水下石油管道巡查機器人控制系統設計研究

黃鍇恒

（中海油信息科技有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524000）

我國地域遼闊、資源豐富，除了陸地上的各種資源外，海底也存在很多寶貴的資源，為了獲取海底資源，我國采用了水下管道運輸方法。但因水下環境相對復雜且時刻在變化，所以建設的石油氣管道很容易受到破壞并出現漏油等情況，其不僅會浪費大量的資源，還易造成環境污染。為了解決這些問題，需要定期檢測水下輸油管道的質量及性能。通常，水下輸油管道是通過法蘭裝置，利用無縫鋼管焊接構建遠距離管道，再設置好閥門便可酌情調節管道內部流量，也能控制其開關。由于水下管道檢測工作更為復雜，且難度遠高于陸地管道檢測，加之檢測人員無法自由停留在水下，很難到達一些水深較大的區域，這就需要水下機器人來檢測、巡查石油管道。

1 系統設計需求

由于水下環境較為復雜且存在很多不確定因素，所以對于水下機器人的設計，要保證其形體結構滿足使用需求，以便能高效、有序地進行水下管道巡查。本次設計所用的是水下機器魚本體結構，設計工作中還要注意很多問題。

首先，為了保證水下機器人順利航行與作業，需要確保其下水階段具有足夠的阻力。同時作業過程中機器人還會承受較大的壓強，在設計機器人時要保證其自身的強度，以免在水下壓強作用下出現形體、結構等破壞。

其次，在選擇工藝方面，還要保證機器人的硬件性能，盡可能增強其靈活度，以便順利、高效地開展水下作業。

再者，水下巡查機器人控制系統的設計對于運動控制也有一定的要求，機器人要有穩定且靈活的運動控制能力，以便更好地適應多變的水下環境并完成巡航、作業等工作。在具體設計中，機器人要有前進、后退、上浮等基本運動控制能力，還要能按照導航及定位信息來規劃路線，并自動調整巡航速度、方向。

此外，水下石油管道巡查機器人還要具備較強的感知和識別能力，可以完成管道的檢測與識別任務。其設計需求包括：為機器人控制系統配備清晰度極高的攝像頭與高精度的傳感器設備，可以獲取石油管道的外觀、損傷等信息；巡查機器人還要具備圖像識別與處理能力，自動化識別管道的規格、型號以及材質等，并做好分類、標記；巡查機器人還要設置聲吶設備，能夠完成水下物體的三維成像、識別工作，以便更好地掌握管道周邊的環境與情況。

最后，還要提高水下巡查機器人的電源管理能力，使其能夠長時間穩定地運行，這便需要機器人具備電源管理系統、備用電源系統，能夠實時監測電源系統的用電情況，也能在出現緊急情況時確保機器人正常運作。

2 系統器件選擇

2.1 控制芯片

控制系統是水下巡查機器人工作的核心，主要扮演著“大腦”的角色。同時，控制芯片在控制系統中發揮著重要作用，控制芯片的好壞影響著巡查機器人的工作質量和效果。在選擇控制芯片型號時，需要結合開發周期、性能等方面綜合考慮，因為機器人控制系統在無線通信、數據讀取與融合等方面有著較大的工作量，其對處理器的速度、處理能力均有較高的要求。所以設計過程中主要使用了STM32F103C8T6 這一控制芯片，其不僅工作頻率高、性能強，還有很多通信接口，涉及的外設資源也比較豐富，加之芯片的抗干擾性良好，能夠進一步管控電機操作，還能確保其運行的安全性、穩定性。

2.2 傳感器

水下巡查機器人的作業、控制十分復雜，且涉及很多方面。就目前而言，機器人的控制與慣性導航以及深度測量相關。其中還涉及慣性測量單元，這一單元直接影響著控制系統慣性導航的運行，有加速度計、多軸螺旋儀等構件，為進一步提高慣性導航姿態解算的和合理性、精準性，往往還會加設多軸磁力計。具體設計中，姿態傳感器是機器人系統的重要一環，這一部分主要運用9 軸組合傳感器芯片進行工作，可以測量獲取整個系統的姿態數據。同時，這一傳感器芯片的成本低、功耗也相對較小，其中涉及陀螺儀、加速度等傳感器，還有數字運動處理器，可以很好地推動水下巡查機器人的運作。

