CN210571039U

CN210571039U - 一种基于双目视觉的隧道渗水检测全向移动机器人

Info

Publication number: CN210571039U
Application number: CN201921551644.4U
Authority: CN
Inventors: 朱福龙; 卢子淋; 曾鹏军; 胡剑雄; 刘肖剑; 徐伊昕; 陈前; 王淼操
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2019-09-18
Filing date: 2019-09-18
Publication date: 2020-05-19
Anticipated expiration: 2029-09-18

Abstract

本实用新型公开了一种基于双目视觉的隧道渗水检测全向移动机器人，属于隧道检测机器人领域。该机器人包括车体、全向车轮部件、传感器单元、控制单元以及红外检测单元；通过控制单元控制全向车轮部件带动车体，实现机器人的全向移动；通过传感器单元获取机器人的位置进行实时定位；通过红外检测单元远程获取隧道现场的红外和光学图像，实现检测员对隧道的远程监测。本实用新型可以有效地解决传统隧道渗水人工检测危险度高、工作环境差、工作任务重的问题，能够提高隧道渗水检测的安全性及准确性。

Description

一种基于双目视觉的隧道渗水检测全向移动机器人

技术领域

本实用新型属于隧道检测机器人领域，更具体地，涉及一种基于双目视觉的隧道渗水检测全向移动机器人。

背景技术

近几十年，随着经济、交通的快速发展，建设了大量的隧道，而随着时间的推移，需要检测和维修的隧道多且长。但目前，国内隧道检测与养护工作都由人工完成：一方面，检测工人的检测任务重、工作量大、效率低；另一方面，由于修建时间较长的隧道普遍存在照明不足、寒冷潮湿、灰尘较多等缺陷，甚至存在坍塌和瓦斯爆炸等事故的威胁，导致隧道检测危险度高、工作环境差。

因此，亟需一种自动化的检测设备来替代传统的人工现场检测，以克服人工现场检测的不足及降低风险。

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种基于双目视觉的隧道检测全向移动机器人，通过在现场布置自动化的图像采集单元及传感单元，与后台进行远程对接，实现对隧道的自动化扫描、检测和记录，从而有利于观测者远程对渗漏水位置进行识别和定位，克服人工现场检测的不足及风险。

为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种基于双目视觉的隧道检测全向移动机器人，其特征在于，包括：车体、全向车轮部件、传感器单元、控制单元以及红外检测单元；

其中，红外检测单元包括红外热像仪、光学摄像头和超声波测距模块；红外热像仪与光学摄像头组成双目视觉模块，用于分别获取隧道的红外图像和光学图像，超声波测距模块用于测量机器人与隧道墙壁的距离；

传感器单元包括编码器和九轴加速度传感器；编码器通过联轴器与全向车轮部件的驱动电机相连接，用于实时将驱动电机的转动转换为距离信息并上传至控制单元，九轴加速度传感器用于实时记录机器人的姿态信息并上传至控制单元；

控制单元用于将红外图像和光学图像传送至后台；根据超声波测距模块获得的机器人与隧道墙壁的距离控制全向车轮部件的运动，以避免与隧道墙壁发生碰撞；以及实时记录编码器上传的距离信息和机器人的姿态信息。

进一步地，车体包括车架、车身以及中间承重层；车身为包覆于车架外部的板材，车身的上表面设置安装孔，用于安装红外检测单元；中间承重层用于固定控制单元。

进一步地，全向车轮部件包括行走轮、联轴器、驱动电机以及三角形支撑座；三角形支撑座安装于车体下部，驱动电机为步进电机；行走轮的轮轴通过联轴器与步进电机的输出轴相连接，步进电机固定在三角形支撑座的内侧。

进一步地，所述行走轮为麦克纳姆轮。

进一步地，控制单元包括单片机、WIFI模块以及电机驱动器；单片机与电机驱动器和WIFI模块相连接,用于通过WIFI模块与后台的上位机通讯并根据上位机的控制命令，控制电机驱动器发出驱动信号，以控制全向车轮部件带动车体完成机器人的全向运动，单片机还用于接收传感器单元的检测结果；WIFI模块用于接收后台上位机发送的指令并传输至单片机，向后台上位机发送单片机处理后的传感器数据；所述电机驱动器控制和驱动全向车轮部件中的各个驱动电机。

