摘要：随着目前我国海上油田开发和海底石油管道的数量越来越多，需要让其正常工作的时间越来越长，发生破损，泄露的情况就不免变得频繁了起来，设计一种海底石油管道检测的设备已经上升到了非常重要的位置。本文以海洋石油管道检测为应用背景，以水下机器人功能模块为基础设计和制作一个水下机器人完成水中的石油管道是否漏油的检测任务。本系统是基于Open MV机器视觉模块，通过让其检测管道上的石油泄漏区从而发出信号，使蜂鸣器发出声音，从而达到报警的作用。本系统的动力由L298N电机驱动模块来完成，让其控制两个马达来为水下机器人提供动力。本系统的开启和关闭由KGS-B10无线遥控器开关来控制，有了这个模块人们可以自由的控制机器人的行驶位置。
关键词：Open MV；L298N电机驱动；KGS-B10；管道检测
引言
随着机器视觉领域的快速发展，开源的机器视觉模块层出不穷。相比于光电 、电磁传感器，摄像头采集的图像不易受外部环境的光线影响，能够更加准确充分地反映实时信息[1]。本次设计是在实验室模拟环境下，通过在管道是画上黑圈来作为漏油的位置，通过Open MV检测这些黑圈的位置来确定本次设计是否成功，当检测到黑圈位置时发出信号激活蜂鸣器和示意灯，使蜂鸣器发出声音和亮光。本次设计作为真正海底管道检测的仿真机器人，为我们解决海底管道检测这一重要问题奠定了基础。
1 系统硬件部分
实验室模拟场景中，管道设有直道和弯道。管道上有黑色的圆圈，其作用为代替石油泄露的位置，用于测试机器人的检测功能。同时，该系统为远程控制，通过远程开关来控制机器人的开启和关闭。本设计管道检测机器人主要由电源、降压模块、继电器、电机驱动和Open MV机器视觉模块组成。
1.1电源模块
电源模块的作用是为整个机器人系统供电，保证其可以正常稳定的工作，电源模块是整个机器人系统中必不可少的部分。本系统的电源模块是两节电压为 12.6V 的 12680 型锂电池，用这两节电池为系统提供源源不断的动力。
1.2降压模块
由于电源模块是12V的锂电池，而本系统只需要5V的电源就足够，所以这个时候就需要用到降压模块。本系统所用到的电压模块为LM2596降压型功率变换器，应用电路图如图1所示。该模块的优点是输出电压可调，具有过热关断和限流保护的作用。该模块可以将电压稳定的降为系统所需要的5V电压。
图1 LM2596应用电路图
1.3继电器模块
继电器模块是控制系统开关的重要组成部分，本系统所用的继电器为KGS-B10无线遥控开关。该模块支持互锁，自锁，点动可调，并且它的遥控距离非常远，达到了200米，而且该模块在出厂前就已经设置好，当我们使用时已经不需要再进行相关设置了，这就使我们可以非常方便的使用该模块。安装这个模块可以使控制机器人的随时开关达到了非常精准的地步，但是该模块也有不足的地方，当实际应用时有不同环境干扰或者障碍物干扰时，该模块的遥控距离会相应的缩短。
1.4电机驱动模块
电机驱动模块是控制的两个马达使本系统可以前进的动力之源。本次电机驱动模块使用的是L298N，实物图如图2，这是一种二相和四相电机的专用驱动器，它的内部有4通道逻辑驱动电路，这就可以让该模块可以同时使两个电机正常工作，而且本设计也正好用到了两个直流电机。而且电路简单，使用比较方便。
图2 L298N 实物图
1.5Open MV机器视觉模块
Open MV 摄像头模块是以STM32F765CPU为核心，集成了OV7725 摄像头芯片，在小巧的硬件模块上，用Python编程高效地实现了核心机器视觉算法，实现 Open MV 模块的机器视觉的功能[2]。同时，Open MV模块是该系统的核心，因为本系统为管道检测机器人，主要任务就是检测管道是否漏油，这就使该模块占据了举足轻重的作用。该模块采用的摄像头为广角摄像头，它可以拍摄管道的上侧区域，当检测出黑色区域时发出信号，并将激活信号通过串口上传至主控器，主控制器根据摄像头模块上传的数据作出判断，当检查出激活信号时就使蜂鸣器响铃和指示灯闪烁，以达到报警的作用。
2系统软件部分
本系统所用到的软件为星瞳科技的Open MV IDE，该软件为Open MV机器视觉模块的配套软件，Open MV是基于Python的嵌入式机器视觉模块，目标是成为机器视觉界的“Arduino”。它具有很多其他软件不具备的优点。其一，它的成本非常低，不需要很多钱就可以买回来。其次开发环境好，它可以直接用Python调用硬件去做相应的功能，进行I/O口控制，并且它还可以进行图像处理。
3 预期结果
由于本次设计实在实验室模拟环境下，所以用水池和管道来模拟海底的石油管道。水池尺寸为200cm*300cm，水池高度为36cm，水深为23cm+2cm。场地图标识起点和终点所处的虚线方框内部分别为起点区和终点区，起点区和终点区用黑色圆圈标记规划范围。石油管道为φ75mm白色标准PVC管，管道高度在同一个水平面上。管道上表面与水面距离在13.5-17.5cm之间，管道下表面与水池底距离为0-0.1cm之间。漏油点用直径3cm圆形实心黑色标记表示漏油处，共设置10个漏油处，随机分布在输油管各处。漏油点有可能分布在管道的任意部位。当机器人行驶时会沿着管道上方行驶，从起点开始中间经过两个弯道到终点结束，期间每经过一个用黑圈模拟的是石油泄漏区都会发出警报和指示灯闪烁，这样说明本次设计可以正常完成任务。
4 结果与不足
本设计基于Open MV机器视觉模块和Open MV IDE软件完成了一个管道检测机器人，该机器人可以检测运输石油的管道，当机器人通过石油泄漏区时会发出报警，并且可以远程控制该机器人的开关。该机器人为为我们解决海底管道检测这一重要问题奠定了基础。但同时，本次设计有不足的地方，有时Open MV模块的检测会出现问题，当机器人发生晃动使Open MV模块的摄像头偏离管道正上方时，可能会检测不出来石油泄漏区，造成误差。并且本次设计的机器人不具备自动检测管道转弯从而自动转弯的功能，所以本次我们是在机器人的前面插上了两个木棒迫使它转弯，这样做会降低机器人的速度，同时也不美观。
参考文献：
[1] 程城，叶梦君，乔德文，张先鹤，刘金华，雷改惠.电磁平衡智能车的硬件设计[J].智能机器人，2017，（02）：75-78.
[2] 邹浩，郭雨婷，李佳盈等.基于OPENMV的色彩引导机器人系统研究[J].科技资讯，2018，16（25）：85-86.
论文作者:单文博,周万勇
论文发表刊物:《基层建设》2019年第25期
论文发表时间:2019/12/9
标签：模块论文; 管道论文; 机器人论文; 本系统论文; 漏油论文; 机器论文; 视觉论文; 《基层建设》2019年第25期论文;