统需求。
3 子模块系统介绍
3.1 供电系统
管道检测机器人的电力供给，主要有机械本体携带电池和通过动力电缆从外部获得电力供给两种方式。外部动力电缆虽有不断电优点，但负载重、拖曳不便，而机械本体携电具有携带方便、拖动负载小、运动操控好的优点。本系统采用本体携带动力电池组方案。但自携带电池若电量不足或电池故障时，会存在机器人无法正常工作，甚至无法收回风险。为解决此问题，系统周期性检测当前电量并显示，当电量有不足风险时警告提醒。另配置轻质抗拉力的外接绳索，解决一旦发生上述问题时，可通过绳索取回机器人。管道机器人内部另携带供电模块，一路为摄像机提供电源，另一路为机器人内的控制器提供电源。
3.2 控制系统
远程操作器上配置有机器人的运动方向控制及启停操作。通过远程操作器与检测机器人内部的控制器通信。当控制器接收到手杆操作后，根据协议约定发送命令，机器人控制器接收解析后发送信号到电机驱动模块，驱动电机运动。两者通过Wi-Fi进行通信，避免长距离的电缆外接，减少机器人负重。机器人上安装的摄像头带有云台功能，当远程操作器检测到摄像头方位调整动作时，发送协议到摄像头控制云台转动，支持对管道进行全方位扫描。
3.3 机械驱动系统
本系统中管道检测机器人配置6轮驱动，增加机器人在管道中的运动精细度及驱动力。管道检测机器人的驱动装置，目前主要有电动、气动、液压3种方式，其中电动式动作灵敏度高，控制简单，在管道机器人中应用最为广泛[7]。管道检测机器人的移动方式有轮式、蠕动式、蛇形式、多足行走、螺旋驱动式等。综合比较，轮式驱动具有驱动能力强、主动转向性好，运动效率高，可靠性好等优点，因此本系统选择轮式移动方式。驱动结构上采用六轮驱动方式。
3.4 图像采集系统
图像采集系统是管道检测机器人的重要组成部分。所采用的摄像头结构轻巧，分辨率达到200万以上。系统实时播放采集到的图像且叠加当前管道位置信息。系统通过参数配置设置高清、标清、流畅画面，调节视频画质。远程控制器上可开启录像功能，将采集到的图像以录像文件保存。视频实时播放过程中，当遇到管道可疑隐患时，操作人员可抓拍当前帧画面，以图片方式保存。录像、图片文件可通过USB口，外界存储设备导出。录制文件也可在远程操作器上回放，便于工作人员回放定位，支持常用播放功能，如快进、快退、暂停、继续功能。
4 结语
本文针对管道检测作业设计了一种可视化的管道检测机器人，通过机器人与远程操作器通信，实现对机器人运动远程控制；通过远程操作器与安装在机器人前方的摄像头对接，获取视频画面并显示，做到准确控制机器人运动，完成检测任务。借助本系统可提高检测效率，改善检修人员的作业环境。本系统目前是通过机器人携带摄像头拍摄管道内部，提供视频供检修人员检查分析，下一步工作可基于视频智能分析，根据管道的常见问题，做到当拍摄到管道疑似隐患时自动报警、截图，减少人工识别，探索无人化检测技术。
参考文献
[1] 张义.城市燃气管道检测机器人测控系统研究[D].北京：北京石油化工学院，2015.
[2] 冯新，张宇，刘洪飞，等.基于分布式光纤传感器的埋地管道结构状态检测方法[J].油气储运，2017，36（11）：1251-1257.
[3] 周卫源，方飞，陈立建，等.面向地下管道的四向行走智能机器人系统[J].传感器与微系统，2017，36（9）：73-76.
[4] 赵果，叶斯哈纳提·叶尔哈力，吴敏.无人机巡线系统在高含硫集输管道中的应用研究[J].试验研究，2018，37（2）：20-23.
[5] 金权，王帅.详解机器人基础入门知识[J].机器人产业，2018，3（1）：73-75.
[6] 王伟，封立泽，刘占民.管道检测机器人的设计和系统分析[J].安徽师范大学学报，2013，36（6）：547-549.