进一步地，所述传感器单元还包括温湿度传感器，温湿度传感器布设在车体下方，与单片机相连；步进电机为双出轴步进电机，其一端通过一联轴器连接行走轮，另一端通过另一联轴器连接编码器，编码器的数据线与单片机相连接，九轴加速度传感器与单片机相连。

进一步地，红外热像仪、光学摄像头与WIFI模块相连接,通过WIFI模块向后台上位机发送图像数据；所述超声波测距模块与单片机相连接。

进一步地，编码器还将步进电机的转动转换为速度信息上传至单片机，由单片机、编码器和步进电机组成步进电机的速度闭环控制单元；四个行走轮各对应一个步进电机，单片机根据机器人编码器和九轴加速度传感器检测的运动状态实时调节每个步进电机的运动速度。

总体而言，本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本实用新型提供的一种基于双目视觉的隧道渗水检测全向移动机器人使检测工人通过远程控制机器人运动的方式即可完成对隧道的检测，改善了工人的工作环境，降低了工作的危险性；本实用新型远程采集红外图像及光学图像并传输至后台，有利于检测工人直接在后台查看和识别渗漏水缺陷及位置，适用广泛，能够大大提高隧道检测的效率和准确性；

2、本实用新型的底盘采用麦克纳姆轮，可以完成前后运动、左右运动、绕自身轴旋转运动的三个基本运动及组合运动，大大提高了本机器人的灵活性，可以使机器人在狭窄的隧道中，如地下电缆隧道中移动，扩展了机器人的应用范围。

附图说明

图1为本实用新型优选实施例的整体结构示意图。

图2为本实用新型优选实施例的车体结构简图，图中省略了前后左右四侧的车身板材，以便于观察车体内部结构。

图3为本实用新型优选实施例的全向车轮部件的结构及布局示意图。

图4为本实用新型优选实施例的红外检测单元的结构示意图。

图5为本实用新型优选实施例的传感、控制、传输架构图。

图6为本实用新型优选实施例的电机闭环控制示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-车体，2-全向车轮部件，3-红外检测单元，11-车架，12-车身，13-中间承重层，21-行走轮，22-联轴器，23-驱动电机(具体实施方式中为步进电机)，24-三角形支撑座，25-L型安装架，26-编码器，31-红外热像仪，32-超声波测距模块，33-光学摄像头。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本实用新型公开的一种基于双目视觉的隧道渗水检测全向移动机器人，如图1所示，包括车体1，车轮部件2，传感器，控制单元，红外检测单元3；所述车体1由车轮部件2支撑，车体1和车轮部件2共同构成能够在地面上全向移动的底盘；所述车体1内部设置有传感器，控制单元。所述红外检测单元3安装在底盘上。

下面结合附图详细描述各部之间的位置及连接关系。

如图2所示，所述车体1包括车架11，车身12，中间承重层13；优选地，所述的车架11是由14根铝型材组装而成的长方体车架，铝型材之间由铝型材的连接件进行固定连接；所述车身12为铝板材质共6面，分别用螺栓固定在车架的前面、后面、左面、右面、上面、下面，图2中省略了前后左右四侧的铝板。安装在车架11上面的铝板设置有安装孔，用于固定所述的红外检测单元3；所述中间承重层13安装在车架中部，用螺栓固定，并设置有安装孔，用以固定所述的控制单元。

