王甦 薛超 李雅琳 佘彦杰

摘  要：现有地下农业电缆中已出现相当数量的老化线路，为保证其稳定性需要对电缆进行巡检和常规维护。但由于通道狭窄且人工操作时电缆带电运行，极易发生事故。仿蛇形机器人具有其独特的形态结构，以树莓派作为远程控制端，搭载具有识别功能的红外摄像头及高敏度传感器，可在复杂地形中实现避障，翻越等自由活动。该成果可应用于地下农业电缆定点检测和维修项目，减少农业生产成本、提高工作效率。

关键词：仿蛇形巡检机器人;地下电缆维护;Raspberry Pi;红外识别;避障翻越;控制系统

中图分类号：TP242 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）36-0037-02

Abstract： In order to ensure the stability of the existing underground agricultural cables， it is necessary to inspect and maintain the cables routinely.However， due to the narrow channel and manual operation when the cable is running live， accidents are very easy to occur.Snake-like robot has its unique morphological structure. With raspberry PI as the remote control terminal， it is equipped with infrared camera with recognition function and high sensitivity sensor， and it can achieve free activities such as obstacle avoidance and jumping in complex terrain.The results can be applied to the fixed-point inspection and maintenance project of underground agricultural cable to reduce the cost of agricultural production and improve work efficiency.

Keywords： snake-like patrol robot; underground cable maintenance; Raspberry Pi; infrared identification; obstacle avoidance crossing; control system

引言

电缆沟内铺设电线节省投资、占地更少、走向更加灵活且能容纳较多电缆，但是由于缆沟位于地下，环境腐蚀或其他自然灾害很容易对其造成影响，在检修维护时非常不方便。传统的巡检方式不能深入电缆沟内部，检修人员无法查看内部状况，维修会消耗大量人力与财力。因此，电缆巡检工作迫切地需要可以灵活穿梭于地下通道之间的一种机器人。

在吸收和消化现有巡检机器人的优点上，设计出一套可以实时监测并反馈电缆沟内排线状况的装置，并能根据电缆沟内具体环境智能避障的仿蛇形巡检机器人，对农业电缆巡检具有重要意义。

1 蛇形機器人本体结构及控制系统硬件设计

该系统由正交结构、主动轮、从动轮、步进电机、数字舵机、舵机控制板、红外摄像头以及Raspberry Pi组成，可划分为本体结构和电气控制两部分。

本体结构采用部分模块化设计，仿蛇形巡检机器人分成若干个模块，蛇身各个模块具有相同的结构设计和控制元器件。每个模块包括舵机连接件和蛇身，各舵机连接件装有两个数字舵机和两个舵机模型。

电气控制部分由Raspberry Pi结合舵机控制板，通过控制舵机角度的变化来控制机体的运动;Raspberry Pi作为机体的大脑，负责图像识别和处理。电气控制部分和红外摄像头经过Raspberry Pi图像处理的有效结合，实现巡检机器人的智能化灵活转动，完成电缆沟的巡检工作。

蛇身由多个结构相同的模块组成，各个模块之间通过正交结构连接，保证机体实现“仿蛇形”自由动作。每个模块包括机身和关节两部分，数字舵机相比于模拟舵机，具有防抖动，响应速度快、作用效果灵活可变的优点，在使用时可提供更高的精度和更好的固定力量，而相比于伺服电机，数字舵机更易于实现控制。关节底部设计有两个万向轮作为从动轮，保障机体二维平面的运动。

蛇尾装有双轴步进电机，相比于单轴电机，结构更加一体化，且步进电机既可调节速度，也可实现正反转。电机上装有主动轮，与从动轮协调动作，用来驱动机体的运动。系统整体结构如图1所示。

Raspberrry Pi与舵机控制板形成串口通信，通过远程控制实现仿蛇形巡检机器人直行、装向、避障等功能。树莓派通过摄像头实时捕捉电缆沟内的复杂情况，并传送至技术人员的PC端，技术人员通过图像分析，可通过远程遥控器调整机器人的运动，如发现缆沟内有异常情况，可及时形成对应解决措施，有效实现电缆沟检测工作。

2 控制系统软件设计

2.1 Raspberry Pi控制红外感应摄像头

Raspberry Pi镶嵌linux系统，具有强大的语言整合功能，仿蛇形巡检机器人头部安装有两自由度云台，板载PC9685芯片和TSL2581环境光传感器，通过I2C接口控制可实现云台转动和光强检测，通过多个GPIO口与Raspberry Pi本体进行连接，达到引脚初始化，摄像头初始化的目的。启动后可同时使用PC端和手机端进行远程控制，界面可视化效果较好，能够实时检测电缆沟情况。

2.2 32路舵机控制板控制舵机动作

32路舵机控制板，CPU采用ARM Cortex-M3内核的高性能STM32单片机，可对32路舵机速度与角度随意根据所需实现精准控制。该控制板拥有16M大容量内存，可容纳230个动作组，每个动作组可以容纳510个动作，正极电压低于5V时蜂鸣器报警。本设计通过32路舵机控制板实现多个舵机的控制，通过对舵机的控制来实现蛇形巡检机器人的实时运动和整体形状的及时转变。

3 颈部分动作分析

仿蛇形机器人运动设计想法是通过改变不同关节之间相对运动角度，使得整個蛇体运动到所需要的姿态，实现蛇形巡检机器人的不同动作的运动。通过对机器人样机进行实验，来验证蛇形机器人本体结构和控制系统的可靠性;通过蛇形机器人的抬头动作、转弯动作、前进直行动作等运动方式来验证蛇形机器人控制方法的有效性，并进一步测试蛇形机器人的越障功能、视觉监测及图像传输功能。如图2所示，蛇形机器人由直流电源供电，实验通过远程遥控对蛇形机器人发送控制指令，机器人接收指令后完成对应动作，实现基本动作、越障动作、对周围环境观察并及时传输等功能。

4 视觉监测及图像传输下的避障实验

仿蛇形机器人在避障时，首先进行识别传输，同时传感器收到信号做出避障反馈，其头部相关关节可进行自由角度转动，视频内显示有障碍物时，做出相应避障动作，运动至一定位置后，蛇身舵机开始还原，此时整体呈现伸展状态，机器人将按与障碍物形成一定的角度，成功将障碍物避过，如图3。

5 结束语

本文提出一种关于仿蛇形机器人的蜿蜒步态控制方式，实现了机器人的自主避障行走，极大地提高了机器本体运动精度，搭载有红外感应摄像头的Raspberry Pi可实现远程信号传输使用更方便。随着农业电气的发展，电缆沟内电缆的数量也会逐渐增加，电缆沟空间会越来越小，仿蛇形巡检机器人将会有广阔的应用前景，对于电缆沟的维护与检修将提供很大的帮助。

参考文献：

[1]方勇纯，朱威，等.基于路径积分强化学习方法的蛇形机器人目标导向运动[J].模式识别与人工智能，2019，32（01）：1-9.

[2]马小林，王元友，等.基于多运动步态的蛇形机器人设计与研究[J].自动化应用，2020（05）：76-77+80.

[3]颜凯凯，王亚慧.管道探测蛇形机器人的行走结构研究[J].现代电子技术，2019，42（19）：84.

[4]张卫兵.基于单目视觉的未知环境蛇形机器人SLAM技术研究[J].电子世界，2019（18）：181-182.