一种管道内窥检测系统

1.本发明涉及塑料管道检测技术领域，特别是涉及一种管道内窥检测系统。


背景技术：

2.在全球管道运输业快速发展的今天，管道的使用已经占有一席之地，已成为都市生活的一个重要组成部分。若不能及时发现管道内部存在的缺陷并修复，将严重影响管道的正常运行，甚至引起重大财产损失。因此，对管道进行定期无损探伤是非常必要的。目前国际上用于管道状况检测较为先进和有效的检测手段是管道cctv(closed circuit television，闭路电视)检测，此检测方式是一种以闭路电视形式获取图像，并以有线传输的形式进行视频显示与录制的一体化监控系统，但检测方式主要是靠线缆进行通信，且设备体积庞大，市面上的相应产品价格也十分高昂。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种管道内窥检测系统，以实现对管道内的无线内窥检测。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.一种管道内窥检测系统，包括：上位机、esp32-cam摄像头开发板、摄像头转向模块、arduino uno开发板、超声波传感器和小车；
6.esp32-cam摄像头开发板、摄像头转向模块和超声波传感器均设置在小车的前端，esp32-cam摄像头开发板设置在摄像头转向模块上；arduino uno开发板设置在小车上；
7.超声波传感器的信号输出端与arduino uno开发板的输入端连接，arduino uno开发板的输出端与上位机通过蓝牙连接；超声波传感器用于测量小车与前方障碍物的距离，并将距离通过arduino uno开发板传输至上位机；
8.arduino uno开发板的输入端与上位机通过蓝牙连接，arduino uno开发板的输出端与小车的运动控制系统的控制端连接；上位机用于根据距离确定小车运动控制信号，并将小车运动控制信号传输至arduino uno开发板；arduino uno开发板用于根据小车运动控制信号控制小车的运动状态和运动方向；
9.摄像头转向模块的控制端与arduino uno开发板的输出端连接，arduino uno开发板还用于接收上位机输出的转向指令，并根据转向指令控制摄像头转向模块，从而调整esp32-cam摄像头开发板的拍摄角度；
10.esp32-cam摄像头开发板与上位机无线连接，esp32-cam摄像头开发板用于在调整拍摄角度后采集管道内画面，并在上位机上进行显示。
11.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
12.本发明公开一种管道内窥检测系统，上位机与arduino uno开发板蓝牙连接，上位机通过arduino uno开发板控制小车的运动状态、运动方向以及esp32-cam摄像头开发板的拍摄角度，esp32-cam摄像头开发板采集管道内画面后无线传输给上位机进行显示，实现了对管道内的无线内窥检测。
附图说明
13.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
14.图1为本发明的一种管道内窥检测系统的结构图；
15.图2为本发明的系统调用主程序模块的调用流程图；
16.图3为本发明的无线数据传输模块的流程图；
17.图4为本发明的运动系统控制主程序模块的流程图；
18.图5为本发明的电机车轮控制子程序模块的流程图；
19.图6为本发明的超声波测距子程序模块的流程图；
20.图7为本发明的上位机app程序的流程图；
21.图8为本发明的上位机app设计流程图；
22.图9为本发明的pwm调速信号图；
23.图10为本发明的esp32-cam开发板主控芯片电路原理图；
24.图11为本发明的esp32-cam开发板wi-fi传输部分电路原理图；
25.图12为本发明的超声波传感器的电路图；
26.图13为本发明的hc-05蓝牙模块电路图；
27.图14为本发明的arduino uno开发板的电路图；
28.图15为本发明的app测试结果图；图15中的(a)为第一种app测试结果图，图15中的(b)为第二种app测试结果图，图15中的(c)为第三种app测试结果图，图15中的(d)为第四种app测试结果图。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
31.本发明实施例提供了一种管道内窥检测系统，如图1所示，包括：上位机、esp32-cam摄像头开发板、摄像头转向模块、arduino uno开发板、超声波传感器和小车。esp32-cam摄像头开发板、摄像头转向模块和超声波传感器均设置在小车的前端，esp32-cam摄像头开发板固定在摄像头转向模块上；arduino uno开发板设置在小车主体上。arduino uno开发板与超声波传感器、上位机、小车的运动控制系统、摄像头转向模块连接。超声波传感器测量小车与前方障碍物的距离。上位机根据距离确定小车运动控制信号。arduino uno开发板根据小车运动控制信号控制小车的运动状态和运动方向。arduino uno开发板接收上位机输出的转向指令，并根据转向指令控制摄像头转向模块，从而调整esp32-cam摄像头开发板的拍摄角度。esp32-cam摄像头开发板与上位机无线连接，esp32-cam摄像头开发板采集管