如图3所示，所述车轮部件2包括行走轮21、联轴器22、步进电机23以及三角形支撑座24。所述三角形支撑座24由两铝板焊接而成，为保证刚度，再在两侧焊接加强肋。优选地，为了安装需要，在三角形的支撑座24的上方和前方开孔。将步进电机23和三角形支撑座用螺栓连接，然后将步进电机23的输出轴和联轴器22用螺栓连接，最后将联轴器22与行走轮21用螺栓连接，组成全向车轮部件2。最后通过螺栓连接，将三角形支撑座的上表面和车架下方的铝型材安装在一起。全向车轮部件2共四个，分别安装在车架11底部的四个角上。优选地，为了能完成机器人的全向运动，本实施例的车轮均采用麦克纳姆轮，且车轮的方向也按照左上的车轮朝向为左偏，右上的车轮为右偏，左下的车轮为右偏，右下的车轮为左偏设置。只有这种设置才能使机器人按照要求进行全向运动。在其他实施例中(未图示)，也可以采用常规车轮直接通过电机控制车轮转向的方式来实现全向运动。

所述传感器单元包括温湿度传感器、编码器和九轴加速度传感器。所述温湿度传感器布设在车架11下方，通过螺栓连接；所述编码器26通过编码器联轴器与双出轴的步进电机一端相连接，为了固定编码器，本实施例加工了L型安装架25，将编码器26和步进电机23通过螺栓连接，编码器26的数据线与单片机相连接；优选地，所述九轴加速度器的X轴方向应与机器人的前进方向相同，九轴加速度传感器与单片机相连。编码器26可以直接将步进电机的转动圈数转换为前进距离，而九轴加速度传感器记录的机器人姿态变化实际上包含了机器人的前进方向的变化，根据前进距离和前进方向的变化则可以直接确定机器人任意时刻所处的位置，实现机器人定位。

所述的控制单元包括单片机、WIFI模块和电机驱动器；所述单片机，与电机驱动器和WIFI模块相连接，用于根据远程的上位机的控制命令，控制电机驱动器向步进电机发送驱动指令，完成机器人的全向运动，以及处理发送传感器数据；所述WIFI模块用于接收电脑发送的命令，发送单片机处理的传感器数据；所述电机驱动器控制和驱动机器人的各个步进电机；

如图4、图5所示，所述红外检测单元3包括红外热像仪31，光学摄像头33，超声波测距模块32；所述红外热像仪31、光学摄像头33与WIFI模块相连接；所述超声波测距模块32与单片机相连接。红外检测单元3包括可以绕自身的竖直轴线旋转的Y形安装架，以及可以绕水平轴上下旋转的摄像头安装壳，这是为了方便机器人在运动时可以观察各个方向的隧道情况。

所述车体1根据全向车轮部件2的不同运动模式，可完成三种基本运动，即前后运动、左右平行运动以及绕自身竖直中轴线的逆时针和顺时针旋转运动；通过组合上述三种运动，可以实现机器人的全向运动，使机器人在狭窄的隧道中可以自由行动。步进电机的旋转采用速度闭环控制，所述编码器连接单片机得到速度信息，进而可以使用PID程序控制步进电机的旋转速度，如图6所示。

优选地，所述步进电机数量为四个，每个步进电机的控制速度不同，这是由于麦克纳姆轮的特殊结构决定的。以图3中的布局为例，其中第一号电机为左下角电机，第二号电机为左上角电机，第三号电机为右上角电机，第四号电机为右下角电机。

九轴加速度传感器包括磁力计、陀螺仪和加速度仪，通过互补滤波的方式，对磁力计、陀螺仪和加速度仪的检测信号进行数据融合，获得机器人稳定的偏航角，偏航角可以理解为机器人绕自身竖直轴线旋转的角度。获得机器人稳定的偏航角之后，即使机器人在隧道中移动，也可以控制红外检测单元3的旋转，从而保持红外检测单元3对着隧道的方向保持不变。九轴加速度传感器是市售成熟元器件，可以直接购买，例如SpaceScout、MS-ME1DK、WT901C等。

