沥青路面裂缝检测机器人设计.docx

摘要针对我国城市化水平的迅猛发展和现代化程度的不断提高，机场跑道、城市道路、高速公路等出现老化，设计了一款基于STM32F103C8T6单片机为控制核心和基于跨平台计算机视觉库OPenCV的沥青路面裂缝检测机器人。本设计主要由机械结构设计，硬件电路设计，以及软件程序编程等部分组成。机械机构设计主要是履带式底盘设计。硬件电路部分主要分为主控芯片选择、直流电源选择、图传模块选择、电机驱动模块选择等部分；软件编程部分主要用软件STM32CubeMX和STM32CubeIDE对STM32单片机进行LL库编程、用PyCharm进行OPenCV图像处理开发以及用ArdUinO对ESP32CAM进行图像传输编程。通过对各机械零部件、电气元件的选型与设计，搭接出最终的沥青路面裂缝检测机器人，并完成实物调试。本设计是按照模块化的思想进行设计的，具有搭接简便、开发周期短、维护便捷等优点，对未来的裂缝检测机器人发展具有一定的参考价值。关键词：OpenCV;裂缝检测；检测机器人；STM32；ESP32-CAMDesignofAsphaltPavementCrackDetectionRobotAbstractAimingattherapiddevelopmentofChina'surbanizationlevelandtheincreasingmodernization,theagingofairportrunways,cityroadsandhighways,anasphaltpavementcrackdetectionrobotbasedonSTM32F103C8T6microcontrollerasthecontrolcoreandOpenCV,across-platformcomputervisionlibrary,isdesigned.Thedesignismainlycomposedofmechanicalstructuredesign,hardwarecircuitdesign,andsoftwareprogramprogramming.Themechanicalmechanismdesignismainlythecrawlerchassisdesign.Thehardwarecircuitpartismainlydividedintomaincontrolchipselection,DCpowersupplyselection,mapmoduleselection,motordrivemoduleselectionandotherparts;thesoftwareprogrammingpartmainlyusesthesoftwareSTM32CubeMXandSTM32CubeIDEforLLlibraryprogrammingofSTM32microcontroller,PyCharmforOpenCVimageprocessingdevelopmentandArduinoforESP32-CAMforimagetransferprogramming.Throughtheselectionanddesignofeachmechanicalcomponentandelectricalcomponent,thefinalasphaltpavementcrackdetectionrobotislappedandthephysicalcommissioningiscompleted.Thedesignisdesignedaccordingtothemodularizationidea,whichhastheadvantagesofeasylatching,shortdevelopmentcycle,andconvenientmaintenance,andhascertainreferencevalueforthefuturedevelopmentofcrackdetectionrobot.KeyWords：OpenCV;Crackdetection;Detectionrobot;STM32;ESP32-CAM目录摘要IAbstractII1绪论11.1 设计背景及意义11.2 国内外研究现状分析21.2.1 国内研究现状21.2.2 国外研究现状51.3 本文主要内容62裂缝检测机器人总体方案设计82.1 设计目标82.2 机械系统方案82.3 电路系统方案82.4 软件程序方案102.4.1 单片机程序102.4.2 图像传输程序112.4.3 裂缝检测程序112.4.4 用户界面设计程序113机械系统设计123.1 履带底盘设计123.1.1 连接架设计123.1.2 侧板设计133.2 底盘驱动设计133.2.1 主动轮设计133.2.2 履带选型及设计133.2.3 驱动电机设计154电路系统设计174.1 主控芯片选择174.2 电源模块184.2.1 降压模块194.2.2 1.M2596SDC-DC降压模块194.2.3 MP1584EN降压模块204.3 电机驱动模块204.4 无线通信模块224.5 图像传输模块244.6 GPS模块245下位机软件设计255.1 软件开发环境简介255.2 引脚输出程序设计265.3 PWM输出程序设计275.4 串口接收及中断程序设计285.5 自定义函数设计296裂缝检测上位机软件设计326.1 图像获取326.2 图像预处理336.2.1 灰度化处理336.2.2 图像滤波346.2.3 Gamma变换356.2.4 形态学操作366.3 边缘检测366.3.1 高斯滤波366.3.2 SObeI算子376.3.3 非极大值抑制376.4 最大宽度计算386.5 用户界面设计396.5.1 视频及图像显示396.5.2 检测功能按钮406.5.3 机器人控制功能按钮407实物调试417.1 机器人底盘调试417.1.1 爬坡测试417.1.2 沥青路面测试427.2 图传调试427.2.1 图像发送测试427.2.2 图像接收测试43设计总结44致谢45参考文献46附录清单48附录A-元器件清单49附录B-电路原理图错误!