2.3 水下推進器選型

系統內部的水下推進器主要發揮輔助作用，可以輔助機器人完成作業任務。設計環節，為保證機器人系統的穩定性、可靠性，主要設有4 個推進器設備，這一設備使用的推進電機如圖1。

圖1 直流無刷電機

2.4 無線通信模塊

為順利實現和遙控端的通信，設計環節加入了新的模塊——全雙工點對傳輸無線串口模塊。經研究和實踐發現，新加入的模塊具備調頻擴頻和前向糾錯等諸多功能，基于常規串口協議便可發揮MCU 的作用。同時機器人控制系統還需使用計算機等設備，其可實現模塊的優化配置，即由TTL 替代USB 進行工作。相關規格如下：35*22*12（單位：毫米）；工作電壓在2伏～5 伏間；可通信距離接近1000 米。因巡查機器人的運動參數還要借助上位機進行配置，在應用時還需利用無線遙感器來操控機器人運動，所以設計中使用了多通道無線遙控器。

2.5 攝像頭和云臺

攝像頭也是巡查機器人的重要組成部分，是拍攝石油管道外觀及損傷情況的主要工具。因水下巡查機器人配有攝像頭，可以拍攝水下環境及管道的運行情況，并將獲取的圖像信息第一時間傳遞出去。為了便于機器人的拍攝，可以考慮在云臺裝置上方設置攝像頭，以實現不同角度和方向的觀察[1]。在選擇攝像頭的過程中，清晰度、重量、視頻信號輸出等均是考慮的重點因素，因攝像頭裝設在云臺上，其尺寸規格不可過大，所選攝像頭的分辨率是500 萬像素，可以單聲道音頻輸出。同時，水下環境十分復雜，巡查機器人航巡過程中也易受到水流的沖擊，所以難免出現機體抖動或者搖擺的情況。受此影響，機器人上的攝像頭也會晃動并出現圖像不清晰的問題。對此，設計環節還要加裝具有增穩效果的無刷云臺。

3 系統設計分析

巡查機器人作業過程中需要檢測石油管道的表面有無油泡，其可判斷管道有無漏油情況?；谘膊闄C器人系統的功能，主要包括移動控制、人機交互系統等。針對巡查機器人的移動控制功能，需要明確機器人系統的驅動模式，其中包括主動式驅動、被動式驅動。對于主動式機器人而言，其可自主移動；而被動式機器人需要借助液體、風等的流動力來驅使其移動。因本次設計的巡查機器人需要水下作業并完成管道的巡查、檢測等工作，所以選擇了主動式機器人。為了及時、有效地了解機器人在水下的運動情況，并方便工作人員下達新的指令，機器人在作業環節也要時刻和工作人員進行交流，以免發生意外。所以，設計巡查機器人控制系統時還要加入人機交互系統。這一系統包括很多部分，如傳感器、上位機等。工作原理主要是利用傳感器獲取水下管道與周邊環境的相關信息，并將信息傳輸到核心控制器，由此控制器進一步傳輸信息至上位機，通過上位機的編碼處理，使其成為人們可以看明白的信息，如聲音、圖像等。同時，工作人員也可利用上位機來為機器人下達指令，由上位機將指令傳遞到核心控制器，再將指令轉化成能夠驅動系統硬件的數字信號，便可輔助巡查機器人順利開展水下作業。