道内画面，在上位机上显示。
32.下面具体介绍管道内窥检测系统中每个结构的连接关系和功能。
33.(1)esp32-cam开发板
34.esp32-cam开发板包括系统调用主程序和无线数据传输模块。如图2所示，系统调用主程序对摄像头模块、开发板模块以及所要调用函数进行定义。如图3所示，无线数据传输子程序先设定所要通信的英文wifi名称和密码，图传时程序需设定将摄像头接收到的jpeg数组拆分成数个小数组，逐个发送到指定的ip或者上位机端口；esp32-cam的静态ip地址需在该子程序初始阶段定义ip地址及ip地址相应的网关和dns，再在wifi连接之前将定义的数据分配给esp32-cam。测试静态ip时在arduino ide的串口监视器进行查看，等待数秒查看wifi是否处于已连接的状态，否则会提示address not reachable的错误。
35.如图10和图11所示，esp32-cam开发板通过5v针脚供电；gpio33连接到板内红色led指示灯，led提示开发板是否成功连接wifi。
36.(2)arduino uno开发板
37.arduino uno开发板包括：运动系统控制主程序模块、电机车轮控制子函数模块和超声波测距子程序模块。
38.参照图4，运动系统控制主程序模块首先定义arduino uno和l298n电机驱动模块所要用到的引脚，在主程序中设置引脚连接等信息，完成电机、舵机的启动；然后读取蓝牙模块发送到串口的数据，完成蓝牙连接，编写舵机云台loop循环，针对蓝牙输入的不同数值设定相应输出状态，如表1所示。
39.表1蓝牙输入数值与输出状态对应表
[0040][0041][0042]
参照图5，电机车轮控制子函数分为forward子函数、back子函数、turnleft子函数、turnright子函数、turnleftorigin子函数和turnrightorigin子函数，均调用
analogwrite函数，将模拟pwm方波输出到管脚，以不同速度驱动电机，通过控制车轮速度的方法实现小车转向。如图9所示，利用analogwrite产生pwm波，采用pwm技术对舵机的转角进行pwm控制，在1.5毫秒内，舵机位于正中部，超过1.5毫秒时顺时针方向旋转，低于1.5毫秒时逆时针方向旋转。pwm信号周期为20ms，具有0.5至2.5ms的脉宽调制信号，脉宽在0～180
°
之间线性改变。
[0043]
参照图6，超声波测距子程序嵌套在运动系统控制主程序中，先定义所需引脚echo、trig，即超声波输入输出引脚，loop循环末尾加入蓝牙输入数值9，进行distance_test；最后以厘米为单位将距离数值显示在上位机上。
[0044]
如图14所示，arduino uno开发板基于atmega328p，vin引脚从外部电源供电，analog in引脚读取外部模拟信号，digital引脚中标有"～"的引脚产生pwm输出，tx和rx引脚与蓝牙模块相连，13引脚可通过检测led灯是否正常闪烁辅助检测开发板是否正常。
[0045]
(3)上位机
[0046]
参照图7和图8，上位机app程序原理是当按下按钮，向服务器该主题推送消息；先进行初始化，定义指定蓝牙客户端1，点击按钮“搜索蓝牙”，活动启动器进行“android.settings.bluetooth_settings.”，列表选择框1，显示搜索到的蓝牙客户端的地址及名称通过点击对应蓝牙进行连接，当在列表选择框1中选择完成，若所选择蓝牙为蓝牙客户端1，则客户端名称前按钮背景色变为红色，若选择非蓝牙客户端1，则显示警告信息；再设定各个按钮控制小车行动，当forward被按压，调用指令101，当back被按压，调用指令102，当left被按压，调用指令103，当right被按压，调用指令104；当四个方向键分别被松开时，均调用指令111，即停止；当ceju按钮被点击，调用指令105，当stop按钮被点击，调用指令111。
[0047]
上位机需与esp32-cam接入同一无线局域网。
[0048]
(4)hc-05蓝牙模块
[0049]
hc-05蓝牙模块通过tx和rx引脚的通信方式，进入at状态，实现上位机远程遥控系统的功能。如图13所示，蓝牙模块与arduino uno开发板的连接关系是蓝牙模块引脚tx与arduino uno的引脚0相连，rx与引脚1相连，vcc与vcc相连，gnd与gnd相连。
[0050]
