CCTV管道檢測機器人設(shè)計分析

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摘要：隨著管道在工業(yè)生產(chǎn)及人民生活中的廣泛應(yīng)用，我國每年需要耗費大量人力物力進行管道的清潔和維護,大量管道因管內(nèi)環(huán)境或架設(shè)地點危險而無法進行維護。為了解決這些問題，本文綜合運用嵌入式、自動控制、3D打印等技術(shù)設(shè)計了一款基于cctv的管道機器人，該機器人可攜帶檢測及清潔設(shè)備，操作人員通過控制臺控制機器人進入管道進行管道情況檢查和管道內(nèi)壁清潔,可以保證工作人員安全并節(jié)省大量費用。

關(guān)鍵詞：CCTV；管道檢測

引言

管道在石油儲運、天然氣運輸、國防科技等方面廣泛應(yīng)用，很多管道是豎直架設(shè)、架設(shè)在高空、埋于地下，這些管道的維護費力、費用昂貴且易發(fā)生安全事故。我國每年在管道監(jiān)測維修方面耗資巨大，因高空作業(yè)造成的人員傷亡事故以及由于管道故障維修地點空間狹小影響維護或放棄監(jiān)測、維修的現(xiàn)象數(shù)不勝數(shù)。針對這一問題，本文設(shè)計了一款基于CCTV的管道檢測機器人，可攜帶檢測設(shè)備和各種儀器進入高空管道及地下管道，完成對檢測管道等任務(wù)。

1CCTV系統(tǒng)介紹

管道閉路電視檢測系統(tǒng)(CCTV：Closed-CircuitTelevision)是專門進行地下管道檢測的工具，CCTV檢測系統(tǒng)包括三個部分：智能爬行器、自動線盤以及視頻控制臺，易于操作，便于移動，能夠?qū)Λ@取影像進行處理，對攝像頭的旋轉(zhuǎn)和定位進行記錄，具有高質(zhì)量的圖像記錄和文字編輯功能[1]。

2整體設(shè)計思路

本文設(shè)計的管道檢測機器人主體為攝像小車和PC機。選用的CCTV型號根據(jù)管徑大小確定。在進行管道檢查前，為保證車體順利通過，首先要使用高壓沖洗車沖洗管段，然后暫時將上游排水管封堵，將污水抽至污水井中，待被觀察管道中水深降至低于CCTV攝像頭位置時即可投入工作[2-3]。

3系統(tǒng)方案

3.1總體構(gòu)架

管道機器人分為外部控制系統(tǒng)和管內(nèi)執(zhí)行系統(tǒng)兩大部分組成；管壁內(nèi)執(zhí)行系統(tǒng)又包括檢測系統(tǒng)、清理系統(tǒng)和動力系統(tǒng)。管道機器人通過動力系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、清理系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等部分完成運動控制、管道內(nèi)部環(huán)境檢測、管道清理及通信等工作。檢測系統(tǒng)：主要完成管道內(nèi)的照明，管道內(nèi)溫度和壓力的檢測。清理系統(tǒng)：主要完成管道內(nèi)壁的清理。視頻系統(tǒng)：配合照明系統(tǒng)進行視頻采集，方便用戶觀察管道內(nèi)情況。監(jiān)測系統(tǒng)：通過檢測系統(tǒng)獲取的管道內(nèi)壁溫度和管道內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測系統(tǒng)，進行計算和現(xiàn)實輸出。密封車體：車體由亞克力材料制作而成，電纜等開口部分使用環(huán)氧樹脂防水玻璃膠進行密封，保證車體在嚴(yán)格密封的情況下允許通過電纜進行內(nèi)外通信。

3.2系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文設(shè)計的基于CCTV的管道檢測機器人包含控制系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、清潔系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)等部分。結(jié)構(gòu)圖如圖1所示?？刂葡到y(tǒng)電路圖如圖2所示。

3.2.1控制核心控制模塊包括機體控制部分及手柄控制部分，其中機體控制部分核心板使用ArduinoMega2560開發(fā)板，手柄控制部分核心開發(fā)板使用ArduinounoR3展板。

3.2.2傳感器系統(tǒng)傳感器系統(tǒng)包含數(shù)字溫度傳感器和流體壓力傳感器。在檢測管道前，采用溫度傳感器DS18B20和流體壓力傳感器BA5803，對需要對管道內(nèi)的環(huán)境進行溫度和壓力檢測。溫度傳感器使用DS18B20，這款溫度傳感器接線方便，封裝后可滿足管道檢測、電纜溝測溫等多種非極限溫度的測溫要求。流體壓力傳感器選用BA5803，這是一款采用MEMS技術(shù)將高線性壓力傳感器與一個低功耗的24位模數(shù)轉(zhuǎn)換電路（ADC）集成于一體的數(shù)字氣壓傳感器模塊，支持SPI和I2C總線傳輸協(xié)議，可與任何微處理器匹配工作。

