1、水下管道清洁机器人的设计与研究左义海，张凯，孔宪熠，蒲佳文，赵以鹏，侯禹君（太原工业学院工程训练中心，山西太原030008）摘要：针对目前水下管道清洁设备智能化程度低、人机交互性差的问题，设计了一款集水下管道智能巡检、污染物清除为一体的水下管道清洁机器人。该机器人采用 STM32F407ZGT6 单片机作为核心处理器，通过摄像头采集管道信息，利用 PID 算法控制水平分布于四角的螺旋桨，实现对机器人水下运动控制和管道智能巡检；清除过程采用机械臂结合 OpenMV 模块实现管道上的杂物清洁。设计的水下管道清洁机器人结构简单、控制稳定，可以实现水下管道巡检、杂物识别、杂物清除的一体化服务，从而降低
2、清洁成本，提高经济效益。关键词：智能巡检视觉控制STM32F407ZGT6PID水下机器人中图分类号：TP242文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）02-0110-03引言水下管道是铺设在江、河、湖、海下方，用来输送液体、气体或松散固体的装置，因其不受水深、地形等条件限制，且输送效率高、耗能少，得到了广泛应用1。随着人类海洋活动的日趋频繁，水上、水下各类产业发展不断提速，基于水下管道的方便性与实用性，其应用的范围也更加广泛。水下机器人又称无人遥控潜水器，是一种工作在水下的极限作业机器人2。水下环境恶劣危险，人的潜水深度有限，所以水下机器人已成为开发水资源的重要工具。在水下管道
3、工程中，管道维修清理非常重要，但是由于水下环境十分复杂，管道外壁在水里经过长时间的浸泡易受到外力、环境等因素的影响，并且容易使水下各种杂物在外壁上堆积和附着，逐渐会对管道外壁造成损伤甚至泄漏。为了延长管道的使用寿命，维修人员需定期对管道进行检测、清理和维修3。传统的水下作业需要对管道进行人工检测与清洁，不仅操作十分复杂，而且人身安全也无法得到完全保障。随着水下机器人技术不断成熟与应用不断深入，不仅大幅降低了人工作业风险，还能提升作业效率，减少相应的支出成本。在上述研究的基础上设计了一款水下管道清洁机器人，它可以潜入水中，自主识别管道，沿着管道巡检，检测管道有无泄漏情况，并且对外壁附着物进行清理
4、，大大提高了水下管道清洁的安全性、经济性和清洁效率，具有良好的应用前景。1水下管道清洁机器人的总体设计本文设计的水下管道清洁机器人主要针对浅水域进行工作。该作品采用 STM32F407ZGT6 单片机4作为核心处理器，搭配 OpenMV 视觉传感器、深度传感器5、水下螺旋桨等元器件，实现水下巡检的智能化。该机由密封舱体、金属框架、连接装置、动力装置、清除装置组成，其结构如图 1 所示。本文设计的水下机器人采用无刷电调控制水下无刷电机的运作从而达到在水下运动的效果；采用陀螺仪、红外传感器和摄像头对该机器人的运动数据进行采集，并且通过内部 PID 算法6对水下机器人的 6个电机进行 PWM调速控制
5、。水平放置的 4 个无刷电机可以根据陀螺仪测量获取的位置信息控制左右螺旋桨，调整水下机器人的运动方向。利用 OpenMV7采集管道的数据，通过二进制算法对数据进行处理，判断管道外侧是否存在杂物，如果存在，则控制机械臂对管道上的杂物进行清除回收，如果不存在，则继续沿着管道巡检。其中巡线的方法为直线拟合结合像素点巡线，寻找固定一行的像素点中特定元素的中间点，最终改进为直线拟合和基于像素的双 PID 控制，像素索引用来识别道路偏离值，直线拟合用来识别当前的转向角度，其流程如图 2 所示。本文设计的水下管道机器人可以按照既定要求，完成对管道巡检，并且可实现对管道上杂物进行检测判断以及清除回收。收稿日期
6、：2022-01-04基金项目：山西省高等学校大学生创新创业训练计划项目（S202114101024）第一作者简介：左义海（1975），男，山西朔州人，本科，高级实验师，研究方向为机器人控制。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.042图 1水下机器人总体结构图图 2视觉处理流程密封舱体连接装置金属框架动力装置清除装置国像预处理线性拟合PID控制转速结束开始结构设计2023 年第 2 期1.1水下机器人机械结构的设计
7、机械结构的稳定性与可靠性是水下管道清洁机器人成功完成巡检清洁任务的关键。在水下管道清洁机器人工作的过程中，主控仓的密封性尤为重要。主控仓部分采用聚碳酸酯材质的 PC 管，具有耐高温、高强度、高透明的特点8，可以保证主控仓的强度问题，提升主控仓的防水性。PC 管、车床加工的圆形板件与它们之间的橡胶圈采用过渡配合，通过挤压橡胶圈达到密封的目的，其结构如图 3 所示。由图 3 可知，水下管道清洁机器人主控仓与外界模块的线路连接采用水密接头的方式，通过对圆柱形板件加工将水密接头接入，并采用 704 密封硅胶对其进行密封，即可以达到密封的良好效果。对于水下管道清洁机器人的金属框架采用铝板作为材料，整体结
8、构坚固，外界条件对该机器人的总体结构产生影响较小，同时采用镂空处理，便于搭载多种设备，可塑性较强，如图 4 所示。清理机构由清理机械臂组成。螺旋桨的分布采用水平方向 4 个 45的矢量分布，可以灵活转向，减轻水流惯性的影响，竖直方向采用两个位于机器人重心处的螺旋桨，保证其上浮和下潜的功能。1.2水下机器人硬件设计本 文 设 计 的 水 下 管 道 清 洁 机 器 人 使 用STM32F407ZGT6 作为主控芯片，通过 OpenMV 和红外传感器实现对外界环境信息的采集，通过 OpenMV内置 STM32F427 CPU 主控芯片和 STM32F407ZGT6的内置视觉算法及 PID算法对采集