hc-05蓝牙模块以蓝牙v2.0作为协议标准，输入电压：3.6v-6v，稳压电源为其提供5v工作电压；hc-05蓝牙模块的vcc接arduino uno的vcc正极，电压的范围为3.3v到5.0v；gnd地线；tx为模块串口发送引脚，接arduino uno的rx引脚；rx接arduino uno的tx引脚；key用于进入at状态，具体接线如表2所示。
[0051]
表2hc-05蓝牙模块与arduino uno开发板的接线
[0052]
arduino uno引脚号hc-05引脚号rxtxtxrxvccvccgndgnd
[0053]
(5)小车的运动控制系统
[0054]
小车的运动控制系统采用l298n电机驱动模块驱动四个电机，l298n电机驱动模块若要对直流电机进行pwm调速，需设置in1和in2，确定电机的转动方向，然后对使能端输出
pwm脉冲，即可实现调速。注意当使能信号为0时，电机处于自由停止状态；当使能信号为1，且in1和in2为00或11时，电机处于制动状态，阻止电机转动。
[0055]
l298n电机驱动模块与arduino uno开发板的连接关系是l298n电气驱动模块int1与arduino uno开发板的引脚8相连，int2与引脚9相连，int3与引脚10相连，int4与引脚11相连，具体接线如表3所示。
[0056]
表3l298n电机驱动模块与arduino uno开发板的接线
[0057]
arduino uno引脚号l298n输入l298n输出8int1 9int2－10int3 11int4－
[0058]
(6)超声波传感器
[0059]
如图12所示，超声波传感器采用hy-srf05超声波模块，超声波传感器与arduino uno开发板连接，其中超声波模块vcc与arduino uno开发板的引脚v相连，gnd与引脚g相连，trig与引脚a0相连，echo与引脚a1相连。
[0060]
(7)摄像头转向模块
[0061]
摄像头的转向运动通过将3d打印摄像头放置框放置于两个sg90舵机互相上下嵌套组成的舵机云台上，并将esp32-cam安装进摄像头框内实现。
[0062]
舵机灰色线与arduino uno开发板的引脚g相连，红色线连接至引脚v，黄色线连接至引脚d2，使arduino uno开发板接受上位机指令后控制舵机运动，具体接线如表4所示。
[0063]
表4超声波传感器、舵机与arduino uno开发板的接线
[0064]
arduino uno引脚号超声波引脚号、舵机引脚号vvccggnda0triga1echog舵机灰色线v舵机红色线d2舵机黄色线
[0065]
(8)稳压电源
[0066]
arduino uno开发板、esp32-cam开发板均与稳压电源相连，稳压电源提供稳定的5v电压，采用5v电压作为启动工作电压，额定电压为6v。
[0067]
(9)sd卡
[0068]
在运行期间，点击app界面中的图像保存按钮可以随时保存影像至sd卡中，sd卡储存量为32g，保存后的影像每张分辨率为320x240，尺寸约90kb，可满足后期数据处理的需要。
[0069]
在现实生活中管道的应用环境下，使用基于esp32-cam的管道内窥检测系统进入管道内检测之前，如果存在积水或障碍等情况，应先采用管道气囊封堵的办法，抽干管道内的水，然后用疏通车高压水枪冲刷管道内的淤泥、垃圾至井内，随后工人下井清掏干净。
[0070]
本发明具有的有益效果如下：
[0071]
本发明的主控由esp32-cam开发板和运动控制模块构成，控制整个系统的各个工作流程，当arduino uno接收到上位机传输的前进或后退命令时，控制电机驱动小车运动。二自由度舵机云台完成摄像头模块的上下左右转向。同时，基于esp32-cam开发板与上位机之间完成wifi连接并在上位机app上实现无线图像传输，解决了管道内窥检测系统无线化的问题。
[0072]
利用无线传输的方式与管道机器人实现无线图传，进行无线管道内可视化检测，基于cctv检测进行了优化，图15示出检测结果直观、准确，检测方式更加智能。
[0073]
上位机app显示实时图像，并具有sd卡储存图像的功能，辅以多角度转向的摄像头云台，保障检测全面，方便保存图像后多方位比对。
[0074]
利用多个模块协同控制，各部分功能基于c语言编程，使系统设备体积相比cctv检测设备更加小巧，成本更为低廉。
[0075]
利用汇编语言编写电机车轮调速子程序，通过pwm方波调速，实现小车的左转和右转，更方便进行小车位置调节，增强移动性能。
[0076]
由于无线网络的不稳定性，当路由器处于固定状态时，小车的最大行动范围可以达到20米，如果要实现更长距离的行驶，必须要在esp32-cam上安装一个天线来更好地接收wifi信号，也可以通过内网穿透实现多个wifi的连接，并将数据传送到云端，以此提高小车性能。
[0077]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0078]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。