3.1 硬件設計

本設計中，機器人的運動控制系統并非單一的運作模式，而是將舵機和單片機有機結合到一起，機器人的圖像采集系統也是基于單片機，再利用攝像頭進行工作。人機交互系統主要發揮上位機、單片機的作用，并由WiFi 模塊輔助作業。其中，主控芯片如器件選擇中所述，其包含的定時器可以產生PWM 信號來驅動舵機運動[2]。攝像頭可以幫助機器人拍攝管道焊接部位有無油泡出現，能夠很好地完成水下作業及任務。通信模塊是機器人和上位機程序交流信息的主要媒介，其通信方式包括NFC、藍牙以及無線網等，不同的通信方式有著不同的優點和不足，因水下巡查機器人的傳輸距離相對較遠，對于數據傳輸的速度也有極高的要求，所以主要采用WiFi 通信方法。至于機器人的尾舵，其是機器人系統的執行機構，隨著傳動機構的運作，產生的舵機轉矩可以傳遞到尾舵部位并為系統內部裝置提供動力功能，幫助機器人系統進行轉向運動。

3.2 軟件設計

基于硬件設計，水下石油管道巡查機器人的軟件系統可以分為三個層次來闡述。其中，運用層的作用、等級最高，通過系統的逐層遞進，其與底層硬件之間的聯系較少，運用層的開發運用軟件也極少關注底層狀態，尤其是硬件的情況。而硬件驅動不同于開發運用軟件，與底層硬件頻繁“交流”，而底層程序主要負責提供函數接口，以便運用層正常運行和決策。由于系統軟件在運用層、底層之間，其不僅能管理計算機系統的各種資源，還能促進運用層、底層的聯系、通信[3]。在此系統中，需要做好底層驅動程序的設計，如攝像頭、WiFi 模塊以及舵機等驅動。

對于其中的初始化系統，包含了很多部分，如系統時鐘，并且為保證系統穩定地運行，還配有諸多模塊，能夠利用攝像頭進行周期性拍攝，也可發揮模塊作用將圖片傳遞至上位機，在經過處理后，觀察圖像信息能夠判斷石油管道有無油泡情況，如果有油泡出現，則表明拍攝的這一管道位置有漏油問題[4]。觀察機器人傳回的圖片時，還要進一步判斷機器人的走向，看其是否順沿管道直線航行，若未直線移動，便需要借助上位機下達新的指令。

3.3 系統調試

水下巡查機器人需要借助軟件完成控制器的編程工作，并將程序下載至控制器。本系統采用了KEIL5軟件來編程，其還涉及鏈接器、C 編譯器等仿真功能。通過驅動系統的各模塊，可以讓其有機協作并完成巡查、檢測等工作。所以在實時操作系統上還要配置多個任務，明確其優先級，以便水下巡查機器人可以穩定、有序地工作。本設計中涉及通信、串口攝像頭、舵機三大模塊，所以要配置三個對應任務。再基于實時操作系統的信號量機制確保各任務有機通信，可以更順利地完成水下作業[5]。同時，該系統還創建了多個信號量，可以標志不同系統的任務完成度，比如SemOfCamera 這一信號量代表著串口相機已完成數據采集任務，在WiFi 通信模塊接收信號量后，會將相關信息和圖像發送到上位機程序，在經過上位機處理后，可發送要進行的控制指令，如“左轉”“右轉”，其可驅動機器人舵機在特定區域內來回擺動并模擬左轉或右轉，從而完成指令任務。

至于串口攝像頭，因其傳遞的圖片格式和人員接收的不同，所以調試這一設備時要檢查系統能否獲取全部信息。而通信模塊的運行過程復雜，需要利用特定軟件單步調試。調試時可創建IP 地址，啟動服務器并設置好端口，打印調試信息[6]。在完成各個模塊的調試工作后，在確保其工作狀態正常的情況下還要進行整個系統的調試，可以讓各個模塊相互配合一同完成水下巡查和檢測等工作。

4 結論

為進一步開展水下石油管道的巡查和檢測工作，本文設計了一種全新的水下巡查機器人運動控制系統。在各模塊及系統的作用下，水下巡查機器人不僅能完成指令動作并進行各種作業，還能拍攝出精準、分辨率高的石油管道圖像，也能明確管道的泄漏點。