下面介绍本实用新型的整体运行方式及工作过程：

打开机器人的开关，机器人的WIFI模块运行，WIFI模块开始搭建WIFI网络，等待上位机的连接。上位机通过WIFI连接之后，机器人将采集到的温湿度数据、编码器数据、红外热像仪图像、摄像机图像上传到上位机，这样便可以在远程了解机器人所处的环境状态。通过手柄控制机器人移动，使机器人到达合适的位置，转动红外检测单元3的方向，使红外热像仪和摄像头对准隧道，然后开始检测。检测过程中，可以由人工实时查看红外热像仪和摄像机拍摄的图像来识别渗漏水区域。如果有渗漏水区域，则记录当前机器人的位置，方便以后检查员查找此渗漏水点。整个隧道检查结束后，还可以根据检查结果生成检测报告，对隧道的渗漏水情况进行评级。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种基于双目视觉的隧道检测全向移动机器人，其特征在于，包括：车体(1)、全向车轮部件(2)、传感器单元、控制单元以及红外检测单元(3)；

车体(1)由全向车轮部件(2)支撑，传感器单元、控制单元设于车体(1)内部，红外检测单元安装在车体上表面；

传感器单元包括编码器和九轴加速度传感器；编码器通过联轴器与全向车轮部件(2)的驱动电机相连接，用于实时将驱动电机的转动转换为距离信息并上传至控制单元，九轴加速度传感器用于实时记录机器人的姿态信息并上传至控制单元；

控制单元用于将红外图像和光学图像传送至后台；根据超声波测距模块获得的机器人与隧道墙壁的距离控制全向车轮部件(2)的运动，以避免与隧道墙壁发生碰撞；以及实时记录编码器上传的距离信息和机器人的姿态信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于双目视觉的隧道检测全向移动机器人，其特征在于,车体(1)包括车架(11)、车身(12)以及中间承重层(13)；车身(12)为包覆于车架(11)外部的板材，车身(12)的上表面设置安装孔，用于安装红外检测单元(3)；中间承重层(13)用于固定控制单元。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于双目视觉的隧道检测全向移动机器人，其特征在于,全向车轮部件(2)包括行走轮(21)、联轴器(22)、驱动电机(23)以及三角形支撑座(24)；三角形支撑座(24)安装于车体(1)下部，驱动电机(23)为步进电机；行走轮(21)的轮轴通过联轴器(22)与步进电机的输出轴相连接，步进电机固定在三角形支撑座(24)的内侧。

4.根据权利要求3所述的一种基于双目视觉的隧道检测全向移动机器人，其特征在于,所述行走轮(21)为麦克纳姆轮。

5.根据权利要求3所述的一种基于双目视觉的隧道检测全向移动机器人，其特征在于,控制单元包括单片机、WIFI模块以及电机驱动器；单片机与电机驱动器和WIFI模块相连接,用于通过WIFI模块与后台的上位机通讯并根据上位机的控制命令，控制电机驱动器发出驱动信号，以控制全向车轮部件(2)带动车体(1)完成机器人的全向运动，单片机还用于接收传感器单元的检测结果；WIFI模块用于接收后台上位机发送的指令并传输至单片机，向后台上位机发送单片机处理后的传感器数据；所述电机驱动器控制和驱动全向车轮部件(2)中的各个驱动电机。

6.根据权利要求5所述的一种基于双目视觉的隧道检测全向移动机器人，其特征在于,所述传感器单元还包括温湿度传感器，温湿度传感器布设在车体下方，与单片机相连；步进电机为双出轴步进电机，其一端通过一联轴器连接行走轮(21)，另一端通过另一联轴器连接编码器，编码器的数据线与单片机相连接，九轴加速度传感器与单片机相连。

7.根据权利要求5所述的一种基于双目视觉的隧道检测全向移动机器人，其特征在于，红外热像仪(31)、光学摄像头(33)与WIFI模块相连接,通过WIFI模块向后台上位机发送图像数据；所述超声波测距模块与单片机相连接。

8.根据权利要求5所述的一种基于双目视觉的隧道检测全向移动机器人，其特征在于，编码器还将步进电机的转动转换为速度信息上传至单片机，由单片机、编码器和步进电机组成步进电机的速度闭环控制单元；四个行走轮(21)各对应一个步进电机，单片机根据机器人编码器和九轴加速度传感器检测的运动状态实时调节每个步进电机的运动速度。