未定义书签。附录C-主要程序代码错误!未定义书签。1绪论1.1 设计背景及意义智能机器人技术涉及仿生技术、机械制造技术、人工智能技术、计算机科学与技术、自动控制技术、智能感知技术、机电一体化以及材料学等多个研究领域，是一种多领域融合技术。机器人的价值在于改变从业人员的工作环境，代替人类做一些重复、繁琐和机械性的工作，解放那些原先被束缚住的劳动力，帮助人类更好地完成工作。第十三个五年规划期间，我国机器人产业在大家的共同奋斗之下蒸蒸日上，规模逐渐扩大，技术不断革新，应用层面不断扩展，龙头企业更加强壮。可是我国的机器人产业在技术的积累、产业基础、精密器件供应上与国外一些发达国家的先进技术水平相比仍然存在着诸多问题。在第十四个五年规划中指出，在2025年，我国的机器人技术将取得很大程度地进步，在高端设备制造上成为新高地。随着各行业科技的蓬勃发展，现如今机器人科技的研究也发展到了一个崭新的层次，需要更多的个人、企业与院校加入到这个领域来。机器人技术现如今是我国工业化和信息化进程中的核心技术和主要驱动力，现己应用于灾后救助、交通、医学健康、农业生产、海洋研究、社区服务、娱乐、航空和军事工业以及宇宙探测等领域，而其中又以检测机器人最为突出。近年来，互联网经济的高速发展推动了各地区之间的贸易往来，同时也对道路交通运输提出了新要求，尽管我国不断完善各级道路的建设与维护，但仍有部分服役期较长的道路出现了不同程度、不同类型的路面病害。无论是飞机的跑道、公路，还是普通的城市路面，这些路面的性能都是公共交通得以正常运转的必要条件。对于路面安全性能的维护与检修都是现今相当重要的工作，对航空安全、行车安全等起到至关重要的作用。路面病害是指由于车辆超载、自然环境条件、正常磨损老化等原因造成道路表面的可见缺陷，包括横向裂缝、纵向裂缝、块状裂缝、龟裂裂缝、修补裂缝和坑洞等。当道路存在这些类型的轻微路面病害时，车辆行驶的稳定性会降低，从而影响行驶的舒适性，如果不及时进行道路养护，病害程度会随着时间的推移逐渐加重，当道路上出现较大路面病害时，会对道路交通参与者的人身安全造成严重威胁。因此及时对各级道路进行养护管理，这会在很大的程度上保证交通的正常运行以及能够很好地保护人民群众的生命和财产安全。通过检测的工作人员来对路面的安全性能进行检测和评估是目前比较常见的方法。目前主要依靠人工巡检的方式定期对路面进行巡查和养护，这种工作方式不仅效率较低而且成本较高，同时存在着巡查期间占用道路资源、难以保障工作人员安全和检测标准存在主观判断等缺陷。在我国公路里程不断增长、交通流量日益增大的背景下，继续使用该方法来进行路面检测很难满足现实需求，因此实现设计一款路面裂缝检测机器人是十分有必要的。当沥青路面存在比较明显的裂缝时，检测人员可以在室内便捷和高效地远距离实时控制机器人完成巡检，从而快速准确地检测出路面裂缝，对沥青路面损伤程度做出评估与表征。如此便可大大提高裂缝检测效率与检测准确度，能够快速有效地帮助工作人员完成路面裂缝检测。近年来，为了满足沥青路面裂缝检测工作的需求，国内外很多研究机构展开了大量的研究工作，研究了许多有效的检测算法，如传统的边缘检测、基于卷积神经网络的裂缝检测等。机器人技术目前在世界上属于研究热点，国内机器人研究起步相对国外较晚，更应该投入大量资源与精力进行研发，才能最终实现弯道超车。同时我国地广物博，基础建筑，如道路、桥梁众多，因而检测机器人需求较大，对我国来说研究和生产检测机器人更显得刻不容缓。本设计旨在设计一款沥青路面裂缝检测机器人，其主要功能是对路面裂缝进行检测，同时工作人员可以对其进行远程控制。其次要功能将会在搭建硬件并实现主要功能后进行不断完善与优化。1.2 国内外研究现状分析1.2.1 国内研究现状1980年后期，我国开始了大量修建道路，许多道路修建完成并通车运营，道路维修与保护工作越来越繁重。我国的科研院校及相关技术公司开始自行研究路面破损图像检测系统，经过长期的不懈奋斗，虽然开始研发的时间较晚，但是发展速度较快，获得了不错的成果。最近几年，国内利用路面损坏检测系统来完成路面检测的趋势明显上升，并且已经投入商业使用。在该领域内比较突出的有长安大学的技术研究中心、中公高科养护科技股份有限公司、武汉武大卓越科技有限责任公司等数家。根据西部交通科技建设工程的研究，同时结合自身的研发设计，长安大学完成了CT-501A高速激光道路检测车的设计研发，如图1.1所示。该检测车和检测系统是通过面阵相机搭配激光手段来获取路面信息，在检测路面平滑程度、车轮痕迹、裂缝等方面有精准的检测效果。此外，多种照明系统能够为检测车检测时提供良好的光照环境，能够使得拍摄的道路图片清晰度更高，使检测结果更为准确，为路面损坏的自动检测提供了基础。图Ll基于中通客车车型的CT-501型多功能道路检测车中公高科养护科技股份有限公司也设计出了CiCS道路检测车，如图1.2所示。与CT-501A不同，该系统获取道路图片的方式是结构光照明和线阵相机。检测时，对于路面的检测宽度能够达到3.6m,同时其最高检测精度在Imm,检测车的检测速度在每小时100km。CiAS是该机构开发的软件，