9、数据进行处理。电源方面采用 5 600 mAh 大容量锂电池对机器人进行供电，通过 LM2596 电压控制模块对电压进行相应调控，并对充电接口进行处理，使其不用拆装就可以达到充电的目的。机器人数据传输的核心是 OpenMV，通过串口与微控制器进行通信，向其发送运动控制信息，微控制器通过输出 PWM控制信号对机器人的运动进行控制，当检测到管道的污染物时，发出报警信号。在主控仓内部，将 STM32F407ZGT6 主控板和电源处理模块结合在一起，达到节省主控仓内部空间的目的，并将控制螺旋桨的电调进行集成化设计，方便接线和调试。以 STM32F4 为主控芯片，将其主要功能进行模块化设计，通过 Alt
10、iumDesigner 进行 PCB电路设计。1.3水下机器人运动控制设计在选取推进器时，考虑机器人本身质量以及所受浮力等因素，先计算出大致机器质量，然后对机器采取加减配重块以及浮力块的方式使机器人自身质量和所受浮力大致相同，可以保持相对平衡。通过SolidWorks 构建模型，并赋予相应的材质，从而计算出机器人的总体质量 m，如图 5 所示。通过重力计算公式计算机器人所受重力 G。G=mg.（1）由式（1）可得，G 约为 14.5 N。采用 ANSYS9软件对主舱体进行静压力仿真，研究舱体自身所受压力，如下页图 6、图 7 所示。如下页图 7 所示主舱体承受最大静压力的大小为 700 N，满
11、足在正常水压下工作条件。因推进器是水平方向采取 45角布置，在直线行进时，推进器所提供的推力为：Fy=F cos45.（2）式中：Fy为推进器在竖直方向的推力；F 为总推力。在转向时，通过水下机器人对角线方向上的两个螺旋桨，输出方向相反大小相等的两个力矩，从而实现水下机器人原地转向，减少水中机器人的惯性对运动控制的影响。1.4水下机器人清除装置设计清除装置由 25 kg 水下舵机和机械爪组成，如图8 所示，采用双舵机控制机械爪的开合，通过 OpenMV传输的信息判断管道表面是否存在杂物，进而控制机械爪开合。通过调整舵机舵盘中心到机械爪尾部的距离 L，控制清除装置对管道外侧的杂物的力矩，机械爪施
12、加给杂物的力矩 M 为：图 3主控仓的密封方式图 4水下管道清洁机器人的金属框架图 5质量数据质量=1 452.29 克左义海，等：水下管道清洁机器人的设计与研究111机械管理开发第 38 卷M=FL.（3）式中：F 为机械爪受到舵机的扭力，取 35N；L 取 0.09m。通过计算可得机械爪提供最大的力矩 Mmax为3.25 N m。2结语本文针对目前水下管道清洁装置智能化程度低、人机交互性差的问题，设计并开发了一款智能水下管道清洁机器人，将水下机器人的巡检功能与视觉控制相结合，可以根据水下管道修正自身巡检轨迹，加强了人机交互的功能。通过实验分析，实现了设计要求。机器主体还可以根据用户的需求搭
13、载不同的传感器从而实现功能扩展，提高了清洁效率和经济效益。参考文献1王升浩，张焱，黄大权，等.基于巡管应用的水下机器人研究J.科技视界，2021（3）：16-18.2章程.征服海洋未知海底：详解智能水下机器人J.机器人产业，2016（1）：75-84.3罗松，庄瑞，张恩勇，等.水下结构油气泄漏检测新需求及多技术融合应用设想J.中国海上油气，2021，33（1）：201-207.4陈致远，朱叶承，周卓泉，等.一种基于 STM32 的智能家居控制系统J.电子技术应用，2012，38（9）：138-140.5任国晶.深度传感器的研制与实验D.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012.6袁振洋，孔放，刘峻宇.
14、基于 PID算法的智能小车电磁循迹方法研究J.电子制作，2022，30（1）：27-30.7钱平，顾才东，马建圆，等.基于 OpenMV 的水下机器人管道巡检比赛策略研究J.无线互联科技，2021，18（1）：100-101；120.8刘丹.聚碳酸酯在汽车车窗上的应用J.汽车工艺与材料，2014（12）：9-12.9刘涛，杨凤鹏.精通 ANSYSM.北京：清华大学出版社，2002.（编辑：王慧芳）图 6舱体静压力受力图图 7舱体承受最大静压力分布图图 8水下机器人回收机构Design and Research of Underwater Pipeline Cleaning RobotZuo Y
15、ihai,Zhang Kai,Kong Xianyi,Pu Jiawen,Zhao Yipeng,Hou Yujun（Engineering Training Center,Taiyuan Institute of Technology,Taiyuan Shanxi 030008）Abstract:Aiming at the problems of low intelligence degree and poor man-machine interaction of underwater pipeline cleaning equipmentat present,this paper desi
16、gns an underwater pipeline cleaning robot that integrates intelligent inspection and pollutant removal.The robotuses STM32F407ZGT6 microcontroller as the core processor.The pipeline information is collected by camera and the propellers distributedin the four corners are controlled by PID algorithm to realized the robot underwater motion control and intelligent pipeline inspection.During the cleaning process,the mechanical arm and OpenMV module are used to clean the sundries on the pipeline.The u