3.2.3數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要包含PAL制視頻系統(tǒng)和TTL轉(zhuǎn)232模塊，管道內(nèi)照明控制系統(tǒng)配合PAL制視頻采集系統(tǒng)方便用戶觀察管道內(nèi)情況。PAL(PhaseAlterationLine)系統(tǒng)是逐行倒置相位也是一個同步系統(tǒng)。它對同時傳送的兩個色差信號中的一個色差信號采用逐行倒相，另一個色差信號進行正交調(diào)制方式。在該管道檢測機器人中利用PAL制攝像頭采集視頻并實時顯示。TTL轉(zhuǎn)RS232電平串口模塊，采用2.0mm間距4芯和6芯的雙接口，兼容相應(yīng)模塊。使用TTL轉(zhuǎn)RS232模塊，是數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)所在PC機和管道機器人控制核心之間的串口通信電平保持一致，保證二者之間的順利通信。

3.2.4運動系統(tǒng)為保證機器人平穩(wěn)通過直線管道且在管道轉(zhuǎn)彎處能夠?qū)艿拉h(huán)境自適應(yīng)，機器人采用四驅(qū)方式及萬向輪，保證動力和適應(yīng)能力。運動系統(tǒng)主要由電機系統(tǒng)和減震調(diào)距系統(tǒng)組成。為了適應(yīng)不同管道，將電機支架做成螺紋伸縮桿，調(diào)節(jié)范圍在5cm~15cm之間，采用雙螺母鎖死，可保證支架完全鎖死;減震調(diào)距系統(tǒng)使用可調(diào)節(jié)彈簧，使輪距可調(diào)節(jié)，且具有良好的減震作用[8-9]。機體驅(qū)動采用大功率驅(qū)動芯片BTS7960組成的H橋驅(qū)動模塊，該模塊具有過熱過流保護功能。雙BTS7960H橋驅(qū)動電路，具有強勁的驅(qū)動和剎車效果，采用74HC244芯片有效隔離單片機與電機驅(qū)動。

3.2.5清潔系統(tǒng)清潔系統(tǒng)包含高壓水泵和清潔刷，主要作用是通過高壓水泵噴水，配合清潔刷，對管道內(nèi)壁的污垢進行清洗。

3.2.6遠程供電系統(tǒng)遠程供電控制系統(tǒng)主要由繼電器和相關(guān)電路組成，通過遠程5V供電控制繼電器從而控制密封倉內(nèi)電壓的通斷。

3.3系統(tǒng)軟件設(shè)計

操作人員通過控制臺發(fā)出指令，主控板接收通過串口發(fā)送的指令后對信號進行處理，當(dāng)信號與程序設(shè)定信號匹配時，執(zhí)行相應(yīng)命令。指令解析的流程圖如圖4所示。

4項目特色

本文設(shè)計的機器人采用自主設(shè)計的運動系統(tǒng)，能夠在進行管道巡檢的同時完成管道清潔功能；可遠程控制及照明；進行視頻傳輸、數(shù)據(jù)傳輸。在設(shè)計完成過程中結(jié)合3D打印技術(shù)，機器人控制臺、彈簧固定底座、連桿支座、機體后蓋、隔板等部件均由學(xué)生建模并自主打印。該機器人“博創(chuàng)杯”全國大學(xué)生嵌入式設(shè)計大賽、全國大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計競賽等各類競賽中獲得優(yōu)異成績。

5結(jié)論

本文通過綜合運用嵌入式、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器、視頻傳輸、3D打印等多種技術(shù)設(shè)計完成了一款基于CCTV的管道檢測機器人，該機器人可完成管道檢測及清潔工作，機器人運動靈活，可攜帶大量傳感器節(jié)點。數(shù)據(jù)傳輸快捷，遠程控制保證操作者工作環(huán)境安全，并能通過人機交互方式實施觀察機器人工作狀態(tài)，獲取檢測目標(biāo)信息和圖像，具有較強的工作效率和環(huán)境應(yīng)對能力。

作者：張晶 王紅鷹 藍天蘭 單位：州交通大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)國家級實驗教學(xué)示范中心