关键词：视频 管道检测 机器人 可视化
中图分类號：TP311.52 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）07（c）-0084-02
管道是保障城市运行的重要基础设施，覆盖城市供排水、燃气、电力、通信等管线及其附属设施，管道极大方便了人类的生活[1]。但管道部署环境复杂、内部物质特殊、作业不可随意间断，管道的日常保养维护、尤其当管道内部出现问题时快速定位及紧急抢修就显得困难。借助管道检测机器人可以很大程度上解决此难题。目前管道检测机器人实现存在多种方案，有采用基于分布式光纤传感器的检测方法[2]、采用超声检测方案[3]、采用传感器感知机构的检测机器人[4]、输油管道上的无人机巡检方式应用[5]、有采用同轴电缆进行视频采集的四轮驱动检测机器人。以上多方案各有优缺点及不同的适用场景，本文主要设计一套采用无线网络方式，由远程操作器控制机其运动的器人，利用机器人前方安装的摄像头采集视频，通过网络回传视频供维修人员参考、操作，系统使用方便，设备较为轻巧，便于日常检测。
1 功能设计
在可视化方面，系统远程操作器上配置液晶屏，实时显示当前机器人在管道内拍摄到的画面及当前所处位置。在远程操作器上可启、停录像动作，对录像文件进行保存，便于后续视频回放及分析定位。在视频实时显示或者录像文件回放过程中如发现某处管道存在隐患则可触发抓拍，抓取当前帧画面。通过录像的动态显示、图片的静态显示，为管道检测人员提供数据分析，快速检索定位问题（图1）。
2 系统硬件框架
根据系统功能设计系统框架如图2所示。
系统分为管道机器人设备及远程操作器。管道机器人放置在管道内运行，硬件上配备：六轮驱动，动力电池组，在机器人前方安装摄像头，考虑到管道内可能光线不足在摄像头两侧安装照明灯用于补光，利于拍摄清晰画面。机器人内置控制板处理器基于ARM的内核设计，选择低功耗芯片，内含Wi-Fi模块，电机驱动等模块。机器人远程操作器可接收摄像头视频数据，还与机器人控制器进行通信，控制机器人运动方向及照明灯的开关。检测到用户操作时，转换成指定协议命令，下发到机器人内置的控制器上控制电机；接收摄像头控制命令，调整拍摄角度；远程操作器另可外配无线鼠标及键盘，配备液晶屏、外接存储设备。远程操作器提供友好人机操作界面，设置检测的管道区域名称、系统参数配置、录像文件导入导出等。远程操作器的主控模块采用树莓派，树莓派是一款基于Linux的单片机电脑，体积小巧，支持分辨率从640×350至1920×1200、支持PAL和NTSC制式、具备Wi-Fi无线网络及蓝牙功能、标准SD卡接口[6]，符合本系统需求。
3 子模块系统介绍
3.1 供电系统
管道检测机器人的电力供给，主要有机械本体携带电池和通过动力电缆从外部获得电力供给两种方式。外部动力电缆虽有不断电优点，但负载重、拖曳不便，而机械本体携电具有携带方便、拖动负载小、运动操控好的优点。本系统采用本体携带动力电池组方案。但自携带电池若电量不足或电池故障时，会存在机器人无法正常工作，甚至无法收回风险。为解决此问题，系统周期性检测当前电量并显示，当电量有不足风险时警告提醒。另配置轻质抗拉力的外接绳索，解决一旦发生上述问题时，可通过绳索取回机器人。管道机器人内部另携带供电模块，一路为摄像机提供电源，另一路为机器人内的控制器提供电源。
3.2 控制系统
远程操作器上配置有机器人的运动方向控制及启停操作。通过远程操作器与检测机器人内部的控制器通信。当控制器接收到手杆操作后，根据协议约定发送命令，机器人控制器接收解析后发送信号到电机驱动模块，驱动电机运动。两者通过Wi-Fi进行通信，避免长距离的电缆外接，减少机器人负重。机器人上安装的摄像头带有云台功能，当远程操作器检测到摄像头方位调整动作时，发送协议到摄像头控制云台转动，支持对管道进行全方位扫描。
3.3 机械驱动系统
本系统中管道检测机器人配置6轮驱动，增加机器人在管道中的运动精细度及驱动力。管道检测机器人的驱动装置，目前主要有电动、气动、液压3种方式，其中电动式动作灵敏度高，控制简单，在管道机器人中应用最为广泛[7]。管道检测机器人的移动方式有轮式、蠕动式、蛇形式、多足行走、螺旋驱动式等。综合比较，轮式驱动具有驱动能力强、主动转向性好，运动效率高，可靠性好等优点，因此本系统选择轮式移动方式。驱动结构上采用六轮驱动方式。
3.4 图像采集系统
图像采集系统是管道检测机器人的重要组成部分。所采用的摄像头结构轻巧，分辨率达到200万以上。系统实时播放采集到的图像且叠加当前管道位置信息。系统通过参数配置设置高清、标清、流畅画面，调节视频画质。远程控制器上可开启录像功能，将采集到的图像以录像文件保存。视频实时播放过程中，当遇到管道可疑隐患时，操作人员可抓拍当前帧画面，以图片方式保存。录像、图片文件可通过USB口，外界存储设备导出。录制文件也可在远程操作器上回放，便于工作人员回放定位，支持常用播放功能，如快进、快退、暂停、继续功能。
4 结语
本文针对管道检测作业设计了一种可视化的管道检测机器人，通过机器人与远程操作器通信，实现对机器人运动远程控制；通过远程操作器与安装在机器人前方的摄像头对接，获取视频画面并显示，做到准确控制机器人运动，完成检测任务。借助本系统可提高检测效率，改善检修人员的作业环境。本系统目前是通过机器人携带摄像头拍摄管道内部，提供视频供检修人员检查分析，下一步工作可基于视频智能分析，根据管道的常见问题，做到当拍摄到管道疑似隐患时自动报警、截图，减少人工识别，探索无人化检测技术。
参考文献
[1] 张义.城市燃气管道检测机器人测控系统研究[D].北京：北京石油化工学院，2015.
[2] 冯新，张宇，刘洪飞，等.基于分布式光纤传感器的埋地管道结构状态检测方法[J].油气储运，2017，36（11）：1251-1257.
[3] 周卫源，方飞，陈立建，等.面向地下管道的四向行走智能机器人系统[J].传感器与微系统，2017，36（9）：73-76.
[4] 赵果，叶斯哈纳提·叶尔哈力，吴敏.无人机巡线系统在高含硫集输管道中的应用研究[J].试验研究，2018，37（2）：20-23.
[5] 金权，王帅.详解机器人基础入门知识[J].机器人产业，2018，3（1）：73-75.
[6] 王伟，封立泽，刘占民.管道检测机器人的设计和系统分析[J].安徽师范大学学报，2013，36（6）：547-549.